立井井筒施工組織設計方案(13頁).doc
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2022-10-10
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1、 立井井筒施工組織設計1.井筒概況1.1.水文地質根據根據永夏安全改建工程井筒檢查孔地質報告成果資料,井位處地層自上而下為:第四系、第三系、二疊系(上石盒子組、下石盒子組)。副井井位處新生界松散層厚為: 340.45m,基巖風化帶厚分別為12.87m。北回風井井位處新生界松散層厚為294.03m,基巖風化帶厚為29.97m左右。箕斗井、副井和回風井井筒基巖段有兩個主要含水層,煤間砂巖裂隙第一含水層(段),其垂深在1147.50米1154.00米,厚度為60100米;第二含水層(段),其垂深在1267.50米1329.00米,厚度 3040m。副井井筒基巖段全井筒混合含水層涌水量171.55m32、/h。二疊系煤系各砂巖裂隙含水層(段)由于砂巖裂隙不發育,富性弱,滲透性差,在自然狀態下,地下水運動緩慢,處于半封閉狀態,地下水補給、排泄條件差,以儲存量為主。主要為區域層間補給、逕流、排泄。垂向上各含水層(段)之間都有相應的隔水層,正常情況下無直接水力聯系。副井基巖段兩個含水層均在設計水平以下,其風化帶以下至井底水平之間沒有較大的含水層。二疊系地層巖性主要由砂巖、粉砂巖、泥巖及煤層組成,以泥巖、粉砂巖為主,砂巖次之。不同巖石的抗壓強度大小不同,一般是砂巖粉砂巖泥巖。而風氧化帶巖石由于風化裂隙發育,受地下水作用影響,巖石的抗壓強度明顯降低。總體上二疊系基巖段巖體工程質量較差,巖性軟弱。預計井筒3、涌水量見副井井筒單層涌水量計算結果表31表31副井井筒單層涌水量計算結果表含水層名稱井筒深度(m)涌水量(m3/h)基巖風化帶322.33333.10110K5砂層326.97372.18400三煤下砂層443.85447.13150二煤頂砂層483.448975K3灰巖547.92549.73151.2.副井井筒主要技術特征井筒主要技術特征祥間表32表32副井主要技術特征表序號項目名稱單位指標備注1坐標Xm375180.00含水層深度砼標號C30C60Ym39442315.002標高井口m+34.60井底車場m5053井筒深度鎖口m6.5凍結段m404基巖層m161.6全深m565.64井筒4、凈直徑m6.55井筒凈斷面m233.186井壁厚度表土段mm12001600基巖段mm4507掘進斷面表土段m270.8876.20基巖段m243.08井壁結構表土段雙層砼基巖段單砼9井筒掘進工程量m333585.262.井筒施工本礦井深部井工業場地內設的箕斗井、副井、回風井分別需穿過353.03m362.93m左右厚的新生界松散層和基巖風化帶;淺部北回風井井筒需穿過324m左右厚的新生界松散層和基巖風化帶,目前各井筒可供選擇的井筒施工方法只有凍結法和鉆井法。而箕斗井、副井和回風井井筒穿過的基巖所占的比例約為67.0%68.0%左右,厚度達692.0m723.0m。若采用鉆井法施工,需在工業廣5、場內設置泥漿池和預制井壁場地等,這對工業場地的布置、井口附近有關永久建筑物的施工及環境保護影響較大。而且,鉆井法施工不能一次鉆到井底,即井筒穿過的新生界松散層采用鉆井法施工,基巖段采用普通法施工,這樣兩種施工方法的施工單位之間和施工工藝之間均需相互轉換,不可預見的因素較多,且鉆井法施工綜合成井速度慢,建井工期難以保證。