大直径超长管棚支护技术在煤矿斜井井筒表土段施工中的应用

陈富清 徐 兵 周兴来

（山西长治经坊煤业有限公司，山西省长治市，046000）

大直径超长管棚支护技术在煤矿斜井井筒表土段施工中的应用

陈富清 徐 兵 周兴来

（山西长治经坊煤业有限公司，山西省长治市，046000）

介绍了大直径管棚超前支护在长治经坊煤矿副斜井表土段中的应用，详述了大管棚支护的设计、施工工艺、安全措施及应用效果。

巷道支护 大管棚 定向钻进 超前支护 注浆

1 工程概况

山西省长治经坊煤业有限公司副斜井井筒改造前井筒断面形状为三心拱形，料石砌碹，净宽3.1m，净高2.7m。改造后井筒断面形状为半圆拱形，净宽6.0m，净高4.4m，斜井长度391.5m，斜井坡度为－20°15′。其中表土段长度236.6m，采用钢筋混凝土浇筑，支护厚度450mm，基岩段长度156.9m，采用锚喷支护，支护厚度150mm。

副斜井井筒表土段土质以粘土和亚粘土为主，局部有少量渗水。在垂深约50m区域，含有一层流沙。斜长通过距离为2.9m。原巷道在施工中出现过大面积塌方，有35m巷道是成巷后回填至地表。副斜井井筒在32m处距离南边生产调度楼（该楼为5层框架式结构）最近法线距离为2.7m。在126m处距离北边职工宿舍楼最近法线距离为8.7m。

2 超前支护选择

目前超前支护方法中，主要有超前锚杆、超前小导管注浆技术和超前管棚。鉴于副斜井井筒表土段距离长且地质条件特别复杂，决定采用大管棚超前支护作为本次施工超前支护的主要手段。

3 管棚设计方案

3.1 管棚设计参数

管棚布设范围：巷道拱基线以上180°范围，共布设39根钢管。

管棚布设方案：钢管中心间距为300mm，管棚范围线距离开挖范围法线距离为300mm。

管棚材料选择：管棚采用ø133mm×6mm无缝热轧钢管，套管采用ø127mm×8mm无缝热轧钢管。

管棚连接方法：钢管采用螺纹丝扣套管连接，套管采用ø127mm×8mm无缝钢管制作，长度为300mm，用管螺纹车床将套管内圆柱面车成螺纹丝扣。ø133mm无缝钢管在加工前，先将钢管分成两段，平均长度4.5m。用管螺纹车床将截好的钢管两端外圆柱面车成螺纹丝扣，丝扣长度为150mm。这样将两段ø133mm无缝钢管中间靠套管进行丝扣连接。

钢管打设方位：钢管沿井筒开挖轮廓线纵向按－20°30′的坡度外插设置。管棚打设示意图见图1。

图1 管棚打设示意图

设备选型：采用HG－200型水平定向钻机，电机功率55kW；BW250型注浆机，电机功率为15kW；Q1393型管螺纹车床；导向定位仪采用国内最先进的SE－200型有线导向仪，该导向仪分有线数据探棒、数据连接线和手持式远程接收器。定位倾角精度为0.3%，倾角分辩率为0.1%。

3.2 管棚工作室和导向架设计

根据现场操作的需要，钻机钻孔时要有一个比井筒开挖轮廓线大的工作室，即长管棚工作室。它的宽度取决于井筒开挖断面尺寸、钻机尺寸及操作时所需空间的大小，而其长度则主要取决于管节长度、钻机及钻杆接长所需要的最大长度，同时还要满足对管子进行纠偏操作的空间。根据以上要求，工作室的长取8m，宽取8.7m。

2.2.3 培育苗种。培育苗种对于养殖水体的水质有着较高的要求，在培育苗种的过程中，水体中的水温、溶氧、氨氮、DH值及硝酸盐等指标均会对培育苗种造成非常大的影响。苗种幼小，耐低氧能力偏弱，免疫力相对偏低，无法抵御外界侵犯，在全池中泼洒微生物制剂，利用微生物制剂分解掉水体中的残留物质，降解水体中的氨氮，推动有益菌群的生长、繁育，弱化藻类及有害菌，为苗种创建优良的生态水质条件，增强养殖动物的免疫力。

为准确控制长管棚的方向和坡度，在平整好的工作室场地上，采用32＃工字钢作为水平方向移动的滑道，在滑道平台上竖立4根6m高的18＃工字钢，每根工字钢上端挂一个K75强力型手拉葫芦，在4根工字钢中间制作操作台，用手拉葫芦控制操作平台的高度。工作室及导向架设计见图2。

图2 工作室断面及导向架设计

4 管棚施工方案

根据现场地质条件，采用水循环导向跟管钻进法一次打设到位。

水循环导向跟管钻进法就是将管棚钢管作为钻杆，在第一节管棚钢管前端安装带有导向探棒的楔形板钻头。首先采用水平定向钻机将装有楔形板钻头的管棚钢管打入土中，然后通过丝扣连接，将其它管棚钢管与前一节管棚钢管连接，依次打入土中，并跟踪钻进方向，控制管棚铺设轨迹，直到达到管棚设计终孔长度，最后进行封孔注浆而形成管棚。楔形板钻头结构示意图见图3。

图3 楔形板钻头结构示意图

如图3所示，钻头内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角（水平角度）和面向角（导向板的方向）。打设角度可由导向板的角度调节。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。至于左右偏差根据传感器尾端的发光装置而定，通过仪器测量参数纠偏。

