立井井筒基岩施工培训教案-中国矿业大学-中国煤矿安全生产网
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    立井井筒基岩施工培训教案-中国矿业大学

    立井井筒基岩施工培训教案-中国矿业大学
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    立井井筒基岩施工
      立井井筒基岩施工是指在表土层或风化岩层以下的井筒施工,根据井筒所穿过的岩层的性质,目前主要以采用钻眼爆破法施工为主。根据井筒掘砌作业方式的不同,井筒钻眼爆破法的主要施工工序包括钻眼爆破、抓岩提升、卸矸排矸和砌壁支护等。
      近几年来,我国立井井筒基岩施工机械化水平有了很大的提高。以深孔光爆、设备大型化、支护机械化和注浆堵水打干井为主要内容的凿井技术有了长足的发展。使我国立井井筒施工出现了一个崭新的面貌,为加快建井速度,改善劳动条件,提高工效提供了可靠的物质基础和技术保证。
    第一节  钻眼爆破
      在立井基岩掘进中,钻眼爆破工作是一项主要工序,约占整个掘进循环时间的20~30%。钻眼爆破的效果直接影响其它工序及井筒施工速度、工程成本,必须予以足够的重视。
      为提高爆破效果,应根据岩层的具体条件,正确选择钻眼设备和爆破器材,合理确定爆破参数,以及采用先进的操作技术。
       一、钻眼工作
      在整个钻眼爆破工作中,钻眼所占的工时最长。加快钻眼速度、加大眼深、提高眼孔质量,以及提高钻眼的机械化程度为其主要发展方向。为适应立井施工的要求,凿岩机应具有钻速高、扭矩大、适应性强和运转可靠的特点。
       (一)钻眼机具的选择
      1.凿岩机
      20世纪50年代初,我国研制了YT30型凿岩机,是当时立井掘进的主要机具。60年代末,我国先后引进了日本古河厂的322D型、日本东洋厂的TY76LD型、瑞典阿特拉斯的BBD-90型、芬兰塔母佩勒厂的K-90型等风动凿岩机。70年代初,我国又研制成功中频的YT-23(7655)型、YT-24型、高频的YTP-26型等新型凿岩机,取代了YT30型。并和研制成功的环形钻架配套,使立井钻眼深度达到2~2.5m。70年代末,外回转重型凿岩机如YGZ-70型,已成为我国伞型钻架的主要配套机型。使立井的钻眼深度可达到3~4m。到80年代末已在我国的主要矿区的立井施工中广泛使用并取得了较好的经济效益。
      液压凿岩机的出现,显示了它独特的优越性能。我国在吸取了国外先进经验的基础上,已由湘江风动工具厂研制成功了YYG-90型液压凿岩机,为我国的立井掘进钻孔提供了较先进的设备。
      立井基岩施工采用手持式凿岩机,由于装备简单,易于操作,目前仍被广泛采用,在软岩和中硬岩中,用它钻凿眼径为39~46mm,眼深为2m左右的炮眼效果较好,如加大加深眼孔,钻速将显著降低。为缩短每循环的钻眼时间,可增加凿岩机同时作用台数,一般工作面每2~4m2布置一台。
      手持式凿岩机打眼速度慢(每台约3~4m/h),劳动强度大,眼孔质量较难掌握,特别在硬岩中大深眼更为困难,故它只适用于断面较小,岩石不很坚硬的浅眼施工,难以满足深孔爆破和快速施工的需要。
      2.伞形钻架
      伞形钻架是由钻架和重型高频凿岩机组成的风液联动导轨式凿岩机具。由于它具有结构紧凑、机动灵活、钻眼速度快的优点,目前已成为我国立井中深孔爆破的主要钻眼设备。引进的有日本的古河四臂、六臂和德国的六臂、九臂等机型,我国自行研制并应用较广的为FJD系列,其动力有风动和液压两种,其中以FJD-6型应用较多,其结构如图6-1所示,主要结构特征见表6-1。

    图6-1  FJD系列伞形钻架的结构
    1-吊环;2-支撑臂;3-中央立柱;4-液压阀;5-调高器;6-底座;7-风马达及油缸;8-滑道;
    9-动臂油缸;10-动臂;11-升降油缸;12-推进风马达;13-凿岩机;14-滑轨;15-操作阀组;16-活顶尖
      
       表6-1                        伞形钻架的技术特征
    名      称 FJD-4 FJD-6 FJD-6A FJD-9 FJD-9A
    适用井筒直径 / m 4.0~5.5 5.0~6.0 5.5~8.0 5.0~8.0 5.5~8.0
    支撑臂数量 / 个 3 3 3 3 3
    支撑范围 / m φ4.0~6.0 φ5.0~6.8 φ5.1~9.6 φ5.0~9.6 φ5.5~9.6
    动臂数量 / 个 4 6 6 9 9
    钻眼范围 / m φ1.2~6.5 φ1.34~6.8 φ1.34~6.8 φ1.54~8.60 φ1.54~8.60
    推进行程 / m 4.2 3.0 4.2 4.0 4.2
    凿岩机型号 YGZ-70 YGZ-70 YGZ-70,YGZX-55 YGZ-70 YGZ-70
    使用风压 / MPa 0.5~0.6 0.5~0.6 0.5~0.6 0.5~0.7 0.5~0.7
    使用水压 / MPa 0.4~0.5 0.4~0.5 0.4~0.5 0.3~0.5 0.3~0.5
    总耗风量 / m2/min 40 50 50 90 100
    收拢后外形尺寸 / m φ1.2×4.0 φ1.5×4.5 φ1.65×7.2 φ1.6×5.0 φ1.75×7.63
    总重量 / t 4.0 5.3 7.5 8.5 10.5
      
      伞形钻架由中央立柱、支撑臂、动臂、推进器、操纵阀、液压与风动系统等组成。打眼前,用提升机将伞钻从地面垂直吊放于工作面中心的钻座上,并用钢丝绳悬挂在吊盘上的气动机上,然后接上风、水管,开动油泵马达,操纵调高器,操平伞钻。支撑臂靠升降油缸由垂直位置提高到水平向上成10°~15°位置时,再由支撑油缸驱动支撑臂将伞钻撑紧于井壁上,即可开始打眼。打眼工作实行分区作业,全部炮眼打眼结束后收拢伞形钻架,再利用提升钩头提到地面并转挂到井架翻矸平台下指定位置存放。
      伞形钻架的凿岩机必须配用高强度合金钢钎杆,我国YGZ-70型凿岩机所配制的中空硅锰钼钎钢(ZK55SiMnMo),使用效果良好。采用这种凿岩机时,眼深一般不大于一次推进行程。当钻凿更深的炮眼时,也可以采用套钎或用丝扣接长钻杆。
      选用伞钻打眼,应注意井口应留出伞钻吊运空间和安设移位装置;打眼时伞钻应始终吊挂在钩头或吊盘上,以防支撑臂偶然失灵使钻架倾倒。
      利用伞钻打眼时,伞钻的架设、收拢和提放等工序均要占用工时。但它机械化程度高、钻速快、一次行程大,钻眼工序的总时间可缩短,对深孔爆破尤为适用,目前已在我国立井井筒施工中得到了普遍的推广应用。今后,应重点解决凿岩机的噪音问题,积极配用液压凿岩机,进一步提高钻眼效率和推进行程。
       (二)供风和供水
      在钻眼工作时,伞钻和凿岩机的压风和水的供应是通过并列吊挂在井内的压风管(φ150mm钢管)和供水管(φ50mm钢管)由地面送至吊盘上方,然后经三通、高压软管、分风(水)器和胶皮软管将风、水引入各风动机具。工作面的软管与分风(水)器,均用钢丝绳悬吊于吊盘上的气动机上,放炮时提至安全高度。
      当采用手持式凿岩机打眼时,为减少工作面风(水)管线之间及其与井内其它设备间的干扰,可将风(水)和自动注油系统组合在一起制作成风水笼,由风水笼向各凿岩机供应风、水、油。
      当采用伞钻打眼时,可由供风(水)系统干管末端引出软管,直接与钻架上的风(水)干管相接,然后分配给各凿岩机。
      凿岩机要求供水压力一般不超过0.3~0.5MPa,当井深超过50m时,应设置降压阀或其它降压装置。
       二、爆破工作
      爆破工作主要包括爆破器材的选择和爆破参数的确定,并编制爆破图表和说明书。
       (一)爆破器材的选择
      立井井筒掘进时的爆破器材选择主要是炸药和雷管的选择。炸药主要根据岩石的性质、井筒涌水量、瓦斯和炮眼深度等因素来进行选定。而雷管目前主要采用8号电雷管。
      我国立井井筒爆破用炸药主要有铵梯炸药和胶质炸药两大类。
      铵梯炸药,其主要成分是硝酸铵、梯恩梯和木粉。其成本较低、使用较安全,但因硝酸铵具有较强的吸湿性,所以抗水性较差。只用于浅孔无水、无瓦斯岩层或光面爆破的周边眼中。常用的2号及4号岩石铵梯炸药,标准直径分别为φ32mm、φ35mm和φ38mm,重量为100g、150g和200g三种。光面爆破应改装成细药卷(如φ25mm),使用时药卷外面应包有腊纸或塑料袋。为了能够在有水的情况下应用,在该炸药中加入沥青、石蜡等憎水剂;为了提高炸药的爆炸性能和爆破效率,可采用抗水铵梯黑、铵梯铝等高威力炸药。
      胶质炸药,是以硝化甘油为主要成分。具有密度大、可塑性好、抗水性能强和威力高的优点,但是它的感度较高,使用安全性能较差,成本较高。
      目前我国立井井筒施工普遍采用水胶炸药,这是一种由氧化剂水溶液为载体加入胶结剂、胶联剂、可燃剂、敏化剂等添加剂组成的硝酸铵类含水炸药。它具备了立井爆破要求的抗水性强、装药密度高、使用安全、威力大的特点。我国已生产出了高威力1号、2号、铝100型岩石水胶、一般威力3号和煤矿安全型等品种,并已在我国立井施工中广泛应用。
       (二)爆破参数的确定
      由于立井穿过的岩层变化大,影响爆破参数效果的因素较多,目前,对爆破各参数还没有确切的理论计算方法。因此,在设计时,可根据具体条件,用工程类比或模拟试验的方法,并辅以一定的经验计算公式,初选各爆破参数值,然后在施工中不断改进,逐步完善。其主要爆破参数为:
      1.炮眼深度
      炮眼深度不仅对钻眼爆破工作本身,而且对其它施工工序机施工组织都有重要影响,它决定着循环时间及劳动组织方式。
      《矿山井巷工程施工及验收规范》规定:立井井筒眼深小于2m的为浅眼,2~3.5m的为中深眼,大于3.5m的为深眼。最佳的眼深,应以在一定的岩石与施工机具的条件下,能获得最高的掘进速度和最低的工时消耗为主要标准。
      当采用手持式凿岩机时,一般眼深以2m左右为宜;若采用伞钻,能顺利钻凿3.5~4m的深眼,如接钎钻进,改进排粉能力,炮眼还可以加深。当眼深超过6m时,钻速明显降低,夹钎事故增多,如要加大眼深必须进一步研制和采用新型钻具(如液压式)。
      炮眼深度还受掏槽效果的限制,以目前的爆破技术,当炮眼过深时,不但降低爆破效率,还会使眼底岩石破碎不充分,岩帮不平整,岩块大而不匀,给装岩、清底以及下一循环的钻眼工作带来困难。
      此外,炮眼深度还与炸药的传爆性能有关,通常,采用40mm眼径,装入32mm直径的硝铵炸药,用一个雷管起爆,只能传爆6~7个药卷,最大传爆长度为1.5~2m(相当于2.5m左右的眼深)。若装药过长,不但爆轰不稳定,效率低,甚至不能完全起爆。因此,采用中深或深眼时,就应从增大炸药本身的传爆性能及消除管道效应着手,改变炸药品种,药卷装填结构和采用导爆索和雷管的复合起爆方式。
      从钻眼全过程分析,每循环钻眼的辅助时间(如运送钻具、安钻架、移眼位、药卷的运送装填、人员撤离和通风检查等),对不同的眼深变化不太大。当钻深眼时,虽然单孔纯钻眼时间增加了,但折合到单位炮眼长度的钻凿辅助时间却减少了,同时也大大缩小了装岩和支护工作辅助时间的比例。因此,以大抓岩机与伞钻所组成的立井施工机械化作业线,必须采用深孔爆破,才能更好地发挥效益。
      循环组织是确定炮眼深度的重要依据,为积极推行正规循环作业,实现生产岗位责任制,应尽可能避免跨班循环,力求做到每日完成整循环数。因此,有些施工单位常根据进度要求及循环组织形式,来推算炮眼深度,即
                                        (6-1)
    式中  l—炮眼深度,m;
    L—井筒施工计划月进度,m;
    N—每月实际作业天数;平行作业时取30d;锚喷拥挤支护单行作业取25~27d;浇灌混凝土单行作业时取18~20d;
    n—日完成循环数;一般浅眼每日2~4个循环,中深眼每日1~2个循环;
    η—炮眼利用率,一般取0.8~0.9;
    η1—月循环率,考虑到难于预见的事故影响(如地质变化、机电故障等)取0.8~0.9。
      应该指出,上述经验公式是以循环组织为主要依据来选择眼深,但循环组织的确定,又随炮眼深度变化而变化,两者互为因果。因此,先初选日循环数,然后求得眼深,往往不一定是技术经济上的最优值,这种方法对采用手持式凿岩机打眼、浅眼多循环的工作面尚有一定的实用性,而对当前主要以机械化配套的深孔爆破,一般均以伞钻的一次推进深度来进行确定。当然,实际工作中应结合具体条件来确定合理的炮眼深度。
      2.炮眼直径
      用手持式凿岩机钻眼,采用标准直径Φ32~35mm药卷时,炮眼直径常为Φ38~43mm,随着钻眼机械化程度的提高,眼深的加大,小直径炮眼已不能适应需要,必须采用更多直径的药卷和眼径。一般来说,药包直径以35~45mm为宜,则炮眼直径比药卷直径大3~5mm。
      炸药随其药卷直径的加大,爆速、猛度、爆力和殉爆距也相应增大,但直径超过极限值后(硝铵炸药为60~80mm),上述参数就不再增加。因此,应在极限直径内,加大药卷直径,提高爆破效果。
      当药卷直径加大时,炸药的集中系数和爆破作用半径也增大,可减少工作面的炮眼数目。据统计,药卷直径由32mm增大到45mm时,眼数可减少30%左右。这样,虽因眼径加大,钻眼的纯钻速有所降低,但每循环的眼数减少,总的钻眼时间还是缩短了。
      为使爆破后,井筒断面轮廓规整,采用大直径炮眼时,应适当增加周边眼数目(一般5~7个)。当采用锚喷支护时,应用光面爆破。目前,在深眼中,已采用55mm的眼径(药径为45mm),并取得了良好的爆破效果。
      3.炸药消耗量
      炸药消耗量主要用单位炸药消耗量(爆破每立方米实体岩石所需的炸药量)来表示,它是决定爆破效果的重要参数。装药过少,爆破后岩石块度大、井筒成型差、炮眼利用率低;药量过大,既浪费炸药,并有可能崩坏设备,破坏围岩稳定性,造成大量超挖。
      影响单位炸药消耗量的因素很多,如岩石坚硬、裂隙层理发达、炸药的爆力小、药径小,炸药的消耗量就大。
      爆破时,接近上部自由面的围岩呈不均匀压缩状态,剪应力集中,有利于爆破。但炮眼过浅,炸药爆生气体易从岩石裂隙中逸出,造成能量损失。反之,眼孔深部岩石接近于三向均匀压缩状态,需更多的能量去破碎和抛掷岩石。因此,对于每个工作面都有个最佳炮眼深度,使单位炸药消耗量小,爆破效果好。
      目前,炸药消耗量的经验计算公式,因受工程条件变化的限制,只能作为参考,因而施工单位常参照国家颁布的预算定额来选定,如表6-2。
      