北回風井從技術方面考慮采用兩種施工方法均可,但采用鉆井法施工需在工業場地內設置泥漿池和預制井壁場地等,對工業場地的布置、井口附近有關永久建筑物的施工及環境保護影響較大。就穿過的新生界松散層厚度和井筒凈直徑而言,根據兩淮井筒施工經驗,凍結深度在389.0400.0m左右的箕斗井、副6、井、回風井和凍結深度在340.0m的北回風井井筒,不僅技術可靠,經濟合理,而且建井速度、工期和井壁質量均較易得到保證。綜上所述,本礦井內設的副井穿過的新生界松散層段井筒建議采用凍結法施工。2.1.表土施工2.1.1.表土特征表土層為第三、第四系沖積層,厚292.68m,主要由粘土和粉細砂組成,由于粘土前度低,可塑性強,塑性指數在14.119.9之間,且粘土具有親水性,遇水膨脹及失水收縮的特征,在天然狀態下處于固結狀態。一旦開挖采動,可與上覆砂層溝通,在水的作用下,結構遭到破壞,力學強度降低,同時產生膨脹、你話沿界面滑動等。對井筒穩定不利。風化帶厚度33.641.6m,為上石盒子組巖層,主要由泥7、巖、砂質泥巖和中細砂組成。預部風化裂隙發育,巖層破碎,該層含水微弱。2.1.2.臨時鎖口根據設計圖紙,副井井筒有深度為6.5m的井頸,在井頸結構圖尚缺的情況下,初步設計臨時鎖口,鎖口凈徑8.2m,井壁厚800mm,深度6.5m,上口600mm高,用磚砌筑;下部用C20砼澆注。副井井筒鎖口標高按設計為+34.6m。在鎖口施工前,應先將井架基礎施工完畢,而后開始施工副井臨時鎖口。由于副井臨時鎖口較深,應分兩段施工,分段界限以靜水位為準。上段用木模板自下而上施工,完畢后,即開始立井架、安裝天倫平臺和翻矸平臺;下段臨時鎖口施工至離井口標高5m,即+29.6m位置時要預留固定盤梁窩。2.1.3.表土施工8、方案的選擇根據設計副井井筒深度565.6m,井筒穿過第三、第四系沖積層二疊系上石盒子組的基巖風化帶裂隙含水層和K5砂巖段裂隙承壓含水層,副井穿過沖擊層厚度為294.75m。沖擊層富水性強,穩定性差,井筒表土段和風化基巖段采用凍結法施工。考慮K5砂巖富水性強,K5砂巖與表土段一同凍結。副井凍結深度為404m,井筒基巖段深度161.6m,采用普通法施工。其優選施工方案如下:(一) 凍結方案(1) 長短腿差異凍結。防片幫在主凍結孔內側布置一圈防片幫孔,孔深220m,孔數13個,孔距2.75m,圈徑11.5m。(2) 在離井筒中心1m位置對稱布置2個水文孔,孔深分別為88m和268m。(3) 副井凍結9、孔42個,開孔距1.27m,圈徑17m。(二) 凍結段施工方案(1) 作業方式:外層井壁采用短段掘砌,正規循環作業,一般高度為3.0m。(2) 掘進工藝:一般采用人工挖掘未凍土,風鎬挖掘凍土。當凍土擴入井幫2m以上時,考慮采用爆破法作業。根據凍土情況不知炮眼,采取全斷面一次光面爆破,并制定凍結巖層安全爆破措施,驗房崩斷凍結管。(3) 筒形壁座網噴砼支護段選用防凍速凝劑,確保砼質量和施工安全。(4) 采用J851早強減水劑配置高強、早強施工砼,確保砼強度增長率大于凍結壓力的最大增長率,防止外層井壁壓壞。(5) 內層井壁采用液壓滑模套壁和JQ防裂密實砼,提高井壁的整體性和封水性。(6) 內外層井壁10、之間根據設計采用自上而下的夾層注漿法以期封堵井壁漏水。(三) 凍結段施工方法挖掘方式(1) 凍土未進入荒經且距荒經500mm時可采用分層、分區臺階式挖掘法,中心超前,人工挖掘。(2) 凍土進入荒經200500mm時,全斷面一次挖掘,風鎬刷幫,人工裝土砂層,粘土層可用抓巖機直接抓取。