缓坡斜井普通法通过强含水砂层施工工法.docx
《缓坡斜井普通法通过强含水砂层施工工法.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《缓坡斜井普通法通过强含水砂层施工工法.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
缓坡斜井普通法通过强含水砂层施工工法
缓坡斜井普通法通过强含水砂层施工工法
榆林市长泰矿山工程有限公司
2013.9.10
1前言
科学技术是第一生产力，随着煤炭能源需求量增大，为提高生产效率，机械化综采趋向于主导地位，新建、扩建的大型煤矿，大型机械辅助运输的斜井必不可少。
斜井井筒施工中，因坡度缓、井筒长、涌水量大、地质情况复杂，直接影响到施工安全以及早日投产的经济效益。
井筒是否能够通过强含水流砂层是整个斜井施工成败的关键，治水、掘进、支护每个环节至关重要。
银河煤业薛庙滩矿井一期工程三条斜井井筒施工采用普通法施工，在暗硐掘进至垂深8m左右见水，同时出现流砂，究其原因：
一是急于施工，二是施工前对流砂造成的施工难度预计不足，三是没有采取综合技术措施，四是施工单位缺乏类似工程施工经验，造成工程一度停滞不前，半年时间井筒几乎没有进度，工期延误八个月以上。
建设单位认真研究后更换了有类似工程施工经验的榆林市长泰矿山工程有限公司，以多年矿井的施工经验，采用普通法加综合技术措施施工，三条斜井井筒顺利通过了强含水松散地层。
本工法以银河煤业薛庙滩矿井2#副斜井的施工为例，薛庙滩矿井2#副斜井位于陕西省毛乌素砂漠东南缘，井筒倾角5.5°，其中水平缓冲段和曲线段坡度为3‰，调车硐室为水平巷道，半圆拱形直墙巷道，井筒净宽5.6m，净高4.6m,净断面积22.4㎡。
井筒设计明槽段118.6m，暗槽混凝土砌碹段793.8m，基岩段锚喷1257.3m，含6m调车硐室10个，井筒总长度2229.7m。
与该矿井相邻的金鸡滩缓坡副斜井和常家梁主、副、风斜井，采用冻结法施工通过强含水松散地层，冻结后急于求成开挖造成溃水溃砂，又进行第二次冻结施工。
为了能安全完成2#副斜井工程的施工，建设单位组织有关专家进行技术论证、风险分析和经济对比，最后决定：
采取群孔井点降水加综合技术措施普通法通过强含水流砂层。
施工过程中，降水井的监测动态时刻为掘进服务，为防止溃水溃沙设计院进行变更封底，增加防水板、止水带和引水盲管进行治水，降水对井筒作用进行了专项科研，埋设压力盒进行承压数据记录、模拟。
2工法特点
科学布置降水井的位置、孔深及降水井数量，安装适合降水的管道、水泵，多点均匀降水，实时监测地下水位降至井筒底板以下，确保掘进的工作面无涌水。
若未达到预想的降水目标，则硐内采取分段截流有组织排水。
要预先备足所需支护材料和设备，以人工开挖为主，减少砂层扰动，超前支护与初期支护相结合，保证施工安全和质量。
施工坚持“科学降水、减少扰动、超前支护、短掘短支、掘砌协同”的原则进行，稳扎稳打不留安全隐患。
3适用范围
该工法适用于普通法通过强含水离石组与萨拉乌苏组交替互层，该类地层有亚粘土、粉细砂、砂土、亚砂土交替出现，砂层厚度不超过15m，流砂层与地表垂深60m以内，有泥层隔水层，井筒涌水量在100m3/h左右的井筒。
4工艺原理
通过降水井群孔降水，降低地下水位至井筒以下，减少水对土层的压力，防止地下水对砂层造成的流动破坏，利用地层原始强度和隔水护层稳固土体。
人工开挖减少围岩扰动，采用综合技术措施，超前支护与初期支护相结合，钢架闭合成环增强抗压能力，掘砌协同降低施工安全风险。
除设计所需的支护材料外，工作面备好竹胶板、管棚、水管、水泵、切割机、刨床、钻机、电焊机等，随时应对突发情况。
5工艺流程及操作要点
5.1降水井降水
降水井的施工要在井筒掘进前2-3个月为宜，达到预先降水的目的。