       表6-2                立井掘进每立方米炸药和雷管消耗量定额
    井  筒
    净直径
    / m 浅 孔 爆 破 中深孔爆破
     f < 3 f < 6 f < 10 f > 10 f < 6 f < 10
     炸药/kg 雷管/个 炸药/kg 雷管/个 炸药/kg 雷管/个 炸药/kg 雷管/个 炸药/kg 雷管/个 炸药/kg 雷管/个
    4.0 0.81 2.06 1.32 2.33 2.05 2.97 2.68 3.62       
    4.5 0.77 1.91 1.24 2.21 1.90 2.77 2.59 3.45       
    5.0 0.73 1.87 1.21 2.17 1.84 2.69 2.53 3.36 2.10 1.09 2.83 1.24
    5.5 0.70 1.68 1.14 2.06 1.79 2.60 2.43 3.17 2.05 1.07 2.74 1.20
    6.0 0.67 1.62 1.12 2.05 1.75 2.53 2.37 3.08 2.01 1.01 2.64 1.14
    6.5 0.65 1.55 1.08 1.96 1.68 2.44 2.28 2.93 1.94 0.97 2.55 1.10
    7.0 0.64 1.53 1.06 1.91 1.62 2.34 2.17 2.78 1.89 0.93 2.53 1.09
    7.5 0.63 1.49 1.04 1.88 1.57 2.27 2.09 2.66 1.85 0.90 2.47 1.06
    8.0 0.61 1.43 1.00 1.84 1.56 2.23 2.06 2.60 1.78 0.86 2.40 1.02
      
      实际工程施工中,也可按已往的经验,先布置炮眼,并选择各类炮眼的装药系数,依次求得各炮眼的装药量、每循环的炸药量和单位炸药消耗量。表6-3通常情况下的炮眼装药系数参考值。
      
       表6-3                       炮眼装药长度系数参考值
    炮眼名称 岩石的坚固性系数
     1~2 3~4 5~6 8 10 15~20
    掏槽眼 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.80
    崩落眼 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.70
    周边眼 0.40 0.45 0.55 0.60 0.65 0.75
     注:1.立井穿过有沼气煤尘爆炸危险地层时,装药长度系数应按《煤矿安全规程》规定执行。
          2.周边眼之上述数据不适用于光面爆破。采用光面爆破时,周边眼每米装药量约为100~400g(2号硝铵炸药)。
      4.炮眼布置
      通常,井筒多为圆形断面,炮眼采用同心圆布置。
      (1)掏槽眼
      它是在一个自由面条件下起爆,是整个爆破的难点,应布置在最易钻眼爆破的位置上,在均匀岩层中,可布置在井筒中心;急倾斜岩层,应布置在靠井中心岩层倾斜的下方。常用的有下列几种掏槽方式:
      ①直眼掏槽。其炮孔布置圈径一般为1.2~1.8m,眼数为4~7个左右,由于打直眼,易实现机械化,岩石抛掷高度也小,如要改变循环进尺,只需变化眼深,不必重新设计掏槽方式。但它在中硬以上岩层中进行深孔爆破时,往往受岩石的夹制,难于保证良好效果。为此,除选用高威力炸药和加大药量外,可采用二阶或三阶掏槽,即布置多圈掏槽,并按圈分次爆破,相邻每圈间距为200~300mm左右,由里向外逐圈扩大加深,各圈眼数分别控制在4~9个左右,见图6-2。由于分阶掏槽圈距较小,炮眼中的装药顶端,应低于先爆眼底位置,并要填塞较长的泡泥,以提高爆破效果。
      ②斜眼锥形掏槽。其炮眼布置倾角(与工作面的夹角)一般为70°~80°左右,眼孔比其它眼深200~300mm,各眼底间的距离不得小于200mm,各炮眼严禁相交。这种掏槽方式,因打斜眼而受井筒断面大小的限制,炮眼的角度不易控制。但它破碎和抛掷岩石较易。为防止崩坏井内设备,常常增加中心空眼,其眼深为掏槽眼的1/2~1/3左右,用以增加岩体碎胀补偿空间,集聚和导向爆破应力,见图6-3。它适用于岩石坚硬,一般直径的浅眼掏槽,如要用于中深眼,拟与直眼掏槽结合。
      为增加岩石破碎度及抛掷效果,可在井筒中心钻凿1~3个空眼,眼深超过最深掏槽眼500mm以上,并在眼底装入少量炸药,最后起爆。
      在倾斜岩层中,亦可采用楔形掏槽。
     
    图6-2直眼掏槽 图6-3  锥形掏槽
      (2)周边眼
      立井施工中,应采用深孔光面爆破,这时应将周边眼布置在井筒轮廓线上,眼距为400~600mm左右。为便于打眼,眼孔略向外倾斜,眼底偏出轮廓线50~100mm,爆破后井帮沿纵向略呈锯齿形。
      (3)辅助眼(崩落眼)
      辅助眼(崩落眼)界于掏槽眼与周边眼之间,可多圈布置,其最外圈与周边眼的距离要满足光爆层要求,一般以500~700mm为宜。也可根据岩石条件与炸药类型,按光面爆破要求进行计算。其余崩落眼圈距取600~l000mm,按同心圆布置,眼距为800~1200mm左右。
      5.装药结构与起爆技术
      合理的装药结构和可靠的起爆技术,应使药卷按时序准确无误起爆,爆轰稳定,完全传爆,不产生瞎炮、残炮、压死、空炮和带炮等事故,并要求装药联线操作简单、迅速和可靠。
      (1)传爆方向和炮泥封口
      在普通小直径浅眼爆破中,常采用将雷管及炸药的聚能穴向上,引药置于眼底(或倒数第2个)的反向爆破,以增强爆炸应力,增加应力作用时间和底部岩石的作用力,提高爆破效果。
      反向爆破引爆的导线较长,装药较麻烦,在有水的炮眼中,要防止起爆药受潮。眼口要用炮泥封堵,其充填长应不少于0.5m。
      (2)装药结构与防水措施
      在浅眼爆破施工中,过去常用腊纸包药卷和纸壳雷管,并外套防水袋逐卷装填,它对有水的深孔爆破,装药费时,防水性差。施工单位将药卷两端各套一乳胶防水套,并装在长塑料防水袋中,一次可填装4m左右的深眼,能达到装填迅速,质量可靠。也有采用薄壁塑料管,装入炸药和雷管,做成爆炸缆,一次装入炮眼中。这种方式操作简单,可在现场临时加工,防水性能好,既可装入较大直径的高威力炸药,又可填入小直径低威力药卷,满足光面爆破的要求。
      与巷道施工一样,掏槽眼与崩落眼的眼孔与药卷间应采用小间隙的连续装药结构,周边眼应采用径向和轴向空气间隙的装药结构。
      (3)起爆方法和时序
      在深度不大的炮眼中,药卷均采用电雷管起爆。对于深孔或光面爆破,常采用电雷管-导爆索起爆。
      立井爆破都是由里向外,逐圈分次起爆,它们的时差应利于获得最佳爆破效果和最少的有害作用。对于掏槽眼和辅助眼,后圈药包应在前圈爆炸后,岩石开始形成裂缝,岩块尚未抛出,残余应力消失之前起爆效果最好,间隔时间一般为25~50ms。周边眼应在邻近一圈的辅助眼爆破后,充分形成自由面,岩块抛出,但尚未落下前(冲击波已减弱)起爆效果最好,其间隔时间取100~150ms。有沼气工作面,总起爆间隔时间不得超过130ms。
      应该指出,合理的时差是与岩石性质、工作面条件有关。硬而脆的岩石,或有两个自由面时,时差可小些。炮眼深、眼距大时,可大些。
      (4)电爆网路
      它包括起爆电源、放炮母线、连接线和电雷管(包括导爆索)所组成的电力起爆系统。
      由于井筒断面较大,炮眼多,工作条件较差,为防止因个别炮眼联线有误,而酿成全网路的拒爆,一般不用串联,而用并联或串并联的联线方式。并联电路需要大的电能,它的起爆总电流随着电网中雷管并联数的增加而加大,这就要求有高能量的放炮电源;另一方面应尽量减少线路电阻,所以一般都采用地面的220V或380V的交流电源起爆。
      在地面设置专用电源开关盒,井筒内敷设专用爆破电缆,工作面设木桩架起一定高度的裸铝线或裸铁丝作为与电雷管脚线的连接线,组成专用的爆破网络。在有瓦斯的工作面实施爆破时,采用有限时装置的防爆型放炮开关。
      由于各雷管的电阻及感度有误差,网络中各分路的电阻也有较大差别,即使总电流满足要求,往往因分路电流分配不匀,也能使某些雷管不能在短时间内同时得到发火电流而造成瞎炮。为此,选用的网路型式要合理。我国立井掘进爆破常用的网路有串联、并联和混联。由于以交流电作起爆电源,故以应用并联或串并联网路为多。图6-4中的四种网路型式中,闭合反向并联方式可使各雷管的电流分配较为均匀。
      当其它条件相同时,串并联联线方式可提高单个雷管所得的电流,选择时,力求各串联组的线路电阻相近。但由于串并联连接线较复杂,在施工中用得较少。
      不论那种联线方式,均要验算各雷管的放炮电流,其值不应小于雷管的准爆电流。

    (a)                  (b)                 (c)               (d)
    图6-4  并联爆破网路图
    a-闭合反向并联;b-闭合正向并联;c-不闭合反向并联;d-串并联
      目前,立井施工爆破还采用电磁雷管起爆,采用电磁雷管抗杂散电流能力强,爆破比较安全,但同样必须保证起爆电流,方可达到安全起爆。
      6.爆破安全
      立井井筒施工时的装药、联线和放炮工作,应严格遵守《煤矿安全规程》的有关规定,并应注意下列几点:
      ①制作药卷必须离井筒50m以远的室内进行,并要认真检查炸药、雷管是否合格,引药只准放炮员携送入井;
      ②装药前,应先检查放炮母线是否断路,电阻值是否正常。然后将工作面的工具提出井筒,设备提至安全高度,吊桶上提至距工作面0.5m高度。除规定的装药人员与信号工、水泵司机外,其余人员必须撤至地面;
      ③联线时切断井下一切电源,用矿灯照明,信号装置及带电物也提至安全高度;
      ④放炮前,检查线路接点是否合格,各接点必须悬空,不得浸入水中或与任何物体接触。当人员撤离井口,开启井盖门,发出信号后,才允许打开放炮箱合闸放炮,放炮工作只能由放炮员执行;
      ⑤放炮后,检查井内设备,清除崩落在设备上的矸石;
      ⑥如有瞎炮,必须在班、组长直接指导下,查明原因,或重新联钱放炮,或在距瞎炮0.3m以外处另打新眼,装药放炮。严禁用镐刨引药或用压风吹眼,并要仔细收集炸落未爆的药卷;
      ⑦穿过有瓦斯煤层时,其安全措施与平巷相同。
       (三)爆破图表
      由于井筒穿过多种不同岩层,故应根据岩石坚硬性及其构造情况,先大致归并为几大类,再分别编制不同的爆破图表,分类选用。图6-5及表6-4、6-5、6-6为某立井井筒施工的爆破图表。
      1.爆破条件
       表6-4                             爆  破  条  件
    序号 名     称 内              容
    1 井筒深度   705m
    2 掘进直径   7.7m
    3 掘进断面   46.57m2
    4 岩石类型   表土占4.2%;砂岩占49.25%;泥岩占45.75%;分f≥8及f<6两类
    5 瓦斯等级   低瓦斯矿井
    6 涌水情况   最大为54m3/h
    7 钻眼方式   六臂伞钻
    8 炸药类型   水胶炸药
    9 炮眼直径   55mm
    10 雷管类型   毫秒延期电雷管
      
      
      2.爆破参数
       表6-5                             爆  破  参  数
    圈别 眼号 眼数
     
    /个 圈径
     
    /m 炮眼
    倾角
    /° 炮眼深度 炮眼位置 装药量 装药
    系数 起爆
    顺序 联线
    方式 备注
         每个
    炮眼
    /m 每圈
    炮眼
    /m 眼
    间距
    /mm 眼
    圈距
    /m 每个
    药包数
    /个 炮眼
    药量
    /kg 每圈
    装药量
    /kg    
    1 1~6 6 1.6 90 4.0
    (3.4) 24
    (20.4) 800
    (800) 400
    (500) 6
    (4) 4.88
    (3.25) 29.28
    (19.5) 0.67
    (0.53) 1.2
    (1) 串
     
    联 括号
    内数
    字为
    f < 6
    时的
    爆破
    参数
    2 7~16
    (7~14) 10
    (8) 2.4
    (2.6) 90 4.0 40
    (32) 742
    (995) 850 4
    (3) 3.25
    (2.44) 32.5
    (19.52) 0.45
    (0.34) 3
    (2)  
    3 17~32
    (15~28) 16
    (14) 4.1
    (4.4) 90 3.9 62.4
    (54.6) 800
    (979) 700 4
    (3) 3.25
    (2.44) 52
    (34.16) 0.46
    (0.34) 4
    (3)  
    4 33~54
    (29~48) 22
    (20) 5.8
    (6.1) 90 3.9 85.8
    (78) 825
    (954) 200 (4)
    3 3.25
    (2.44) 71.5
    (48.8) 0.46
    (0.42) 5
    (4)  
    5 55~88
    (49~84) 34
    (36) 7.2
    (7.5) 90
    (87) 3.9 132.6
    (140.4) 664
    (654) 4 3.25
    (2.13) 110.5
    (76.68) 0.46
    (0.42) 6
    (5) 6
    (5)  
    6 89~122 34 7.6 9. 3.9 132.6 701   1 0.44 14.96 0.27 7  
      
      3.炮眼布置

    图6-5  炮眼布置图
     
      4.爆破预期效果
       表6-6                              爆破预期效果
    序号 爆破指标 单位 数量
    1 炮眼利用率 % 87.9(平均)
    2 每循环进尺 m 3.43(平均)
    3 每循环爆破实体岩石量 m3 159.74(平均)
    4 每循环炸药消耗量 kg 310.74(198.66)
    5 单位原岩炸药消耗量 kg/m3 1.94(1.24)
    6 每米井筒炸药消耗量 kg/m 90.59(57.90)
    7 每循环炮眼长度 m 477.4(325.4)
    8 单位原岩炮眼长度 m/m3 2.99(2.04)
    9 每米井筒炮眼长度 m/m 139.59(94.87)
    10 单位原岩雷管消耗量 个/m3 0.76
    11 每米井筒雷管消耗量 个/m 32
      注:括号内数值为f<6的爆破参数。
      
