双层金属井壁施工马头门方法研究与应用论文

　　摘要：通过实例分析钻井法施工竖井后，用沉井法支护的双层金属井壁施工马头门的方法，为以后同类施工做出参考。

 

　　关键词：双层金属复合井壁；气割破壁；马头门；爆破拆除

 

　　八矿二号井井田位于河南省平顶山矿区东南隅，天安股份八矿井田最东端，矿井隶属平顶山天安矿产股份有限公司。八矿二号井东靠许平南高速公路，西距许南公路3.5公里，距平顶山火车站约7公里，向西至宝丰火车站35公里，与焦枝线相连。以平顶山市为枢纽，公路沟通附近各县市，并与四通八达的公路网相连，交通极为便利。

 

 

　　八矿二号回风井处于李口向斜和白石沟背斜交合地带的东侧，属单斜构造，地层走向：中西部290°～295°；东部300°～320°；地层倾角6°～22°，断层附近有些地方达30°以上。根据井检孔及井筒落底层位显示，设计马头门布置在己组矿层底板灰岩中，由于灰岩埋藏较浅，灰岩露头容易与第四系底部卵石连通，灰岩裂隙发育有不均一性，出现灰岩水水压较大，水量也偏大。

 

　　八矿二号井回风井井中坐标为：X=3734545.473，Y=38451035.263，中心自然地坪标高为：+75.6m。回风井风硐中心线方位角：83.81°，采用AD12/900型钻机施工，井筒净直径为Φ6.0m，钻井直径Ф8.7m,钻井深度为480.2m，支护采用预制钢筋混凝土沉井井壁。八矿井田内第四系覆盖层较厚，地层由老到新为石炭系太原组、二叠系山西组、第四系地层。第四系地层为粘土夹钙核，砂层，卵石，石炭系地层主要有石灰岩、泥岩、砂泥岩、砂岩及矿层。（见表1地质分析表）

 

 

　　钻井施工井筒深、井径大，地质复杂，钻井井深设计为480.2m，根据实际揭露矿层中的岩性，进入稳定基岩不少于10m。为保证井壁强度，54～93#井壁采用双层金属复合井壁（内层钢板厚度σ14mm，外层钢板厚度σ10mm，中间为钢筋砼，井壁厚度700mm，见图1）。

 

　　图1双层金属井壁支护图

 

　　八矿二号井回风井二期施工首先要施工井底连接处，-391m回风大巷井底连接处为直墙半圆拱型断面，开口处净高4.8m，净宽4.8m，掘进深度5m；设计方位角为289°，开口处掘进断面S掘=28.3m2，S净=20.57m。掘进工程量289.5m，衬23砌混凝土81.43m3。马头门采用锚网索（喷）+双层钢筋混凝土复合支护，总支护厚度580mm，锚网喷80mm，钢筋混凝土500mm。支护参数：锚杆采用22×2400mm高强树脂锚杆，间排距700×700mm，每孔3卷Z2335树脂药，钢筋网采用A6mm钢筋焊接而成，网格80×80mm，网搭接100mm，锚索17.8mm×7.5m，布置于拱部，间排距1400×1400mm，5-5-5布置，喷C20混凝土厚度80 mm作为一次支护；永久支护钢筋混凝土厚度500mm，纵筋、竖筋采用HRB500钢筋，C20 300×300mm，联系筋（拉筋）采用HPB300钢筋，A10 600×600mm，钢筋保护层厚度70mm，马头门的内外侧纵向钢筋必须与井壁内外侧钢板进行焊接，焊接段长度不低于300mm，衬砌混凝土强度为C50。

 

 