降水井降水施工流程：
成孔（钻机钻孔）→下放井管（安装抽水设备）→管口填实→抽水。
预先降水及井点布置应符合设计要求。
降水深度应在进入基岩以下3m（具体视地质情况确定），但应预防降水过度引起的不均匀沉降，降水井的降水水位要必须保证降到在底板以下井筒才能掘进。
5.1.1重点检查井点布置、深度及施工质量是否按预定方案实施，如出现偏差及时进行纠偏处理。
5.1.2降水井降水设备的排水口应与井筒保持一定距离，排出地表的水，应采取措施远排，防止排水回渗松散地层，增加井筒涌水量。
5.1.3降水井降水应确保砂滤层施工质量，做到出水常清。
对出水混浊的井点管应予更换或停闭。
5.1.4在设置降水井降水时应设置观察井，做好日常观察工作。
5.1.5降水开始后，必须有专人看管，要定期不定期对地面水位观察井的水位进行定时测量，以检查降水深度是否达到要求。
同时，多点观测地表下沉、开裂现象及井筒掘面砂层含水量变化。
5.1.6定时定期监测降水井的静态、动态水位，绘制水位剖面图，分析水位变化情况，科学指导施工，预防突水、塌孔等事件的发生。
对降水井抽水做好记录，测水位、流量的数据应准确无误，如出现水位上涨或久降不下的情况，及时上报，以便及时分析水位变化情况是否满足施工要求，如水位变化异常应及时采取措施（更换大功率水泵或补打井等措施）。
5.1.7在降水过程中必须保证电源双回路，切忌过程停电，如施工过程停电，极易造成水位上升而造成井筒涌水量剧增，引发溃水溃砂事故。
5.1.8定期检查各孔位抽水是否含砂，如有出砂的降水井要特别重视，必要时要停止抽水，防止抽水对地层扰动，造成松散砂层局部出现空洞引起井筒冒顶、溃水溃砂等事故，给井筒施工和人身安全造成威胁。
5.1.9井筒通过含水松散砂层段地表区域为低洼地段，且面积大，大气降水易积聚，形成松散砂层补给源，对降水工程影响很大，这是影响工程的安全隐患，要求施工方及时收集天气资料，做好应急预案，如遇大暴雨等恶劣天气及时做好疏排水工作，确保降水工作顺利进行。
5.1.10该施工方案的施工顺利与否的关键是：
群孔井点均匀降水井的合理布置。
采用类比法经充分技术、经济论证，二号副斜井群孔多点均匀降水井首次布置22个降水井，采用1.1KW潜水泵。
根据实际降水效果，二次采取补孔6个降水井方案，适当加大降水井深度，采用2.2KW潜水泵。
群孔多点有效平面降水距离约350m（降水井布置见附图5-1，深度见附表5-1）。
附表5-1：
二号副斜井降水井数据一览表
降水井编号
里程
距井筒中心线位置
井口高程
井底高程
管口与井底高差
井深
A1
285.06
-15.833
1187.678
1152.152
35.526
55
A2
315.04
-16.274
1185.954
1149.265
36.689
55
A3
343.825
-15.735
1186.466
1146.493
39.973
55
A4
374.326
-14.259
1183.413
1143.557
39.856
60
A5
407.734
-16.175
1186.617
1140.340
46.277
60
A6
436.983
-17.008
1185.655
1137.523
48.132
65
A7
465.336
-15.566
1186.261
1134.793
51.468
65
A8
491.321
-16.126
1185.749
1132.291
53.458
65
A9
525.434
-15.723
1186.532
1129.006
57.526
65
A10
555.396
-15.936
1185.857
1126.121
59.736
75
A11
585.114
-15.909
1186.731