      
       第二节  装岩工作
       装岩是立井井筒掘进循环中最重要的一项工作,它既费时又繁重,约占掘进总循环时间的50%~60%。因此,提高装岩效率和机械化水平是加快立井施工的关键。
       一、装岩机械
       20世纪50年代初,我国从原苏联引进并开始使用БЧ-型气动抓岩机,使井筒施工装岩工作步入机械化。20世纪50年代末,我国自行研制了NZQ-0.11型及HS2-2型抓岩机,具有重量轻、体积小、悬吊方便、故障少、适应性强的特点。这些设备对促进凿井速度的提高,曾起到积极的作用,至今仍在直径4.5~5.0m、深度不超过400m的浅井中广泛使用。目前我国矿山立井井筒基岩施工主要采用NZQ2-0.11型抓岩机、长绳悬吊抓岩机(HS型)、中心回转式抓岩机(HZ型)、环行轨道式抓岩机(HH型)和靠壁式抓岩机(HK型)。煤矿立井施工主要以采用中心回转式抓岩机为主。常用抓岩机的技术特征见表6-7。
       表6-7                       常用抓岩机的主要技术特征
    抓岩机类型 抓斗容积
    / m3 抓斗直径 / mm 技术生产率
    / m3/h 适用井筒
    直径 / m 外形尺寸 / mm
    (长×宽×高) 质 量
    / kg
      闭  合 张  开    
    人力操作 NZQ2-0.11 0.11 1000 1305 12 不限 6780×6780×4180 655
     HS-6 0.6 1770 2230 50 5~8 3240×2907×1740 10290
     HS-10 1.0           
    中心回转 HZ-4 0.4 1296 1965 30 4~6 900×800×6350 7577
     HZ-6 0.6 1600 2130 50 4~6 900×800×7100 8077
     HZ-10 1.0 2050 2640 80 >7.5 1950×1600×9120 19216
    环形轨道 HH-6 0.6 1600 2130 50 5~8 / 8580
     2HH-6 2×0.6 1600 2130 80~100 6.5~8 / 13636
    靠 壁 式 HK-4 0.4 1296 1965 30 4~5.5 1190×930×5840 5450
     HK-6 0.6 1600 2130 50 5~6.5 1300×1100×6325 7340
      
       (一)人力操作抓岩机
      人力操作的抓岩机有NZQ2-0.11型小抓岩机和长绳悬吊式抓岩机两种。
      NZQ2-0.11型抓岩机,斗容为0.11m3,以压气作动力,人力操作。机体由抓斗、气缸升降器和操纵架三部分组成,见图6-6。在井筒内,它悬吊在吊盘上的气动绞车上。装岩时,下放到工作面;抓岩结束,提至吊盘下方距工作面15~40m的安全高度处。
      该机适用于浅井和井径较小的井筒,它与1.0~1.5m3吊桶、手持式凿岩机配套,炮眼深度1.2~2.0m较为适宜。有时为了充分利用原有设备,可在井径5.5~7m的井筒内配置3~4台抓岩机。统计数据表明,每台抓岩机所承担的抓岩面积为12~15m2时,抓岩效率较高。

    图6-6  NZQ2-0.11型抓岩机的构造
    1-抓片;2-抓斗气缸;3-抓斗机体;
    4-起重气缸;5-操纵柄;6-配气阀
      长绳悬吊式抓岩机(HS-6型)是20世纪70年代结合我国国情设计的一种简易式立井抓岩设备。该抓岩机由抓斗、悬吊钢丝绳及绞车组成。悬吊绞车安设在地面,由凿井工作面的操作人员操纵升降按钮,实现抓斗的提升和下放;操纵开闭控制阀,实现抓斗片的张开和闭合;用人力推拉移动抓斗,实现在任意点抓取岩石的目的。
      长绳悬吊式抓岩机的悬吊绞车为JZ2T10/700型和JZ2T10/900型专用凿井绞车,该类型绞车具有可频繁启动和可逆旋转的良好工作性能。抓斗多采用0.6m3和1.0m3的增力矩抓斗。增力矩抓斗可随着抓片闭合时岩石阻力矩的增大而使抓斗的传动力矩也相应地增大,而且气缸通过钢丝绳悬吊在提吊装置上,见图6-7。另外,当抓斗停用提至安全高度时,抓片始终处于闭合状态,不会自动张开,有利于安全。
      根据井筒直径,在工作面可配用1台或2台抓斗。为使抓岩和装岩工作便利,悬吊点的合理位置应靠近吊桶和井筒中心布置。当采用两个吊桶和单台抓斗时,抓斗悬吊点应处于两个吊桶之间;当采用两台抓斗时,应尽量使抓斗悬吊点连线与吊桶中心连线互为正交,并使每个抓斗所承担的装岩面积大致相等。抓斗悬吊高度以80~100m为宜,过高时,钢丝绳摆幅过大,危及安全;过低时,推送抓斗费力。为此,当悬吊高度超过100m时,井筒中应安设导向架(图6-8),并随工作面推进,不断向下移装导向架。吊盘上通过钢丝绳的喇叭口的形状和尺寸应使钢丝绳摆动方便。
      该抓岩机构造简单,容易在井筒内布置、吊盘不需增加荷载、压风耗量小、运行费用低、提升抓斗辅助时间少,但抓斗需要人力推送,劳动强度大,机械化程度低,故多应用在浅井工程。由于该抓岩机由工人在井下工作面直接操作,看得清、抓得满、装的准、安全好等优点,因而在多个井筒施工中得到了较广泛的使用。鸡西矿区滴道东风井仅用1台0.6m3斗容的长绳悬吊抓岩机,就曾创造了月成井201m的全国纪录。
       (二)中心回转抓岩机
      中心回转抓岩机是一种大斗容抓岩机,它直接固定在凿井吊盘上,以压风作为动力,该设备具有使用范围广、适应性强、设备利用率高、动力单一、结构紧凑、占用井筒面积不大,便于井筒布置、安全可靠、操作灵活、维护方便等优点,目前在煤炭矿山得到了普遍的使用。该机由抓斗、提升机构、回转机构、变幅机构、支撑系统和机架等部件组成,见图6-9。
      1.抓斗
      由抓片、拉杆、耳盘、气缸和配气阀等部件组成。抓片的一端与活塞杆下端铰接,腰部孔通过拉杆与耳盘铰接。司机控制气缸顶端的配气阀,使活塞上下往复运动,致使活塞杆下端牵动八块抓片张合抓取岩石。
     
    图6-7  长绳悬吊抓岩机的增力矩抓斗 图6-8  长绳悬吊抓岩机的布置
    1-提吊板;2-钢丝绳;3-钟形梁;4-活塞杆;
    5-活塞;6-气缸;7-竖筋板;8-连杆;9-抓片;
    10-耳盘;11-支腿;12-环形梁;13-配气阀 1-悬吊天轮;2-地面悬吊专用绞车;3-悬吊钢丝绳;
    4-钢丝绳限位滑架;5-吊盘;6-供风管路;7-抓斗;
    8-抓岩机控制电缆;9-升降操纵开关;10-抓斗控制阀门
      2.提升机构
      由气动机、减速器、卷筒、制动器和绳轮机构组成。悬吊抓斗的钢丝绳一端固定在臂杆上,另一端经动滑轮引入臂杆两端的定滑轮,并通过机架导向轮缠至卷筒。司机控制气阀,气动机带动卷筒正转或反转以升降抓斗。制动器与气动机同步动作,当气动机经操纵阀引入压气时,同时接通制动阀气缸松开制动带,卷筒开始转动。反之,当气动机停止工作时,制动带借弹簧张力张紧而制动。除绳轮机构外,整个提升机构安装在回转盘以上的机架上,并设有防水保护罩。
      3.回转机构
      由气动机、蜗轮蜗杆减速器、万向接头、小齿轮、回转座(内装与小齿轮相啮合的内齿圈)组成。当气动机径操纵阀给气转动时,驱动减速器,通过万向接头带动小齿轮,使其在大齿圈内既自转又公转,以实现整机作360°回转,可使抓斗在工作面任意角度工作。回转座底盘固定在吊盘的钢梁上,回转座防水罩顶端设有回转接头,保证抓岩机回转时不间断地供应压气。
      4.变幅机构
      由大气缸、增压油缸、两个推力油缸和臂杆组成。大气缸和增压油缸通过一根共用的活塞杆联成一体,活塞杆两端分别装有配气阀和控油阀,由于活塞杆两端的活塞面积大小不同,使增压油缸内的油压增至6.4MPa。增压油缸通过控制阀向铰接在机架与臂杆之间的两个推力油缸供油,推动活塞向上顶起臂杆变幅。打开配气阀,增压油缸内液压随之递减,油液自推力油缸返回增压油缸,臂杆靠自重下降收拢臂杆。
      5.固定装置
      由液压千斤顶、手动螺旋千斤顶和液压泵站组成。此装置用以固定吊盘,保证机器运转时盘体不致晃动。使用时,先用螺旋千斤顶调整吊盘中心,然后用液压千斤顶撑紧井帮。螺旋与液压千斤顶要对称布置。
      6.机架
      机架为焊接箱形结构,下部设司机室。司机室的四根立柱为空腔管柱,兼作压气管路,室内装有操纵阀和气压表,用于控制整机运转。

    图6-9  中心回转抓岩机
    1-抓斗;2-机架;3-臂杆;4-变幅油缸;
    5-回转结构;6-提升绞车;7-回转动力机;
    8-变幅气缸;9-增压油缸;10-操作阀和司机室
      抓岩机的布置要与吊桶协调,保证工作面不出现抓岩死角。一套单钩提升时,吊桶中心和抓岩机中心各置于井筒中心对应的两侧;采用两套单钩提升时,两个吊桶应分别置于抓岩机中心两侧;采用一套双钩提升,一套单钩提升时,3个吊桶亦应分别置于抓岩机中心两侧。为防止吊盘偏重,抓岩机应尽量靠井筒中心布置,但需预留出激光通过孔。抓岩机中心通常偏离井筒中心650~700mm,而HZ-10型抓岩机通常为900mm。
      为了安全,地面可增设凿井绞车,以便对抓岩机进行辅助悬吊,通常可与伞钻合用一台悬吊绞车。
      抓岩机主机安装时,应先将吊盘下放到离工作面一定距离,即HZ-4型、HZ-6型距工作面为4~5m处,HZ-10型为7~8m处,然后主机下放到工作面,慢慢将主机直立起来,使回转支承座对准下层吊盘的两根横梁上。对准安装位置后用L型或U型螺桂固定,使主机与吊盘钢梁连成一体。
      抓岩机提升机构安装时,应先将提升气动绞车下放到吊盘上,然后将其装在回转机架的左右梁上,找正位置,紧固螺栓。
      抓岩机抓斗安装时,应将抓斗下放到工作面,但要注意将连接盘与气缸捆住,以防下放过程中活塞杆下落,抓片自动张开。
      抓岩机支撑系统安装与固定时,应先将支撑系统下放到下层盘上.其安装与固定和环形轨道式抓岩机基本相同。
       (三)环形轨道抓岩机
      环形轨道抓岩机也是一种大斗容抓岩机,它直接固定在凿井吊盘的下部上,以压风作为动力,抓斗容积为0.6m3,有单抓斗和双抓斗两种。该机型具有固定简单、结构合理、动力单一、生产能力大、机械化程度高、抓岩地点不受限制、不存在死角。特别是2HH-6型抓岩机,由于双抓斗能同时工作,在清底时1台抓斗能用于集中矸石,另1台装吊桶,配合默契,缩短了清底时间。当1台发生故障时,另l台仍能继续工作,保证抓岩工作连续进行。
      环形轨道抓岩机维护、检修较方便。其不足之处是环形轨道直径必须与井筒直径相适应,因此,其通用性及利用率的提高相对较困难。
      环形轨道抓岩机在掘进过程中随吊盘一起升降。机器由一名(双抓斗两名)司机操作,抓斗能作径向和环行运动。全机由抓斗、提升机构、径向移动机构、环行机构、中心回转装置、撑紧装置和司机室组成,抓岩机的构造见图6-10。
      1.抓斗
      抓斗的结构及工作原理与中心回转抓岩机相同。
      2.提升机构
      由气动机、卷筒、减速器、吊架、制动装置和绳轮组成。提升钢丝绳的一端固定在吊架上,另一端经与抓斗连接的绳轮缠绕并固定在卷筒上。绳轮侧板上端设有挂链,以备机组停用时,将抓斗挂于提升绞车底部的保险钩上。绳轮由封闭罩保护,防止岩块掉入绳槽。整个提升绞车经吊架挂在行走小车上。绞车制动是以弹簧推动了一个内圆锥刹车座,使其直接压紧气动机齿轮花键轴一侧的园锥面刹车座,当向气动机供风时,首先收回制动弹簧打开刹车,卷筒转动。停风时,弹簧自动顶出刹住绞车。

