斜井井筒超千米表土层一次支护施工技术研究与应用
时间：2020-09-03 04:09:51 来源：达达文档网 本文已影响 人 
李飞
摘要：针对永兴副斜井井筒表土层距离长、稳定性差、土颗粒细，土质疏松，遇水软化、湿陷;特别是厚黄土段，湿陷性强，遇水松软泥化，承载能力下降，极易产生冒顶、抽帮、井筒下沉，施工安全隐患大，预防处理困难;井筒支护设计复杂，工艺转换频繁，一次支护施工时间长，井筒施工进度和施工安全难以保证的情况，经反复论证与实践，采用环形开挖核心预留法掘进，前探梁配合金属支架快速支护，空气射流增压技术和接力喷浆法进行长距离喷浆等技术，顺利完成了井筒表土段的施工，成功实践了斜井井筒超千米表土层一次支护施工技术，为类似地质条件的斜井工程施工提供了参考和借鉴。
Abstract：
The surface soil layer of the Yongxing auxiliary inclined shaft has long distances， poor stability， fine soil particles， loose soil， softening and collapsing with water; especially in thick loess sections， it has strong collapsibility， and it becomes soft and muddy with water， and its bearing capacity is extremely low. It is easy to cause roof fall， side pumping， and sinking of the shaft， high hidden dangers in construction safety， and difficult to prevent and handle; the design of shaft support is complicated， the process conversion is frequent， the construction time of one support is long， and the construction progress and safety of the shaft are difficult to guarantee. After repeated demonstration and practice， the construction of the shaft surface soil section was successfully completed by using ring excavation core reservation method， rapid support of front probe beam with metal support， long-distance shotcreting with air jet pressurization technology and relay shotcreting method. The construction of the inclined shaft has successfully implemented the one-time support construction technology of the surface soil layer of the inclined shaft over one thousand meters， which provides reference for the construction of the inclined shaft with similar geological conditions.
關键词：超千米表土;湿陷性黄土;环形开挖;快速支护;长距离喷浆
Key words：
ultra-thousand-meter surface soil;collapsible loess;circular excavation;rapid support;long-distance shotcreting
中图分类号：TD262 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）24-0121-02
