摘要:随着当前立井井筒直径越来越大、井筒深度越来越深,井筒施工难度越来越大,在施工管理和施工工艺等方面诸多问题逐渐显现。根据多年的施工经验,本文从大直径深立井的劳动组织、项目筹备、工程施工、深立井注浆以及通风、排水、供电系统等方面的施工管理及重点环节进行重点分析、研究,阐述了在大直径深立井施工中应注意的重点事项和关键问题,对施工关键环节提出了新颖的方法和思路,对其他大直径深立井的井筒施工具有很好的借鉴意义。
关键词:大直径,深立井,施工管理,重点环节,探析
目前,煤炭仍然是人类使用最主要的能源之一,立井开拓是煤炭开采的一种主要开拓方式,约占新开工矿井总数的40~50%。近年来,随着我国西部资源的开发,以及浅部煤炭资源的日趋减少,立井井筒直径逐渐变大,深度也逐渐加深,如内蒙古中煤能源葫芦素煤矿副立井井筒,净径10.0m,井深704m,为当前国内直径最大的立井井筒;山东双合煤矿主井井筒,净径5.5m,井深1101.8m,兖煤集团公司赵楼煤矿副井井筒净径7.2m,井深936m;华亭煤业新庄煤矿副井井筒净径9.0m,井深1025.3m。井筒深度均为千米级深井。在这种趋势下,井筒施工难度逐渐加大,从劳动组织、施工筹备、井筒施工、井筒注浆堵水以及各大系统的布置等方面存在越来越多的问题,诸多矛盾显现的越来越突出。中煤三十一处做为立井施工专业队伍,近年来施工了多项大直径深立井,在大直径深立井施工方面积累了丰富的经验,现将我们在施工中遇到的一些主要问题、思路、做法等做简要总结。
一、劳动组织
从简化管理环节考虑,立井项目部劳动组织体制可分为项目部管辅人员和综合队两大部分。
项目部管辅人员主要包括项目部领导班子、工资、财务、预算、采购、食堂、澡堂、保卫等。
综合队主要包括队干、井下直接工、岗位工和机电维修人员。此处的井下直接工专指工作面作业人员,因井筒直径大,尤其是在冻结段施工中井筒断面可达100m2以上,每次爆破后,矸石提升量非常大,因此在井下直接共班组分配中应打破原来四个小班“滚班”作业的劳动组织,增加一个班次,形成五小班“滚班”作业制度,减少工人劳动强度,提高工作效率。在冻结段分为掘进班、开帮班、平底班、钢筋班、浇灌砼班。在基岩段分为钻眼放炮班、出矸平底班、浇灌砼班、出矸班、清底班;岗位工主要包括井上下把钩信号工、翻矸工、绞车工等;机电维修人员主要包括绞车、稳车、伞钻、抓岩机、挖掘机、搅拌站、压风机、变电所等常用设备的维修人员。岗位工和机电维修工实行“三八”制作业。
以上是立井基岩段施工人员岗位配置的一个参考数据,实际的人员配置或冻结表土段施工时,某些岗位可以考虑调整或兼职,项目部总人数控制到180人以下。
二、立井筹备
冻结井的施工,是冻结与掘进相互配合的过程。能否与冻结进度配合好,做到按时开工,至关重要,对工程的施工进度起了决定性作用。立井筹备期间的工作,具有极其复杂的性质,是对一个项目部综合素质和科学管理的考验。本阶段工作的主线可归纳为三条:生活区建设、设备基础施工、设备的调运安装调试三大部分,其中设备的调运安装调试工作量占的比重最大。筹备期间重点要做好场地的规划、设备的调运和安装前检修、加工件的制作、工序的排队等工作。施工过程中,力求确保每项工作的系统性、合理性、逻辑性、实用性、安全性。如果组织得当,立井筹备总用时2.5~3个月左右。
三、锁口及试挖段施工
1、按提升方式不同,锁口和试挖段的施工方式一般有三种形式。