    图6-10  环形轨道抓岩机
    1-液压千斤顶;2-手压泵及泵站,3-手动螺旋千斤顶;4-中心轴;
    5-环行轨道;6-环行小车;7-悬梁;8-司机室,9-行走小车;
    10-抓斗;11-凿井吊盘的下层盘
      3.径向移动机构
      由悬梁、行走小车、气动绞车和绳轮组成。悬梁是由两根槽钢为主体的结构件,一端连中心轴,另一端通过环行小车支撑在环行轨道上,行走小车的牵引气动绞车置于悬梁中间,引绳经卷筒缠绕6~7圈后,其两端分别绕越悬梁两端的绳轮,并固定在行走小车两侧。启动气动机、卷筒回转,借摩擦牵动引绳,驱动行走小车以悬梁下翼缘为轨道作径向移动。
      4.环行机构
      由环行轨道和环行小车组成。环行轨道是钢板焊接的4块弧形结构件,其直径因井筒净径而异,用螺栓固定在凿井吊盘下层盘的圈梁上,供环行小车带动悬梁作圆周运动。环行小车由功率为4.4kW的气动机驱动,使小车沿环行轨道行驶。
      5.中心回转装置
      由中心座、支架和进气管组成。中心回转轴固定在通过吊盘中心的主梁上,用于连接抓岩机和吊盘。回转轴下端嵌挂悬梁,为悬梁的回转中心。回转中心留有直径为160mm的空腔作为测量孔。此外,回转轴上设供气回转接头,压气自吊盘上的压风管经中心轴支架的通道、回转接头进入抓岩机总进风管,保证机器转动时,压气始终畅通。
      6.吊盘固定装置
      与中心回转抓岩机相同。
      7.司机室
      由型钢和钢板焊接而成。通过顶板上的支架和连接架分别与悬梁和环行小车的从动轮箱相连,并随悬梁回转。司机室内装有总进气阀,压力表,操纵阀等。由司机集中操纵机器的运转。
      2HH-6型双抓斗环行轨道抓岩机在中心轴装有上下两个回转体,中间用单向推力轴承隔开,提升机构和抓斗分别随上下两个悬梁回转。两个环行小车分别有高底座和低底座连接在悬梁上,通过底座的高差,使两台环行小车车轮落在同一环行轨面上。
      环形轨道回转机构安装时,通常将环轨拆卸成4段下井。先将环形轨道放于下层吊盘的圈梁上,然后用螺栓将4段环形轨道相互对接上;安装中心回转机构,把中心轴支座落在下层吊盘预留中心位置的连接粱上,并用螺栓连接;再以中心轴为基准,找正环形轨道,然后将环形轨道与下层吊盘的圈梁用螺栓连接即可。
      悬梁和环行小车安装时,将气动绞车和主、从动轮箱分别装在悬梁和底座上.安装时要注意使中心轴的回转体出气口对准悬梁,然后推悬梁沿圆周正、反各转一圈,检查转动是否灵活,小车轮子在轨面上运行是否正常,有无碰撞的地方。若用双抓斗时,应检查一下当两个悬梁夹角为45°时是否碰撞。环行小车停车点应规定在便于司机上、下的地方。双抓斗应分别装在相对位置上,使吊盘受力平衡。
      支撑系统安装时,由于支撑系统设于下层吊盘的盘面上,它由液压千斤顶、手动螺旋千斤顶等构成。支撑液压千斤顶通常用4~5个,其布置方式可用对称布置或等分均匀布置,不论应用何种布置方式,其底座要焊在下盘盘面靠主梁或副粱上。当抓岩机组装完后,将吊盘上升距工作面15~20m,进行支撑系统的固定。
      环行轨道抓岩机一般适用于大型井筒,当井筒净直径为5~6.5m时,可选用单斗HH-6型抓岩机;井筒净直径大于7m时,宜选用双斗2HH-6型抓岩机,适用的井筒深度一般大于500m,可与FJD-9型伞型钻架和3~4m3大吊桶配套,采用短段作业较为适宜。
      上述中心回转抓岩机和环形轨道抓岩机,在煤矿立井井筒掘进中,应用比较广泛,尤其是中心回转抓岩机,由于其通用性而得到了普遍的推广使用。
      此外,还有靠壁式抓岩机,但由于煤矿围岩松软,抓岩机锚固困难,故目前多用在岩石坚硬的金属矿山井筒掘进工作中。
       二、装岩生产率
      装岩生产率是指单位时间装入吊桶的矸石量(松散体)。由于装岩条件的不断变化,装岩生产率有最高生产率,最低生产率和平均生产率三个参数,它是衡量装岩技术水平的一项重要指标。影响装岩生产率的因素很多,分析这些影响因素,对提高装岩生产率很有意义。其主要影响因素有:
      (1)装岩设备的技术性能,加工质量和维修水平;
      (2)装岩机司机的操作熟练程度;
      (3)爆破效果(岩石块度、一次爆破矸石量、工作面的平整度);
      (4)井筒涌水量的大小,以及岩石硬度;
      (5)吊桶容积,数量和排矸能力;
      (6)压气压力等。
      对于不同的井筒,装岩生产率可经实测确定。就单机而言,亦可按下式估算:
                                 (6-2)
    式中  Q-抓岩机的装岩生产率,m3/h;
          K1—抓岩机的工时利用率,它与操作技术、吊桶容积、提升方式和速度等有关,根据不同情况可取0.6~0.9;
          K2—抓斗装满系统,它与岩石硬度、块度大小有关,当条件适宜时,抓满度往往还可大于抓斗的理论容积,一般取1.0~1.3;
          K3—压气影响系数,压力以0.5MPa为标准,每增大0.1MPa生产率可提高7%~8%;
          q—抓斗理论容积,m3;
          t—抓岩一次循环时间,s。
      提高抓岩机的工时利用率、提高抓斗抓满系数、装桶准确、缩短一次抓取循环时间、加深炮眼、减少机械故障等是提高装岩生产率的关键。为了提高装岩生产率,亦可采取下列几项措施:
      (1)抓岩司机要经过严格的技术培训,操作技术要熟练。抓岩设备应严格执行检修保养制度,提高技术水平,减少机械故障,提高抓岩机的工时利用率。
      (2)选择合理的爆破参数,改进爆破技术,改善岩石的破碎程度,增加一次爆破岩石量,对于提高装岩生产率有着密切的关系。
      (3)提高提升能力,加大吊桶容积,减少吊桶提升休止时间,充分发挥抓岩机的生产能力。
      (4)选择合理的抓斗容积和吊桶容积,提高抓斗利用率。
      (5)当采用人力操作的抓岩机时,还应合理的配备工作面上同时作业的抓岩机的台数,使其布置合理,协同作业,减少干扰。
      (6)综合治水,打干井,改善作业条件。
      总之,抓岩生产率与多种因素有关,对于不同的施工条件,需要因地制宜,采取有效措施,提高装岩生产率。
      
    第三节  提升及排矸
      立井井筒施工中,为了排除井筒工作面的矸石、下放器材、设备以及提放作业人员,应在井内设置提升系统。这套提升系统稍加改装,还应能服务于车场巷道施工和井筒永久装备。凿井提升系统选择是否合理,不但直接影响凿井装矸作业和凿井施工速度,而且还会影响建井后期工作的顺利开展。
      凿井提升系统由提升容器、钩头联接装置、提升钢丝绳、天轮、提升机以及提升所必备的导向稳绳和滑架等组成。凿井期间,提升容器以矸石吊桶为主,有时也采用如底卸式下料吊桶和下料框等容器。当转入车场和巷道施工时,提升容器则由吊桶改为凿井罐笼。
      立井开凿时,为了悬挂吊盘、砌壁模板、安全梯、吊泵和一系列管路缆线,必须合理选用相应的悬吊设备。悬吊系统由钢丝绳、天轮及凿井绞车等组成。
       一、提升容器及附属装置
       (一)吊桶及附属装置
      1.吊桶
      吊桶主要用于提升矸石、升降人员和提放物料。当井内涌水量小于6m3/h时,还可以用于排水。目前我国使用的矸石吊桶,根据不同卸矸方式分挂钩式和座钩式两种。他们的容积分别为0.5、1.0、1.5、2.0m3和2.0、3.0、4.0、5.0m3两组标准系列,其技术规格见表6-8。
       表6-8                           矸石吊桶主要规格
    吊桶形式 吊桶容积
    /m3 桶体外径
    /mm 桶口直径
    /mm 桶体高度
    /mm 吊桶全高
    /mm 桶梁直径
    /mm 质  量
    /kg
    挂钩式 0.5 825 725 1100 1730 40 194
     1.0 1150 1000 1150 2005 55 348
     1.5 1280 1150 1280 2270 65 478
     2.0 1450 1320 1300 2430 70 601
    座钩式 2.0 1450 1320 1350 2480 70 728
     3.0 1650 1450 1650 2890 80 1049
     4.0 1850 1630 1700 3080 90 1530
     5.0 1850 1630 2100 3480 90 1690
      
      2.附属装置
      附属装置包括钩头联接装置、滑架和缓冲器。矸石吊桶经钩头联接装置悬挂在钢丝绳上。因而联接装置应具备足够强度、摘挂方便和防脱钩装置。为防止吊桶提放时旋转,应在钩头上设缓转器。钩头的形式见图6-11,规格见表6-9。
       表6-9                           凿井提升钩头规格
    型   式 规   格
    /t 钩头装置高度
    /mm 总 质 量
    /kg 适用钢丝绳直径
    /mm 适用吊桶容积
    /m3
    Ⅰ 3.6 1184.5 87 23-26 1.5及以下
     5. 1282.0 110 26-28 2.0
     7.0 1493.0 145 31-35 3.0
    Ⅱ 7.0 1538.0 160 31-35 3.0
     9.0 1738.0 190 37-40 4.0
     11.0 1853.0 215 40-43 5.0
      
      为避免吊桶提升时摆动,采用滑架导向,保证吊桶平稳地沿稳绳运行。滑架位于钩头联接装置上方。滑架上设保护伞以保证作业人员升降的安全。滑架的形式见图6-12,规格见表6-10。
      为了防止吊桶提放时钩头联接装置撞击滑架和滑架撞击稳绳,在钩头联接装置上方和稳绳末端设缓冲器,缓冲器结构见图6-13。
       (二)底卸式材料桶及下料框
      底卸式材料桶用于凿井砌壁时下放混凝土搅拌。底卸式吊桶的容积包括1.2、1.6、2.0m3和新研制的2.0及2.4m3共五种,其技术规格见表6-11。
       表6-10                            滑架技术规格
    滑架跨距
    /m 适  用  范  围 高宽之比 最大宽度
    /mm 质  量
    /kg
     吊桶容积
    /m3 吊桶最大外径
    /mm   
    1.40 1.0 1150 1:2 1470 96
    1.55 1.5 1280 1:2 1620 108
    1.70 2.0 1450 1:2 1770 120
    1.85 3.0 1650 1:2 1930 173
    2.05 4.0 1850 1:2 2130 196
    2.20 5.0 1850 1:2 2280 213
      
       表6-11                         底卸料桶技术规格
    型  号 容  积
    /m3 桶口直径
    /mm 桶体上部直径
    /mm 底座直径
    /mm 桶身高
    /mm 全  高
    /mm 质  量
    /kg
    TDX-1.2 1.2 1320 1450 1454 1485 2757 815
    TDX-1.6 1.6 1320 1450 1454 1730 3004 882
    TDX-2.0 2.0 1450 1650 1463 1945 3200 1066
    DX-2.0 2.0 1450 1650 1465 2100 3540 1400
    HTD-2.4 2.4 1450 1650 1465 2000 3340 1250
       (三)凿井罐笼
      在井底车场及巷道施工阶段,矸石、人员及器材设备的提放由凿井罐笼完成。它由上盘、下盘(双层罐笼时有中盘)、侧体、车挡、扶手、罐帘、淋水棚及悬吊装置等部件组成。通常采用提放MG1.1-6型矿车的单车单层、双车单层和双车双层等三种罐笼。为了增大提升能力,可采用提放MG1.7-6型矿车的凿片罐笼,其技术规格见表6-12。
      
    图6-11  凿井提升钩头 图6-12  吊桶导向滑架 图6-13  缓冲器
      
       表6-12                         凿井罐笼技术规格
    矿   车 罐笼型式 罐笼外形尺寸
    长×宽×高
    /mm 质  量
    /kg 钢丝绳罐道
    中心平面尺寸
    /mm 额定乘罐人数
         上层 下层
    MG1.1-6 单层单车 2540×1312×4859 1960 1321×1830 14 0
     单层双车 4660×1312×5960 3130 1232×3800 27 0
     双层双车 4660×1312×7201 3730 1232×3800 14 14
    MG1.7-6 单层单车 3160×1574×5205 2695 1494×2410 23 0
     单层双车 5660×1574×5998 4700 1494×4694 40 0
     双层双车 5660×1574×7555 4953 1494×4670 23 23
       
       二、提升方式
      立井开凿时采用的提升方式有单钩提升和双钩提升两种。单钩提升时,提升机使用一个工作卷筒和一个终端荷载;而双钩提升时,提升机的主轴上使用两个工作卷筒,并各设一个终端荷载,只是两荷载的提升方向相反。
      20世纪50~70年代末期,立井井筒施工提升方式以一套单钩或两套单钩为主。到80年代初期,随着井筒直径加大、深度加深及专用凿井提升机的问世,在直径大于7m、深度大于600m的井筒,已过渡到一套双钩配一套单钩的提升方式。
      提升方式,应根据井筒的直径、深度和作业方式而选定。合理配置提升系统对立井施工具有重要意义。矸石提升系统可有如下几种配置方式:一套单钩提升;一套双钩提升;两套单钩提升;一套单钩提升和一套双钩提升;三套单钩提升。
      我国常采用的提升方式有一套单钩、两套单钩、一套双钩配一套单钩等三种方式。使用一套双钩或三套单钩的形式较少。
      一套单钩用于单行作业、混合作业,适用于直径不大于5m(含5m)、深度不大于300m的井筒,若将来在井巷改装期作临时罐笼提升时,则一开始就应选用双卷筒提升机。两套单钩用于单行作业、混合作业、平行作业,适用于直径5.5~6m,深度600m左右的井筒,若将来在井巷过渡期改装作临时罐笼提升时,则其中1台将来用于临时罐笼的提升机一开始就应选用双卷筒。一套双钩用于单行作业、混合作业,适用于直径大于5.5m(含5.5m),深度在400m左右的井筒。一套单钩和一套双钩用于单行作业、混合作业、平行作业,适用于直径6.5~8.0m,井筒深度600~1000m的井筒。三套单钩用于单行作业、混合作业、平行作业、一次成井,适用于直径大于6.5m(含6.5m),井筒深度在400m以上的井筒,但目前采用较少。
      立井井筒提升系统首先应能满足井筒掘进时抓岩生产率和立井快速施工的要求,然后还应满足车场巷道施工时矸石提升的要求。此外,凿井提升所需的安装时间要短,操作要方便,要能保证井上下安全生产。总之配置的提升系统要具备优越的综合经济效果。
      提升能力与吊桶容积和吊桶一次提升循环时间直接相关。吊桶容积越大,一次提升循环时间越短,则提升能力就越大。
      单钩提升不需调绳,使用起来比双钩提升简便、安全、可靠、特别是两套单钩的提升能力比一套双钩要大26%~33%,其增加比值随着井筒深度加深而加大。但单钩提升比双钩的电耗大。以两套单钩同一套双钩相比,两套单钩用电增加1.8~2.5倍,设备折旧费及大型临时工程建筑、安装费增加1倍,操作和维修人员增加l倍。
      双钩提升最大优点是比单钩提升能力大,其能力约增加30%~50%,并且随着井筒深度的加深其比值逐渐增大。同型号双卷筒提升机作单钩提升时,其提升钢丝绳的终端负荷要减少,以JK新系列2JK-3.5/20型提升机为例,用单钩提升4m3吊桶只能用于深350m的井筒,而用双钩提升4m3吊桶则能用于近700m深的井筒。又以凿井提升机2JKZ-3.0/15.5型为例,用单钩提5m3吊桶只能适用于深350m的井筒,而用双钩提5m3吊桶则能用于近600m深井筒。此外,双钩比单钩提升节省电及设备折旧费、大型临时建筑、安装费、减少操作及维修人员。其缺点是要随着井筒掘进深度增加而经常调绳。
      由此可见,工程施工应根据工程条件,进行技术、经济优化比较,才能作出最佳选择。
      由井筒转入车场巷道施工时,矸石提升应改为双钩罐笼提升。因此,凿井时配置的提升系统,不论是单钩,还是双钩,必须选用一台能用于罐笼提升的双卷筒提升机。
       三、提升系统设备选择及提升能力
       (一)吊桶容积确定
      当提升方式确定后,井筒工作面的抓岩生产率便是选择吊桶容积的主要依据,此外也要考虑吊桶的平面规格,以方便井内布置。
      吊桶容积可按下列步骤选择:
      (1)吊桶的一次提升循环时间T应小于或等于抓岩机装满一桶矸石的时间Tzh,即:
       T≤Tzh                                (6-3)
      (2)计算抓岩机的装桶时间
                                 (6-4)
    式中  T-吊桶的一次提升循环时间,s;
       Tzh-抓岩机装满一桶矸石的时间,s;
       VT—矸石吊桶容积,m3;
       0.9—吊桶装满系数;
       Azh—井筒工作面抓岩机的总生产率(松散体积),m3/h。
      (3)计算吊桶容积
                                  (6-5)
    或                                                              (6-6)
    式中   Ct—提升不均匀系数,Ct=1.25。
       求得的吊桶容积为满足装岩生产率所必备的容积。
       (4)断面布置校核
       计算初选的吊桶容积只有在井筒断面布置校核后方可确认。当井内布置困难时,应重新选择。
       凿井工作面上,除了布置矸石吊桶外,尚有一系列凿井设备需要布置,同时还应考虑设备与设备之间,设备与井壁之间的安全间隙,以及井筒中心测量孔应留的面积等。因此吊桶布置受到限制。表6-13列出布置吊桶的资料,可供参考。当工程处有库存提升机可利用时,吊桶容积的选择应考虑到库存提升机的能力要求。
       表6-13                         井内可布置的吊桶数
    井筒净直径
    /m 吊桶容积
    /m3 吊桶数目
    /个 井筒净直径
    /m 吊桶容积
    /m3 吊桶数目
    /个 
    5.0 1.0
    1.5
    2.0 2
    1
    1 7.0 2.0+1.5
    3.0+1.5
    3.0+2.0
    4.0+2.0 2+2
    2+1
    1+1
    1+1 
    5.5 1.5
    2.0 2
    2    
       7.5 2.0
    3.0+2.0
    4.0+3.0 4
    2+1
    1+1 
    6.0 2.0
    3.0+2.0 2
    1+1    
    6.5 2.0
    2.0+1.5
    3.0+2.0 2
    2+1
    1+1 8.0 3.0+2.0
    4.0+3.0
    5.0+3.0 2+1
    2+1
    1+1 
       