(3) 凍土進入荒經10002000mm時,可用多臺風鎬,風鏟破土,對風動機具挖掘困難的巖層,礫石層及砂層可考慮采取淺眼少裝藥的松動爆破進行破土,使用抓巖機配合抓土。(4) 全部凍實后,采用全斷面控制爆破,YY24風鉆打眼,機械裝巖。合理確定爆破參數,制定循環圖表。(5) 凍結段基巖采用全斷面鉆爆發,直眼掏槽。(6)11、 采用四、六制工序滾動作業方式,18小時一循環,循環進尺3m,月進度102m,有效循環個數34個,月循環率97%,足以保證凍結段外壁成井80m/月的指標。作業方式與掘砌段高的確定凍結段外壁采用短段掘砌混合作業方式。根據圍巖的物理特性,凍結技術參數,施工方法及圍巖暴露時間,選擇合理的段高以保證施工質量和安全,由經驗3.0m為安全段高。在掘砌施工中可根據凍結壁強度和位移實測結果調整模板高度。范圍為2.03.0m。外圍井壁澆筑凍結段外壁砌筑采用可調下行組合式刃腳模板,采用1.6m3底卸式吊桶運送砼。吊盤上設分灰器分灰。經斜溜式活節管入模、分區分層澆筑、分層分片搗固。工藝流程:凍土挖掘測量穩勞找平刃腳12、模板鋪泡沫塑料板綁扎鋼筋澆筑砼綁扎上不環筋穩直筒模板澆筑直模砼封口清理。外層井壁設計砼標號C30C60,考慮到土產材料與實驗室選取的差異,施工中對砼配置提高一級。內層井壁澆筑外層施工到341.1m時,拆除刃腳模板。掘進到356.1m時,此段采用錨噴臨時支護,內壁采用自動調平液壓滑模,自下而上連續套壁,一直滑井到井口。2.1.4.表土施工勞動組織與管理根據表土段采用的施工方法及表土特征,表土段采用工序滾動作業方式。18小時一循環,循環進尺3.0m,有效循環個數34個,月循環率97%,月進度102m,足以保證成井80m的指標。2.1.5.基礎施工(1)采用短段掘砌、正規循環作業,砌筑段高3.5m。13、(2)采用中深孔鍋底采光面爆破。(3)過含水層采用探注、封堵綜合防治措施。(4)井壁澆筑防裂密實砼。采用噴射防裂密實砼接薦封水。(5)對基巖含水層施工,除采取綜合防治水措施外,考慮在404435m段適當位置開設一腰泵房,接力排水。2.1.6.表土施工期的確定凍結表土深度293.10m,平均月進度70m,澤掘砌工期為2.02個月,其中不包括探煤探水注漿工期。副井井筒基巖段施工采用短段掘砌混合作業,掘砌段高為3.5m,期施工方法采用中深孔爆破。正常基巖段眼深4.0m,含水層基巖段眼深2.83.0m。使用FJD6A型傘鉆鑿巖,中心回轉式抓巖機,采用3.5m高的整體下行刃腳金屬模板,地面四臺穩車懸吊。14、另外,為加快施工速度,提前竣工,在保證質量的情況下,取設計指標為80m/月。2.2.凍結深度根據安全改建工程井筒檢查孔地質報告成果資料及相關規范,凍結深度必須深入不透水的穩定巖層10m以上,確定副井井筒的凍結深度分別為400.0m。2.3.井壁結構形式井筒凍結段采用雙層鋼筋混凝土內夾塑料板復合井壁,混凝土強度等級為C30C60,且井筒在井壁與凍土之間視土層情況鋪設2550mm厚泡沫塑料板,借以隔熱和減緩凍土壓力。內層井壁按1.0H靜水壓力計算荷載,外層井壁按凍土壓力計算荷載,并按內外層井壁共同承載全部水土壓力校核,水土壓力外荷載按1.3H計算。副井井筒凍結段支護深度393.0m,井壁厚度12515、01750mm,內、外層井壁間鋪設雙層1.5mm厚塑料薄板。副井基巖段井壁采用現澆素混凝土(破碎帶采用鋼筋混凝土)支護,強度等級為C40C45。、副井井筒基巖段井壁支護厚度為600mm700mm。2.4.