(1)调度小绞车配“V”型矿车或其它临时容器提升
由于目前立井施工工期大多比较紧张,筹备期比较短,在锁口施工时,提升绞车、井架溜槽等设备常常还没有安装好。这时,可以临时采用JD-40以上调度小绞车配“V”型矿车等临时提升容器进行提升。提升装置、连接件、钢丝绳的选用必须严格计算,其保险系数应大于6,使用前应做试验。容器在井筒运行或在井口转向时,井下作业人员必须在另一侧躲避;容器上下运行前,附着于提升容器上的杂物必须清除干净,必须稳好后方可运行;容器运行时,可辅以麻绳拉拽,保持容器的稳定。焊接提升环及提升用钢丝绳套,要有防脱钩连接装置,每班必须有专人检查。这种提升方式,简单易行,但提升能力和安全系数较低。
(2)绞车配吊桶提升
施工时,采用井筒正式开工后的设备进行施工,用吊盘作为临时封口盘和浇灌砼作业,这种施工方式有施工速度快,安全可靠的特点,但对筹备的整体组织要求较高,绞车、稳车、吊盘,二层平台,天轮平台、溜槽等设备的安装工作要全部完成。该方式缺点是用吊盘作为临时封口盘,井口封口不严实,留有许多孔洞,对立井防坠安全造成很大的隐患,需重点防范。现大部分井筒施工采用这种形式,井筒初期施工速度(包括锁口施工,三盘吊挂,大模安装等)远远超出其他方案的施工速度。
(3)稳车配吊桶提升
在某些特定条件下,井筒试挖时,提升绞车还没有调试好,可以临时采用这种方式进行施工,之所以可以采用这种方式,是因为稳车提升速度一般在6m/min,且由于工作面距二层平台距离较近,所以稳定性也较好,速度也较快。但要每班专人检查稳车的对轮销子,防止跑车事故的发生。
2、施工方法
目前,锁口及冻结表土段的施工,大多采用短段掘砌混合作业法,小型挖掘机配合人工挖土掘进。挖掘机开挖前就应预先下井。由于此时井帮一般还处于不稳定状态,所以段高不宜过大,可先采用1米高组装小模板进行砌壁,加上接茬段高为1.3米。试挖一段时间井帮稳定后,可采用两套小模板实现2.3米段高或采用整体模板的上一半配刃脚进行浇灌砼砌壁,在吊盘上作业,以提高施工速度。
3、施工注意事项:
(1)锁口试挖施工前,首先要弄清冻结管的方向、位置、数量、距掘进断面距离、冻结壁发展的实际情况,然后编制具体的施工措施。静水位以上部分预留1米以上保温层后,可直接施工。静水位以下部分要接到冻结单位书面通知,确认冻结井壁已全部交圈后方可进行试挖施工。
(2)试挖前,要对所有相关的机械设备,尤其是井架、绞车等必须做全面的检查验收,确认安全后方可开工。
(3)冻结井锁口段试挖:首先在井筒的对角线方向选4处,自井帮向冻结壁方向各挖一深1.2~1.4 m、宽0.6 m、高1.2 m的探槽,观察冻结壁实际形成情况。当冻结壁距荒径不超过400~600㎜,并证实冻结壁具有一定厚度和强度,才可正式开挖。
(4)锁口施工时,要注意等井壁混凝土充分凝固后,方可继续掘进下一段高。掘进过程中,要专人密切观察上段井壁情况,也可采用点柱等形式对其进行支撑,雨季施工要注意防止地面水或雨水灌入井内,冬季施工时要注意混凝土防冻问题,防止井壁由于围抱力不够整体下沉事故的发生。
四、冻结段外壁施工
1、土层的施工:表土段掘进以挖掘机挖掘为主,人工挖掘刷帮为辅进行掘进,也可同时选用抓岩机装罐。掘出段高后,绑扎钢筋,脱模板,浇灌砼。整体模板高度一般在3.4~4.0m之间,段高过大,会增大片帮等不安全隐患发生的机率。段高过小,循环组织频率高,整体施工速度会降低。土层中施工还应注意以下问题:
(1)施工过程中,要经常与冻结单位沟通,对冻结壁的发展情况进行科学的控制。如果冻结壁发展过慢,距掘进断面距离过大,会造成严重的片帮问题,极不安全,又浪费支护材料。如果冻结壁发展过快,进入掘进断面过多,会造成掘进难度大增。据不完全统计,井筒内全部冻实后,外壁掘砌速度大多低于40m/月,国内尚无高效的解决办法。但这个问题可以通过冻结单位预先降低循环盐水流量的办法来控制。
(2)施工过程中,特别是在深厚粘土层中施工时,要指派专人观测井帮和井壁的压力情况,通过埋设压力盒传感器等仪器量化观测,及时掌握压力和位移的变化,以便采取必要的处理措施。压力造成的裂纹大多是以纵向为主,脱模后一两小时到一两天内出现。如果压力过大,造成外层井壁严重变形开裂,钢筋鼓出,粘土层底鼓严重,将井壁挤裂等现象时,可以考虑缩短段高、立即进行砌壁、加快掘进速度、缩短井帮暴露时间等措施。
(3)很多冻结井外壁,设计铺有50~100mm厚的泡沫塑料板,可以起到对混凝土保温和缓解冻结壁位移压力的作用,但这同时也减小了井帮对混凝土的围抱力,可能造成井壁在脱模后整体下沉或上部出现环状裂纹。另外,泡沫塑料板的材质、强度等指标尚无规范的验收标准。井筒浇灌完混凝土向下开挖前要由有经验的工人把模板绳拉紧,可以在一定程度上缓解段高中上部环状裂纹的发生,但由于井壁厚度大,重量大,钢筋绳有一定的伸长量,所以很难完全避免。竖筋采用滚压直螺纹套筒连接也可有效的缓解这一问题的发生。
(4)冻结表土的施工因断面大,开挖量大,人工开挖已经不符合实际情况,因此在大直径井筒采用小型挖掘机挖掘,能够大大提高施工效率,节约人工费用,安全系数亦能得到很好的保障,中煤三十一处现所有直径超过6m的井筒冻结表土段施工时均采用小型挖掘机挖掘,施工速度得到很大程度的提高,取得了良好的经济效益。
(5)冻结段外壁施工时,由于井帮温度低,施工速度快,浇灌混凝土要加入适当的防冻早强剂,确保早期强度的快速增长,同时做好对比性试块,脱模前要认真观察混凝土凝固的实际情况,防止脱模后整个段高混凝土垮落伤人。
(6)浇灌混凝土大多采用底卸式吊桶下料经溜灰槽或溜灰管入模,由于从地面直接通过溜灰管入模的方式混凝土容易出现离析而导致质量问题,加之不安全因素极大,所以近两年的实际施工应用中有减少的趋势。
(7)二次套壁的优缺点:在某些特定的条件下,如外壁开裂严重,随时有垮塌的危险,外壁没有施工到底必须进行内壁的套砌。这种施工方式能够保证施工的基本安全,但也存在一定的问题:一是冻结单位还需积极冻结,冻结壁体积继续膨胀,会造成内壁的压裂,使井筒整体强度下降。二是工作面长时间停止,会造成严重的底鼓,从而在上部套壁期间把最下面几个段高的混凝土破坏。所以套壁前,必须在工作面浇灌足够厚度的混凝土锅底,以确保安全。
(8)根据现有的理论公式,冻结壁厚度和强度的设计计算结果和现实施工相去甚远,存在很大的人为经验判断性,理论基础还需进一步研究,目前以不漏水为原则。但有时把井筒全断面全部冻实,给施工造成了极大的困难。从这种意义上讲,相关的验收规范和行业标准尚需完善。
(9)在冻结段外壁掘砌施工时,通风量不宜过大,只要能满足规程对人员呼吸的基本需要即可,尤其在夏季施工时,更要注意这一点,避免过量通风造成冻结壁化冻片帮伤人。
2、冻结风化基岩段施工
冻结风化基岩段采用钻爆法掘进,施工工艺和基岩段差别不大,但要注意以下问题:
(1)选用抗冻型的炸药雷管。
(2)根据经验统计,岩石经低温冻结后,整体强度和抗爆性可增大1.5~2.0倍,所以单位原岩的炮眼密度和炸药消耗量也要按此比例增加。
(3)根据近几年实际施工的摸索,冻结风化基岩中深孔爆破技术已趋于成熟,相关的国家规范“冻结风化基岩炮孔深度不宜大于1.8米”有待于改进。炮轰波对低温钢材的影响和破坏也需要深入研究。
(4)由于冻结岩石温度低,钻眼爆破均采用干打眼的钻眼方式,职工应佩带相应的劳保用品。
(5)为防止套砌内壁时冻结段下部出水,考虑到地温、冻结孔偏斜、盐水循环杂质在下部积淀等因素的影响,规范规定:冻结段底部壁座的位置要比冻结深度浅5~8米,冻结段越深,所预留的安全保护层应越大。实际施工时还应考虑断层、裂隙、座底炮等因素的影响。
五、套砌内壁施工
外壁掘砌到底后,开始施工壁座和套砌内壁工作。浇灌混凝土一般采用金属装配式小模板,小模板高度一般为0.8~1m,各块模板之间用螺栓连接。从吊盘上组立模板,绑扎钢筋,浇灌混凝土。根据混凝土和钢筋量的不同,套砌的速度一般可达10~18 m/天。内壁施工应注意以下问题:
(1)壁座施工时,段高一般都比较大,要做好临时支护工作。
壁座下部的斜接茬要采用金属刃脚或其它形式施工好,确保斜面在30~60度之间,基岩段与此处相接的混凝土一定要密实。否则,井壁化冻后此处漏水,处理的难度极大。
(2)套砌内壁时,吊盘为三层的情况下,一般采用中层盘绑扎钢筋,下层盘组装模板浇灌混凝土,辅助盘进行拆模板作业方式。辅助盘一般为单层,其悬吊方式可以与吊盘相连接,也可采用整体模板绳进行独立悬吊,但一定要编制好提落防翻和人员作业的规范措施。
(3)浇灌混凝土和拆模板时,要密切观察混凝土凝固的实际情况。近两年,套壁时由于混凝土凝固不好而多次发生坍塌伤人的事故。
(4)内外壁之间,有的设计铺设有1~3mm厚的塑料板,目的一是为了防止化冻后水通过外壁流入井内,目的二为了内外壁的相对滑动。但从实际施工经验来看,这两个目的效果均不明显,设计原理有待于探讨和改进。
(5)内壁施工,以连续浇灌混凝土的形式进行,具体大体积混凝土的特点,水化热比较大,通过温度传感器实测,高标号混凝土凝固过程中,内部温度可达75摄氏度以上。所以混凝土凝固后由于温度降低和内部结构变化,体积会收缩,而这种收缩会造成内壁的环形拉裂裂纹,宽度大多在1~4mm之间,出现的位置一般在外壁变断面等应力集中区。工程竣工后,可采用壁间注浆的方式来对裂纹进行封闭加固处理。
(6)由于目前深表土冻结深度大多在500米以上,地温较高,冻结壁化冻速度较快,为防止壁座处过早化冻出水,冻结单位的停机不宜过早,最好待内壁施工完毕吊盘落下后再停机。
(7)可缩性节头的安装:在深表土冻结井的使用过程中,由于解冻或地层因疏水沉降等原因,造成土层整体沉降,井筒外几百米厚的土层就会产生一个作用于井壁巨大的竖向附加力,从而破坏井壁。在内壁的设计中,国内部分深表土冻结井冻结风化基岩上部几十米处位置安装有可缩性节头,目的是缓解竖向附加力,确保内壁不被破坏。但是由于竖井附加力的估算可能和实际偏差极大。可缩性节头强度过高,井壁会在节头以外的别处被破坏;强度过低,可缩性节头起不到应有的作用。
六、冻结单层井壁施工
现有冻结井筒设计中,有设计为单层井壁,单层井壁有井壁厚度薄、矸石开挖量小、施工速度快等优点,但存在接茬漏水、井壁受冻胀力破坏的危险。