       (二)钢丝绳
       钢丝绳是凿井提升及悬吊系统的主要组成件。我国用于凿井的提升和悬吊的钢丝绳,其绳股断面多为圆形,包括单层股和多层股(不旋转)钢丝绳。单层股主要采用6×7、6×19和6×37等规格,主要用作悬吊设备。多层股(不旋转)钢丝绳常用18×7和34×7等规格,主要用于凿井提升和单绳悬吊设备。
       钢丝绳选择主要确定其规格和直径,钢丝绳的直径随终端荷载和井筒终深而变化。钢丝绳中产生的最大静拉力还必须与提升机的强度相适应。
       在提升过程中,有多种应力反复作用于钢丝绳,如静应力、动应力、弯曲应力、扭转应力、挤压应力和接触应力等,易使钢丝绳疲劳破坏,加之制造过程中的捻转应力和使用中的磨损与锈蚀,要求选用的钢丝绳,其钢丝的总拉断应力大于最大计算静拉力,它们的比值应大于或等于《煤矿安全规程》所规定的安全系数,即
                                   (6-7)
    式中  ma—安全系数;
       [m]—规程的允许安全系数,见表6-14;
       Qd—钢丝绳的钢丝总拉断力,N;
         
         σB—所选钢丝绳的公称抗拉强度,Pa;
         S—所有钢丝断面积之和,m2;
       Fzd—钢丝绳的最大计算静拉力,N。
      从立井凿井时的钢丝绳计算图(图6-14)可知,钢丝绳中的最大静拉力位于A点,于是
                                  (6-8)

    图6-14  钢丝绳计算示意图
    式中  Q0—钢丝绳的终端荷载重力,N;
         Q=m0g
         m0—钢丝绳的终端荷载质量,kg;
         g—重力加速度,9.8m/s2;
       Ps—每米钢丝绳的重力,N/m;
         Ps=msg
         ms—每米钢丝绳质量,kg/m;
       H0—钢丝绳的最大悬垂长度,m;
         H0=Hsh+Hj,m;
         Hsh—井筒设计终深,m;
         Hj—井口水平至井架天轮平台的高度,m。

                                     (6-9)
      钢丝绳的每米质量ms可按下式估算
                                        (6-10)
    式中   γ0—钢丝绳的平均密度,一般可取9500kg/m3。
       表6-14                        钢丝绳的安全系数
    用      途 [m]
    单绳缠绕式提升 
        提人专用 9
        人、物提升 9
        提物专用 7.5
    悬吊设备 
        安全梯 9
        吊盘、吊泵、抓岩机 6
        风筒、压风管、水管、注浆管、电缆等 5
        拉紧装置用 5
      
      式(6-9)经整理后得
                                  (6-11)
    或                                      (6-12)
      根据ms计算值选择钢丝绳的标准直径ds,查出丝径δ,钢丝绳总拉断力Qd及标准ms值等各项钢丝绳的技术特性,并进行安全系数校核,得
                               (6-13)
      当上述不等式不成立时,应重作选择。
      钢丝绳的终端荷载随用途而异。提升钢丝绳的终端荷载包括提升容器质量和货载质量;悬吊钢丝绳的终端荷载为悬吊设备的全部质量;稳绳的终端荷载是施加于稳绳的张力,按规定,每100m钢丝绳的张力应不小于9.8kN。
      (三)提升绞车
      提升绞车由卷筒、主轴及轴承、减速器及电机、制动装置、深度指示器、配电及控制系统和润滑系统等部分组成。
      根据卷筒的特点,提升绞车分缠绕式卷筒提升绞车和摩擦轮式提升绞车两大类。前者提升钢丝绳缠绕在卷筒表面,分为单卷筒和双卷筒两种;后者靠钢丝绳与摩擦轮之间的摩擦力传动,分为单绳和多绳两种。
      用于建井的凿井提升绞车为缠绕式卷筒提升绞车(主要特征见表6-15),它们具有下列特点:
       (1)提升绞车允许的最大静拉力和静拉力差取值大,能用于深井,提升3~5m3的单钩矸石吊桶和升降重型伞钻。
       (2)机器单个部件重量轻,易于装、拆和运输,减轻了安装工作。
       (3)双卷筒提升绞车所用的离合器调绳方便,减少了凿井辅助作业的工作量和工时。
       (4)提升机房可不设地下室,减少了临时建筑工程量,可缩短临时工程的工期。
       表6-15                     凿井专用提升机技术性能表
      提升机型号   2JKZ-3.6/13.4   2JKZ-3.0/15.5   JK2-2.8/15.5
      滚筒数量×直径×宽度 / 个×mm×mm   2×3600×1850   2×3000×1800   1×2800×2200
      钢丝绳最大净张力 / kN   200   170   150
      钢丝绳最大净张力差 / kN   180   140   
      钢丝绳最大直径 / kN   46   40   40
      最大提升高度 / m   1000   1000   1230
      钢丝绳的速度 / m/s   7.00   4.68,5.88   4.54,5.48
      电动机最大功率 / kW   2×800   800,1000   1000
      两滚筒中心距 / mm   1986   1936   
      滚筒中心高 / mm   1000   1000   1000
     
       1.选择提升机
       用于建井的凿井提升机应满足凿井、车场巷道施工和井筒安装的不同要求。对于拟将服务于车场巷道施工的井筒,在开凿井筒时就应配置双卷筒提升机,以便改装凿井罐笼。
       当井筒的永久提升机为缠绕卷筒式时,只要条件许可,应尽量直接利用永久提升机凿井。
       提升机的卷筒直径及宽度是选型的主要考虑因素,当然也要照顾提升机的强度要求。
       1)确定卷筒直径
       卷筒直径应有利于改善钢丝绳的疲劳状态,使绳内产生较小的弯曲应力。根据《煤矿安全规程》的规定,凿井用提升机的卷筒直径DT与钢丝绳直径ds之比应不小于60;与钢绳中最粗钢丝直径δ之比应不小于900,即
               DT≥60ds                                  (6-14)
    和                                  DT≥900δ                                 (6-15)
      根据选定的钢丝绳便可确定提升机卷筒的最小直径。
      2)确定卷筒的宽度
      卷筒的宽度取决于钢丝绳直径、卷筒直径和必备的容绳量。必需缠绕在提升机卷筒上的钢丝绳可包括以列几方面:
       (1)与提升高度取值一致的钢丝绳长度;
       (2)供周期性检测试验用的钢丝绳长度,一般为30m;
       (3)必须缠绕在卷筒表面的摩擦圈钢丝绳,以减轻卷筒上固定钢丝绳处的拉张力,一般取3圈;
       (4)多层缠绕时,为避免上下层钢丝绳始终在同一绳段过渡,每季度应错动1/4圈,根据钢丝绳的使用年限,取错绳圈为2~4圈。于是,提升机的宽度为
    单层缠绕:          ≤BTB                          (6-16)
    多层缠绕:       ≤BTB                    (6-17)
    式中  BT—提升机卷筒宽度,m
       DTB—选型后的标准卷筒直径,m;
       BTB—选型后的标准卷筒宽度,m;
       H—提升高度,m;
       n’—错绳圈数;
       n—缠绕层数,凿井时一般允许缠绕两层,当井深超过400m时,允许缠绕3层,但要求卷筒边缘高出最外一层钢丝绳,其高出值应不小于2.5ds。
       DP—钢丝绳的平均缠绕直径,m;
                           (6-18)
       ε—钢丝绳绳槽间的距离,一般为2~3mm。
       其它符号同前。
       3)验算提升机强度
       在选择机型时,必须校核提升机主轴和卷筒所能承受的最大静拉力和提升机减速器所能承受的最大静拉力差。这两项强度指标可按下式检验:
       FJ≥Q+Qr+PsH                                  (6-19)
       FJC≥Q+PsH                                    (6-20)
    式中  FJ—提升机允许的最大静拉力,N;
       FJC—提升机允许的最大静拉力差,N;
       Q—提升货载重量,Q=mg,N;
       Qr—提升容器重量,N;
       Ps—选用钢丝绳的每米重量,N/m;
       H—提升高度,m。
      当上列不等式成立时,提升机满足要求。当采用单卷筒提升机作单钩提升时,可不检验最大静拉力差;当采用双卷筒提升机作单钩提升时,应视提升机的最大静拉力差为最大静拉力。
      2.提升机的电机功率
      电机功率应根据提升动力学作详细计算。对于凿井提升,则可按下式估算,
      单钩提升                                             (6-21)
      双钩提升                                                    (6-22)
    式中  N-电机功率,kW;
       K—矿井阻力系数,K=1.15;
       vm—提升机的最大提升速度,m/s;
       ηc—提升机减速器的传动效率,一级传动时,ηc=0.92;二级传动时,ηc=0.85;
       ρ—动力系数,吊桶提升ρ=1.05~1.1;罐笼提升ρ=1.3。
      其它符号同前。
       (四)提升能力
       1.临时罐笼的提升能力
                                    (6-23)
    式中  AT-临时罐笼的提升能力,m3/h;
       vch—矿车容积,m3;
       z—每次提升的矿车数;
       1.2—提升不均匀系数;
       T1—实际一次提升循环时间,s。
      2.吊桶提升能力
                                  (6-24)
    式中  AT-吊桶的提升能力,m3/h;
       VT—吊桶容积,m3;
       1.25—提升不均匀系数;
       T1—实际一次提升循环时间,s。
      从式(6-24)可知,吊桶提升能力与吊桶容积成正比,与一次提升循环时间成反比。吊桶容积越大,提升能力也越大,但吊桶容积受井筒断面布置的限制,实际一次提升循环时间越小,则提升能力越大。一次提升循环时间受两方面因素制约,当装桶时间大于提升时间时,可增大抓岩能力来降低一次提升循环时间;当提升时间大于装桶时间时,则可提高提升机的最大提升速度来降低提升循环时间,但提升速度受《煤矿安全规程》的规定所限制。
      根据实测,在提升绞车等功率的情况下,加大吊桶容积比提高提升速度能更有效地增大提升能力。在设计提升系统时,应优先考虑井内抓岩能力的装备程度和可容纳的吊桶容积,而后根据终端荷载和装岩生产率来选择适宜的提升机,使装矸提升的综合技术指标达到最佳水平。随着抓岩机械化程度和装矸生产率的提高,应进一步研究新型提升系统和研制功率更大的新型提升机,以利于发挥装备的综合效益和加快凿井速度。
       (五)凿井绞车
      凿井绞车用于悬吊吊盘、吊泵、安全梯及管路缆线等凿井设备和拉紧稳绳。凿井绞车分单卷筒和双卷筒两种,前者用于单绳悬吊,后者用于双绳悬吊。采用双绳悬吊的设备也可用两台单卷筒凿井绞车来悬吊。凿井绞车有55型和JZ型两种,后者又有改进型JZ2型和摩擦传动型JZM型等系列。凿井绞车所允许的钢丝绳最大静张力为50~400kN,卷筒的容绳量为400~1000m。凿井绞车的能力是根据允许的钢丝绳最大静张力来标定的,因此在选凿井绞车时,除了考虑设备的悬吊方式外,应使悬吊的终端荷载与钢丝绳自重之和不超过凿井绞车的最大静张力值。选用绞车的容绳量应大于悬吊深度。
       (六)天轮
      凿井用的天轮按其用途可分为提升天轮和悬吊天轮两大类。
      1.凿井提升天轮
      凿井提升天轮按其公称直径有1500、2000、2500和3000mm四种。其中前两种又可分为铸钢和铸铁两种,而后两种只有铸钢天轮一种。提升天轮的另一种产品为TXG系列,它们可用于凿井,也可用于井下。
      凿井提升天轮应遵照以下原则选用:
      ①天轮与钢丝绳的直径比:当提升天轮的钢丝绳围抱角大于90°时,应不小于60;围抱角小于90°时,应不小于40,
      ②天轮与钢丝绳中最粗钢丝的直径比应不小于900;
      ③选用天轮所允许的最大钢丝绳钢丝总破断力应大于钢丝绳的实际最大钢丝总破断力;
      ④当钢丝绳仰角大于35°时,应按实际受力情况验算天轮轴的强度。
      2.悬吊天轮
      悬吊天轮分单槽和双槽两类:根据天轮的安全荷载,又可分轻型和重型两种,前者可作为导绳轮或用于浅井悬吊设备。
      悬吊天轮可遵照以下原则选用:
      ①当悬吊设备由双绳悬挂,且绳距很近时,应尽可能采用双槽天轮,这样可简化天轮平台上天轮梁的布置;
      ②天轮与钢丝绳的直径比应不小于20;
      ③天轮与钢丝绳中最粗钢丝的直径比应不小于300;
      ④选用天轮的安全荷载应大于钢丝绳的实际最大静拉力。
       四、排矸方法
      立井掘进时,矸石吊桶提至卸矸台后,通过翻矸装置将矸石卸出,矸石经过溜矸槽或矸石仓卸入运输设备,然后运往排矸场。
       (一)翻矸方式
       翻矸方式有人工翻矸和自动翻矸两种。翻矸装置应满足下列要求:
       ①翻矸速度快,休止时间短;
       ②结构简单,使用方便;
       ③翻转卸矸时吊桶要平稳,冲击力小,安全可靠;
       ④吊桶位移距离小,滑架受力小;
       ⑤自动化程度高,需用人工少,劳动强度低。
      目前,我国常用的翻矸装置有人工摘挂钩翻矸和自动翻矸两种,其中自动翻矸包括:翻笼式(普通翻笼式和半框翻笼式)、链球式(普通链球式和双弧板链球式)和座钩式三种。以座钩式自动翻矸装置应用最为普遍。
      1.人工翻矸
      在吊桶提至翻矸水平后,关闭卸矸门,人工将翻矸吊钩挂住桶底铁环,下放提升钢丝绳,吊桶随之倾倒卸矸。这种翻矸方式提升休止时间长(约占提升循环时间20%~30%),速度慢,效率低,用人多,吊桶摆动大,矸石易倒在平台上,不安全,使用大吊桶提升时这些问题更突出。
      2.座钩式自动翻矸
      
