綜掘機(jī)和整體模板臺車在凍結(jié)斜井的應(yīng)用

張玉杰

(河南國控建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450009)

目前，在我國礦山建設(shè)中斜井工程的施工方法和工藝已經(jīng)很成熟，采用手抱鉆打眼炮掘配拼裝模板支護(hù)的施工工藝，這種工藝具有工藝簡單、施工設(shè)備少、成本低的特點，被廣泛采用。但是這種方法存在施工進(jìn)度低、勞動強(qiáng)度大、巷道成型較差等缺點，不適合在巖層松散、富水的地質(zhì)條件下的礦建工程建設(shè)使用，多年來這些不足一直未有大的改善，制約著工程建設(shè)，需要改進(jìn)上述施工工藝。經(jīng)過不斷摸索，找出了新的方法，綜掘機(jī)掘進(jìn)配全斷面整體模板臺車在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)得到了肯定，這種施工方法具有施工進(jìn)度快、勞動強(qiáng)度低、混凝土澆筑巷道成型好、圍巖破壞小等特點[1-3]。

陜西省神木市升富礦業(yè)有限公司副斜井凍結(jié)工程，釆用普通鑿井法進(jìn)行施工。明槽段采用地面旋噴樁+預(yù)注漿加固地層方法施工了38 m，后因出水無法施工。根據(jù)水文地質(zhì)資料以及結(jié)合鄰近礦井井筒的施工情況，釆用普通鑿井法施工難以完成礦井工程的建設(shè)，決定調(diào)整建設(shè)方式采用凍結(jié)法斜井施工。合適的施工工藝對工期和工程質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，傳統(tǒng)的炮掘和拼裝模板支護(hù)工藝，簡單可靠，但是不能滿足工期的要求。礦井建設(shè)初期，對采用的施工方法進(jìn)行了選擇，經(jīng)多方考察研究決定采用綜掘機(jī)配備全斷面整體移動模板臺車的施工工藝[4-5]。在實際建設(shè)施工檢驗中，這種施工方法在升富礦副斜井建設(shè)中表現(xiàn)出速度快、巷道成型光滑、質(zhì)量可靠的特點，取得了顯著效果。

1 工程概況

陜西省神木市升富礦業(yè)有限公司升富煤礦位于陜西省的北部，距神木市較近，位于市區(qū)西北方向，屬陜西省神木市錦界鎮(zhèn)管轄。副斜井掘砌工程總長度1 700 m，掘進(jìn)寬7 500 mm、掘進(jìn)高6 650 mm，凈寬5 450 mm、凈高4 350 mm。井筒上段釆用凍結(jié)法施工，下段釆用普通鑿井法施工，凍結(jié)段斜長1 500 m，傾角6°，目前在亞洲相同的煤礦斜井凍結(jié)掘砌工程的長度排在前列。

在斜井井筒掘砌工程施工中，根據(jù)工程實際情況制定措施，克服了斜井?dāng)嗝娲?、支護(hù)工藝復(fù)雜、凍結(jié)斜井不能滿足快速掘進(jìn)需要等諸多困難。在凍結(jié)段和基巖段掘砌施工采用綜掘機(jī)開挖和裝渣，配合錨桿支護(hù)和全斷面整體移動模板臺車支護(hù)施工，安裝除塵風(fēng)機(jī)降塵[6]，取得了良好的施工效果。模板臺車在巷道的布置如圖1所示。

圖1 模板臺車在巷道的布置Fig.1 Layout of the formwork trolley in the roadway

2 水文地質(zhì)

由地質(zhì)報告可知各含水層抽水結(jié)果，第四系松散砂層潛水富水性弱，風(fēng)化巖段厚度較大，巖芯破碎，裂隙發(fā)育，富水性中等；直羅組砂巖厚度大，以原生節(jié)理、層理為主要裂隙，富水性中等；延安組段含水層粉砂巖及砂質(zhì)泥巖互層，裂隙發(fā)育微弱，富水性弱。