1、冻结基岩段内、外双层井壁结构,内层井壁为自下而上连续砌筑,不存在接茬缝;而单层井壁分段高自上而下逐段浇筑,井壁接茬多,冻结段解冻后漏水机率较双层井壁结构大。
2、冻结法井筒施工属特殊施工工艺,井壁混凝土在低温条件下凝固,受冻胀力的影响,一段时间后,井壁均存在不同程度的破坏,双层井壁结构在外壁受冻胀力损坏后,套砌内壁能够弥补该方面的缺陷,而采用单层井壁则存在因冻胀压力造成井壁被破坏的风险,并且冻结壁解冻后井筒防治水工作量较大。
3、内蒙古中煤能源葫芦素煤矿副立井井筒冻结段设计为900mm单层钢筋砼井壁,接茬设有止水钢板。但在井筒施工完毕后,冻结壁化冻,井筒涌水量达到50m3/h以上。
七、基岩段施工:
国内立井基岩段均采用钻爆法施工,标志性的设备有伞钻,中心回转抓机、整体下移金属模板。施工工序主要有:
1、伞钻打眼放炮:根据井筒直径和提升机静张力的不同,选取不同型号的伞钻,配YGZ-70型高频凿岩机,B25㎜,L=4500~5500㎜六角中空钢钎,Ø55㎜“十 ”字钻头。在井筒荒径超出单个伞钻作业范围时,可将2台伞钻进行联合,形成双联伞钻同时进行作业,扩大作业半径,同时增加凿岩速度。炸药可选择水胶炸药或乳化炸药,雷管可选用电磁雷管、导爆管或普通电雷管来引爆。
(1)从目前的爆破技术和雷管炸药的性能来看,将炮眼深度增加到5.5~6m,对现场操作来讲没有什么原则区别,可以较大幅度提高单炮爆破进尺。但是需要对施工设备进行更新之处较多,必须选用足够静张力的绞车、钢丝绳、封口盘至二层平台的高度也要加大,这会造成更新设备和施工成本大幅增加的问题。另外,还要考虑和混凝土浇灌段高相配套的问题。
(2)火工品的选型和使用:
基岩段施工时,工作面电器设备较多且多用电泵排水,有可能会漏电或出现杂散电流,雷管最好选取电磁雷管或导爆管。电磁雷管具有抗杂散电流、稳定性好、操作简单的特点,但价格较贵。导爆管也具有抗杂散电流、稳定性好、操作简单的特点且价格便宜,但是在揭煤或岩层里有瓦斯的情况下,不能使用。普通电雷管在使用时,在装炮过程中曾出现过响炮、早爆等事故,所以尽量少用,使用时必须要编制严格的操作规程和按章作业。炸药大多选用水胶炸药或乳化炸药,这两种炸药均防水,而且炮烟较小。如果和炸药厂联系好,选用作功能力 300ml以上的型号,爆破效果较为理想。
(3)在井筒无瓦斯的情况下,可选用隔段装药的方式。理论上讲,每圈炮眼响炮时间间隔在50~100ms之间时,爆破效果最好,但从我多年施工经验和实际统计数值来看,其效果差别并不大。
(4)现有的爆破理论证明,反向装药的爆破效果要好于正向装药,但反向装药岩石抛掷的高度也较高,力量也较大。采用反向装药,尽管有爆破效果稍好的优点,但是崩坏吊盘和抓岩机的机率增加了许多。由于井筒施工装药受客观条件的限制,吊盘提升的高度一般不超过30米,如果要再提高,就要拆管路电缆等,费工费时。所以装药方式要综合考虑,目前关于正反向装药的理论计算也尚需完善。
2、抓岩机配小型挖掘机、吊桶出矸石
立井出矸石普遍使用HZ-6型中心回转抓岩机。根据井筒断面不同,可选用一台或两台同时作业,同时井底安设一台小型挖掘机进行清底出矸作业,可大大提高排矸速度。吊桶一般选用2m3 、3 m3、4 m3、5 m3等几种规格。
3、整体下移金属模板浇灌混凝土
单缝伸缩整体下移金属模板在目前国内的立井施工中被广泛应用。段高一般在3.4~4.0m之间。按其接茬形式的不同,可分为三类:
(1)喷浆接茬
砌筑井壁砼时,两段高之间接茬留设200~300㎜的间隙,砌筑3~5个段高后集中喷砼支护。优点:①可以保证井壁砼的密实性和整体性。②施工工艺较为简单。 ③如果井壁渗水,可以在接茬位置预埋排水管,为以后注浆堵水创造条件。缺点:①表面平整度及观感质量有待于技术性改进。②喷射砼难以达到高标号混凝土的要求。
(2)利用接茬斜模板接茬:
大模板找正调平时,使接茬斜模板上平面高于上一段井壁砼100~150㎜,砌筑井壁砼时,砼浇灌至接茬斜模板上平面。脱模后,用风镐将接茬砼刷掉再用水泥砂浆抹平。优点:施工工艺简单,操作方便。缺点:①刷接茬时间较长,对高速施工不利。如果在模板上利用中上部小平台与其它工序平行作业,可节约时间,但安全性不好。②井壁密实性不好,如果井壁渗水,竣工时总涌水量难于控制。③观感质量有待于提高。
(3)利用合茬窗口合茬:
模板设计时,根据井筒直径大小,上部留有6~8个四方小窗口。模板调平找正时,模板的上平面高于上一段井壁100~150㎜。浇灌砼时,砼经过分灰器的溜灰管从窗口进入模板内。优点:①施工工艺简单。②接茬平整度较好。缺点:①窗口处混凝土密实性的质量不易控制,尤其在有钢筋和涌水的情况下。②接茬密实性不好,如果多处渗水,竣工时总涌水量较难于控制。
八、相关硐室施工
与立井井筒相关联的特殊硐室主要有马头门、箕斗装矿硐室、管子道等。这些工程具有断面大,施工工艺复杂的特点。开门口前要做好定向和高程导入工作。施工前,还要先进行探水或涌水量预测工作,防止开门口后涌水量大增,超过水泵的排水能力而淹井。如果水量大,可采用预注浆等措施。施工时,首先要做好锚网索喷等临时支护措施。硐室主体施工主要有导硐法、正台阶施工法、倒台阶施工法。支设模板、安装预埋件、梁窝、浇灌混凝土要严格按设计施工。
九、注浆的问题
立井施工中的注浆,作为防治水的主要技术之一,主要有工作面预注浆和壁后注浆两种形式。
1、工作面注浆:一般距含水层10米位置施工止浆垫,根据相关公式和施工经验,计算出注浆孔数量、注浆终压、止浆垫厚度等参数。施工工序为:止浆垫施工、止浆垫凝固、用钻机钻孔探水、注浆泵注浆、止浆垫拆除。注浆工艺的注意事项:
(1)止浆垫施工时,先铺设滤水层、安装滤水筒和孔口管,然后浇灌混凝土。浇灌混凝土时,可适当加入一定量的早强剂,以缩短凝固时间。根据静水压大小和混凝土标号,止浆垫凝固3~7天后,开始对其注浆加固,没有涌水时,终压3~5Mpa为宜;有涌水时,终压比静水压大2~3Mpa为宜。止浆垫的施工质量极其重要,是注浆成败的关键。施工时,可适当把井帮岩石通过放炮或风镐刷大300~500mm,或者止浆垫上平面与永久混凝土井壁下沿相接,以增大止浆垫与井帮的磨擦力;工作面有涌水时,必须通过滤水桶或集水坑把水及时排出,井壁上的淋水通过截水槽的方式排至吊盘水箱;孔口管上口要高于止浆垫上平0.5米,距井帮距离也要大于0.5米,孔口管向外的斜度要按设计施工。止浆垫加固时最后注双液浆封口,必须确保双液浆充足的注入量。
(2)钻机钻孔探水前,工作面及吊盘的排水系统必须完备。探水时,要先把孔口管的高压阀门安装好,在阀门中钻孔,水涌出后,及时提钻杆关闭阀门。
(3)目前,工作面注浆时,注浆泵有放置在井下和地面两种形式。
注浆泵放在工作或吊盘上注浆,距离现场比较近,操作和控制比较简单方便,先注单液浆,后注双液浆封口。但这种方式,注浆材料都要经过吊桶下放至井下,设备多为小型,注浆速度有限。