1123.260
63.471
80
B1
271.67
17.18
1187.43
1153.441
33.989
55
B2
299.456
16.462
1187.571
1150.766
36.805
55
B3
330.489
16.212
1184.243
1147.778
36.465
55
B4
359.876
16.014
1185.612
1144.948
40.664
60
B5
389.559
16.287
1184.899
1142.090
42.809
60
B6
419.878
17.88
1186.852
1139.170
47.682
65
B7
449.735
15.849
1186.672
1136.295
50.377
65
B8
480.242
15.805
1186.072
1133.358
52.714
65
B9
509.793
16.262
1186.15
1130.513
55.637
65
B10
540.236
15.961
1186.067
1127.581
58.486
75
B11
569.737
15.95
1187.024
1124.741
62.283
80
补A1
358.845
-15.035
1186.854
1145.047
41.807
55
补A2
389.39
-15.255
1183.545
1142.106
41.439
60
补A3
600.582
-15.325
1187.464
1121.771
65.693
80
补B1
346.034
16.026
1185.334
1146.281
39.053
55
补B2
375.131
15.849
1185.546
1143.479
42.067
60
补B3
584.871
15.554
1187.321
1123.283
64.038
80
二号副斜井降水井水位曲线关系图绘制日期：
2012年6月28日
备注：
上图截取了施工期间部分降水井的当日水位监测剖面，作业面掘进里程423.6m，通过曲线关系图可以看出，掘进面的地下水位已降至底板以下，作业面砂层呈潮湿状态无渗水现象，大大减少了溃水溃沙的风险。
（图中：
动态水位是指降水井抽水状态下水位标高，静态水位是指测水孔的静态水位。
）
5.1.11右图为降水井水泵及花管示意图，为了滤砂和保护水泵，降水井钻孔完成，下放抽水设备前现场安装水泵和出水管，将出水管与花管焊接，焊接要预留电缆孔。
花管采用φ400钢管，长度6米，花管眼不得大于5m，间距200*200mm，梅花状布置，滤砂花管采用双层钢纱窗包裹，钢纱窗中间填充3-5mm砾石，砾石要求干净无泥沙，并填充均匀密实，厚度控制在5cm。
吊车下放管道时必须慢吊轻放，防止刮坏砂滤网。
5.1.12降水井待井筒整体砌筑及底板完成并达到设计强度后方可停止抽水。
5.2硐内降水
5.2.1地面降水未达到预想目标时，硐内采取分段截流的有组织排水，因此对于井筒内排水必须形成积、抽、排于一体的抽水系统，具体流程如下：
作业面涌水→排水沟→集水坑→泥浆泵→临时水仓→水泵→排水管→硐外沉淀池→
水泵→排水管→降水井蓄水池→清水排放
5.2.2汇水坑、泥浆泵应随着掘进作业面跟进，现场进行适当调整。
5.2.3配套设施临时水仓的施工
（1）临时水仓不能影响到斜井地质稳定以及行车安全，必须选择在土质较好，具有一定隔水能力的红胶泥或基岩地质上施工。
临时水仓的施工能安全、高效完成，避免施工时间过长影响到施工进度。
水仓位于在斜井底板以下，既满足存水和抽水，又不影响行车。
（2）本斜井临时水仓技术参数
①水仓容积：
根据涌水量的需要来定，本实例依照该斜井临时水仓容积为40m3。
②水仓尺寸：
水仓为梯形体，上口宽3m长4m，下口宽2m长4m，深度为4m。
