综掘机和整体模板台车在冻结斜井的应用

张玉杰

(河南国控建设集团有限公司，河南 郑州 450009)

目前，在我国矿山建设中斜井工程的施工方法和工艺已经很成熟，采用手抱钻打眼炮掘配拼装模板支护的施工工艺，这种工艺具有工艺简单、施工设备少、成本低的特点，被广泛采用。但是这种方法存在施工进度低、劳动强度大、巷道成型较差等缺点，不适合在岩层松散、富水的地质条件下的矿建工程建设使用，多年来这些不足一直未有大的改善，制约着工程建设，需要改进上述施工工艺。经过不断摸索，找出了新的方法，综掘机掘进配全断面整体模板台车在实际应用中的表现得到了肯定，这种施工方法具有施工进度快、劳动强度低、混凝土浇筑巷道成型好、围岩破坏小等特点[1-3]。

陕西省神木市升富矿业有限公司副斜井冻结工程，釆用普通凿井法进行施工。明槽段采用地面旋喷桩+预注浆加固地层方法施工了38 m，后因出水无法施工。根据水文地质资料以及结合邻近矿井井筒的施工情况，釆用普通凿井法施工难以完成矿井工程的建设，决定调整建设方式采用冻结法斜井施工。合适的施工工艺对工期和工程质量产生很大的影响，传统的炮掘和拼装模板支护工艺，简单可靠，但是不能满足工期的要求。矿井建设初期，对采用的施工方法进行了选择，经多方考察研究决定采用综掘机配备全断面整体移动模板台车的施工工艺[4-5]。在实际建设施工检验中，这种施工方法在升富矿副斜井建设中表现出速度快、巷道成型光滑、质量可靠的特点，取得了显著效果。

1 工程概况

陕西省神木市升富矿业有限公司升富煤矿位于陕西省的北部，距神木市较近，位于市区西北方向，属陕西省神木市锦界镇管辖。副斜井掘砌工程总长度1 700 m，掘进宽7 500 mm、掘进高6 650 mm，净宽5 450 mm、净高4 350 mm。井筒上段釆用冻结法施工，下段釆用普通凿井法施工，冻结段斜长1 500 m，倾角6°，目前在亚洲相同的煤矿斜井冻结掘砌工程的长度排在前列。

在斜井井筒掘砌工程施工中，根据工程实际情况制定措施，克服了斜井断面大、支护工艺复杂、冻结斜井不能满足快速掘进需要等诸多困难。在冻结段和基岩段掘砌施工采用综掘机开挖和装渣，配合锚杆支护和全断面整体移动模板台车支护施工，安装除尘风机降尘[6]，取得了良好的施工效果。模板台车在巷道的布置如图1所示。

图1 模板台车在巷道的布置Fig.1 Layout of the formwork trolley in the roadway

2 水文地质

由地质报告可知各含水层抽水结果，第四系松散砂层潜水富水性弱，风化岩段厚度较大，岩芯破碎，裂隙发育，富水性中等；直罗组砂岩厚度大，以原生节理、层理为主要裂隙，富水性中等；延安组段含水层粉砂岩及砂质泥岩互层，裂隙发育微弱，富水性弱。

据水质化验，第四系松散砂层潜水、直罗组及延安组地下水水质均偏碱性，矿化度较小，为淡水。井筒涌水量计算见表1。

表1 井筒涌水量计算Tab.1 Calculation of wellbore water inflow

3 副斜井冻结段施工方案

副斜井为分区段冻结方案，冻结段掘进时进行挂网和架设钢骨架，在掘进工作面后巷进行外壁混凝土铺底和部分墙体砌筑，距工作面60 m位置进行内壁混凝土铺底和部分墙体砌筑，每次铺底长度6 m(含两侧墙体高各0.3 m)，在掘进工作面后66～76 m，利用6 m长模板台车进行内壁混凝土二衬的平行、交叉作业施工方案。