鑿巖設備及爆破圖表爆破參數(1)炮眼深度L=3.5m式中L巷道計劃月進尺 mN每月完成作業天數 n每日完成掘進循環數(采用四、六制,全班循環)炮眼利用率,一般取0.850.91正規循環率,一般取0.850.9(2)炸藥單耗量的確定根據井筒斷面、巖性和涌水量,水膠炸藥單耗量為q=1.651.15=1.90kg/m3(3)裝藥直徑和炮眼直徑藥卷規格為35400500,SYG2型巖石水膠炸藥,炮眼直16、徑為55mm。(4) 炮眼數目計算由經驗公式計算得:N=3.3=3.3=81個(5) 爆破條件:井筒深度為566.6m,凈直徑6.5m,副井井筒掘進直徑7.4m,掘進斷面積S=7.42=43.0m2,低瓦斯礦涌水量見表31,巖石性質f值68.(6) 炮眼布置a. 掏槽形式及參數的確定由于采用3.5m中深孔爆破,且巖石較堅硬,故采用兩階同深分段掏槽形式,其參數如下:第一階掏槽眼:D1=1800mm E1=940mm N1=6個第二階掏槽眼:D2=2400mm E2=840mm N2=9個裝藥系數取0.7,藥卷改裝后,每卷長度由原來的400mm變成280mm,故每眼裝10卷炸藥,其總裝藥量為Q1217、=(6+9)100.5=75kg,第一階掏槽眼底裝5卷,上部裝5卷,中間堵炮泥長度400mm。b. 周邊眼方便,周邊眼布置在設計輪廓線50mm以內的線上,并接光面爆破要求布置,圈徑D5=7300mm,眼間距E5=600mm,眼數N5=38個。周邊眼按350g/m裝藥,即每眼裝3卷炸藥,其總裝藥量Q5=3830.5=57kg。c. 崩落眼布置根據井筒掘進直徑和巖性,布置兩圈崩落眼,其圈徑分別為D 3=4300mm,D4=6200mm。光爆破層厚度為700mm,m=E/w=0.857,符合要求,取眼距E=900mm,則崩落眼數為:N3=15個,N4=22個。裝藥系數0.5,每眼裝7卷炸藥。崩落眼總18、裝藥量Q3-4 =(15+22)70.5=129.5kg工作面布置炮眼數目:N=N1 +N2 +N 3 +N4 +N5 =6+9+15+22+38=90個一薦炮設計炸藥消耗量為:Q=Q 1-2+Q3-4+Q 5=75+129.5+57=261.5kg設計炸藥消耗量比定額炸藥消耗量偏大,需在實際工作中不斷修正完善。(7) 裝藥結構為了縮短井下裝藥時間,預先在地面將掏槽眼的炸藥側面切開裝入內徑為42mm,壁厚0.91.3mm的聚乙烯管中,用炮棍擠壓滿管體,管底用熱粘合封閉,上部用木塞堵緊。周邊眼將原來藥卷裝入內徑為38mm的聚乙烯管中,采用空氣柱裝藥。(8) 防止淤眼措施為防止掃眼后巖渣隨水流如眼19、內堵塞炮眼,影響爆破效果,采用厚度2mm的鋼板制成上、下外徑分別為58mm和50mm;高位500mm的漏斗狀套管,管的下部80mm處套上厚度為10mm的膠環。傘鉆打好眼后立即將套管插入炮眼,然后經套管掃眼和裝藥。(9) 預期爆破效果一循環工作面進尺:3.50.85=2.98m一循環的巖石實體量:43.02.98=128.14m3炸藥單耗量:261.5/128.14=2.04kg/m 3 每米井筒炸藥消耗量:264.5/2.98=87.8kg/m一循環炮眼炸藥消耗量:4(6+9)+3.575=322.5m每米井筒炮眼消耗量:322.5/2.98=108.22m/m雷管單耗量:(90+6)/11220、8.14=0.75發/m3每米井筒雷管消耗量:(90+6)/2.98=32.21發/m2.5.編制爆破圖表根據上述計算,該井筒穿過f=8的巖層時其爆破圖表為:爆破原始條件表3-3,爆破參數表34,預期爆破效果表35.