采用短掘短砌加快斜井施工进度

黄玉生,吴沅声

(广西锡山矿业有限公司,广西南宁 530022)

斜井施工中,若围岩稳定性较差,在存在片帮、冒顶现象,且伴随有涌水的情况下,施工难度相当大。结合工程实例,对在工程地质条件较差的情况下,加快斜井的施工速度进行探讨。

1 工程概况

5号措施斜井是中信大锰矿业有限责任公司大新分公司60万t/a碳酸锰地下开采开拓工程的临时措施斜井,主要是为280 m水平阶段平巷掘进服务。斜井总长度224.35 m,倾角22(°),开挖断面为10.97 m2和9.95 m2,开挖总工程量2 221 m3；支护截面1.67 m2,支护总工程量170 m3。

1.1 工程地质条件

围岩岩性主要为泥岩、泥质灰岩,多呈薄层状,节理、裂隙极为发育,岩层倾角50(°)左右。岩层遭受风化、泥化严重,遇水极不稳定,容易大面积冒顶、片帮。围岩稳定性分类[1]：斜长0～70 m属Ⅴ类不稳定岩层；70～100 m属Ⅳ类弱稳定岩层；100 m处至井底及井底车场属Ⅲ类中等稳定岩层。

1.2 水文地质条件

井筒掘进至斜长10 m 左右开始见水,随着掘进的深入,井筒涌水量逐渐变大,从最初的5 m3/h增加到100 m3/h,最大涌水位置在斜长95 m处。共穿过两个含水层,第1个含水层在斜长10～70 m,属一般潜水；第2个含水层在斜长85～95 m,属于层间承压水,单点涌水量比较大,达20 m3/h。

1.3 施工中存在的问题

1)岩层容易冒顶、片帮,增加了出碴量和支护量,且最重要的是施工安全得不到保障。

2)需加强临时支护。

3)掌子面大量积水,极大地增加了底孔的钻孔难度,底孔爆破效果也比较差,需用风镐挖底,大大延长了清底时间。

4)施工斜井的通病：顶板过高,底板不足,井筒前部翘起。

5)由于工作面潜水流动侵蚀,浇筑混凝土时,墙基混凝土被水冲刷严重,水泥浆甚至沙石被冲走,墙基常形成大的孔洞,导致墙基不稳,井壁下沉,严重影响井筒的质量。

2 技术措施

2.1 建立有效的排水系统

遭遇涌水是施工中遇到的最大困难,因水的存在衍生出了系列问题：顶板、边帮被淋水后,岩层极易被软化,从而加速了冒顶和片帮,产生严重安全隐患,所以解决排水问题至关重要。由于斜井为临时措施斜井,服务年限短,断面小,涌水量不大,抽水基本满足需求,所以不考虑注浆堵水。根据实际情况不同的施工部位可采取不同的排水措施。

第1阶段：开始出现涌水时,水量不大,涌水量为5～15 m3/h。此时在掌子面挖1个集水坑,使用低功率、低扬程潜水泵将水排至地表,即可满足施工要求。排水线路：掌子面→井口排水沟。需注意的是,出碴时工作面的积水处于扰动状态,水质浑浊含有大量泥砂,极易堵塞潜水泵,不但排水效果差,还容易使潜水泵烧坏。需优先考虑选购有防堵功能的潜水泵,并经常清理堵泵的泥砂。

第2阶段：随着斜井不断延伸,涌水线路也不断拉长,且掌子面底板也存在涌水,涌水量达30～50 m3/h。表现在斜长10～60 m段。通过增加水泵抽水台数,可以减少工作面积水,但效果并不理想。一是水泵占用工作面空间,工人不便施工；二是水泵需经常挪动,经常清理,占用不少时间。可以采取分段截水[2],但分段截水需有临时储水点,此时可以考虑加深躲避硐室用作临时储水仓。当此储水点失去作用后,再回填恢复其躲避硐室的功能。排水线路：截水沟→躲避硐室(临时储水仓)→井口排水沟。掌子面的积水可以直排至地表,亦可以转至临时水仓再抽至地表。采取此措施后,掌子面积水明显减小,施工条件得到改善。

第3阶段：掌子面底板已无涌水现象,工作面积水绝大部分来自井筒上部涌水,涌水量为60～100 m3/h。说明已穿过含水层,表现在斜长100 m位置。为更快地往下施工,根据实际涌水量在斜长100 m位置施工1个大储水量的固定水仓。挖截水沟把井筒上部涌水截住并引入固定水仓中,使用大功率水泵(可以使用离心泵)抽至地表。同时停止使用上部躲避硐室临时水仓的排水系统。排水线路如图1,最终形成如图2的排水系统。

