大断面大垂高井底煤仓快速掘砌施工技术研究

姚依林

（中天合创能源有限责任公司门克庆煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

随着煤矿向大型化发展，大储量煤仓施工较多，大断面垂直煤仓施工困难，进度慢，机械化提升困难，且煤仓一般均为矿井的咽喉工程，施工进度影响矿井投产或生产进度。门克庆煤矿位于鄂尔多斯呼吉尔特矿区，设计能力1200 万t/a，为立井开拓，井底煤仓设计荒直径10 m，净直径9 m，垂深超过40 m。在煤仓施工过程中面临工期紧张、条件复杂、运料及出矸困难、施工组织复杂、外界干扰多、大型设备施展困难等问题[1]。同时，作为制约矿井投产节点的关键线路工程，给门克庆煤矿的煤仓施工提出了较高的要求。本文从提高施工效率入手，基于门克庆煤矿实际情况及施工安全，引用先进施工技术、高效设备，对劳动组织管理、工艺、技术方面进行优化改进，研究应用施工大断面大垂高井底煤仓施工工艺，丰富煤仓施工技术，为类似条件下煤仓施工提供借鉴。

1 工程概况

门克庆煤矿现开采煤层为侏罗纪3-1 煤层，煤层赋存稳定，副井马头门埋深725 m。井底煤仓位于3-1 煤顶板，从上到下依次为粗砂岩、砂质泥岩、细砂岩、2-2 中煤、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩、细砂岩、3-1 煤。岩石的抗压强度6～77.42 MPa，岩石较稳定，存在细小裂隙发育。煤仓上口淋水较大（最大约6 m3/h），煤仓为穿层巷道，含水层对煤仓施工主要表现为持续淋水滴水影响。矿井为低瓦斯矿井。门克庆煤矿井下煤仓设计荒直径10 m，净直径9 m，设计高度41 m，煤仓容煤量约3000 t。煤仓形状为圆形立式，初次支护均采用锚网支护，上下锁口永久支护为钢筋混凝土结构，主体段32.3 m 永久支护为混凝土结构，煤仓混凝土砌筑强度为C30，厚度500 mm。施工前煤仓上、下口配煤巷已提前施工完成，煤仓与上下口配煤巷成立体交叉布置，垂直贯穿于上下口配煤巷之间，人员、材料通过12°集中上仓斜巷到达煤仓上口。施工时副井永久提升系统形成，主提升为风井临时提升系统。

2 煤仓施工方案

2.1 施工步骤

第一步：采用反井钻机先行在煤仓中心位置钻出直径1.2 m 溜矸孔，将煤仓上下口贯通，作为溜矸、通风的通道。第二步：煤仓由上锁口向下采用钻爆法一次施工6.284 m 后，搭设脚手架绑扎钢筋、支设模板，连续浇筑混凝土形成上锁口。第三步：上锁口模板拆除完成后主体段采用钻爆法分段掘砌同步施工，段高2 m[2]。在一个循环后进行锚网初次支护，然后支模进行混凝土浇注永久支护，完毕后方可进入下一个循环。第四步：仓体掘进浇注完成以后（仓体最后2.5 m 只掘进不浇筑），大断面与煤仓下口配煤巷贯通，扩刷装载硐室至设计尺寸。煤仓漏斗口部分与装载硐室连接部分要连续整体浇注混凝土。

2.2 施工设计及方法

1）煤仓掘进

煤仓主体段采用光面爆破技术，炮眼采用正向连续装药，全断面一次装药一次起爆，毫秒延期控制爆破。由于提前利用反井钻机施工直径1.2 m 溜矸孔，增加了自由面，可增强爆破效果，同时可减少爆破对围岩的扰动，利于煤仓围岩的稳定[3]。仓身刷大初期要打浅眼，放小炮，若遇断层或破碎带时，应适当缩小眼距。岩性变化后根据爆破效果随时调整装药量，以保证爆破效果和矸石块度，防止堵塞溜矸孔。仓体断面总共设计炮孔239 个，炮孔深度2.2 m，炮孔间排距如图1。

图1 煤仓施工炮眼布置平面示意图（mm）

为了保证煤仓尺寸合格，施工时按照Ф10 m的荒断面进行掘进，钻爆循环进尺2 m。爆破后挖掘机出矸至溜矸孔，满足一次浇筑段高时，开始进行锚网初次支护[4-5]。支护锚杆采用Ф22 mm×2300 mm 的全螺纹钢锚杆，锚杆设计间排距为800 mm×800 mm，外露300 mm；树脂锚固剂选用2卷MSK23/50 型，锚固力不低于50 kN，扭矩必须达到150 N·m；锚杆托板采用Q235 钢板，规格150 mm×150 mm×10 mm；金属网采用直径为6.5 mm 的钢筋焊制，网孔距为100 mm×100 mm。围岩岩性较破碎时，调整锚杆间排距，增加支护密度，间排距缩小为600 mm×600 mm。