　　八矿二号井回风井井筒净直径6.0m，深度480.2m，采用钻井法施工完成后，需安装一套马头门施工的提升系统。提升系统兼顾二期工程施工改绞选用，提升机为选用2JKZ－3.5/15.5型矿井提升机，井架为Ⅴ型钢管井架，提升吊桶选用3m3座钩式吊桶出渣（选用3m3吊桶是因为马头门施工时出渣量不大，且要兼顾方便人员、气瓶等物品频繁上下），提升用钢丝绳采用18×7-Φ39-170-重要-不旋转钢丝绳，安装临时吊盘。出渣选用MWY6-0.3矿用液压挖掘机。溜灰管采用Φ159×6无缝钢管（排水管）兼作溜灰管下混凝土。当井筒涌水量小于10m3时，工作面的水用风动隔膜泵抽至吊桶内，由吊桶提升排至地面。排水管作溜灰管。当井筒涌水量小于10m3时，用D46-12×5卧泵排水，用2m3底卸式吊桶向井下混凝土。

 

　　八矿二号井回风井二期施工井筒与-391m回风大巷井底连接处（马头门）为直墙半圆拱型断面，开口处净高4.8m，净宽4.8m，掘进深度5 m；设计方位角为289°，测量人员按马头门设计导入高程，给出中线、腰线，画出马头门轮廓线后，将吊盘落至与马头门平齐的位置，将气割用的氧气-乙炔瓶组用吊桶运送至吊盘。作业人员将气瓶从吊桶里卸到吊盘上，氧气瓶与乙炔瓶保持足够的安全间距且有专人看护。经过培训合格的并取得特种作业资格证的气割工用气割割炬依次分片切割破除井壁内层钢板。打眼放震动炮爆破破除中间的钢筋混凝土砼，用矿液压挖掘机二次破碎井壁间混凝土并完成向吊桶里装渣。金属井壁内层气割爆破完成后，然后在两侧马头门分别气割破除一块井壁外层钢板，用3.5m长钻杆马头门沿轮廓方向及掘进方向打眼检查壁后充填、封水情况，如壁后充填不密实，有涌水情况，则需注浆堵水，如无涌水渗水情况，则分片切割破除井壁外层钢板，钢板破除完后，正常钻孔、爆破，锚网喷支护，出渣。当两侧各施工50m后，再按设计进行绑扎钢筋、支模，对连接处两侧5m马头门部位进行绑扎钢筋、支模板、进行混凝土衬砌永久支护。

 

　　附设备明细表。

 

 

　　马头门施工需要破除的井壁为第90、91节钢筋混凝土预制井壁，为C70双层钢板复合井壁，内层钢板厚度σ14mm，外层钢板厚度σ10mm，井壁厚度700mm，每节高度4000mm。由上而下按轮廓线分片施工，两侧连接处同时进行。

 

　　按照兼顾二期改绞要求，将2JKZ－3.5/15.5型矿井提升机、Ⅴ型钢管井架（含天轮平台布置、二层台布置、翻矸系统、井口封口盘、吊盘等）、稳车、空压机、搅拌站等按照平面布置图安装到位后，首先将吊盘下盘落至与马头门底板平齐，测量工程师将高程、方位点导入井下，并配合施工工程师用反光漆画出马头门轮廓线。专业气割工选用G01-100型割炬配3#割嘴，由拱基线向拱顶气割。根据图示，混凝土与钢板之间密实，无缝隙。气割时，将割嘴与钢板平面平行略向下倾斜，使氧化物熔渣液顺钢板流下，避免割嘴垂直切割时氧化物熔渣液不能吹出造成回火。

 

　　按照轮廓线将金属井壁切割开后，在内层金属井壁马头门轮廓线内气割出若干个“窗口”，外层“窗口”距轮廓线500mm，“窗口”间距600m，并将轮廓线内金属井壁沿“窗口”分块切割。在已割除钢板的“窗口”处用YT28风动凿岩机在裸露的混凝土井壁上钻孔，深度以打到距内层钢板50mm为宜，单孔装药长度150mm，装药位于洞口300mm以内，炮泥封堵剩余炮孔长度，采用毫秒延期雷管，分3段由里向外顺序起爆，吊盘起升至距爆点20m高（先将吊盘起升到20m高度，再安排装药），作业人员撤离到地面安全地带后，爆破员在地面启动爆破电源引爆雷管炸药。利用爆炸的威力将钢板与混凝土振动分离，利于下一步的气割作业。爆破后，开启局部通风机通风30分钟后，作业人员下至吊盘处，先洒水降尘。待工作面空气及爆破扬尘达到良好条件后进行下一步的作业。洒水也有为钢板降温的作用，防止钢板井壁温度过高，烫伤作业人员。

