特厚坚硬黄土层立井掘砌快速施工技术＊

2015-11-26张文轩蒋旭升张万彤

中国煤炭 2015年7期

柴敬张文轩袁强蒋旭升刘峰孙鹏张万彤

(1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.西安科技大学西部矿井开采与灾害防治教育部重点实验室，陕西省西安市，710054；3.甘肃煤炭第一工程有限责任公司，甘肃省白银市，730913)

随着我国能源开发利用强度加大，煤矿开采已由我国中、东部地区向西、北部地区转移。我国西部地区地表覆盖有大面积的特厚坚硬黄土层，局部黄土深度达到200～300m，黄土层深部以砂质粘土、粘土为主，含黑色铁锰质结核、钙质胶结物的特硬 (f＝4)中更新统老黄土及古土壤，黄土层受埋深、高压、温度、土层胶结介质等影响硬度增大，达到中等坚固岩石级别，其特殊的工程地质及水文地质条件决定了矿井建设有其独特的特点。表土施工方案选择主要考虑工程的安全，往往成为立井施工的关键工程。井筒沿井深主要黄土层段扰动范围、扰动土层的结构强度等参数的扰动变形特点决定了黄土层井筒的施工技术与方案。近年来，大量的新技术、新工艺、新设备和新材料被应用到矿山建设，加上综合机械化配套设备和先进的管理理念，使得建井速度和质量都有了很大的提高。

1 工程概况

邵寨煤矿矿井设计生产能力为180万t／a，矿井采用立井开拓方式。邵寨井田位于陇东黄土高原南部，属黄土丘陵塬区，井筒设计深度864.5m，其中表土段294m，基岩段570.5m，设计井筒净直径6.0m。表土段为双层钢筋混凝土井壁，壁厚为500mm／600mm／700mm／800mm，井壁混凝土强度等级为C40／C50／C60／C65。据钻探揭露资料，表土段为第四系 (Q)揭露厚度平均292.83m，岩性主要为灰黄色、棕黄、褐黄色黄土，粉质粘土、砂质粘土和粘土组成，含少量钙质结核，下部以砂质粘土、粘土为主，含黑色铁锰质结核中更新统老黄土及古土壤，黄土层硬度增大，且部分黄土具有一定的湿陷性，与下伏地层呈角度不整合接触。

根据井筒穿过的黄土层厚度和地层特性，0～-100m段施工时采用小型挖掘机挖掘，配合抓岩机辅助挖掘，3m3吊桶提土；-100～-294m段因为黄土层硬度增大，土质特别坚硬，采用深孔松动爆破技术掘进。

2 机械化施工配套设备及施工方案

2.1 施工设备

考虑到邵寨煤矿回风立井井筒深、表土黄土层厚、荒径大的特点，为实现快速施工，装备了先进的机械化凿井配套设备，施工主要配套装备如下:2JK-3.5／20主提升机1台，JKZ-2.8／15.5A副提升机1台，ⅣG型井架1座，3.0m3、1.0m3座钩式吊桶各2个，TDX-2.0底卸式吊桶2个，SJZ-6.7伞型钻架1台，HZ-6B抓岩机1台，KJTX-SX-1通讯信号装置1套，UD250A-8、SA-120空气压缩机各2台，DBJ60-ⅡNO.6局部通风机2台，ZL-50装载机1台，MJY-3.8／6金属模板1套，DM系列卧泵3台，MWY6／0.2挖掘机1台，HZ6-50混凝土振动器6台。

2.2 施工方案

2.2.1 0～-100m段施工

井口段采用挖掘机开挖、装黄土，55kW调度绞车提升1m3吊桶提土，装配式模板支模，混凝土输送管下料浇筑的生产系统向下施工。施工到-20m后，安装三层凿井吊盘、中心回转式抓岩机、固定盘、封口盘，形成防爆小型挖掘机挖土、HZ-6B中心回转式抓岩机装土、2JK3.5／20提升机和JKZ2.8／15.5A提升机双套单钩提升3m3吊桶提土，通过ZL-50装载机将土装入8t自卸式汽车运土、DM卧泵排水、2m3底卸式吊桶下料、MJY-3.8／6整体下移金属模板砌壁的快速机械化作业线，一掘一砌短段掘砌施工至-100m。

防爆挖掘机与抓岩机配合施工井壁，浇筑采用3.8m段高单缝液压伸缩式下行金属模板。掘够浇筑段高后绑扎钢筋，下放模板进行浇注，竖向钢筋采用螺纹套管连接，采用环向钢筋绑扎。混凝土在地面混凝土集中搅拌站搅拌，并掺入BR-5型增强防水剂。通过混凝土专用运输车送至井口的卸料平台，然后采用TDX-2.0底卸式吊桶输送混凝土。

