采用短掘短砌加快斜井施工進(jìn)度

黃玉生,吳沅聲

(廣西錫山礦業(yè)有限公司,廣西南寧 530022)

斜井施工中,若圍巖穩(wěn)定性較差,在存在片幫、冒頂現(xiàn)象,且伴隨有涌水的情況下,施工難度相當(dāng)大。結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)在工程地質(zhì)條件較差的情況下,加快斜井的施工速度進(jìn)行探討。

1 工程概況

5號(hào)措施斜井是中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新分公司60萬(wàn)t/a碳酸錳地下開(kāi)采開(kāi)拓工程的臨時(shí)措施斜井,主要是為280 m水平階段平巷掘進(jìn)服務(wù)。斜井總長(zhǎng)度224.35 m,傾角22(°),開(kāi)挖斷面為10.97 m2和9.95 m2,開(kāi)挖總工程量2 221 m3；支護(hù)截面1.67 m2,支護(hù)總工程量170 m3。

1.1 工程地質(zhì)條件

圍巖巖性主要為泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r,多呈薄層狀,節(jié)理、裂隙極為發(fā)育,巖層傾角50(°)左右。巖層遭受風(fēng)化、泥化嚴(yán)重,遇水極不穩(wěn)定,容易大面積冒頂、片幫。圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)[1]：斜長(zhǎng)0～70 m屬Ⅴ類(lèi)不穩(wěn)定巖層；70～100 m屬Ⅳ類(lèi)弱穩(wěn)定巖層；100 m處至井底及井底車(chē)場(chǎng)屬Ⅲ類(lèi)中等穩(wěn)定巖層。

1.2 水文地質(zhì)條件

井筒掘進(jìn)至斜長(zhǎng)10 m 左右開(kāi)始見(jiàn)水,隨著掘進(jìn)的深入,井筒涌水量逐漸變大,從最初的5 m3/h增加到100 m3/h,最大涌水位置在斜長(zhǎng)95 m處。共穿過(guò)兩個(gè)含水層,第1個(gè)含水層在斜長(zhǎng)10～70 m,屬一般潛水；第2個(gè)含水層在斜長(zhǎng)85～95 m,屬于層間承壓水,單點(diǎn)涌水量比較大,達(dá)20 m3/h。

1.3 施工中存在的問(wèn)題

1)巖層容易冒頂、片幫,增加了出碴量和支護(hù)量,且最重要的是施工安全得不到保障。

2)需加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)。

3)掌子面大量積水,極大地增加了底孔的鉆孔難度,底孔爆破效果也比較差,需用風(fēng)鎬挖底,大大延長(zhǎng)了清底時(shí)間。

4)施工斜井的通?。喉敯暹^(guò)高,底板不足,井筒前部翹起。

5)由于工作面潛水流動(dòng)侵蝕,澆筑混凝土?xí)r,墻基混凝土被水沖刷嚴(yán)重,水泥漿甚至沙石被沖走,墻基常形成大的孔洞,導(dǎo)致墻基不穩(wěn),井壁下沉,嚴(yán)重影響井筒的質(zhì)量。

2 技術(shù)措施

2.1 建立有效的排水系統(tǒng)

遭遇涌水是施工中遇到的最大困難,因水的存在衍生出了系列問(wèn)題：頂板、邊幫被淋水后,巖層極易被軟化,從而加速了冒頂和片幫,產(chǎn)生嚴(yán)重安全隱患,所以解決排水問(wèn)題至關(guān)重要。由于斜井為臨時(shí)措施斜井,服務(wù)年限短,斷面小,涌水量不大,抽水基本滿(mǎn)足需求,所以不考慮注漿堵水。根據(jù)實(shí)際情況不同的施工部位可采取不同的排水措施。