      图6-15  座钩式自动翻矸装置
      1-吊桶;2-座钩;3-托架;
      4-支架;5-卸矸门
      座钩式自动翻矸装置由钩子、托梁、支架和底部带有中心圆孔的吊桶组成(图6-15)。其工作原理是:矸石吊桶提过卸矸台后,关上卸矸门,这时,由于钩子和托梁系统的重力作用,钩尖保持铅垂状态,并处在提升中心线上,钩身向上翅起与水平呈20º角。吊桶下落时,首先碰到尾架并将尾架下压,使钩尖进入桶底中心孔内。由于托梁的转轴中心偏离提升中心线200mm,放松提升钢丝绳时,吊桶借偏心作用开始倾倒并稍微向前滑动,直到钩头钩住桶底中心孔边缘钢圈为止,继续松绳吊桶翻转卸矸。提起吊桶,钩子借自重复位。
      该装置具有结构简单,节省人力,减轻工人劳动强度,工作可靠,安全性好,翻矸时间短等优点,是目前较理想的自动翻矸装置。
       (二)地面排矸
      当翻矸装置将矸石卸出后,矸石一般经溜矸槽或矸石仓卸入运输设备,然后运往排矸场。由于目前井筒施工机械化程度的不断提高,吊桶容积不断增大,装岩出矸能力明显增加,井架上的溜矸槽的容量较小,往往满足不了快速排矸的要求。因此,可设置大容量矸石仓,以减少卸、排能力不均衡所造成的影响;也可直接卸到地面,在地面用装载机进行二次倒运,这样可保证装岩和提升的不间断进行,有利于加快出矸速度。
      如果在井架上设置矸石仓进行中转,矸石仓按结构不同,可采用落地式和支撑式两种。
      另外,亦可在溜槽的基础上,将侧板加高,加上倾斜顶盖,提高溜矸槽的容量,这样简单省事,也可满足快速施工的要求。
      近年来,随着我国立井施工机械化程度的大大提高,装岩提升能力的增大,同时要求地面排矸必须加快速度。将井架上溜槽内的矸石直接卸到井架外地面上,利用装载机进行二次装载,汽车排矸,已成为目前各立井施工的主要排矸方法,其速度快,经济效益好,有利于加快立井井筒的施工速度。
      立井井筒地面排矸除采用汽车运输外,还可以采用矿车运输,一般多采用窄轨运输和V型侧卸式翻斗矿车运输,用蓄电池或架线电机车牵引。这种运输方式设置复杂、灵活性差,目前只有在生产矿井的新建井筒,矸石需要运往矸石山,以及小井、浅井施工中采用。
    第四节  井筒支护
      井筒在向下掘进一定深度后,便应进行支护工作,支护主要起支承地压、固定井筒装备、封堵涌水以及防止岩石风化破坏等作用。
      根据岩层条件、井壁材料、掘砌作业方式以及施工机械化程度的不同,可先掘进l~2个循环后,然后在掘进工作面砌筑永久井壁。有时为了减少掘砌两大工序的转换次数和增强井壁的整体性,往往向下掘进一长段后,再进行砌壁。这样,应在掘进过程中,及时进行临时支护,维护岩帮,确保工作面的安全。
       一、井筒临时支护
      立井井筒采用普通法凿井时,一般临时支护与掘进工作面的空帮高度不超过2~4m。由于它是一种临时性的防护措施,除要求结构牢固和稳定外,还应力求拆装迅速和简便。
      我国井筒掘进的临时支护技术是随着井筒作业方式的发展而变化的。20世纪70年代前,大多数井筒掘砌是以长段单行作业为主,临时支护主要采用井圈背板方式。而目前井筒施工,不管采用何种作业方式,主要以采用锚喷临时支护为主。个别井筒采用掩护筒作临时支护也取得较好的效果。
       (一)井圈背板临时支护
      井圈背板临时支护的井圈规格视井筒直径而定,当井径为3.0~4.5m时,一般选用[14a槽钢;当井径为5.0~5.5m时,一般选用[16a槽钢;当井径为6.0~7.0m时,一般选用[18a槽钢;当井径为7.5~8.0m时,一般选用[20a槽钢制作。背板形式依围岩稳定程度而定,厚度一般为30~50mm,布置形式有倒鱼鳞式、对头式和花背式,见图6-16。倒鱼鳞式适用于表土层和松软岩层、淋水较大的岩层;对头式用于一般基岩掘进;花背式主要用于稳定岩层掘进。
      随着锚喷支护的推广,目前井圈背板的临时支护形式已很少使用,但在井筒涌水量大,且采用长段单行作业或表土层中施工时,仍有它的优势。
       (二)锚喷临时支护
      立井井筒施工采用的锚喷临时支护,根据围岩稳定条件有:喷射砂浆或喷射混凝土、锚杆与喷混凝土、锚喷网等多种形式。支护参数可根据井筒围岩稳定性、岩层倾角、井筒直径等因素加以确定。喷射混凝土的强度不得低于20MPa,与岩石的粘结力(抗拉)不小于0.5MPa。锚杆必须是金属锚杆。排列的方式,围岩好的一般选矩形或三花形,围岩差的一般选五花形。金属网的网格一般不小于150mm×150mm,金属网所用的钢筋或钢丝直径为2.5~10mm。

    图6-16  井圈背板临时支护形式
      a-倒鱼鳞式;  b-对头式;  c-花背式
    1-井圈;2-背板;3-挂钩;4-撑柱;5-木楔;6-插销
      立井锚喷临时支护方式,一般采用短段掘喷,即井筒掘出一个小段高后,随即在该段高进行锚喷,维护井帮稳定。为便于工人操作。每一掘喷循环段高不宜超过2.0m,对于施工段高大于2.0m的情况,可通过控制出矸所形成的空帮高度来进行。
      立井施工锚喷临时支护中,喷混凝土主要采用管路输送,喷射机设在井口,并配上料机械和贮料罐,管路下部接缓冲器、出料弯头、胶管,并与喷头连接,见图6-17。
      1)混凝土的配料和拌合   混凝土的配料和拌合工作量是很繁重的,地面必须形成机械化作业线,其中包括储料、筛洗、计量、输送和拌搅等部分。整个作业线分水泥、砂子和石子三个输配料部分,然后进入搅拌机搅拌,再将拌合好的混凝土干料送入喷混凝土机。其中石子由铲运车送入筛洗机,在旋转的洗筒中用水清洗,并沿倾斜面(倾角为6°左右)自动下溜,经筛网筒,按不同粒径筛落至各自漏斗中,而大于孔径的石子溜出筒端落地。漏斗中的石子可采用胶带输送机上料,并依靠电开关磅秤的本身动作来控制上料和卸料。当石子达到规定的重量时,磅秤横梁抬起,切断控制回路,电动机停转,上料暂停,并打开计量斗出口卸料。
      砂子一般不进行筛分,同上法从另一线路进入砂仓,按一定比例配合的砂石与水泥,用矿车或胶带输送机送至搅拌机料斗,上提进入搅拌机搅拌。由于是干式搅拌,为减少粉尘,一般用密闭式搅拌机。

    图6-17  立井施工喷混凝土设备布置
    1-石子上料机;2-砂子上料机;3-上料斗;
    4-混凝土搅拌机;5-喷射机;
    6-输料管及供水管;7-降压水箱;8-缓冲器;
    9-高压软管;10-喷枪
      上述是井筒施工常用的一种作业线,而筛洗、计量与输料的设备类型很多,可根据实际情况灵活选用。但不论选用哪种设备,均应能减轻劳动强度,提高工效,生产环节尽量简化,便于操作;并要充分利用地形,使布置紧凑,以及设备能力应满足连续搅拌、快速施工的需要。
      2)混凝土干拌合料的输送   在井口附近喷混凝土机送出的干料是通过钢管送至工作面喷头的。在压风的推动下,管路中松散的拌合料,由于粒度大小不一,运动状态比较复杂,往往按颗粒大小发生自然分群。但是只要连续运输,喷头喷出的干料接近于原来的配比。
      干料的输送风压与输送距离、输送管直径及干料级配状态等因素有关。由于立井是垂直输送,拌料借助重力克服运输阻力,有时还因重力作用而加大喷出压力。故随着井深加大,要使喷射机出口风压保持常压,甚至将压力适当减小。总之应保证喷头喷出压力平稳衡定(一般为0.1~0.25MPa)。
      输送管路直径采用φ75~150mm厚壁钢管(有时可与永久井壁浇灌混凝土输送管共用),为减少管壁的磨损,管路间连接要规整对齐,悬吊要垂直。在弯头处焊以耐磨的碳化钨钢板,或采用缓冲器。输送管内壁要干燥光滑,防止拌合料粘结堵塞。在易出现堵塞的输料管和喷头软管(一般为φ50mm胶管)相接处的异径弯头,应加一压气小管助吹防堵。
      3)混凝土的喷射   立井围岩经常有涌水流淌,此时应适当增加速凝剂和减少水灰比,并要认真处理好流淌水,一般可用压风吹赶水流。对于淋帮水,可在喷射岩面上方设截水装置;对成股涌水,应打眼埋设集水管导水,待四周喷完后,最后封堵;遇有小股裂隙水,可用五矾灰浆(以硅酸钠为基本原料,用水和明矾、兰矾、绿矾、红矾及紫矾,掺入少量水泥配成浆液)封堵。
      4)锚喷临时支护形式选择  锚喷临时支护是目前立井井筒基岩施工普遍采用的支护形式,对于围岩条件较好,施工中暴露时间较长,可采用喷混凝土支护,起到封闭围岩的作用;对于节理裂隙发育并会产生局部岩块掉落,或夹杂较多的松软填充物,或易风化潮解的松软岩层,以及其它各类破碎岩层,可采用锚喷或锚喷网联合支护。喷射混凝土厚度一般为50~100mm;锚杆直径一般为φ14~20mm,长度1.5~1.8m,间距一般为0.5~1.5m,可呈梅花形布置;金属网用16号镀锌(防腐)铁丝编成,网孔为350×350mm,安设时,网片间互相搭接100~200mm,上片压下片,防止积存矸石。对于锚喷网联合支护这种形式,由于施工费工费时,一般只作为临时支护的局部辅助措施。
       (三)掩护筒保护
      我国在20世纪50~60年代,立井井筒曾采用掘砌平行作业方式,临时支护除采用井圈背板外,个别施工单位曾采用钢丝绳网加角钢圈制成的柔性掩护筒进行施工保护。这种柔性掩护筒吊挂在吊盘(掘进盘)与工作面之间,高度可作调节,随掘进工作面的推进而下移。这种掩护筒不起支护作用,只是用来隔离吊盘(掘进盘)下方的岩帮,防止片帮岩石掉落到掘进工作面。为减少吊盘(掘进盘)及掩护筒的下落次数,增加掘砌段高,减少井壁接茬,可以采用可伸缩的刚性金属掩护筒,见图6-18,这种掩护筒分内外两层,外层金属掩护筒用链子悬挂在可移动的砌壁模板下面,内层掩护筒下部扩大为喇叭口形,并用绞车单独悬吊,随工作面的推进而下放,两层掩护筒的搭接距离即为它可调节的最大距离。

    图6-18  可伸缩式刚性掩护筒
    1-内层掩护筒悬吊绳导向轮;2-砌壁托盘;
    3-外层掩护筒;4-内层掩护筒;5-抓岩机;
    6-吊桶;7-内层掩护筒扩大部分
      利用掩护筒进行保护,适用于稳定岩层的掘砌平行作业方式,施工中要求掘砌段高不能太大。对于施工中有时发生岩帮掉落碎矸而卡住掩护筒时,可能会造成掩护筒的下放困难;另外它还需要重型设备进行悬吊。但这种方式的优点可省去临时支护,实现掘砌平行作业,加快施工速度,在悬吊设备允许的条件下,应给予考虑。
       二、井筒永久支护
      立井井筒永久支护技术目前已有了很大的发展。20世纪50~60年代中期,立井永久支护以砌块为主,约占80%以上。其砌块材料多用料石,其次是青砖、缸砖、砼预制块,1958年在徐州权台主井的掘砌中,曾创月成井160.92m的全国纪录,但是砌块砌筑井壁劳动强度大,难以实现机械化施工,效率较低,特别在涌水量较大的立井中,砌块井壁的整体性和封水性差的缺点更加突出。到20世纪60年代中期以后,开始发展现浇混凝土支护技术。1964年,煤炭工业部在总结各地施工经验的基础上,提出了包括有拆卸式金属模板筑壁与溜灰管输料在内的《立井施工二十项经验》,使立井井筒现浇混凝土施工技术得到迅速发展。1970前后,煤炭开发重点转向南方各省,小井和浅井较多,岩层相对稳定,又推广了喷射混凝土永久支护技术,并积累了丰富的经验,但在井型大、水文和地质条件较复杂的井筒仍采用现浇混凝土支护。在现浇混凝土的井筒永久支护中,不少井筒以喷射混凝土代替井圈背板作临时支护,实行大段高掘进,自下而上的金属模板筑壁,施工机械化程度和工程质量得到进一步提高。从1985年开始,井筒施工推广混合作业施工作业方式,现浇混凝土支护采用整体伸缩式活动模板砌筑,管路或下料吊桶输送混凝土,使砌壁速度迅速提高,目前已形成具有中国特色的井筒永久支护快速筑壁方式,大大加快了立井井筒的施工速度。
       (一)锚喷永久支护
      立井锚喷永久支护形式主要有喷射混凝土支护、锚喷支护和锚喷网支护3种。具体支护形式与参数,目前主要还是根据围岩稳定性、井筒断面、工程性质和服务年限等因素,常采用工程类比法确定,见表6-16。
      无论是锚喷永久支护或是锚喷临时支护,根据循环进度,可实行一掘一喷或不超过安全段高的多掘一喷方式。喷射机多布置在井口,但也有将其布置在吊盘上的。1965~1982年,煤炭系统采用锚喷支护的立井井筒共计73个,井筒深度最大达1187m,井筒净直径最大为7m。
      锚喷支护在立井井筒中的应用,除在稳定岩层中使用之外,对于稳定性较差的部分松软岩层(如对遇水膨胀的泥岩、断层、破碎带以至于煤层)均有使用成功的先例(有的采用加金属网、金属井圈或钢筋等加固措施)。它的施工工艺与锚喷临时支护相类同,但施工质量要求更为严格,喷层厚度也较大(一般为150~200mm)。施工时,除掌握前述一般要求外,还应注意下列几点:
      ①采用喷混凝土永久支护的井筒,均应实现光面爆破施工,以减少井筒开挖量,维护围岩的稳定性;
      ②喷射前应利用井筒测量的中、边线,测定井筒荒径,如不合格,必须刷帮或喷填处理。遇有夹泥层时,要挖除100~200mm深,然后喷射填补。在井壁四周设置一定数量的井筒内径标准(如钉上圆钉等),以控制喷喷射混凝土厚度;
       表6-16                     立井井筒锚喷支护类型和参数表
    围岩分类 锚喷支护参数
     净直径>4.5m 净直径<4.5m
     岩层倾角<30° 岩层倾角>30° 岩层倾角<30° 岩层倾角>30°
    类别 名称 喷砼
    厚度 锚  杆 喷砼
    厚度 锚  杆 喷砼
    厚度 锚  杆 喷砼
    厚度 锚  杆
       锚深 间距  锚深 间距  锚深 间距  锚深 间距
    Ⅰ 稳  定
    岩  层 50~
    100      50~
    100     50     50   
    Ⅱ 稳定性
    较  好
    岩  层  100~
    150      100~
    150  1400~
    1600  800~
    1000 100     100 1400  800~
    1000
    Ⅲ 中等稳
    定岩层  100~
    150  1400~
    1600  800~
    1000  100~
    150  1600~
    1800  600~
    800  100~
    150      100~
    150 1600  800~
    1000
    Ⅳ 稳定性
    较  差
    岩  层    1600~
    1800  600~
    800  150~
    200  1600~
    1800  600~
    800  100~
    200  1400~
    1600  800~
    1000  150~
    200  1600~
    1800  600~
    800
         加金属网       
    Ⅴ 不稳定
    岩  层  150~
    200  1600~
    1800  600~
    800 200  1600~
    1800 600  150~
    200  1600~
    1800  600~
    800  150~
    200  1600~
    1800  600~
    800
      加金属网  加金属网  加金属网   加金属网 
      