③水仓施工：
水仓基础坡度5.5度，浆砌片石厚度300mm，线路纵向侧壁八字形挡墙为500mm浆砌片石，并挂设钢筋网喷混凝土加强其稳定性，线路横向侧壁为楼板，采用Φ20锚杆固定，锚杆长度2450mm，600*600mm矩形布置，锚杆眼装入药卷式锚固剂，每根锚杆使用3卷。
锚杆打设时预留300mm弯折成直角，用来锚固楼板和钢筋网搭接处的固定，钢筋网使用φ6.5mm，网格100*100mm，搭接长度为一个网格，锚网支护完成后喷射150mm厚的C20混凝土。
路面搭设I18工字钢栈桥，工字钢无缝排列，考虑在行车重载下工字钢有柔性变形，栈桥底面比水仓楼板高500mm，工字钢采用Φ18钢筋焊接固定，可起到防滑作用，每根钢筋长3m，钢筋焊接间距200mm，栈桥路面坡度与斜井片石铺底一致。
栈桥后端右侧预留1m2检查孔，便于放入水管、水泵、吹泥浆的风管以及检修水泵。
检查孔处的侧壁上安设U型扶梯，保证维护检修人员上下的安全。
（3）考虑水仓长度和深度较长，为保证水仓四周墙体的稳定，特加设钢架护壁，采用I18工字钢焊接成梯形及矩形形状置于水仓四周，梯形横撑内部增设I18工字钢三角架，采用焊接与主骨架联接，横撑见附图一、二，根据现场需要焊接，保证钢架护壁与墙体紧贴。
临时水仓结构见附图：
临时水仓附图一（剖面）单位：
mm
临时水仓附图二（侧面）单位：
mm
临时水仓停止使用时，将水仓内水抽干、淤泥清干净，撤出水泵及水管，拆除栈桥，采用砂浆片石密实回填处理。
5.2.4井壁引水
井壁引水的作用是将井筒周围流砂中所含水分，通过导管形式引至临时水沟汇流到集水坑，再用水泵抽到硐外排水管道，此方法可以降低砂层含水量，减少水压力对工作面施工的影响，避免砂层含水率饱和后造成塌陷。
实施办法是：
将φ30塑料水管截取约800mm长，把插入砂层的一端削成斜口，双层纱布包裹封住斜口，用细扎丝绑扎牢固，插入砂层起到过滤细砂和导水的作用，出水口预留10—30mm，把水引至临时水沟为宜。
现场根据涌水量大小可增加导水管数量，还可以将埋入砂层一端做成花管，用纱布包裹绑扎牢固达到滤砂引水的最佳效果。
该方法可实际情况灵活掌握。
5.3开挖方法
强含水松散流砂严禁大面积开挖，否则将造成严重的溃水溃砂，甚至坍塌危及作业人员和井筒安全，因此在流砂层掘进，要注重“短掘短支、分部开挖”的原则，在保证安全的前提下，酌情进行分台阶分部开挖的方法。
留核心土，小型挖机与人工开挖相互配合，挖机挖至开挖线以内约500mm厚度，停止机械开挖，换成人工开挖，人工开挖的砂土，再由挖机装入出渣车运走，有效降低对开挖线以外砂层的扰动，还大大减少超挖造成支护材料的浪费。
2#副斜井使用的开挖方法有如下几种：
5.3.1三台阶五步开挖法：
三台阶是指上导、中导、下导，五步是
指拱部、中左步、中右步、下左步、下右步。
如右图所示：
5.3.2三台阶六步开挖法：
此开挖方法是在三台阶五步开挖法的基础上，
拱部分成两部分进行开挖。
如右图所示：
5.3.3四台阶六步开挖法：
断面划分成四个台阶，由巷道中线将左右各分
成八部分进行开挖，如右图所示：
5.4超前支护与初期支护相结合
5.4.1超前管棚支护
棚作为超前支护，其作用是加固前方土体稳定性，增加拱架之间的承载力，管棚采用φ32热轧无缝钢管，每间隔两榀拱架，打一环管棚，钢管穿过工字钢打好的圆孔，管与管间距为200—300mm，外插角10º~15º，涌水量小只打设起拱线以上部位的管棚，涌水量大且砂层极不稳定时边墙和拱部均打设管棚。
5.4.2插板法堵流砂
环插竹胶板，堵住流砂，根据现场实际情况现场加工竹胶板形状，使竹胶板之间空隙小，控制施工部位流砂垮落，阻止砂层流动。
管棚与木板密集支护，形成壳状保护，分解应力集中，从而保证巷道安全掘进。
发生流砂空洞，必须采用喷射混凝土回填密实。