图1 排水线路

图2 排水示意

至此,排水问题已基本解决,往下施工速度倍增。

2.2 加强临时支护

针对Ⅳ、Ⅴ类围岩遇水软化,极易大面积冒顶、片帮的特点,施工中采用短掘短砌的施工工艺,以减少围岩的暴露时间。每掘进2 m,立即支模浇筑混凝土。尽管如此,掘进中还是经常出现冒顶现象,影响作业安全。因此不得不加强临时支护,以保证作业安全。

2.2.1 采取超前钢管锚杆支护

在围岩不稳定、常出现冒顶和片帮的地段,采取超前支护[3]效果会比较好。超前小导管预注浆是一种技术含量较高的超前支护形式,支护效果十分明显,但其工序较为复杂、成本也比较高。综合各种因素,决定采用超前钢管锚杆支护,不进行预注浆。锚杆由φ42 mm的无缝钢管制成,杆长3 000～3 500 mm。在拱部与巷道中心线向上呈5(°)角打入锚杆孔,孔间距200～300 mm,打好孔后打入钢管锚杆,锚杆尾部用钢拱架支撑,这样就在拱部形成了一层超前支护,如图3。

图3 超前支护示意

实践证明：这种超前支护形式,对边帮、顶部有淋水的软弱地带支护效果明显,既安全又可靠,而且经济、实用,操作也比较简单,同时也是处理一般冒顶优先采用的方法。

2.2.2 处理大冒顶的技术措施

当爆破后形成大面积冒顶,则出部分碴后在顶板打水平钻,插进 φ42 mm圆钢,焊接 15 kg/m铁轨,做成临时支架,铺上2～3层5 cm厚的木板,再在上面堆放原木做缓冲层,视冒顶的高度不同用量不同。之后就可以在底下继续出碴,清理完毕,立即支模,快速浇筑混凝土。如顶板或边帮有大股涌水,则预留排水孔,视水量大小使用不同的钢管,对于不成股的淋水,则在浇筑前,在顶板挂上塑料薄膜,汇集淋水到工作面,或者用水管导出,保证浇筑的质量。浇筑完成后,用袋装石碴回填上部空洞。

2.3 优化爆破参数

为减少爆破对顶板、边帮的破坏,根据围岩的实际情况,采用不同的爆破方法。在Ⅴ类、Ⅳ类岩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边孔,装药系数为0.6～0.65,但顶板还是有大面积的塌落。炮孔布置及爆破参数见图4和表1。在Ⅲ类岩石中采用中心掏槽爆破法,效果较好。两种爆破方法都强调底孔的数量和装药量,底孔装药系数为0.8；保证底板爆破效果,减轻清底劳动强度,提高效率,为支护争取时间。

图4 斜井楔形掏槽炮孔布置

表1 楔形掏槽爆破参数

爆破参数见图5和表2。在实际操作过程中,当涌水量较大的时候,底板有个别的哑炮。通过加强抽水,对起爆药包做防水措施和采用双雷管起爆,很好地解决了这个问题。

2.4 其他问题

加强施工测量放线,每次清底均拉腰线量底,底板卧不到位不浇筑混凝土,以解决斜井井筒前端翘起的问题。

图5 中心掏槽炮孔布置

表2 中心掏槽爆破参数

浇筑时井壁墙基被潜水冲刷,除了要增加早强剂的量外,可在模板前端墙底部位放置少许岩块,以避免水泥砂浆被带走后形成大的孔洞。拆模后若发现有孔洞,应立即补强。

3 结语

5号措施斜井工程穿过强风化带和含水层带,涌水量比较大,不良工程地质条件发育,施工条件比较差。在采取以上措施后取得了良好的效果,既加快了施工进度,又提高了施工质量。

[1]李智毅,王智济,杨裕云.工程地质学基础[M].武汉：中国地质大学出版社,1990.

[2]董方庭,姚玉煌,黄初,等.井巷设计与施工[M].徐州：中国矿业大学出版社,2004.

[3]东兆星.井巷工程[M].徐州：中国矿业大学出版社,2005.

[4]戴俊,王树仁.爆破工程[M].北京：机械工业出版社,2005.