表33 爆破原始條件表名稱單位數量名稱單位數量掘進斷面積m243.0工作面涌水量m3/h30炮眼深度m3.5工作面瓦斯情況無炮眼數目個90水膠炸藥消耗量Kg261.5巖石堅固性系數68電雷管消耗量發96表34 爆破參數表圈別炮眼名稱眼數(個)眼號圈徑(mm)角度炮眼深度(mm)炮眼布置裝藥量(kg)起爆順序連線方式眼距(m)圈距(m)每眼每圈1一階掏槽眼6161800904000921、403005.030并聯連線2二階掏槽眼971524009040008409503.6403崩落眼15163043009038009009503.552.54崩落眼22315262009038009007003.5775周邊眼38539073008838006001.557合計90261.5表35 預期爆破效果表名稱單位數量名稱單位數量炮眼利用率%85每循環炮眼總長度m360.2每循環工作面進尺m2.98每米井筒炮眼消耗量m/m108.22炸藥單耗量Kg/m31.90雷管單耗量發/m30.75每米井筒炸藥單耗量Kg/m87.8每米井筒雷管消耗量發/m32.22.6鑿巖設備的選取鑿巖機及鉆機的選22、取:鉆機的選擇:根據井筒直徑較大,炮眼較深,進度指標較高的特征,考慮到施工單位有傘鉆施工的經驗,決定采用傘鉆打眼。經研究決定采用FJD67型(宣化采掘機械廠生產)的傘行井架。詳見表36鑿巖機的選擇:根據已選的傘鉆,配備YGZ90型鑿巖機,另外由于傘鉆不能用來打周邊眼,再配備YT26型氣腿鑿眼機(不用腿)以輔助打周邊眼。鑿井井架選IVG。表36 傘行鉆架技術特征表技術特征單位FJD-6-7型支撐臂個數個3支撐范圍m6.628.6動臂個數個6動臂工作范圍水平擺動角度120垂直炮眼圈徑范圍m1.488.5推行進程m4最大耗風量m3/min60收攏后外形尺寸高m6.5外接圓直徑m1.7總重量Kg70023、02.7.裝巖工作2.7.1抓巖能力的確定按一次預計爆破巖石量確定P。P0(1/41/5)Q, m3/h式中Q一次爆破巖石量(松散),m3 Q=lSK 0.l炮眼深度,m炮眼利用率S井筒掘進斷面積,m2超挖系數,光爆時為1.0K0 巖石松散系數,1.82.0帶入數據,Q=3.50.8543.01.01.8=230.3m3P0 46.157.6,m3/h按裝巖時間確定,P 0(Q-Qd)/(k1T1 )式中Qd 清底矸石量,一般為1020m3T 1掘進循環中裝巖時間,h一般占循環時間40%60%。K1第一階段裝巖時間系數,0.650.8P0 =25.6m3/h取P 0 =40m3/h 選取抓巖機24、2.7.2.抓巖機類型和斗容量的確定斗容量的確定:q 0=,m3式中t 1第一階段裝巖時抓巖機抓取一次循環時間,2535sKg抓巖機工作時利用率,一般可取0.60.9Km抓斗抓滿系數,第一階段抓巖時取1.01.1q0 =0.494,m3故選用抓斗標準溶劑為0.6m30.494m3,即選用一臺HZ6型中心回轉式抓巖機2.7.3.提高抓巖機上產率的措施抓巖機實際生產率根據經驗可知,技術生產率為50m3/h,實際生產率約為40m3/h。(1) 嚴格檢修保養制度,保證設備完好無損。(2) 改進抓斗結構,選擇合理抓斗參數,縮短工作循環時間,提高裝滿系數。(3) 提高操作技術,協調各項動作。(4) 選擇合25、理的抓巖順序,盡力縮短抓巖路線。(5) 掌握好爆破參數,使巖石塊度均勻,底面比較平整。(6) 提高抓斗能力,加大吊桶容積,減少換桶提升卸矸。