第1階段：開(kāi)始出現(xiàn)涌水時(shí),水量不大,涌水量為5～15 m3/h。此時(shí)在掌子面挖1個(gè)集水坑,使用低功率、低揚(yáng)程潛水泵將水排至地表,即可滿(mǎn)足施工要求。排水線路：掌子面→井口排水溝。需注意的是,出碴時(shí)工作面的積水處于擾動(dòng)狀態(tài),水質(zhì)渾濁含有大量泥砂,極易堵塞潛水泵,不但排水效果差,還容易使?jié)撍脽龎摹Ｐ鑳?yōu)先考慮選購(gòu)有防堵功能的潛水泵,并經(jīng)常清理堵泵的泥砂。

第2階段：隨著斜井不斷延伸,涌水線路也不斷拉長(zhǎng),且掌子面底板也存在涌水,涌水量達(dá)30～50 m3/h。表現(xiàn)在斜長(zhǎng)10～60 m段。通過(guò)增加水泵抽水臺(tái)數(shù),可以減少工作面積水,但效果并不理想。一是水泵占用工作面空間,工人不便施工；二是水泵需經(jīng)常挪動(dòng),經(jīng)常清理,占用不少時(shí)間。可以采取分段截水[2],但分段截水需有臨時(shí)儲(chǔ)水點(diǎn),此時(shí)可以考慮加深躲避硐室用作臨時(shí)儲(chǔ)水倉(cāng)。當(dāng)此儲(chǔ)水點(diǎn)失去作用后,再回填恢復(fù)其躲避硐室的功能。排水線路：截水溝→躲避硐室(臨時(shí)儲(chǔ)水倉(cāng))→井口排水溝。掌子面的積水可以直排至地表,亦可以轉(zhuǎn)至臨時(shí)水倉(cāng)再抽至地表。采取此措施后,掌子面積水明顯減小,施工條件得到改善。

第3階段：掌子面底板已無(wú)涌水現(xiàn)象,工作面積水絕大部分來(lái)自井筒上部涌水,涌水量為60～100 m3/h。說(shuō)明已穿過(guò)含水層,表現(xiàn)在斜長(zhǎng)100 m位置。為更快地往下施工,根據(jù)實(shí)際涌水量在斜長(zhǎng)100 m位置施工1個(gè)大儲(chǔ)水量的固定水倉(cāng)。挖截水溝把井筒上部涌水截住并引入固定水倉(cāng)中,使用大功率水泵(可以使用離心泵)抽至地表。同時(shí)停止使用上部躲避硐室臨時(shí)水倉(cāng)的排水系統(tǒng)。排水線路如圖1,最終形成如圖2的排水系統(tǒng)。

圖1 排水線路

圖2 排水示意

至此,排水問(wèn)題已基本解決,往下施工速度倍增。

2.2 加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)

針對(duì)Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖遇水軟化,極易大面積冒頂、片幫的特點(diǎn),施工中采用短掘短砌的施工工藝,以減少?lài)鷰r的暴露時(shí)間。每掘進(jìn)2 m,立即支模澆筑混凝土。盡管如此,掘進(jìn)中還是經(jīng)常出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象,影響作業(yè)安全。因此不得不加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù),以保證作業(yè)安全。

2.2.1 采取超前鋼管錨桿支護(hù)

在圍巖不穩(wěn)定、常出現(xiàn)冒頂和片幫的地段,采取超前支護(hù)[3]效果會(huì)比較好。超前小導(dǎo)管預(yù)注漿是一種技術(shù)含量較高的超前支護(hù)形式,支護(hù)效果十分明顯,但其工序較為復(fù)雜、成本也比較高。綜合各種因素,決定采用超前鋼管錨桿支護(hù),不進(jìn)行預(yù)注漿。錨桿由φ42 mm的無(wú)縫鋼管制成,桿長(zhǎng)3 000～3 500 mm。在拱部與巷道中心線向上呈5(°)角打入錨桿孔,孔間距200～300 mm,打好孔后打入鋼管錨桿,錨桿尾部用鋼拱架支撐,這樣就在拱部形成了一層超前支護(hù),如圖3。