1 工程概况
永兴煤矿位于陕西省子洲县槐树岔乡，由原子洲县永兴煤矿单井整合扩大而成。永兴煤矿副斜井井筒全长1950.231m，倾角-5.5°，直墙半圆拱型断面，表土段井筒长1410.168m，净宽5.0m，净高4.1m，净断面17.8m2，采用U29型金属支架网喷一次支护+素混凝土二次支护。喷射混凝土厚度50mm，浇筑混凝土厚度400mm，铺底厚度300mm。
副斜井井筒表土段由上至下地层分别为以灰黄色亚砂土、粉细沙为主要成分的第四系全新统冲积层，以土黄色、棕黄色亚砂土为主要成分的第四系中更新统离石组，以浅红色、棕红色含钙质结核的亚粘土、亚砂土为主要成分的新近系上新统静乐组。
2 井筒表土段施工机械化作业线设备配套
①挖掘、装载：MWD7.8/0.32L防爆电动挖掘机。
②排矸、材料下放：YDB22-2.0电动滚筒机配合DSJ80/2×55型带式输送机排矸。WC1.9J型无轨胶轮车运输工器具和下放支护材料。
③支护：JPS5I-L湿式喷浆机配？准83×5mm耐磨无缝钢管喷射混凝土。12m段长钢模台车支模，商品砼通过HBT60C-1816Ⅲ型砼输送泵、？准125mm钢管直接入模浇筑，ZN-70型高频风动振动器振捣。
3 制约井筒表土段施工的主要因素及解决方案
该井筒表土层稳定性差、土颗粒细，土质疏松，遇水软化、湿陷，特别是在穿越厚黄土段时给施工带来很多前所未有的困难，该土层湿陷性强，遇水松软泥化，承载能力下降，极易产生冒顶、抽帮、井筒下沉，施工安全隐患大，预防处理困难;井筒支护设计复杂，工艺转换频繁，一次支护施工时间长，严重影响井筒施工进度和施工安全。
鉴于此，经反复论证与实践发现要解决以上制约井筒表土段施工的因素，必须对现用的掘进、架棚工艺进行改进和喷浆系统进行改造。其工艺改进和系统改造方案如下：①掘进时，工作面土层先挖掘上部进行临时支护，再挖两侧帮部架设U型钢支架，中间预留土台做为工作台，缩短井筒顶板直接暴露时间和临时支护时间。②临时支护时，在前探梁上直接安放金属支架顶梁，顶梁上铺设金属网片用背板、木楔接顶，防止井筒顶板土层冒落，造成顶板事故发生。③喷浆前，对喷浆机和喷浆管路进行技术改造;喷浆时利用空气射流增压技术和接力喷浆法进行长距离喷浆，减少喷浆机的移动频次和节省频繁移动时间。
4 改进方案在施工中的具体实施
4.1 表土段掘进
表土段掘进采用环形开挖核心预留法，短掘短支施工。MWD7.8/0.32L小型电动挖掘机挖掘、装矸，人工手镐、风镐刷边成型。挖掘机先挖掘上部，再挖两侧帮部，最后挖中间。上部按设计尺寸挖掘出荒断面后，进行前移前探梁并安装金属支架顶梁固定;顶部临时支护完成后，开始挖掘工作面两侧帮部柱窝表土，宽度为1200mm左右。工作面中间预留一个长×宽×高=1600×3500×2300mm的土台做为工作台架设U型钢金属支架。支架架设完成后，挖掘中间预留土层。每次挖掘长度1.6m，若顶板土层不稳定时，每次挖掘长度0.8m。
4.2 前探梁配合金属支架支护
采用悬吊式前探梁进行临时支护，梁体采用3根Φ108mm×4500mm的钢管，吊环采用？准20mm圆钢加工制作。前探梁横向间距1.2m，沿巷道中线向两侧等距对称布置;每根前探梁的两个吊环，平行巷道中心线用悬吊器固定在工作面已架设好的第一架和第三架金属支架上，将前探梁穿入吊环中，一端前窜至迎头;前探梁前窜时，人工将要架设的金属支架顶梁按照设计间距放置于前探梁上，并在顶梁上铺设金属网片，上好木背板，用木楔背紧、背牢。
在完成金属支架顶梁架设和工作面两帮柱窝挖掘后，在预留工作平台上进行金属支架两侧架腿架设、铺网、腿梁连接及支架校正工作。
4.3 喷浆支护
正常喷浆机标定最远喷浆距离200m，但受喷浆工艺、压风风压和喷浆管路延接质量的影响，混凝土喷射距离一般在100m左右;同时，在井筒内已布置带式输送机和预留无轨胶轮车行驶空间的前提下，在井筒内布置喷浆机喷浆，喷浆机和储备的喷浆料将占用井筒内预留的设备运行安全空间，使各设备之间的安全间隙变小，存在安全隐患;且喷浆机移动时间长（一次需要3小时左右），喷浆料下放困难（随着井筒不断延伸，下放喷浆料占时间越长）。因此必须对喷浆系统和工艺进行改进，以达到远距离喷射混凝土的要求。
4.3.1 喷浆系统和工艺改进关键点