3.1 机械化配套方案

机械化配套方案见表2。

表2 施工机械一览Tab.2 List of construction machinery

3.2 副斜井冻结段施工工艺

3.2.1 冻结段掘进

副斜井冻结段施工采用1台EBZ260型综掘机，进行冻结面的开挖、运渣，装载至WC5J防爆无轨胶轮车直接外运出井，实际施工中这种施工工艺体现了巷道围岩破坏作用小、安全灵活，运输简单、施工快速的优点，施工时当冻结段掘进至冻结管位置时，将冻结管割除并用闷板将端头堵住，也可将部分冻结管预留作为混凝土输送管用，根据施工进度提前将井筒中间部位的冻结管内盐水排出，进行挂网并架设钢骨架，模板台车配置2台(1台外壁全断面模板台车，1台内壁全断面模板台车)，巷道掘进长度不超过1 m 进行一次支护，铺设钢筋网架设工字钢棚。

在距掘进工作面20 m位置进行外壁混凝土铺底，每次铺底长度为6 m，掘进工作面26～38 m段，利用6 m外壁全断面模板台车进行外壁拱部和墙体混凝土砌筑。

为保证施工安全及加快施工进度，采取了内、外壁支护施工平行、交叉作业施工方案，在距工作面44～68 m，利用6 m内壁全断面模板台车进行内壁和底板砌筑，永久支护完成的区段20 d后混凝土强度满足支护要求，可停止该区段冻结工程。

工程掘进时掘进机截割头在冻结工作面切割时，表现的效果良好，综掘机液压系统经阀组控制传动各部件，经齿轮减速机输出强大扭矩，截割岩层冲击力较小，冻结后的砂岩剥离干净无黏结。工作面多为砂岩，切割硬度较小，综掘机截割头在施工面由左下进行掏槽，按“Z”形从左向右切割，循环向上，使截割头“Z”形轨迹对整个巷道断面进行有规律的切割。进刀深度不超过550 m为宜，第1次截割完成，使截割过的巷道断面参数接近设计参数，然后进行第2次修整截割，从巷道的左右下部进刀均可，但要注意不可过度截割，修整截割至设计参数，切割的渣石落入综掘机铲板的铲板上，由铲板星轮装岩装置连续运转，将渣石装入综掘机第1台刮板运输机、桥式胶带转载机，转载至防爆无轨胶轮车运出矿井。

3.2.2 冻结段整体模板台车的使用

(1)综掘机完成巷道掘进开挖，临时支护施工采用锚网索喷护，永久支护施工采用整体移动模板台车混凝土浇筑支护施工技术，在距掘进工作面20 m位置进行外壁混凝土铺底和部分墙体砌筑，每次铺底长度为6 m(含两侧墙体高各0.1 m)，在掘进工作面后66～76 m，利用模板台车进行内壁混凝土二衬的平行、交叉作业施工，完成混凝土内壁浇筑。

(2)整体移动模板台车，是为各种平硐或缓坡巷道等的混凝土浇筑施工制造的专用设备，表现出支模迅速、自动脱模功能，衬砌表面光滑成型准确，施工周期短的特点。模板台车的操作较为复杂，具体可分为台车脱模、台车行走、台车立模等程序。全断面模板台车设备分为台车、栈桥2部分，台车长度6.2 m，断面宽5.4 m，利用钢模板拼接好巷道衬砌形状，设置支撑结构用以抵抗模板传递的力；栈桥长40 m，有效净跨径 26 m，由前引桥、主桥、后引桥、前后横移机构及自动走行小车等部件组成。台车是平硐和缓坡巷道混凝土支护施工建设中重要的辅助施工设备，因为巷道参数不同，其对应衬砌台车也不同，具有唯一性。

(3)整体移动模板台车的操作程序为：①台车脱模。注浆完成混凝土凝固一定时间后，进行脱模，操作液压系统，先使模板台车侧模板脱离衬砌面，收起顶支撑千斤顶及模板限位装置，操作人员操作遥控操作盒，发出信号，接收装置收到讯号控制相应的换向阀，接通液压油路伸缩油缸收缩，使台车支撑面脱离混凝土表面。②台车行走及立模。模板台车完成脱模后，操作液压卷扬机牵引模板台车前进至下一工作位置，将模板固定，收起前后引桥和栈桥支腿，操作液压卷扬机牵引栈桥前进至下一工作位置，支起栈桥引桥、支腿，模板定位进行混凝土浇筑。③混凝土浇筑。立模完成之后，应校验与设计参数是否符合，并进行调整修整，误差在允许范围内可进行注浆。混凝土浇筑时，先从模板台车下部注浆窗口进行浇筑，混凝土浇筑至注浆窗口时，关闭封严窗口，然后从上一排注浆窗口进行注浆，循环往复，直至整个断面浇筑完成。