據(jù)水質(zhì)化驗，第四系松散砂層潛水、直羅組及延安組地下水水質(zhì)均偏堿性，礦化度較小，為淡水。井筒涌水量計算見表1。

表1 井筒涌水量計算Tab.1 Calculation of wellbore water inflow

3 副斜井凍結(jié)段施工方案

副斜井為分區(qū)段凍結(jié)方案，凍結(jié)段掘進(jìn)時進(jìn)行掛網(wǎng)和架設(shè)鋼骨架，在掘進(jìn)工作面后巷進(jìn)行外壁混凝土鋪底和部分墻體砌筑，距工作面60 m位置進(jìn)行內(nèi)壁混凝土鋪底和部分墻體砌筑，每次鋪底長度6 m(含兩側(cè)墻體高各0.3 m)，在掘進(jìn)工作面后66～76 m，利用6 m長模板臺車進(jìn)行內(nèi)壁混凝土二襯的平行、交叉作業(yè)施工方案。

3.1 機(jī)械化配套方案

機(jī)械化配套方案見表2。

表2 施工機(jī)械一覽Tab.2 List of construction machinery

3.2 副斜井凍結(jié)段施工工藝

3.2.1 凍結(jié)段掘進(jìn)

副斜井凍結(jié)段施工采用1臺EBZ260型綜掘機(jī)，進(jìn)行凍結(jié)面的開挖、運(yùn)渣，裝載至WC5J防爆無軌膠輪車直接外運(yùn)出井，實際施工中這種施工工藝體現(xiàn)了巷道圍巖破壞作用小、安全靈活，運(yùn)輸簡單、施工快速的優(yōu)點，施工時當(dāng)凍結(jié)段掘進(jìn)至凍結(jié)管位置時，將凍結(jié)管割除并用悶板將端頭堵住，也可將部分凍結(jié)管預(yù)留作為混凝土輸送管用，根據(jù)施工進(jìn)度提前將井筒中間部位的凍結(jié)管內(nèi)鹽水排出，進(jìn)行掛網(wǎng)并架設(shè)鋼骨架，模板臺車配置2臺(1臺外壁全斷面模板臺車，1臺內(nèi)壁全斷面模板臺車)，巷道掘進(jìn)長度不超過1 m 進(jìn)行一次支護(hù)，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)架設(shè)工字鋼棚。

在距掘進(jìn)工作面20 m位置進(jìn)行外壁混凝土鋪底，每次鋪底長度為6 m，掘進(jìn)工作面26～38 m段，利用6 m外壁全斷面模板臺車進(jìn)行外壁拱部和墻體混凝土砌筑。

為保證施工安全及加快施工進(jìn)度，采取了內(nèi)、外壁支護(hù)施工平行、交叉作業(yè)施工方案，在距工作面44～68 m，利用6 m內(nèi)壁全斷面模板臺車進(jìn)行內(nèi)壁和底板砌筑，永久支護(hù)完成的區(qū)段20 d后混凝土強(qiáng)度滿足支護(hù)要求，可停止該區(qū)段凍結(jié)工程。

工程掘進(jìn)時掘進(jìn)機(jī)截割頭在凍結(jié)工作面切割時，表現(xiàn)的效果良好，綜掘機(jī)液壓系統(tǒng)經(jīng)閥組控制傳動各部件，經(jīng)齒輪減速機(jī)輸出強(qiáng)大扭矩，截割巖層沖擊力較小，凍結(jié)后的砂巖剝離干凈無黏結(jié)。工作面多為砂巖，切割硬度較小，綜掘機(jī)截割頭在施工面由左下進(jìn)行掏槽，按“Z”形從左向右切割，循環(huán)向上，使截割頭“Z”形軌跡對整個巷道斷面進(jìn)行有規(guī)律的切割。進(jìn)刀深度不超過550 m為宜，第1次截割完成，使截割過的巷道斷面參數(shù)接近設(shè)計參數(shù)，然后進(jìn)行第2次修整截割，從巷道的左右下部進(jìn)刀均可，但要注意不可過度截割，修整截割至設(shè)計參數(shù)，切割的渣石落入綜掘機(jī)鏟板的鏟板上，由鏟板星輪裝巖裝置連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，將渣石裝入綜掘機(jī)第1臺刮板運(yùn)輸機(jī)、橋式膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)，轉(zhuǎn)載至防爆無軌膠輪車運(yùn)出礦井。