 

 

　　内层金属井壁钢板受到爆破冲击波以后，会翻卷、脱离混凝土，有利于气割作业。割除翻卷的钢板后（割除的钢板及时装入吊桶，提升至地面），将电动挖掘机下放至井底，先换上液压破碎锤，清除井壁已经松动的混凝土及钢筋骨架，待松动的混凝土和骨架骨架清理完毕后，换上挖斗，将混凝土块装入吊桶内，提升至地面。经过多次气割、爆破作业、出渣作业后，露出外层金属井壁（外圆筒钢板）。在两侧马头门分别画出轮廓线后。切割破除井壁外层钢板，能够下注浆封口管即可。先打设直径Ф159mm的无缝钢管作为注浆封口管，再用3.5m长钻杆沿轮廓方向及掘进方向打眼检查壁后充填、封水情况，如壁后充填不密实，有涌水情况，则需注浆堵水，无涌水渗水情况，则分片切割破除井壁外层钢板，钢板破除完后，正常钻孔、爆破，锚网喷支护，出渣。

 

　　割除钢板后的“马头门”施工属于通用的施工方法，按照马头门稳定性控制机理研究，马头门断面矿物成分差别较大，采用抗让结合的支护方案，即在锚网喷支护的基础上，对应力集中程度最大或岩性差的部位应采取补打锚索的办法予以补强，并根据矿压观测情况采用二次锚注加固。抗让结合允许围岩有一定的变形，释放部分变形能后，然后进行加固，可以充分发挥围岩自载能力，提高马头门及其围岩的整体稳定性，从而确保马头门处于稳定状态。锚杆和锚索共同深入围岩中，扩大了支护范围，锚杆和锚索应力叠加，提供了极大的轴向力与切向力，提高不连续面的抗剪强度，阻止不连续面的产生、移动与滑动。通过提高结构面的强度来提高节理岩体的整体强度、完整性与稳定性。

 

　　锚注加固将锚喷支护与注浆加固技术结合起来，采用注浆锚杆来实现锚、注合一，对巷道破碎围岩进行主动加固与支护。锚注加固形成加固拱结构，改善了破碎围岩的物理和力学性质，岩体的黏聚力和内摩擦角得到了较大幅度的提高，从而提高了破裂岩体的承载能力。锚注支护充分发挥注浆围岩的自承载能力，为巷道深部破碎围岩提供变形性能好、高抗力的结构性约束，使巷道变形得到控制，保证巷道围岩整体稳定。注浆加固巷道技术是利用浆液来充填和加固围岩的裂隙面，提高岩体强度提供更好的围岩条件，改善围岩的岩性和应力分布，大幅缩小围岩变形，减轻支护结构承受的外载压力，改善支护结构的受力情况，大幅度提高围岩稳定性，以充分发挥岩体的承载能力。注浆加固可以起到壁后充填加固的作用，注浆充填层变形能力较大，可吸收围岩部分变形能及减小变形量，减少支护及围岩变形的剧烈程度。

 

　　锚杆、锚索和锚注支护的作用互补的，可以单独使用也可以联合使用。由多种加固技术联合形成的支护结构能够有效改善破碎围岩的物理与力学状态，形成多层组合拱结构。联合加困形成的拱结构具有较好的整体性、稳定的结构性、较高的承载力和较强的让压和抗变形能力有效阻止了围岩深部塑性区的发展，为深部破裂岩体提供径向约束，为深部破裂岩体应力强化创造了条件。

 

　　马头门掘进完成后，尽快进行钢筋混凝土浇筑。碹骨拱架采用16#槽钢加工，模板用10#槽钢代替。木工用圆盘锯加工所需的堵头板、楔块等。混凝土入模后用风动振捣器捣振均匀。