综合支护示意图
5.4.3加强初期支护
拱架时，用千斤顶顶实，以保证喷射混凝土施工质量。
钢拱架间距以每循环为一架，间距可适当加密（原设计间距800mm,调整至1米两架即500mm），拱架间连接杆也可适当加密，原设计5根连接杆可加密至9根（拱部5根帮部4根）。
5.4.4反拱
通过流砂层底板施作反拱使钢架封闭成环，增强整体受力，避免停止降水造成底鼓。
18号工字钢与边墙拱脚采用焊接联接，16号工字钢与反拱18号工字钢焊接连接，现场可灵活对反拱钢架进行截取、焊接，方便快捷，联接牢固。
具体施工方法：
（1）在片石砂浆垫层中横设埋入18号工字钢，单根L＝6400mm。
（2）18号工字钢与直墙工字钢托盘焊接，预留的接头采用连接钢板（220mm×200mm×8mm）与工字钢焊接。
（3）纵设埋入16号工字钢，单根长L＝600mm，镶嵌于18号工字钢槽中，焊接牢固。
（4）二次铺设砂浆片石时必须填充实，保证不留设空隙，增强巷道底板强度。
反拱施工图
5.5砌碹
流砂层掘进、初支完成后，砌碹必须及时跟进，砌碹与掘进面的距离最好不影响前方施工和抽水的情况下，尽可能保持最短距离为宜。
砌碹的防、排水成了首要问题，水无孔不入，治水方案的可靠有效，直接影响到巷道的正常使用。
降水井停止使用后，涌水量增加，完全堵水是难以达到的。
要减少巷道淋水，又能降低井筒水压。
经实践总结，合理防、排水措施能起到较好的成效。
5.5.1砌碹防水
巷道淋水较大，行车视线受到影响，冬季温度较低的情况下路面结冰，发生交通事故的几率越大；长时间巷道淋水对浇筑混凝土和松散围岩造成冲刷破坏，既增加后期维修成本又不利于巷道安全。
因此针对以上问题，我施工单位邀请监理及业主开展防排水专题讨论，决定在地下水较丰富的部位，砌碹施工缝埋设中埋式止水带，砌碹外围挂EVA防水板。
其优势是将水隔离到砌碹外壁，使巷道具备安全、良好的行车环境，淋水减少也对砌碹以及外壁的围岩起到保护作用。
（1）止水带施工
材料规格：
宽度300mm，厚度6mm，中埋式橡胶止水带。
埋设部位：
砌碹施工缝部位，即小边墙与砌碹帮部、每板堵头搭接处。
两次混凝土浇筑时各留150mm在砌碹内。
施工方法及要求：
①向止水带安设：
小边墙浇筑后，将中埋式止水带插入小边墙中心位置，埋设必须在混凝土初凝时间之前，埋入深度150mm（即止水带宽度的一半），
外露止水带使用加工好的U型φ8钢筋卡每隔1m固定一道，保证止水带的直立和平展，使其与帮部砌碹紧密结合，起到施工缝的密闭，防止地下水渗出。
施工参照图如下，图中尺寸标注单位：
mm。
②向止水带安设：
砌碹台车定位完成后，使用止水带弯折成90度，一端固定在堵头模板内侧上，一端使用长度为435mm的φ8钢筋，加工的钢筋卡点焊在台车上，每隔500mm均匀布置钢筋卡，每一板砌碹共需要26个钢筋卡，钢筋卡要求稳定且能固定中埋式止水带位置，止水带位于实际砌碹厚度一半的位置。
在浇捣靠近止水带附近时，应严格控制浇捣的冲击力，避免力量过大破坏止水带及其位置。
脱膜后将紧贴档头模板的止水带扳直，对止水带过分偏离中心，则应适当凿除或填补部分砼，对止水带进行纠偏。
每节止水带搭接长度不小于100mm，埋设深度不大于150mm且不小于100mm，止水带不得出现翻滚、扭结，如发现有扭结不展现象应及时调正。
具体的环向止水带施工布局如图一、图二所示。
（2）防水板挂设
对初期支护表面凸凹不平处进行处理，使防水层铺设基面平顺。
防水板铺设应在砌碹之前挂设，并设临时挡板防止机械损伤防水板，施工中应尽量减少防水板的搭接头，焊接时，接缝处必须擦洗干净，且焊缝接头应平整，不得有气泡折皱及空隙，焊缝应无漏焊、假焊烤焦、焊穿、外露的固定点等现象，若有应予补焊两幅防水板的搭接宽度不得小于150mm。
5.5.2砌碹引排水