圖3 超前支護(hù)示意

實(shí)踐證明：這種超前支護(hù)形式,對(duì)邊幫、頂部有淋水的軟弱地帶支護(hù)效果明顯,既安全又可靠,而且經(jīng)濟(jì)、實(shí)用,操作也比較簡(jiǎn)單,同時(shí)也是處理一般冒頂優(yōu)先采用的方法。

2.2.2 處理大冒頂?shù)募夹g(shù)措施

當(dāng)爆破后形成大面積冒頂,則出部分碴后在頂板打水平鉆,插進(jìn) φ42 mm圓鋼,焊接 15 kg/m鐵軌,做成臨時(shí)支架,鋪上2～3層5 cm厚的木板,再在上面堆放原木做緩沖層,視冒頂?shù)母叨炔煌昧坎煌Ｖ缶涂梢栽诘紫吕^續(xù)出碴,清理完畢,立即支模,快速澆筑混凝土。如頂板或邊幫有大股涌水,則預(yù)留排水孔,視水量大小使用不同的鋼管,對(duì)于不成股的淋水,則在澆筑前,在頂板掛上塑料薄膜,匯集淋水到工作面,或者用水管導(dǎo)出,保證澆筑的質(zhì)量。澆筑完成后,用袋裝石碴回填上部空洞。

2.3 優(yōu)化爆破參數(shù)

為減少爆破對(duì)頂板、邊幫的破壞,根據(jù)圍巖的實(shí)際情況,采用不同的爆破方法。在Ⅴ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)巖土中采用楔形掏槽爆破方法[4],掏槽孔以上少布或不布崩落孔和周邊孔,裝藥系數(shù)為0.6～0.65,但頂板還是有大面積的塌落。炮孔布置及爆破參數(shù)見(jiàn)圖4和表1。在Ⅲ類(lèi)巖石中采用中心掏槽爆破法,效果較好。兩種爆破方法都強(qiáng)調(diào)底孔的數(shù)量和裝藥量,底孔裝藥系數(shù)為0.8；保證底板爆破效果,減輕清底勞動(dòng)強(qiáng)度,提高效率,為支護(hù)爭(zhēng)取時(shí)間。

圖4 斜井楔形掏槽炮孔布置

表1 楔形掏槽爆破參數(shù)

爆破參數(shù)見(jiàn)圖5和表2。在實(shí)際操作過(guò)程中,當(dāng)涌水量較大的時(shí)候,底板有個(gè)別的啞炮。通過(guò)加強(qiáng)抽水,對(duì)起爆藥包做防水措施和采用雙雷管起爆,很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

2.4 其他問(wèn)題

加強(qiáng)施工測(cè)量放線,每次清底均拉腰線量底,底板臥不到位不澆筑混凝土,以解決斜井井筒前端翹起的問(wèn)題。

圖5 中心掏槽炮孔布置

表2 中心掏槽爆破參數(shù)

澆筑時(shí)井壁墻基被潛水沖刷,除了要增加早強(qiáng)劑的量外,可在模板前端墻底部位放置少許巖塊,以避免水泥砂漿被帶走后形成大的孔洞。拆模后若發(fā)現(xiàn)有孔洞,應(yīng)立即補(bǔ)強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

5號(hào)措施斜井工程穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化帶和含水層帶,涌水量比較大,不良工程地質(zhì)條件發(fā)育,施工條件比較差。在采取以上措施后取得了良好的效果,既加快了施工進(jìn)度,又提高了施工質(zhì)量。

[1]李智毅,王智濟(jì),楊裕云.工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1990.

[2]董方庭,姚玉煌,黃初,等.井巷設(shè)計(jì)與施工[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[3]東兆星.井巷工程[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2005.

[4]戴俊,王樹(shù)仁.爆破工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.