3.2.2 凍結(jié)段整體模板臺車的使用

(1)綜掘機(jī)完成巷道掘進(jìn)開挖，臨時支護(hù)施工采用錨網(wǎng)索噴護(hù)，永久支護(hù)施工采用整體移動模板臺車混凝土澆筑支護(hù)施工技術(shù)，在距掘進(jìn)工作面20 m位置進(jìn)行外壁混凝土鋪底和部分墻體砌筑，每次鋪底長度為6 m(含兩側(cè)墻體高各0.1 m)，在掘進(jìn)工作面后66～76 m，利用模板臺車進(jìn)行內(nèi)壁混凝土二襯的平行、交叉作業(yè)施工，完成混凝土內(nèi)壁澆筑。

(2)整體移動模板臺車，是為各種平硐或緩坡巷道等的混凝土澆筑施工制造的專用設(shè)備，表現(xiàn)出支模迅速、自動脫模功能，襯砌表面光滑成型準(zhǔn)確，施工周期短的特點。模板臺車的操作較為復(fù)雜，具體可分為臺車脫模、臺車行走、臺車立模等程序。全斷面模板臺車設(shè)備分為臺車、棧橋2部分，臺車長度6.2 m，斷面寬5.4 m，利用鋼模板拼接好巷道襯砌形狀，設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)用以抵抗模板傳遞的力；棧橋長40 m，有效凈跨徑 26 m，由前引橋、主橋、后引橋、前后橫移機(jī)構(gòu)及自動走行小車等部件組成。臺車是平硐和緩坡巷道混凝土支護(hù)施工建設(shè)中重要的輔助施工設(shè)備，因為巷道參數(shù)不同，其對應(yīng)襯砌臺車也不同，具有唯一性。

(3)整體移動模板臺車的操作程序為：①臺車脫模。注漿完成混凝土凝固一定時間后，進(jìn)行脫模，操作液壓系統(tǒng)，先使模板臺車側(cè)模板脫離襯砌面，收起頂支撐千斤頂及模板限位裝置，操作人員操作遙控操作盒，發(fā)出信號，接收裝置收到訊號控制相應(yīng)的換向閥，接通液壓油路伸縮油缸收縮，使臺車支撐面脫離混凝土表面。②臺車行走及立模。模板臺車完成脫模后，操作液壓卷揚(yáng)機(jī)牽引模板臺車前進(jìn)至下一工作位置，將模板固定，收起前后引橋和棧橋支腿，操作液壓卷揚(yáng)機(jī)牽引棧橋前進(jìn)至下一工作位置，支起棧橋引橋、支腿，模板定位進(jìn)行混凝土澆筑。③混凝土澆筑。立模完成之后，應(yīng)校驗與設(shè)計參數(shù)是否符合，并進(jìn)行調(diào)整修整，誤差在允許范圍內(nèi)可進(jìn)行注漿?；炷翝仓r，先從模板臺車下部注漿窗口進(jìn)行澆筑，混凝土澆筑至注漿窗口時，關(guān)閉封嚴(yán)窗口，然后從上一排注漿窗口進(jìn)行注漿，循環(huán)往復(fù)，直至整個斷面澆筑完成。

反復(fù)循環(huán)立模、注漿、脫模、行走的工作過程，完成模板臺車的整個作業(yè)程序如圖2—圖5所示。

圖2 液壓脫模Fig.2 Hydraulic demoulding

圖3 液壓移模Fig.3 Hydraulic shift

圖4 棧橋前移Fig.4 Trestle forward

圖5 調(diào)整模板支模Fig.5 Adjust template support

澆筑混凝土可使用商混或在副斜井硐口附近安裝混凝土攪拌站拌制混凝土，利用廢棄凍結(jié)管下放至工作面附近，由HBMD-15/8-30S型混凝土輸送泵輸送混凝土入模。