在淋水大的顶板，用防水板和透水半管将顶板淋水统一拦至拱基线以下，紧贴初支面安设透水软管，小边墙基础以下50mm按-5.5º的坡度埋设φ108mm无缝不锈钢管，保证浇筑小边墙基础时，不锈钢管被混凝土覆盖。
透水管与无缝不锈钢管用变径三通连接，连接的丝扣必须紧固到位。
巷道两侧透水管流入的水，由φ108mm无缝不锈钢管内引入水仓，淋水较小的部位，边墙只安设φ108mm无缝不锈钢管，巷道左右边墙两套引水管路，底板一套引水管路，共计三套主管从K625引入腰泵房。
软式透水管固定间距在30～50cm，用射钉枪按30mm～50cm间距钉好射钉，将软式透水管捆好，固定在钉好的射钉上，安设的“∩”形透水软管顶端50mm打三个直径为30mm深度500mm透水眼，眼间距为750mm，透水管用防水板覆盖，防水板边缘用薄木板钉好，防止透水管移位以及不贴初支面，进入砌碹混凝土内，影响透水效果。
透水软管与无缝不锈钢管连接处用无纺布包裹。
引水管路系统的连接应牢固、畅通。
浇筑混凝土时应加强振捣，保证混凝土强度。
底板软式透水管与中心引水管连接，底板软式透水管安装前，用风镐凿除低于底板底部100mm片石砂浆基础，修凿的呈“s”形水槽，水槽的宽度不低于50mm，深度不低于100mm。
软式透水管装入前，水槽底部铺5—10mm石子，主要起过滤泥沙和净化水的作用，装好透水管后用防水板覆盖管道，防止浇筑底板混凝土时，水泥浆灌入水槽影响透水效果，沿巷道纵向分别布置4根，每根间距1250mm，透水管端头必须堵塞并用无纺布包裹。
透水管的尾部用三通与不锈钢管连接，所有底板下的软式透水管均汇入中心引水管。
巷道左右侧无缝不锈钢管预留100mm三通孔，预留孔包裹密实，不允许任何异物进入，待巷道浇筑底板时，将Φ108无缝不锈钢管预留孔相接。
横向和纵向Φ108钢管均用三通连通，安装时必须将丝扣拧紧。
施工工艺流程：
φ108mm无缝不锈钢管埋设时要平顺且在一条直线上，减少流水阻力。
埋设无缝不锈钢管起点位置和底板透水管靠水沟一侧必须封堵密实，不能让水泥浆及沙石流入堵塞管道。
5.5.3安装压力盒
本斜井为研究萨拉乌苏组地质的井筒施工，进行科学系统的模拟分析，对降水井抽水、地层压力埋设压力盒采集数据，我施工单位密切配合科研组对2#副斜井的研究。
巷道围岩压力的监测是最基本的、最直接的反映围岩应力状况的监测项目，包括顶顶部围岩和底板围岩的竖向方向压力监测和两帮围岩的水平方向围岩压力监测。
根据监测结果可以计算出围岩竖直方向和水平方向的应力及其应力随时间变化曲线。
在巷道安装振弦式压力盒，见：
断面压力盒检测点布置图所示，分别测水压力和围岩压力。
为斜井强含水砂层施工提供科研数据，根据应力变化进行合理的支护，来保障巷道安全和施工安全，通过检测得出：
随着工作面的不断向前掘进各测点处的土体不断进行固结，土压力不断增大，砌碹施工后压力趋于稳定，土体渗透系数逐渐变小。
振弦式压力盒安装示意图
注：
压力盒紧贴岩面，每个断面安装6个，即图中红色方框所示，图中尺寸以mm为单位。
作业人员现场安装压力盒
5.6劳动力组织
为实现巷道的快速、优质、高效、低耗和安全施工，除了要合理正确地选择施工方式外，还必须采用科学的施工组织形式和科学的作业方式。
循环作业方式为：
一掘一支砌碹跟进，工作制度：
班组工作面交接，三班八小时作业制。
劳动力配备表
序号
班组
人数
小计
备注
一班
二班
三班
1
队长
1
1
1
3
现场值班
2
开挖班
6
6
6
18
各班配备
班长一名
3
支护班
6
6
6
18
4
砌碹
8
8
8
24
5
机运班
4
4
4
12
6
加工班
3
3
3
9
7
抽水
4
4
4
12
现场值班
8
电工
2
2
2
6
9
安检员
1
1
1
3
巡查
10
技术人员
2
2
2
6
配
升级会员 