2.2.2 -100～-294m段施工

邵寨风井黄土层深部含有钙质胶结物的特硬(f＝4)中更新统老黄土及古土壤，黄土层硬度增大，土质特别坚硬，采用深孔松动爆破技术掘进。

利用SJZ-6.7型伞钻配以5.0m新型黄土层干式打眼螺旋钻杆打眼、2号煤矿乳化炸药、毫秒延期电雷管爆破、HZ-6B型中心回转式抓岩机装土、MWY6／0.2 型防爆小挖掘机淸底修帮、2JK3.5／20提升机和JKZ2.8／15.5A提升机双套单钩提升3m3吊桶提土、2m3底缷式吊桶下料、MJY-3.8／6整体下移金属模板砌壁的快速机械化作业线，短段掘砌施工至-294m。其工艺流程为:伞钻配特制螺旋钻打眼→放炮与通风→安全检查→出土、平整工作面→下放模板刷涂隔离剂然后提起→绑扎钢筋下放模板→测量找中校正加固→浇筑混凝土→装岩出矸→脱模→清底→提盘、下放工作面风水管路、下伞钻做打眼准备→下一循环。

3 特厚坚硬黄土层掘砌关键技术

3.1 深孔干式打眼技术

特厚坚硬黄土层深孔打眼技术是采用伞钻配新型黄土层干式打眼螺旋钻杆打眼，依靠螺旋钻杆的轴向压力和回转力矩作用，钻头回转切削岩土，岩屑沿钻具的螺旋叶片上升至地面的干式作业成孔方法。钻杆材料为42MnMo7，接头材料为40Cr。钻头采用两翼金刚石复合片钻头，直径为56mm。螺旋钻杆直径应比钻孔直径 (即钻头直径)小10～20mm，以减小钻杆与孔壁的摩擦阻力。经过计算并修正确定为螺旋钻杆外径为50mm、螺距为30mm，螺旋钻中心杆为34mm，根据钻眼深度确定螺旋钻杆长为5000mm，螺旋钻结构示意图见图1，钻杆与钻头通过六角套筒可拆卸连接。

图1 螺旋钻示意图

新型黄土层干式打眼螺旋钻杆在坚硬黄土层中的应用具有以下特点:

(1)由于螺旋钻杆能及时输出所钻下的岩粉，无重复破碎现象，也没有静液柱压力影响孔底岩石的破碎，在坚硬黄土层中钻进效率高。

(2)不使用循环冲洗液，实现了干式打眼，避免了常规湿式打眼在黄土层中难以成型、且成孔质量差的缺陷，适于在严禁使用水法钻进的工程中使用。

(3)螺旋钻杆回转时，向孔壁挤压岩粉，可在孔壁上形成一层较致密的泥皮，有加固孔壁、减少塌孔卡钻的作用，实现了在坚硬黄土层中快速高效打深眼的目的。

(4)钻进中连续排粉，节省了提升钻具的时间。钻进过程中振动、噪声很小，不使用泥浆，减少了环境污染，改善了工作面作业环境。

3.2 特厚坚硬黄土层深孔松动爆破技术

松动爆破后的岩土松动而不飞散，能有效地控制飞石、振动效应和冲击波，确保爆区周围环境安全，爆破后的岩石适合机械挖、装、运作业。采用深孔松动爆破技术掘进，配合防爆挖掘机修帮，不仅可以改善作业环境和安全，而且可以降低材料的消耗，提高爆破效率。

炮眼采用复式直眼掏槽，炮眼呈同心圆布置，共五圈。具体为中心眼1个，眼深1.0m；第一圈掏槽眼8个，眼深2.2m，每个炮眼装药2节；第二圈崩落眼12个，眼深2.6m；第三圈辅助眼18个，眼深4.4m；第四圈辅助眼27个，眼深4.4m，每隔一个炮眼装药一节；第五圈周边眼39个，眼深4.4m，每个炮眼装药一节，周边眼距井壁留200mm的保护层，即中心线到周边眼中心的距离为3700mm。每次打眼前当班验收员要用红漆标出巷道轮廓，定出眼位，爆破炮眼布置如图2所示。在施工过程中，炮眼布置根据土层变化及时调整数量、深度、角度等有关参数。爆破采用全断面一次爆破，炸药采用二号煤矿许用乳化炸药，药卷规格∅32mm×210mm，毫秒延期电雷管，连续装药结构、反向起爆。起爆电源为380V动力电源，在井口设置闸刀经井筒悬吊的放炮电缆起爆。

图2 松动爆破炮眼布置图

3.3 砌壁技术

砌壁采用3.8m段高单缝液压伸缩式下行金属模板，全方位浇筑，掘够浇筑段高后绑扎钢筋，下放模板进行浇筑，采用TDX-2.0底缷式吊桶输送混凝土。由于应用了全方位浇筑技术，加快了立模速度，缩短了浇筑时间，配用风动式振捣器振捣，保证了混凝土浇筑的连续性和井壁质量、接茬质量。

4 施工组织与管理

该工程采用短段掘砌单行作业施工法，按工序划分确定专业班组。直接工分为打眼放炮组、出矸组、支模组、捣制组；辅助工分为机电维修组、运输组。直接工打眼放炮组实行分区定人、定眼位、定钻分工负责制，其余相应班组负责扫盘、出矸、脱模、稳模、混凝土浇注和清底工作。直接工班组实行按工序交接班的滚班制作业方式，辅助工实行三八作业制；同时支模组、捣制组又承担出矸、清底的任务。

实行项目经理负责制，保证工程质量、安全、工期、效益的综合控制。在质量控制上，建立质量保证体系和岗位责任制，完善质量管理制度，明确分工职责，落实到人。