喷浆支护，是以压缩空气为动力、用喷浆机将搅拌混合后的混凝土以喷射方法覆盖到需要封闭的围岩上，快速凝结硬化形成具有一定强度的混凝土结构。经过分析研究影响远距离喷浆的原因有以下几方面：①筛网密度小，较大骨料进入喷浆机后，造成在管路内摩擦阻力大和堵塞管路。②下料速度快，压风运送能力降低，造成管路堵塞现象。③喷浆机出料口连接管的直径小，阻力大，造成管路堵塞。④喷浆管路连接不平直，采用焊管做输料管，摩擦阻力大，可造成堵塞。⑤混凝土在管路内运行时受摩擦阻力影响，动力衰减，造成喷射出的混凝土远距离输送困难。
4.3.2 喷浆机技术改造
通过对JPS5I-L型喷浆机分析论证和反复试验，具体技术改造措施如下：①自制加密筛网，加大筛网密度，将原来的网孔直径由Φ35mm改为Φ17mm，以减少较大粗骨料进入喷浆机后堵塞和磨损管路。②改造喷浆机结合板，将中部钢衬板的10个下料孔改为5个，以降低下料速度，均和混凝土供给量，以保持压风动力输送的稳定性，减少混凝土堵管现象。③加大喷浆机出料口连接管的直径，将喷浆机原配置的Φ50mm弯脖改为Φ64mm，以减低关键部位摩擦阻力，提高了混凝土料进入管路的初速度。④混凝土输送管采用Φ89mm无缝加厚耐磨钢管，快速接头连接，架空固定在帮部使管路联接更直、整体稳定，大幅降低了混凝土在管路中的输送阻力，且无缝加厚耐磨钢管耐磨不易破损，基本解决了频繁修补、更换管路和因管路吊挂不平直增加摩擦造成堵管的问题。
4.3.3 喷浆管路技术改造
井筒内每100m在压风管上开设三通留设分支，分支上安装单向逆止阀和压力表，单向分支压风管路与混凝土输料管连接，以确保压风管路向喷浆管路送风的同时防止喷浆管路的混凝土进入压风管路，压力表可以及时监控管路供风压力。随着井筒长度的不断增加，在喷浆管路输送动力不足时，可及时开启阀门补充和调节压风风量，确保喷浆管路中喷浆料的输送动力。
4.3.4 长距离喷浆实施
①喷浆方法。地面一台PLD-1200配料机配两台JP-750搅拌机拌料，利用改造后的JPS5I-L型喷浆机和喷浆管路，潮式喷射法喷浆作业。
②喷浆技术质量要求。喷射砼强度等级C25，喷射混凝土重量配比为：水泥∶砂子∶石子=1∶2∶2。喷浆砼原材料选用：强度等级42.5R普通硅酸盐水泥，坚硬干净的中粗砂，粒径5～10mm坚硬耐久的碎石，J85型速凝剂（掺量为水泥用量的3～5%），干净的饮用水。喷射混凝土的回弹率，边墙不大于15%，拱顶部不大于25%。
喷浆前应清除墙脚浮矸、浮石，并用高压风水冲洗受喷岩面;遇水易潮解、泥化的岩层，应用压风吹扫岩面。喷浆时风压控制在0.2～0.4MPa，水压控制在0.3～0.5MPa之间，水灰比控制在0.45左右，喷头距受喷面控制在0.6～1.0m距离，自下而上，先墙后拱。喷浆作业过程中，喷浆手应根据现场巷道围岩平整度、喷头出料量、砼上墙率的变化及时调整喷头供水量，控制好水灰比，以保证喷砼表面平整、有光泽、无流淌，混凝土附着力强，上墙率高。
③喷浆效果。喷浆机首次放置在副斜井井口外20m位置，水泥、砂子、石子经搅拌机机械搅拌后，经混凝土输料装置输送到喷浆机上。在喷浆机距离受喷面130m时，喷射混凝土速度下降，上墙率降低，喷浆管路多次堵塞;通过在距离喷浆机100m位置增加射流增压分支后继续喷射混凝土施工，喷头出料速度明显提升，管路堵塞次数明显减少，上墙率提升。随着井筒不断延伸，喷浆管路每间隔100m增加一个射流增压分支，井筒喷射混凝土施工至井筒第一个会车硐室（距离井口650m）和第二个会车硐室（距离井口1390m）时，分别将两个硐室做为接力喷浆点，完成全井筒的喷射混凝土作业。
5 结论
通过在永兴副斜井实施超千米表土层一次支护施工技术，减少了表土段井筒顶板土层一次揭露面积和暴露时间，缩短了金属支架支护时间和喷浆封闭围岩时间，极大降低了湿陷性黄土层由于承载能力低，极易发生冒顶、抽帮事故的风险，保证了施工安全，确保了施工质量和施工进度，提高了施工效益。
永兴副斜井井筒超千米表土层一次支护施工技术的成功应用，表明该项技术适用于各类类似斜井工程施工，具有很好的参考价值和推广意义。
参考文献：
[1]孔德顺，程发祥，李华.远距离混凝土喷浆浆技术研究[J].煤矿现代化，2013（01）.
[2]崔云龙.简明建井工程手册[M].煤炭工业出版社，2014.
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