矸石通过溜矸孔落至煤仓下口后，通过装载机或大型挖掘机装矸至防爆无轨胶轮车，运输至排矸地点，形成运矸系统，避免了大量矸石通过集中上仓斜巷运输，大大提高了出矸效率[6-7]；支护材料、工器具通过集中上仓斜巷轨道运至煤仓上口；仓体内出矸用小型挖掘机，机体总质量3.6 t，机体长×宽×高=5165 mm×1620 mm×2450 mm。

2）煤仓砌筑

煤仓采用的是掘砌同步施工，一个段高临时支护完成后即组织进行浇筑，浇筑段高2 m。每次浇筑前，首先下放中心线矫正模板，煤仓十字中心线检查煤仓断面，欠挖的地方用风镐处理。煤仓仓壁砌筑时采用大尺寸金属装配式模板，模板为长×宽=1 m×1 m、厚50 mm 大模板。金属模板采用螺栓连接，每个段高接茬处留有环形浇筑口。模板通过上锁口25 kW 绞车提升，采用整体下滑式移动。堵严各处可能漏浆的缝隙，将模板固定牢固，然后开始浇筑，待混凝土凝固后（下一段高已经掘进完成），继续通过倒链下滑模板至段高位置，模板校验无误，进行下一段高的浇筑[8-9]。混凝土要分层对称入模，每次浇注高度300 mm，并派专人用震捣器捣固密实。

为了保证煤仓的连续浇筑和混凝土材料的便捷运输，提前在煤仓上口施工一个直径219 mm 混凝土输送钻孔（下套管）至煤仓下口，在煤仓下口安装一台高扬程、大流量输送泵，通过钻孔将混凝土输送至煤仓上口，再经溜灰管送至浇筑位置。与通过集中上仓斜巷矿车运输至煤仓上口的输送方式相比，效率大大提高，工程质量也有保障[10]。

3）下锁口施工

煤仓仓体掘砌至装载硐室顶部后与装载硐室贯通，开始进行装载硐室刷扩、锚网索喷和钢筋绑扎及混凝土浇筑。煤仓下口部分与装载硐室连接部分要连续整体浇注混凝土。待硐室墙部混凝土达到一定强度后开始绑扎硐室顶部及煤仓漏口部分钢筋，并立模板，同时安设预留件，经验收合格后一次整体连续浇筑砼。

3 煤仓施工组织及效果评价

3.1 施工准备

煤仓上口合适位置布置一台JH-20 回柱绞车，用于提升E635F 小型挖掘机（挖掘机机体尺寸：整体长×宽×高=5165 mm×1620 mm×2450 mm，机体质量3.6 t）和施工用吊桶，煤仓上口安装提升用龙门及滑轮；煤仓下口配备大型挖掘机和装载机。在煤仓上口施工一个Ф219 mm 混凝土输送钻孔（下套管）至煤仓下口，溜灰管通过钻孔通至煤仓上口，溜灰管采用Ф219 mm 耐磨钢编管，共布置一趟，长度为6 m/根，共计7 根，长度为3 m/根的4 根。煤仓内布置一根Ф12.5 mm 钢丝绳，溜灰管固定在钢丝绳上，每隔2.0 m 用卡扣与钢丝绳绑扎在一起。各接头处要用螺栓联接牢固，与钢丝绳连接至少两副专用卡子。煤仓下口合适位置安装一台高扬程输送泵，通过溜灰管将混凝土输送至施工位置；提前准备掘进及浇筑的施工器具及材料，尤其要做好浇筑材料的准备工作，混凝土料根据需要量及配比在地面配好干料后，提前运输至井下。

3.2 施工组织

煤仓采用的是掘砌同步施工，掘进的同时，每班有专人运料、整理物料及清扫巷道。为保证正规循环作业的完成，迎头施工作业必须根据劳动组织的人员配备（表1），合理安排工序，在允许和安全有保障的情况下，工序和工序之间可选择交叉进行、平行作业，以充分利用工作时间，提高工时利用率。

表1 劳动组织表

为了达到高效快速掘砌的目标，整个掘砌过程严格执行正规循环作业。仓体向下每刷大2 m 为一个循环，通过锚网临时支护后，平整底板、滑模校模、连续浇筑，然后开始下一循环[11-14]。

仓体荒直径10 m，每次爆破产生矸石量约200 m3，人工出矸效率低，劳动强度大。施工采用一台E635F 小型挖掘机出矸，矸石从溜矸孔向下溜放至装载硐室，经耙装机装卸、无轨胶轮车运输，局部地点挖掘机不能清理干净处，可以在2 h 内清矸完成，大大节约了出矸时间，减少了劳动定员[15]。