      ③喷射时,岩帮的浮矸和岩粉一定要用水冲洗,严防夹层。若采用分次复喷(一般一次喷厚为70mm左右),间隔时间较长(如2h以上),则应对已喷面清洗,然后再喷;
      ④上下井段接茬时,要注意上段底部是否有岩块与回弹堆积物,否则应处理、清洗后再喷;
      ⑤根据井筒围岩的变化,正确选择喷混凝土,锚喷、锚喷网等支护型式,必要时可加钢筋、钢圈等加固措施。
      与巷道一样,立井喷混凝土支护具有一系列优点。但作为矿井咽喉的立井井筒,服务年限长,对井壁的质量要求应该严格,要使喷射混凝土井壁的施工真正做到围岩充填密贴,井壁光整高强,不漏水。今后尚需进一步积累经验,提高施工质量,完善检查手段,以扩大这种支护的使用范围。
       (二)现浇混凝土永久支护
      1.现浇混凝土支护工艺及流程
      目前我国立井井筒主要以采用现浇混凝土永久支护为主,其支护工艺根据采用的模板形式主要有金属活动模板短段筑壁和液压滑模长段筑壁两种。
      金属活动模板短段筑壁的作业是穿插在掘进出矸工序之中进行的,当工作面掘进够一个模板高度后,即开始进行筑壁工作。筑壁完成后清除模板下座底矸石,进行打眼放炮和出矸,然后再转入下一个循环的筑壁工作。
      当井筒采用机械化作业施工时,混凝土的浇灌作业工艺流程一般由下列环节组成:①骨料筛洗→②上料→③贮存→④计量→⑤输送→⑥搅拌→⑦下井→⑧二次搅拌→⑨浇灌、振捣→⑩混凝土掩护。在混凝土下井以前,应在上一砌壁段混凝土达到初凝的情况下进行脱模并完成即将砌壁段的立模(包括绑扎钢筋)等工作。上述施工环节中,①~⑥环节组成混凝土的搅拌系统或机组,⑦环节为下料系统,⑧~⑨环节组成浇灌系统。三个系统之间和系统内部的组合形式,应根据井上下空间、施工速度、技术设备条件等因素而定,在确定施工工艺的基础上,制订劳动组织。
      液压滑模长段筑壁适用于长段作业方式,它是当井筒完成大段高掘进后,用液压爬升(或用凿井绞车提吊)模板由下而上连续浇筑混凝土井壁的工艺。按液压爬升的方式,又有压杆式和拉杆式。前者利用井壁混凝土内的竖向钢筋为承压支柱,通过多个液压千斤顶,将模板随混凝土的浇筑水平不断地升高。一般每浇灌300mm厚的混凝土上滑一次模板,直到与上段井壁衔接。拉杆式液压滑模的支承爬杆安装在两层吊盘的圈梁上,模板通过液压千斤顶顺承拉爬秆上滑,爬完吊盘层间行程后,再上提吊盘一个段高,继续浇灌混凝土。
      液压滑模长段筑壁中的浇灌作业流程,与活动模板短段筑壁过程基本相似。不同之处在于:一是液压滑模筑壁混凝土凝固时间较短,一般在40min左右,而且在时间上与浇灌混凝土平行;二是脱模与立模工序在模板滑升中同时进行;三是模板连续滑升和浇灌,只有最后一个井壁接茬;四是由于初凝脱模时间较短,刚脱模的混凝土井壁有时有粘块掉皮等现象,因此需在模板下方的辅助盘上进行井壁修补和养护。
      立井井筒现浇混凝土施工除上述两种方法以外,部分井筒仍然有采用普通拆卸式模板进行混凝土浇灌的情况,这种施工工艺简单,工人劳动强度大,不易实现机械化和加快砌壁速度。
      2.现浇混凝土支护模板的类型
      在我国现阶段,金属伸缩式活动模板和液压滑升模板在井筒现浇混凝土施工中应用较多,普通拼装式或绳捆式模板仍有使用。
      1)金属伸缩式活动模板
      金属伸缩式活动模板国内使用较好的有两个系列。一是前几年使用的多缝式整体移动金属模板,主要代表是江苏煤炭基本建设公司使用的三缝式MJS型和鸡西矿务局建井工程处使用的三缝式ZYJM型;二是煤炭科学研究总院北京建井研究所研制的单缝式YJM型模板,目前已改为MJY型。这些模板基本实现了脱模立模机械化,砌壁速度快等明显的优点。这三种金属伸缩式活动模板均适用于立井混合作业和短段单行作业,永久井壁紧跟掘进工作面,取消了临时支护,能适用于不同的围岩条件,工作安全,但接茬缝较多。
      MJS型、ZYJM型模板采用三块三缝式桶壳结构,即模板由3扇模块组成1个三联杆式稳定结构的模板体。模块之间有3条竖向伸缩缝,缝内设置水平导向槽钢和同步增力脱模装置,见图6-19。在模板上部装有数十块合页挤压接茬板和折叠式自锁定位脚手架。在模板下部联有45°刃脚圈。模板一般采用3台凿井绞车悬吊,并集中控制。

    图6-19  三缝式同步增力模板示意图
    1-模板体;2-刃脚;3-增力装置
      MJY型系列模板目前工程中应用最为广泛,并且已经实现了标准化和系列化。模板由模板主体、缩口模板、刀脚、液压脱模机构、悬吊装置、撑杆式工作台和浇注漏斗等七个部分组成,见图6-20。模板主体由上下两段组合而成,刚度很大。上段模板顶部设九个浇注窗口和数十个工作台铰座;下段模板设有一个处理故障的门扇;缩口模板为T形,宽550mm;刃脚分七段,由组合角钢与钢板焊接而成;液压脱模机构装在缩口两侧模板主体上,由4套推力双作用单活塞油缸、风动高压油泵、多种控制阀等组成;撑杆式工作台板铰接在模板上,台板下有活动撑杆以支撑平台板。由于模板刚度大,通过油缸的强力收缩,使金属模板产生弹性变形,可实现单缝收缩脱模,油缸撑开即恢复模板设计直径和圆度。MJY系列模板的主要特征见表6-17。
      
      表6-17                   MJY系列模板的主要特征参数表
    模板直径/m 模板块数 收缩口数 模板质量/t
       高度2.5m 高度3.0 m 高度3.5 m 高度4.0m
    4.54 9 1 6.82 7.72 8.80 10.05
    5.04 9 1 7.56 8.88 10.21 11.54
    5.55 12 1 8.32 9.79 11.25 12.71
    6.05 12 1 9.68 11.37 13.08 14.77
    6.55 12 1 10.48 12.32 14.16 16.00
    7.06 12 1 11.30 13.28 16.00 17.25
    7.56 15 1 14.45 16.68 19.27 21.58
    8.06 15 1 15.41 17.98 20.55 23.12
      
      模板属非标准设备,设计与制作多由施工单位承担,目前也有标准产品,其主要技术参数是直径。根据煤矿井巷工程施工质量标准、考虑模板制作误差、施工立模测量误差等因素,模板加工直径宜为:

    图6-20  MJY型模板结构简图
    1-液压系统;2-基本模板块;3-变径加块;4-浇注工作台
            (6-25)
    式中  Dl—模板加工直径,mm;
       D2—井筒设计净直径,mm;
       ΔR1—井筒半径施工允许超差,mm;
       ΔR2—井筒半径施工允许负差,mm。
      为脱模方便,又不造成结构尺寸过大,模板直径应满足
      D3=         (6-26)
    式中  D3—模板缩后直径,mm.。
      实践证明,活动模板有效筑壁高主要取决于井筒基岩的稳定性,稳定性好的基岩在国外已到6m,国内已到5m;反之,稳定性差的基岩,空帮达到2m时就应特别注意安全。
      模板脱离混凝土井壁所需的力与混凝土凝固期成正比;时间越长,模板与混凝土的粘结力越大,而与模板刚度成反比,刚度越大,脱模变形传递快而省力。经验公式计算如下:
                             (6-27)
    式中  P—脱模力,kN;
       F—克服模板本身刚度的变形力,kN;
       R—混凝土抗压强度,MPa;
       Smax—脱模瞬时撕裂最大宽度,cm;
       H—模板高度,cm。
      克服模板本身刚度的变形力在设计模板时已为定值。脱模瞬时撕裂最大宽度,是指模板受脱模力作用后,与混凝土面一段一段地“撕开”的瞬间宽度,它与模板刚度和直径成正比。
      2)液压滑升模板
      井筒永久支护自20世纪70年代末引入滑升模板施工至今,已获得了迅速的发展,不仅适用于长段单行作业的井筒筑壁,而且也可用于冻结法施工的井筒套筑内壁。如对固定模板的盘架结构作适当修改,则还可用于井筒平行作业。滑升模板筑壁混凝土可连续浇灌,接茬少,井壁的整体性与封水性好,机械化程度高,由于脱、立模、浇灌与绑扎钢筋均为同时进行,使筑壁速度月进可达150m。液压滑升模板按其结构方式大致由模板、围圈、滑模盘(包括操作盘、辅助盘)和滑升装置(包括液压千斤顶、支承杆、油压控制系统)组成。按其滑升方式,有压杆式和拉杆式两种,见图6-21和图6-22。

    图6-21  压杆式液压滑升模板
    1-模板上盘;2-千斤顶;3-围圈;4-铁梯;
    5-滑模下盘;6-顶架;7-立柱;8-滑模板;
    9-爬杆;10-控制柜;11-混凝土井壁
      压杆式滑升模板是利用井壁混凝土内的竖向钢筋作支承杆,杆上部穿过爬升千斤顶,千斤顶固定在与楔板相联接的“T”形提升架上,“T”形提升架沿操作盘外圈每隔1.2~1.8m布置1架。井筒直径越大,须克服模板滑升的阻力越大,因而提升架就布置越多。与千斤顶进出油管相联的控制台,设在辅助盘上。控制台是液压系统的动力源。

    图6-22  拉杆式液压滑升模板
    1-控制柜;2-松紧装置;3-爬杆;4-液压千斤顶;
    5-四层吊盘;6-五层吊盘;7-刃脚模板;
    8、14-手动千斤顶;9-行人孔;10-模板;11-顶架;
    12-顶架支撑;13-三层吊盘;15-固定圈;
    16-收缩装置;17-外盘;18-吊桶孔;19-二层吊盘;
    20-一层吊盘;21-悬吊固定圈钢丝绳
      拉杆式滑升模板的上部和下部,比压杆式滑升模板多两个固定圈盘,但没有“T”形提升架,千斤顶穿过固定在上部固定圈下的爬杆上,因固定圈被多个千斤顶顶于井筒壁间,各爬杆方位也就被固定。筑壁模板滑升时,以爬杆为支点,各千斤顶在压力油的驱动下,带动模板和滑模盘上升,此时爬杆受拉,所以称拉杆式滑模。滑模下部的固定盘,主要作筑壁刃脚托架用。
      3)装配式金属模板
      装配式金属模板是由若干块弧形钢板装配而成。每块弧板四周焊以角钢,彼此用螺杆连接。每圈模板由基本模板(2块)和楔形模板(1块)组成(图6-23),斜口和楔形模板的作用是为了便于拆卸模板。每圈模板的块数根据井筒直径而定,但每块模板不宜过重(一般为60kg左右),以便人工搬运安装,模板高一般为1m。
      装配式金属模板可在掘进工作面爆破后的岩石堆上或空中吊盘上架设。自下而上逐圈灌筑混凝土,它不受砌壁段高的限制,可连续施工,且段高愈大,整个井筒掘砌工序的倒换次数和井壁接茬愈少。由于它使用可靠,易于操作,井壁成型好,封水性强,使用比较普遍。但这种模板存在着立模、拆模费时,劳动强度大及材料用量多等缺点。
      