注浆泵放置在地面的施工,可以选择大型注浆设备,注浆速度大大提高,而且井筒深度也形成注浆压力,共同作用于注浆孔。对于深井注浆而言,这种方式更具有明显的优势。只是注浆封孔后,管路内的浆液必须放掉,有一定的浪费现象。
(4)目前国内使用比较广泛的MZ-120钻机,与中高风压的压风机配合使用,打孔深度可达100米。但施工经验证明,如果含水层距止浆垫距离较远或者对两个含水层同时注浆,注浆效果一般不佳。因此,笔者认为:可采用钻机探明含水层的准确位置及水量后用止浆塞封孔,施工至距含水层约10米的位置再施工止浆垫注浆。探水孔可在井中位置施工,加柔软充填物处理后,作为以后放炮作业掏槽眼的空眼使用。
(5)抽水试验公式预测的涌水量与实际揭露的涌水量偏差较大。这可能由两方面原因造成:一是抽水试验时,数据测定的方法不当或准确度不够。二是公式本身存在偏差。另外,一些涌水计算的经验公式偏差也较大。有些矿井实际全断面揭露后实测涌水量为单孔涌水量的3~5倍。远远大于理论推测数值。因此实际施工特别注意,避免因准备不足造成淹井事故。
2、壁后注浆
通常来讲,深立井施工时,对于含水量较小的岩层,可采取强行掘进的方式通过。而且,工作面注浆常常并不能完全把水封住。所以壁后注浆是立井防治水的一个必要补充。施工时,采用风钻凿眼,深入壁后岩层,安装注浆管,用高压注浆泵在支护壁后的岩层中注入配制好的具有充塞胶结性能的浆液,浆液以充填或渗透等形式驱走岩石裂隙或空隙中的水,达到封堵裂隙、隔绝水源的目的。施工注意事项:
(1)壁后注浆时,要根据井壁厚度和强度计算出终压,在施工时严格控制,并专人观察井壁实际情况,防止将井壁压裂。注浆时,尤其当压力开始上升后,一定要放缓浆液的注入速度。
(2)壁后注浆的过程,以封堵水为主要目的,同时也可以对井壁起到整体加固的作用,尤其是破碎岩层或相关硐室处作用更为明显。
(3)从实际施工来看,注浆孔深入壁后岩石1.5米以上效果较好,一方面可以减小浆液对井壁的直接压力,另一方面,对深层岩石裂隙进行填充,起到标本兼治的效果。
(4)冻结段需要注浆时,注浆孔最多穿进外壁100mm,不可全部穿透外壁。
(5)注浆浆液中按比例加入一定量的膨胀剂,可以有效防止浆液凝固过程中体积收缩,对注浆效果和控制反弹大有帮助。
(6)壁后注浆的钻孔和孔口管直径选择要略大些,如果一次注浆后有渗漏现象,可以用钻头钻开后复注。
十、井筒揭煤:
煤矿立井施工时,因井筒深度的增加,大多会穿过煤层,需要进行揭煤施工。揭煤前,首先对地质报告和精检孔柱状图进行综合分析,了解煤层的赋存情况、顶底板情况、煤质及瓦斯含量、是否有突出危险等,以此为基础编制详细的施工作业措施。但要注意以下问题:
1、揭煤前,对井筒内及井口20米内的电器设备进行严格检查,严防烟火和失爆。瓦斯检测仪、自救器等要齐备。
2、井筒施工至距煤层顶板10米和5米位置时,都要按规定对煤层进行打孔钻探,以准确了解煤层的具体情况,和预计的情况不一致时,要及时调整施工方案,确保施工安全。
3、揭煤一般采用放震动炮的方法一次揭露煤层。爆破采用煤矿许用炸药,起爆采用铜质脚线毫秒延期电雷管,1~5段,最后一段延期时间不超过130ms。装放炮严格执行一炮三检制度。
4、放炮后立即开启局扇通风,瓦检员在井口检测回风流中的瓦斯浓度,瓦斯浓度由低到高,再由高到底,降至1%以下,方可由瓦检员、安全员携带铜质器具,坐吊桶缓慢自上而下下井检查瓦斯及二氧化碳浓度。确认安全无问题后,其它人员方可下井作业。