爆破过程中每循环打眼数量均超过200 个，若遇断层或破碎带时，应适当缩小眼距，炮眼施工耗时长。为了缩短时间，充分利用仓体断面大、空间大的条件，至少均匀布置8 台风钻同时打眼，正常用时7 h 可以完成打眼工作。

为了提高光面爆破的效果，放炮周边眼在硬岩中沿煤仓荒断面轮廓线布置，在软岩中在轮廓线以内50 mm 处点眼布置，眼底落在轮廓线处，超挖部分不得超过200 mm，欠挖部分及时用风镐刷至设计要求。严格控制装药量，减少对围岩的破环，同时合理选择起爆顺序和间隔时间，应先引爆辅助眼，最后起爆周边眼，毫秒延期电雷管。

仓体浇筑是耗时最长、人员协调最复杂的一个工序。浇筑用的钢模板重量大，人工拆装效率低下，施工过程中借鉴了立井滑模工艺，整体下滑，快速安全[16]。煤仓下口布置的高扬程大流量输送泵可满足混凝土连续浇筑，但浇筑时特别需要注意混凝土堵管，控制混凝土的塌落度和石子的级配是关键。砼浇注应分层对称进行浇注，每层厚度不超过300 mm。浇注砼应连续进行，间歇时间不得超过2 h，如超过时要首先用手镐凿成毛面，用水冲净，铺一层高标号水泥浆，然后再进行浇灌。该工序正常耗时9 h[17]。

设备正常、工序连续进行的前提下，通过调整部分工序，可以进一步缩短循环时间。挖掘机在仓体内出矸时，将挖掘机与临时锚网支护人员分别布置两侧，可以使出矸、支护两道工序平行作业，减少这两道工序用时，由顺序作业耗时8 h 降至6 h。

3.3 施工效果

通过对施工设计进行优化，应用先进施工工艺及设备，提高机械化水平，优化劳动组织，科学安排施工工序等办法，提高了施工效率，验证了合理施工工艺和先进设备在大断面煤仓施工中的可靠应用，积累了大断面煤仓快速施工的经验。

借鉴立井井筒施工工艺，将反井钻机、吊桶提升、滑模工艺、光面爆破技术优化并应用到煤仓施工中，解决了溜矸、重复拆装模板的问题，节约了施工时间，同时通过合理安排劳动组织和工序衔接，掘砌同步施工，使工效达到最大化。

煤仓掘砌一次成巷缩短了围岩变形时间，对煤仓的整体稳定性更有利。认真分析各工序间相互衔接关系，在确保安全的前提下，实现工序间交叉平行作业，实现掘砌同步施工，从而缩短循环作业时间，提高了施工效率。

胶轮车、挖掘机、高扬程砼输送泵等机械设备的使用，人工成本和斜巷运输成本大大降低，节约了时间，安全系数大幅提升。

应用上述先进工艺与设备，科学安排施工工序，严格执行正规循环作业，克服了存在的困难及各种不确定因素，解决了工序衔接与循环作业最优化的问题，实现了35 m 直径10 m 煤仓主体（除上锁口）施工至贯通用时26 d 的记录，2 m 循环作业用时最短达到31 h。2 m 循环施工用时最优记录对比见表2。

表2 煤仓2 m 段高正规循环施工最优记录

4 结论

1）针对大直径、大垂高的煤仓，提出新的施工组织设计，实现了35 m 煤仓主体施工至贯通用时26 d的良好记录，2 m循环作业用时最短达到31 h，施工用时大大缩短，安全无事故，创出了新的大煤仓施工进度领先水平。

2）借鉴立井井筒施工工艺，将反井钻机、吊桶提升、滑模工艺、光面爆破技术优化并应用到煤仓施工中；利用高扬程混凝土输送泵送料代替了斜巷运输砂石料，避免了大量集中上仓轨道运输导致的效率低、砌筑材料供应不及的情况发生，保证了浇筑速度。

3）在煤仓内使用小型挖掘机出矸石，解决了人工出矸慢、效率低的问题；在煤仓下口使用大型挖掘机配合胶轮车装矸，极大地提高了出矸速度，解决了矸石堆积的运输问题。大型机械设备的使用，使人工成本和运输成本大大降低，节约了时间，安全系数大幅提升。

4）施工中合理组织，保证各工序间衔接紧凑，在确保安全的前提下，科学安排工序间交叉平行作业，缩短了循环作业时间。煤仓工期缩短，人力成本降低，运输成本降低，资源占用时间减少，首采面提前两月投产，减少了投入，增加了收益，为同类大断面井底煤仓施工提供了可借鉴的快速施工方案。