2.7.4.支護由于立井采用短段掘砌混合作業方式,因此不需要臨時支護,直接進行永久支護,支護形式為現澆鋼筋混凝土,橫板采用35m的整體下行刃腳金屬模板,地面四臺穩車懸吊。接渣方式采用全面斜口接渣法。橫板傷口與下段井壁之間留有100mm間隙,充當澆注口。3.凍結方案設計凍結設計一般包括鹽水溫度、凍結深度、凍結壁厚度、凍結圈徑、孔數、機組配備及供電供水等內容。3.1方案設計原則(1)確保本工程凍結壁滿足招標文件質量要求、工期要求和煤礦井巷工程優良質量標準。(226、)在專家討論方案的基礎上,進一步優化,確保凍結方案技術可靠、經濟合理、可操作性強。 3.2凍結技術方案設計3.2.1 計算凍土平均溫度初選凍結壁厚后,再根據鹽水溫度、井幫預計溫度、開孔間距,運用成冰公式(下式)計算凍土平均溫度使其溫度等于或低于設計凍土平均溫度,若達不到,則應增加凍結壁厚或降低鹽水度。式中:te凍土平均溫度;tn井幫溫度;tb鹽水溫度;L最大孔間距;E凍結壁厚。凍土平均溫度與開孔間距、井幫溫度有直接關系,與鹽水溫度、原始地溫更為密切。因此,合理確定鹽水溫度是至關重要的。波蘭的鹽水溫度為,td原始地溫。因為他們的井筒大都是凍實以后才開挖,凍土平均溫度較低。結合我國的國情,為使凍結27、能創造良好的開挖條件,不主張凍實,則對上式進行了修正,增加一系數K,修正后公式則為: K=143.3. 凍結壁設計和計算凍結壁厚度及強度的大小,直接影響井筒掘砌的安全,同時也是其他凍結參數設計的基礎。目前,國內430m表土凍結已有成功先例,對本工程來說,凍結壁厚度設計重點應放在344.5m以下深厚粘土層上。結合本工程的特點,凍結壁的設計采用國內深井凍結設計經驗、工程類比及與解析計算相結合的方法綜合確定。凍結壁設計凍結壁設計是深井凍結的關鍵問題之一。在我國,本世紀八十年代前,幾乎全是按強度計算的,而選擇的強度不同,則厚度也就不同。強度過小壁厚過厚不經濟,反之,選擇強度過大,難以達到,同樣會造成經28、濟損失。凍結壁強度低主要反映在粘土層,而隨著地區的不同,各土層的熱工參數也不一樣,因而凍結壁的設計不應只從強度條件考慮,還應從地層、凍結壁和凍結管的情況,結合施工工藝,初選凍結壁厚(包括土工參數和建井手冊參數),再用平均溫度檢驗其厚度是否滿足要求,最后用粘土進行校核。解析計算a. 按里別爾曼公式h=2.5m; KL=1.2; =20KN/m3; H=441.8mE副=9.4590mb. 按維亞洛夫-扎列茨基公式計算當上端固定,下端固定不好時:P=0.013441.8=5.7434Mpa段高為2.5mE副=8.8744mc. 按煤礦凍結法鑿井技術規程中強度公式計算凍結壁厚度式中:k=1.3;掘進29、段高h=2.5m ;P=5.7434Mpa; =0.20E副=9.2294md. 按國內經驗公式計算凍結壁厚度我國對凍結法施工的立井井筒凍結壁厚度進行了統計分析,得到公式如下:E=0.04aH0.61 式中:a-井筒掘進半徑; H-計算深度。其中: a = 11.7 , H = 441.8 mE副=9.6118m綜合各種方法計算的結果,并考慮專家確定的副井凍結壁厚度的大小,確定副井凍結壁厚度: E副=9.5m。凍結壁厚度計算: 控制層選取:粘土(鈣)/441.8m 凍結壁平均溫度:Tc=-19 單軸抗壓強度:=7.328MPa 安全系數:m=2,則計算強度:=3.66MPa 式中:h=2.5m,P=5.744MPa,kl=1.3 計算得:E=8.834m 取E=8.9m