3.2.3 凍結(jié)管的處理

副斜井凍結(jié)管沿井筒延伸方向布置，共布置5排凍結(jié)管，中間3排孔穿過井筒，2排孔在井筒范圍以外，距井壁1.5 m，凍結(jié)斜井工程分為明槽段和暗硐段。為確保掘進(jìn)施工安全，采取的措施：①明槽段施工，將開挖斷面內(nèi)地面布置的鹽水管等管路進(jìn)行拆除，輪廓線外的2排凍結(jié)管保留，維持凍結(jié)。明槽開挖前關(guān)閉凍結(jié)管閥門，抽凈凍結(jié)管內(nèi)鹽水，截割斷面內(nèi)凍結(jié)管。②暗硐段施工，掘砌至該凍結(jié)區(qū)域前，提前關(guān)閉該區(qū)域掘砌范圍內(nèi)凍結(jié)管，拔出供液管，并回收管內(nèi)鹽水，割除該區(qū)域凍結(jié)管，割管的同時，做好掘進(jìn)前方的下一列凍結(jié)管的停凍、排空和拔管等工作。凍結(jié)管應(yīng)從荒徑位置割平凍結(jié)管口，用厚10 mm鋼板焊接封堵，外壁澆筑時，一同將凍結(jié)管澆筑，確保井壁質(zhì)量。為防止井壁與凍結(jié)壁間化凍造成壁后竄水，采用封頭孔處理技術(shù)。

4 斜井凍結(jié)段防治水

副斜井凍結(jié)段設(shè)計為雙層井壁，通過井壁夾層注漿達(dá)到堵水的效果，夾層注漿可以充填內(nèi)、外層井壁之間存在的縫隙，同時充填外層井壁接茬縫及由于壓力產(chǎn)生的外壁裂隙。

注漿時間一般選在井壁夾層凍結(jié)壁解凍前，應(yīng)在井壁與凍結(jié)壁間溫度為0～4 ℃時進(jìn)行，這樣能確保井壁夾層注漿效果，根據(jù)實際經(jīng)驗，套砌內(nèi)壁結(jié)束后即可開始夾層注漿。漿液為單液水泥漿，上行式注漿方式，斜長每30～50 m為一注漿段高，注漿孔為五花布置，孔深進(jìn)入外壁100 mm；注漿壓力終壓P=H/100+1.3 MPa，水灰比為1.00～0.75，水泥為P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥。當(dāng)遇到漏漿時，可調(diào)整漿液濃度或斷續(xù)注漿。

5 過斷層及地質(zhì)構(gòu)造帶施工

為了保證工程過斷層及地質(zhì)構(gòu)造帶的施工安全，可根據(jù)實際揭露圍巖的穩(wěn)定情況采取措施：①超前導(dǎo)硐邊刷邊支法；②管棚注漿法；③超前錨桿支護(hù)法，超前支護(hù)2.5～3.0 m，以防止頂板冒落；④采取適當(dāng)加密錨桿間排距或架設(shè)金屬支架、增加錨索等綜合支護(hù)措施，同時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)快速通過地質(zhì)構(gòu)造帶。

6 結(jié)語

在凍結(jié)斜井探索采用綜掘機(jī)掘進(jìn)開挖，2臺全斷面模板臺車前后支護(hù)施工的工藝，工人的勞動強(qiáng)度大為降低，使得施工進(jìn)度加快。在凍結(jié)斜井施工現(xiàn)場發(fā)生數(shù)次斜井停掘的現(xiàn)象，即凍結(jié)進(jìn)度低于掘進(jìn)速度，掘進(jìn)工程等待凍結(jié)進(jìn)度。原因是制定凍結(jié)工程工期時，未預(yù)計到礦建掘進(jìn)施工的速度大于凍結(jié)速度，凍結(jié)工程工期滯后礦建掘進(jìn)工期，造成了礦建工程窩工，否則斜井成巷成績還能進(jìn)一步提高。這提示后類似工程施工應(yīng)注重凍結(jié)方案優(yōu)化，應(yīng)合理制定凍結(jié)工程工期，使之能夠與礦建工程有序配合銜接，滿足礦建施工進(jìn)度的需要。綜掘機(jī)配備整體移動模板臺車施工工藝，克服了以往鉆爆施工法鑿巖機(jī)進(jìn)眼困難、掘進(jìn)慢、支護(hù)困難的弱點，在施工中表現(xiàn)出了施工速度快、機(jī)械化程度高、勞動強(qiáng)度低以及整體性和抗震性好、混凝土結(jié)構(gòu)成型準(zhǔn)確、密實光順、大幅度提高工作效率等優(yōu)點。該技術(shù)在國內(nèi)煤礦凍結(jié)斜井實踐中尚處于推廣階段，升富煤礦凍結(jié)副斜井井筒施工中，創(chuàng)造了凍結(jié)斜井掘進(jìn)和砌碹成巷80 m/月的最好成績。