反复循环立模、注浆、脱模、行走的工作过程，完成模板台车的整个作业程序如图2—图5所示。

图2 液压脱模Fig.2 Hydraulic demoulding

图3 液压移模Fig.3 Hydraulic shift

图4 栈桥前移Fig.4 Trestle forward

图5 调整模板支模Fig.5 Adjust template support

浇筑混凝土可使用商混或在副斜井硐口附近安装混凝土搅拌站拌制混凝土，利用废弃冻结管下放至工作面附近，由HBMD-15/8-30S型混凝土输送泵输送混凝土入模。

3.2.3 冻结管的处理

副斜井冻结管沿井筒延伸方向布置，共布置5排冻结管，中间3排孔穿过井筒，2排孔在井筒范围以外，距井壁1.5 m，冻结斜井工程分为明槽段和暗硐段。为确保掘进施工安全，采取的措施：①明槽段施工，将开挖断面内地面布置的盐水管等管路进行拆除，轮廓线外的2排冻结管保留，维持冻结。明槽开挖前关闭冻结管阀门，抽净冻结管内盐水，截割断面内冻结管。②暗硐段施工，掘砌至该冻结区域前，提前关闭该区域掘砌范围内冻结管，拔出供液管，并回收管内盐水，割除该区域冻结管，割管的同时，做好掘进前方的下一列冻结管的停冻、排空和拔管等工作。冻结管应从荒径位置割平冻结管口，用厚10 mm钢板焊接封堵，外壁浇筑时，一同将冻结管浇筑，确保井壁质量。为防止井壁与冻结壁间化冻造成壁后窜水，采用封头孔处理技术。

4 斜井冻结段防治水

副斜井冻结段设计为双层井壁，通过井壁夹层注浆达到堵水的效果，夹层注浆可以充填内、外层井壁之间存在的缝隙，同时充填外层井壁接茬缝及由于压力产生的外壁裂隙。

注浆时间一般选在井壁夹层冻结壁解冻前，应在井壁与冻结壁间温度为0～4 ℃时进行，这样能确保井壁夹层注浆效果，根据实际经验，套砌内壁结束后即可开始夹层注浆。浆液为单液水泥浆，上行式注浆方式，斜长每30～50 m为一注浆段高，注浆孔为五花布置，孔深进入外壁100 mm；注浆压力终压P=H/100+1.3 MPa，水灰比为1.00～0.75，水泥为P.O 42.5R普通硅酸盐水泥。当遇到漏浆时，可调整浆液浓度或断续注浆。

5 过断层及地质构造带施工

为了保证工程过断层及地质构造带的施工安全，可根据实际揭露围岩的稳定情况采取措施：①超前导硐边刷边支法；②管棚注浆法；③超前锚杆支护法，超前支护2.5～3.0 m，以防止顶板冒落；④采取适当加密锚杆间排距或架设金属支架、增加锚索等综合支护措施，同时调整掘进参数快速通过地质构造带。

6 结语

在冻结斜井探索采用综掘机掘进开挖，2台全断面模板台车前后支护施工的工艺，工人的劳动强度大为降低，使得施工进度加快。在冻结斜井施工现场发生数次斜井停掘的现象，即冻结进度低于掘进速度，掘进工程等待冻结进度。原因是制定冻结工程工期时，未预计到矿建掘进施工的速度大于冻结速度，冻结工程工期滞后矿建掘进工期，造成了矿建工程窝工，否则斜井成巷成绩还能进一步提高。这提示后类似工程施工应注重冻结方案优化，应合理制定冻结工程工期，使之能够与矿建工程有序配合衔接，满足矿建施工进度的需要。综掘机配备整体移动模板台车施工工艺，克服了以往钻爆施工法凿岩机进眼困难、掘进慢、支护困难的弱点，在施工中表现出了施工速度快、机械化程度高、劳动强度低以及整体性和抗震性好、混凝土结构成型准确、密实光顺、大幅度提高工作效率等优点。该技术在国内煤矿冻结斜井实践中尚处于推广阶段，升富煤矿冻结副斜井井筒施工中，创造了冻结斜井掘进和砌碹成巷80 m/月的最好成绩。