矿井建设含水砂层施工方法

时间：2024-04-25

公维强任文

山东华新建筑工程集团有限责任公司山东泰安 271200

1 工程概况

煤矿井筒掘砌方位：136°08′24″；巷道坡度：-17°；井筒总长度1400m；主井井筒掘进断面31.75m2，净断面为21.15m2；副井井筒掘进断面28.14m2，净断面18.25m2；明槽段，双层钢筋砼支护，支护厚度为500mm，铺底砼厚度为300mm单层钢筋防水混凝土+200防水混凝土，基础片石砂浆厚800mm；暗槽段采用29U型钢配合Φ8mm钢筋网加防水砼支护作为永久支护，砼厚度为500mm。超前支护采用超前排管，超前排管由φ25×2500mm螺纹钢制作，间距200mm，每架棚做一次超前支护。

2 砂层施工临时支护形式

2.1 超前排管临时支护

井筒砂层顶板不易维护，易坍塌，故借鉴隧道管棚施工方法，采用超前排管（φ25钢管）+29U钢支架+焊接3mm铁板作为临时支护。施工技术要求：（1）超前排管采用Φ25mm，长2000mm钢管；29U钢支架；焊接3mm铁板；（2）超前排管沿U钢支架外轮廓布置，间距200mm，上扬5°，即超前排管施工角度-12°，并以该U钢支架为支点，另一端在砂层中；（3）第一排（奇数排）超前排管与第二排（偶数排）超前排管，管间距错开100mm；以保证每架棚的超前排管法线方向间距为100mm，水平投影间距小于100mm；（4）奇数架每排23根排管，偶数架每排22根超前排管，除暗槽开挖外的正规循环确保砂层顶板有不少于三层超前排管的临时支护；（5）采用短段挖掘+临时支护方法，挖掘段长控制在500mm，暗槽初期6～8米距离内U钢棚间距为330mm，然后可根据帮顶情况调整间距成500～800mm。超前排管作用：开挖后约束砂层因重量造成坍塌，提高超前排管与砂体承载能力，缓解砂体自重压力，争取U钢支架支护时间[1]。

2.2 “冰”冻结法施工

抗压强度：加载速率一定条件下，一定范围内抗压强度随着温度降低而增大，达到最大值后，随着温度继续下降，抗压强度呈下降趋势，温度-35℃时冰体抗压强度达到最大值6.89MPa；劈裂抗拉强度：冰体的劈裂抗拉强度随加载速率的增加稍有增大，冰的劈裂抗拉强度达到极大值时，随加载速率的增加，呈下降趋势，温度-40℃时冰体劈裂抗拉强度的最大值3.31MPa。“冰”冻结法作用：利用冰的强度固定井筒仰坡砂层，及利用冰的强度在砂体上制造人工冰墙作为处理溃砂的支点。其它方式：借鉴土建中脚手架搭建操作平台和临时支护、焊接U钢拱支护迎头等临时支护。

3 含水砂层临时支护综合应用

3.1 仰坡溃砂空洞治理

明槽进暗槽过程中，主、副井轮廓线外右上角均有因水作用砂流失而造成的空洞。主井空洞与地表贯通，副井空洞在砂层中，危险更大。该空洞在进暗槽前应及时处理，以避免空洞垮塌冲击井筒，影响井筒质量，甚至造成人身伤害。（1）主井仰坡溃砂空洞治理。施工要求：利用水的渗透性、冰的强度和钢管导热性好的特点，灵活掌握打入花管及浇水速度，及每层草袋浇水结冰后再铺下一层草袋浇水，以保证冰墙的强度。施工方法：加工4寸花管，尖头段0.5m部分均匀打孔→花管间排距0.5m→花管随打入随注水渗透，外露0.5m，施工三排四列→花管打入部分结冰后，在花管间铺草袋，浇水冻结→顺序铺浇至花管头，形成宽1m长2m的冰墙→在砂层上，以钢管为骨架的冰墙作为支点穿钢轨→在钢轨上打木垛封闭溃砂空洞→在溃砂空洞中注入砼充填。（2）副井仰坡溃砂空洞治理。施工要求：淋/浇水均匀，以保证冰体临时支护的强度。施工方法：溃砂空洞面淋水冻结，再浇水结冰形成临时支护→利用脚手架由外向内永久支护→以迎头U支架作为支点，用木板、木材封闭溃砂空洞→在注砼口注入砼充填。主、副井溃砂空洞外部，井筒回填时即可充填。

3.2 仰坡砂层治理

在疏干井降水和明槽开挖深度的作用下，地下水位下降，仰坡砂层含水量下降，随明槽开挖砂层随流淌，造成仰坡随开挖深度的加大而加宽现象。施工要求：利用水的凝固点/冰的熔点、冰的强度，撑控淋/浇时间，即白天最高气温-6℃，淋水/浇水可渗透到砂屋中，夜间最低气温-35℃，浇水可结冰。渗透砂层冰+砂层表面冰固定砂层，该冻结层有一定强度；同时要求控制水量，避免水流过大涌入明槽工作面，造成恶化作业环境和二次再排水。施工方法：按井筒方位和坡度在U钢支架轮廓外仰坡施工超前排管+超前排管轮廓外注水花管，掩护开挖进暗槽→安排白天在井筒仰坡上渗透性淋/浇水→安排夜间砂层冻结浇水→最后形成超前排管+注水花管冻结砂层冰+渗透砂层冰+砂层冻结冰联合体固定仰坡[2]。

3.3 砂层短掘短掘进暗槽、暗槽段技巧

因井筒开挖砂即流淌，确定进暗槽施工方法先拱后墙施工。施工要求：施工顺序要求由现工作面至仰坡方向，以保证冻结时间和冻结强度。施工方法：（1）进暗槽：按井筒中心、坡度架设U钢支架，U支架腿由打入砂层的钢轨替代，并与U钢梁焊接成整体→顺序至工作面迎头→迎头拱部，按大于井筒坡度5°的角度打入超前排管→井筒迎头、两侧轮廓线外，打入花管并注水冻结→U钢梁上铺草袋浇水冻结造假顶，与仰坡连接→井筒‘冻结壁’内开挖出渣→达到一定高度在焊接钢筋+铁板/木板固砂→循环出渣至底板，安装U钢腿→达一板砼时，绑筋、安装模板、浇砼。循环施工至进暗槽；（2）暗槽：脚手架搭设操作平台，并在操作台上施工上台阶→每架U钢支架施工一排超前排管（施工按2.1要求施工）→超前排管掩护下台阶法施工→固定U钢支架拱→留核心土法挖掘并安装U钢腿→焊铁板/木板，以防溃砂增加工作量→开挖出渣→循环掘进暗槽。