 

 

　　双层金属井壁施工马头门的难点和安全风险点都在双层金属井壁的气割、爆破拆除和井筒内挖掘机上下的吊装作业，吊盘的频繁起落及防止突涌水。

 

　　气割过程中，严格制定气割作业施工组织设计并经过批准，每次都要使用合格的割炬、火焰止回阀以及氧气、乙炔气带。乙炔瓶需要安排专人看守，不能有乙炔气体泄漏。气割工必须是经过培训并考试合格，取得特种作业许可证的专业气割人员。气割工作业前要穿戴好防护服，戴好防护目镜和防护手套。气割作业中气割工要防止钢液熔溅物流淌或飞溅到衣物里。同时还要防止混凝土经过高温后的飞溅和爆裂伤人。安全保护人员密切注意气割工作，发现回火，漏气等现象发生，立即关闭乙炔阀门。同时准备好灭火器备用，一旦发生火灾，立即扑灭。

 

　　金属井壁间的爆破要控制炸药的装药量，做到少装药，爆破效果起到让钢板井壁与结构钢筋、混凝土分离，利于切割即可，同时考虑降低爆破对井壁马头门轮廓位置混凝土强度影响。防止装药过多，爆轰效果过大，破坏井筒内设施。每次爆破后要进行详细的安全检查，防止有残药残管存留。一旦发现有残管残药，立即按照盲炮处理措施进行处理。每次下放火工品，都要严格执行“管药分离”的原则入井并严格执行《矿安全工程》等相关规程规定。

 

　　每次上下挖掘机前要认真检查吊装用的钢丝绳绳扣，不得有弯曲、锈蚀、断丝断股超限的情况出现，保证符合《矿安全工程》钢丝绳绳扣的要求。钢丝绳绳扣每次打设好后要先试吊一下，确认平稳，重心均衡后方可井筒内上下吊装挖掘机作业，提升速度要缓慢匀速。经过吊盘、井盖门时，要有人观察。挖掘机经过封口盘、吊盘喇叭口时，信号工要目接目送，绞车工操作提升机要匀速缓慢通过。提升钩头，提升钢丝绳要每日认真检查，安全状态必须符合《矿安全工程》相关规定要求。

 

　　内层金属井壁及钢筋混凝土清理完毕后，在外层金属井壁割出“窗口”。按照探水注浆措施要求进行探水作业，出现异常涌水后，要及时停止钻探作业，注浆堵水。达到探水、注浆效果，经钻探验证没有突水涌水风险后，按照割除内层金属井壁的方法割除外层金属井壁。探水作业前，孔口管一定要埋设牢固，安装的阀门要达到耐压等级，防止一旦突涌水无法正常堵水注浆。打探水钻孔的作业人员要注意观察钻进及涌水情况，发现异常立即停钻进行检查分析，排除风险后方可进行后续作业。

 

　　由于马头门开口施工时需要吊盘频繁起落，起落吊盘时，吊盘上除信号工、安全观察员外其他作业人员应该升井。每次起落吊盘前对稳车各个部位进行详细的排查作业。稳车的安全闸制动可靠灵活，各部位紧固螺栓要无松动退扣，蜗轮蜗齿无异常的磨损。稳绳排列整齐，无松圈散乱排列现象；稳绳轮转动正常。吊盘起落到位以后要将吊盘调整平衡后进行固定。每次起落吊盘后要通知绞车房，让绞车工重新标定吊盘的位置。

 

 

　　国内钻井法施工较少，双层金属井壁施工马头门施工也不多见，双层金属钢筋混凝土预制沉井井壁开凿马头门施工存在可燃气体燃烧、火工品管理、立井提升吊挂管理等多处安全风险点和难点，查找国内外资料，关于此类工程的经验总结较少，在此将八矿二号井回风井双层金属井壁施工马头门的施工方法总结出来，与大家一起交流，希望能在以后的类似工程施工中有所帮助。