管棚施工工艺流程为：管棚工作室施工→测量放线→钻机安装→调整钻机对孔位→钻进→回次加尺→跟踪导向测量→直至设计孔深→取出导向仪→封孔→注浆。

管棚施工前，斜井明槽段已开挖完毕。在明槽段标定出管棚工作室的范围，在扩刷过程中，管棚工作室四周用锚网喷临时支护，防止遇水垮塌。将四周表土扩刷至设计的尺寸。将工作室底板夯实找平，用长4000mm、宽500mm、厚50mm的木板铺设在底板上。同时在管棚工作室旁边设置一个泥浆存放池，内设置一台泥浆泵，打设管棚所产生的泥浆由泥浆泵经管道排到地面指定位置。钻机机架安装前，先进行测量放线，根据设计图纸测量放出井筒的中线和管棚中心位置，并做好相应标志，标出孔号。然后，准备好钢垫板和胀管螺栓，钢垫板规格为250mm×250mm，胀管螺栓直径为ø16mm，钢垫板与基础固定要牢，强度要高。H型钢立柱找平误差小于3mm；底盘对角线找平误差±3mm；斜拉筋需绷紧，交叉拉力基本相等；四柱对角误差±5mm；丝杠、顶杠要顶紧、有效，安装要牢固，确保不因震动而松动或脱落。钻机的运行平台下方焊接有4个带槽托辊，两根横梁安装牢固以后，钻机及运行平台用带槽托辊卡在两根横梁上，钻机及运行平台可左右移动。根据测量放线标识出的管棚孔位及施工方案设计参数，调整钻机位置和钻机角度，对好孔位，孔位误差控制在50mm以内。

管棚钻进首先是安装楔形板钻头，控制钻头进孔角度，误差不超过±3′。导向钻进前应对钻机定位、孔口管对中、冲洗液流通以及导向仪显示情况进行全面复检，确认正常后进行试钻。钻进前须先开泵，待冲洗液流通正常后，方可钻进。钻进时，泵压应控制在0.4～0.8MPa，泵量为20～50L／min为宜。保持中低压力，匀速中速钻进。现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录。

在进入管棚工作室前必须对加工好的ø133mm无缝钢管进行质量检查。管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀，丝扣完好合格。管材内的铁屑、脏物及锈皮等必须清除干净。连接的电线应选用导电性能好，外壳绝缘性能好且耐磨的电线。接头处要用两层热缩套管套好，用热吹风机吹烤贴牢。每次钢管钻进后，松开丝扣钻机回撤至预定位置；增加钢管时，必须准确丈量钢管长度，连接钢管时应将丝扣拧到位，并做好记录。

导向仪显示屏首先归零。在钻进过程中，机手应随时观察导向显示屏，发现角度偏差太大时应及时采取措施进行纠偏，钻进角度误差控制在0.3%以内。钻进到设计深度后确认管棚打设质量达到设计要求，应将导向探棒取出，并清洗干净，安装到下一个钻头内。

管棚打设到位后，采用10mm厚钢板进行封孔，并在封孔板上安装注浆阀门。每根管棚打设完成后要及时对管内和管外壁进行注浆，防止地表沉降。采用BW250注浆泵将1∶1水泥浆液注入孔内，注浆压力达到1.0～1.5MPa、稳定20min后停止注浆。注浆3h后根据实际注浆情况确定是否需要再次补注浆。

5 结语

经坊煤矿副斜井表土段施工采用大直径管棚超前支护的方法取得良好的效果，顺利通过了2.9m长流砂层和两处充填段。生产调度楼靠近井筒一侧平均下沉18mm，职工宿舍楼靠近井筒一侧平均下沉6mm。达到了设计院给出的楼体沉降范围。

实践证明，采用大直径管棚及注浆超前支护的方法，在处理斜井表土段复杂地质条件下施工是有效的，对于煤矿斜井表土段施工安全具有足够的可靠性和适用性。

（1）超前管棚支护利用管棚钢管作为纵向支撑，U型钢支架作为横向支撑，构成纵横支撑结构，钢度较大，具有良好的稳定性，在斜井井筒开挖时能限制围岩的变形，确保巷道施工安全。

（2）通过管棚注浆，增加了管棚的刚度，管外注浆可增加围岩中土体间粘结力，增强围岩的自稳性，有利于减少井筒开挖时围岩的沉降变形。

（3）导向跟管钻进管棚施工技术能够控制管棚铺设精度，控制巷道围岩加固范围，更能准确实现管棚的超前支护功效。

[1] 高怀鹏，毛海东.长管棚预注浆超前支护技术在浅埋偏压大跨隧道洞口施工中的应用[J].公路，2005（10）

[2] 黎爱清，吕秀华.长管棚施工工法[J].西部探矿工程，2003（12）

[3] 朱汉华，孙红月，杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术[M].北京：科学出版社，2007

Large diameter pipe roof support technology
in mine inclined shaft construction of surface segments

Chen Fuqing，Xu Bing，Zhou Xinglai
（Changzhi Coal by Square Co.，Ltd.，Changzhi，Shanxi 046000，China）

The large diameter pipe roof advanced support at the auxiliary shaft of Changzhi jingfang coal mine are introduced，which include the design and the construction technologies，the safety measures and the application effects.

shaft and drift supporting，large diameter pipe roof，directional drilling，advance support，grouting

TD352

B

陈富清（1971－），男，高级工程师，本科学历，现在经坊煤业从事矿井开拓、掘进技术工作。

（责任编辑 张毅玲）