十一、通风问题:
立井施工期间,一般采用压入式通风方式。局扇安装在地面距井口20米以外的合适位置,一台使用,一台备用。冻结段施工时,可采用胶质阻燃风筒。深立井基岩段施工时,一般地温较高。为有效增大工作面风量,改善井下作业环境,内层井壁套壁结束后,吊盘自井口下放的过程中,可以安装采用玻璃钢风筒。
随井筒深度加大,尤其是达到1000m以上时,地温梯度大。如山东鱼台双合煤矿主井井筒,接近井底位置时,涌水温度达49.5℃。因此在深立井施工中应采取以下措施:
1、使用玻璃钢风筒通风,使实际通风效率达到95%以上。
2、凿井期间使用冻结设备作为空气降温的冷源,把地面空气从35~39℃处理到5-10℃左右,通风至井下工作面。确保了井下工作面气温不超过28℃。(空气压缩温升约为每下降100米温度升高1℃,风筒的百米传热温升一般在0.5~1.2℃/100m)。
十二、排水问题
深立井排水系统一般采用两种形式:利用转水站排水、利用大扬程水泵直接将水排至地面。
1、利用转水站排水。根据水泵扬程的实际情况,一般在井深约500米位置的井壁上施工一个转水泵站,作为临时水仓,工作面的水排至转水站之后,通过转水站的水泵再排至地面。这种方式的优点是:可以采用较小扬程的水泵进行施工,管路及连接件所承受的压力较小,整体技术要求较低。缺点是:接管路在转水站附近的吊桶中进行,操作烦琐且比较危险,转水站要有水泵操作人员作业,也需要清理泥浆。
2、利用大扬程水泵直接排水。目前,国内千米大扬程水泵技术已经非常成熟,所以可在吊盘上安装二台水泵,出水侧做好三通与井筒的排水管路相连,将井下的水直接排至地面,避免了烦琐的中间转水环节。目前深井施工的吊盘大多设计为三层,上层盘放水箱,中层盘安装水泵,下层盘安装电器开关和信号工作业。工作面的水由防爆潜污泵排至上层盘水箱。这种排水方式要注意以下几个问题:
(1)高压法兰具有整体性好,换垫圈操作简便的特点,所以排水管路的连接最好采用法兰连接,不用管卡。对于冻结表土段比较深的井筒,可以考虑套壁结束后下放吊盘的过程中,采用管箍连接,基岩段正常连接再用法兰。
(2)排水管路下部要安装逆止阀,防止停泵后水倒流。但要注意不能长时间停泵(如壁后注浆,止浆垫凝固期间),否则管路内淤泥沉淀可能造成下部几节管路堵塞,而且电机容易受潮而烧损。
(3)吊盘以上的淋水,要通过在井壁上安装截水槽的方式直接截入上层盘水箱。
十三、供电用电问题
立井施工用电总负荷约2500~3000KWH,主要用电设备有绞车、稳车、搅拌站、局扇、水泵、空压机等。绞车采用6000V高压,其它为低压电器设备,井下电器设备中心点不接地。需要注意的问题:
1、各种电器设备特别是高压设备使用前要严格做好检验和试验。
2、不能实现双回路供电的立井施工时,要备有柴油发电机,与安全梯稳车、局扇、通讯信号连接好。以备突然停电后通讯畅通,把人员从井下提出到地面。
3、变电所、井架、生活区需安装避雷设施。
4、井下两条信号电缆不能布置在同一条管路上,放炮电缆单独悬吊。
十四、综述
立井施工是煤田开拓过程中的一个重要方式,是一个复杂的系统工程,尤其是在大直径深立井的施工中,存在很多的难题,因此不断的完善其施工工艺和方法,将是我们不变的最求。以上是笔者在多年施工过程的一些总结和感悟,鉴于水平有限,不足之处,敬请指正。