    图6-23  装配式金属模板
    1-金属模板;2-斜口模板;3-楔型模板;4-接茬模板;5-底模板;6-接茬三角木块;7-联结螺栓
      3.混凝土的输送方式
      现阶段,施工企业为适应矿区建设项日施工地点分散、流动性大、对象多变的特点,都没有设立固定的基地集中生产混凝土,通常采用的方法是在井口设置混凝土搅拌站,来满足井筒砌壁的需要。
      立井井筒现浇混凝土施工,所需混凝土量大又集中,应尽可能实现储料、筛选、上料、计量和搅拌等工艺流程的机械化作业线,确保井筒施工进度的要求。
      在地面配制好的混凝土可采用吊桶或管路输送到井下浇灌地点。
      1)吊桶输送混凝土
      利用吊桶输送混凝土是将混凝土装入底卸式吊桶内,利用提升机将底卸式吊桶运送到吊盘上方,卸入分灰器内,进入模板内进行混凝土的浇注工作。
      底卸式吊桶是一种上圆下锥的桶形盛料容器。由于底卸料口绞接有滚轴组合的扇面压紧胶板闸门,装载混凝土不易漏浆,卸料时,闸门滚动脱开对胶板的压紧,省力省时。常用的底卸式吊桶容积为1.0~2.4m3。底卸式吊桶在地面一般用轨道平板车转运、由平板车载着底卸式吊桶驶至井盖门上后,由提升机运送吊桶下放至井内吊盘受灰斗上方,打开底卸式吊桶闸门,将混凝土卸至受灰斗,然后分两路斜溜槽、高压胶管、竹节铁管、导灰管等进入筑壁模板中。
      利用吊桶下混凝土,可保证输送时的混凝土质量,适用混凝土的坍落度条件较宽。但下料受吊桶容积和提升能力的限制,速度较慢,输送工作占用提升设备,影响部分排矸和人员上下。一般适用于多台提升机凿井,混凝土采用高标号、低坍落度的情况。
      2)管路输送混凝土
      利用管路(溜灰管)输送混凝土是将混凝土直接通过悬吊在井筒内的钢管输送到井下,经缓冲器缓冲后,利用分灰器、竹节铁管、导灰管等进入筑壁模板中,见图6-24。
      利用管路(溜灰管)输送混凝土必须在井筒内悬吊1~2趟φ150mm的无缝钢管,并应保证其悬吊的垂直度,以减轻混凝土对管路的磨损。另外,管路的下端应安设缓冲器,以减轻混凝土出口时的冲击作用。常用的缓冲器有分岔式和圆筒式两种,其结构见图6-25。
      利用管路输送混凝土时,混凝土下落作用在缓冲器上的冲击力大小是输送管悬吊设计时必须要考虑的一个关键参数。过去普遍采用理论分析结果进行计算,中国矿业大学根据现场实测结果发现其实际冲击力只有理论分析结果的20%~25%左右,见图6-26。
      利用管路输送混凝土可加快混凝土的输送速度,我国自20世纪50年代开始采用管路输送混凝土技术,最大输送深度已超过千米,井筒数量达300多个。工程实际使用过程中,要注意防止混凝土离析、堵管和管路磨损3个问题。
      为防止混凝土离析,一是严格控制水灰比在0.65以下,坍落度在8~12cm之间,有良好的骨料级配;二是限制石子粒度不超过30mm;三是采用强度高、容重小的石子;四是首次下混凝土时,先下些砂浆,防止混凝土中的砂浆粘附在管壁上引起离析,并要求混凝土入管均匀而连续。
      
    (a)                     (b)
    图6-24  管路输送混凝土示意图 图6-25  常用缓冲器的形式
    1-溜槽;2-漏斗套管;3-输送管;
    4-缓冲器;5-活节溜灰筒;
    6-导灰管;7-模板 a-分岔式;   b-圆筒式
      

    图6-26  管路输送混凝土的冲击力
      为防止堵管,一是漏斗上需设筛片,防止大块物料和φ30~50mm石子入管,二是保持管路清洁,每浇灌15min用清水洗管1次,全段高筑壁完毕,用清水加石子彻底清洗;三是采用高效减水剂或大流态混凝土,并掌握好胶管弯度和防止坡度过小;四是地面与筑壁工作面保持信号畅通,密切注意堵管预兆和易堵部位的运转情况,将培管故障消灭在萌芽状态。
      为防止管路磨损,一是管子悬吊尽量垂直,末端加缓冲器;二是严格掌握管子接头的质量,法兰盘必须与管轴线垂直;三是选用卵石作混凝土骨料,同时选用耐磨管材。
      管路输送混凝土不占用提升设备,可节省提升电力费用,下料速度快。一般情况下宜采用大流态混凝土,坍落度小时容易堵管。通常应用在提升设备紧张,要求混凝土输送快的情况。且一般适用于普通法凿井条件。
      4.砌壁吊盘的基本结构
      立井井筒砌壁时的立模、浇灌、捣固和拆模等工序,在时间上,可与井筒掘进同时进行,也可先后顺序作业;在空间上,可在井底工作面,也可在井内高空进行。但不论采用哪种方式,都需要设置吊盘。砌壁吊盘的层数、层间距及其结构形式,可根据井筒掘、砌两大工序的时间与空间关系以及砌壁模板形式和施工工艺来确定。它可单独设置砌壁专用盘,也可直接利用掘进吊盘,还有的组成掘砌综合多层吊盘。常用的砌壁吊盘有下列几种形式:
      1)二层吊盘
      通常掘进吊盘多为两层盘,其上层作为保护盘,下层用以吊挂掘进设备和安置提升信号。当采用掘砌顺序作业时,可将掘进盘兼作砌壁吊盘,此时有两种情况:如砌壁段高较大,需分次立模、浇筑,则上层作为保护盘,兼设分灰器,下层进行立模、浇捣混凝土,它常配以装配式金属模板;如砌壁段高较小,在工作面一次砌筑,此时上层或下层盘均可放置分灰器,立模、浇捣混凝土及拆模均在工作面矸石堆上进行,它常与金属活动模板配套作业。当掘砌同时进行时,井壁砌筑在井筒内高空进行,这需应单独设置砌壁双层盘,砌壁时,不管段高多大,下层盘除作为立模、浇捣混凝土施工外,还兼作该井段首次砌壁时的托盘。上层盘仍用以保护安全和设分灰器之用。
         
    图6-27  二层吊盘示意图 图6-28  三层吊盘示意图
    1-悬吊钢丝绳;2-上层盘;3-立柱;4-下层盘 1-上盘;2-中盘;3-下盘;4-连接立柱;
    5-连接钢丝绳;6-受料分灰器
      二层盘的上下层之间要有充分的操作空间,一般不小于2.5m,增加层间距,可加大一次浇筑混凝土井壁的高度,减少井壁接茬及吊盘起落次数,但过大,不利于浇捣上部混凝土和吊盘的整体稳定性,我国一般都不超过6m。两层盘之间为刚性连接,并设置爬梯,见图6-27。
      2)三层吊盘
      它在二层吊盘的下面,增挂一层盘,用以拆除模板及检修井壁,见图6-28。拆下的模板可提至上面一层砌筑盘上作循环使用。这样可加速模板的周转,减少了一次砌壁段高内同时使用的模板套数,并使拆模和浇灌混凝土平行施工,加快了砌壁速度。底层盘用钢丝绳悬吊在二层盘上,层间距按井壁浇灌速度和混凝土凝固速度而定,以保证混凝土有足够拆模强度为准。
      吊盘除常见的二层和三层吊盘外,还有四层、五层及掘砌综合吊盘,其结构一般与所采用的砌壁工艺相关。因此,吊盘的结构选择,应考虑掘砌作业方式、模板形式和施工操作等因素。要求应结构坚固稳定,重量轻,便于悬吊和施工。
      5.现浇混凝土井壁施工
      立井井筒现浇混凝土井壁施工必须确保井壁的质量,保证达到设计强度和规格,并且不漏水。为此,施工时要注意下列几点:
      (1)立模  模板要严格按中、边线对中操平,保证井壁的垂直度、圆度和净直径。在掘进工作面砌壁时,先将矸石整平,铺上托盘或砂子,立好模板后,用撑木固定于井帮,见图6-29。采用高空灌筑时,在砌壁底盘上架设承托结构,如图6-30。为防止浇灌时模板微量错动,模板外径应比井筒设计净径大50mm。
     
    图6-29  工作面立模示意图 图6-30  高空浇灌井壁施工示意图
    1-撑木;2-测量边线;3-模板;4-托盘 1-吊盘绳;2-吊盘辅助吊挂绳;3-紧绳器;4-模板;5-托板;6-托钩;7-吊盘折页;8-找平用槽钢井圈;9-吊盘的下层盘(三层盘)
      对于液压滑模(尤其是压杆式),施工时要注意滑模盘的扭转和倾斜,以及爬杆的弯曲。必须经常检查模盘的中心位置和水平度。
      (2)浇灌和捣固  浇捣要对称分层连续进行,每层厚250~350mm为宜,随浇随捣。若时间间隔较长,混凝土已有一定强度时,要把上部表层凿成毛面,用水冲洗,并铺上一层水泥浆后,再进行灌筑。人工捣固时,要使表面出现薄浆。用振捣器振捣时,振捣器要插入下层50~l00mm。
      
    (a)                                    (b)
    图6-31  立井井壁接茬
    a-全断面斜口接茬;b-窗口接茬法
    1-接茬模板;2-木楔;3-接茬碹胎;4-小块木模板;5-插销;6-木垫块;7-方窗口
      (3)井壁接茬  井段间的接缝质量直接影响井壁的整体性及防水性。接缝位置应尽量避开含水层。为增大接缝处的面积以及施工方便,接茬一般为斜面(也有双斜面)。常用的为全断面斜口和窗口接茬法,见图6-31。斜口法用于拆卸式模板施工;窗口法用于活动模板施工,窗口间距一般为2m左右。接茬时,应将上段井壁凿毛冲刷,并使模板上端压住上段井壁100mm左右。浇捣时,应将接茬模板(门)关严。对于少量出水的接缝可用快凝水泥或五矾防水剂封堵。
       (三)其它形式永久支护
      在20世纪50年代及60年代初,我国立井永久支护主要用块体砌筑。当时,采用最普遍的是料石井壁,它是用一面或多面光的料石,配以砂浆逐块砌筑而成。外壁与岩帮之间的空隙用混凝土充填,为防止砌缝漏水,往往需进行壁后注浆。这种井壁材料可就地取材,但因用人工砌筑,劳动强度大,效率低,成本高,并且井壁整体性和封水性差,现在已很少采用。
      井筒施工中也曾采用过预制钢筋混凝土弧板井壁。砌壁时,预制好的弧板用专用吊架送到工作面,对齐就位后与已安好的弧板用螺栓连接,接缝用堵水材料填封。井筒达到一定高度后,进行壁后注浆。目前这种井壁结构应用较少,只有特殊情况下才采用。
    第五节  井筒施工辅助工作
       一、井筒涌水治理
      立井井筒施工时,井筒内一般都有涌水,当涌水较大时,会影响到施工速度、工程质量、劳动效率,严重时还会给人们带来灾难性的危害。因此,根据不同的井筒条件,应采取有效措施,妥善处理井内涌水,以便为井筒的快速优质施工创造条件。
      长期以来,国内外在井筒涌水治理方面积累了比较丰富的经验,并创造了不少行之有效的治水方法,通常有注浆堵水、钻孔泄水、井内截水和机械排水等。
      井筒涌水的治理方法,必须根据含水层的位置、厚度、涌水量大小、岩层裂隙及方向、井筒施工条件等因素来确定。合理的井内治水方法应满足治水效果好、费用低、对井筒施工工期影响小,设备少,技术简单,安全可靠等要求。
       (一)注浆堵水
      1.地面预注浆
      井筒开凿之前,先自地面钻孔,穿透含水层,对含水层进行注浆堵水,而后再掘砌井筒的施工方法称作地面预注浆法。
      地面预注浆主要包括钻孔、安装注浆设备、注浆孔压水试验、测定岩层吸水率、注浆施工及注浆效果检查等工序。
      注浆孔的数目是根据岩层裂隙大小和分布条件、井筒直径、注浆泵的能力等因素确定的。注浆孔数一般为6~9个,并按同心圆等距离布置,只有在裂隙发育,地下水流速大的倾斜岩层,才按不规则排列。由于注浆孔钻进工程量大,费用高,而且在非含水层岩石中的钻孔长度要占钻孔总长度的1/2~1/3。为了减少注浆孔数,降低注浆孔的钻进费用,提高钻孔利用率,可采用高压注浆,或改变注浆孔的布置方式(如将注浆孔布置在井筒轮廓边线上或内侧(图6-32)。如井筒净径6m,注浆孔的圈径9m,孔间距2m时,孔数为14个。当孔间距不变,把钻孔布置在井筒周边上,只需9个,布置在井筒周边以内,则为7个。在后一种情况下,注浆孔数可以减少1/3~1/2。但是,注浆占用井筒时间较长。因此,最好采用国内外已经使用的定向钻进技术。
      注浆段的孔径一般为89~108mm,表土层为146~159mm,钻孔偏斜率不应大于1%。注浆孔口和表土段安设套管,以防塌孔和注浆时跑浆。注浆前用清水洗孔和压水试验,为选择注浆参数和注浆设备提供依据,确保浆液的密实性和胶结强度。
      在钻进注浆孔的同时,建立注浆站,安装注浆设备。安装及钻孔完工后,在孔内安设注浆管、止浆塞和混合器,进行管路耐压试验,待一切准备工作完成后,自上而下或自下而上分段进行注浆,当含水层距地表较近,裂隙比较均匀时,亦可采用一次全深注浆方式。当注浆压力达到设计终压并保持给压20min后,若吸浆量小于设计规定值,该段便达到注浆标准。
      地面预注浆不占用施工工期,在地面打钻,制备浆液,以及注浆施工均较安全方便,效率高,质量好。而且在注浆泵压力不足的情况下,浆液柱本身重量能形成补充压力。
      一般认为:地面预注浆适用于含水层厚度较大,深度不超过500m,或者虽然含水层不厚,但是层数较多而且间距较小;预计涌水量大于40m3/h以及含水层有较大裂隙或溶洞,吸浆量较大的地层。这种条件下,地面预注浆具有较好的技术经济效果。

    图6-32  地面预注浆钻孔布置方式
    Ⅰ-在井筒周边外(14个孔)
    Ⅱ-在井筒周边上( 9个孔)
    Ⅲ-在井筒周边内( 7个孔)

      图6-33  工作面预注浆示意图
      1-止水垫;2-含水岩层;3-注浆钻孔
      d1-掘进直径;d2-注浆孔布置直径;
      d3-孔底直径;β-螺旋角(120˚~180˚)
      目前我国大部分矿井立井井筒施工前,均根据预测的井筒涌水量,如可能影响井筒掘进时,均对含水层进行地面预注浆,并获得了良好的注浆效果。经地面预注浆后,井筒涌水量明显下降,可基本实现打干井。
      2.工作面预注浆
      工作面预注浆适用于含水层埋藏较深,层数较少,井筒较少,井筒涌水量大于40m3/h,含水层具有垂直或倾斜的细小裂隙的条件。在井筒掘进到距含水岩层一定距离时停止掘进,构筑混凝土止水垫,随后钻孔注浆。当含水层上方岩层比较坚固致密时,可以留岩帽代替混凝土止水垫,然后在岩帽上钻孔注浆。止水垫或岩帽的作用,是为了防止冒水跑浆。工作面预注浆如图6-33所示,注浆孔间距的大小取决于浆液在含水岩层内的扩散半径,一般为1.0~2.0m。当含水岩层裂隙连通性较好,而浆液扩散半径较大时,可以减少注浆孔数目。
      工作面预注浆的优点是钻孔、注浆工程量小;可以根据裂隙方向布置钻孔,钻孔偏斜影响小;注浆效果可从后期注浆孔和检查孔的涌水量直接观察到。缺点是井下工作面狭窄,设备安装和操作不便;安拆注浆设备、浇灌和拆除止水垫、注浆等均需占用井筒施工工期,每次注浆一般要延误2~3个月。如浇灌止水垫和封堵孔口管施工不当,影响工期更长。
      3.井筒壁后注浆
      井筒施工掘砌完成后,由于井壁质量差或地层压力过大等原因,往往造成井壁渗水或呈现小股涌水,使井筒涌水量超过6m3/h,或有0.5m3/h以上的集中漏水孔时,必须进行壁后注浆封水。实践证明,壁后注浆不但起到封水作用,而且也是加固井壁的有效措施。
      壁后注浆是将可凝结的浆液,用注浆泵通过输浆管、注浆管和注浆孔注入到岩层和井壁的裂缝中,充塞裂隙进行堵水。注浆工艺流程见图6-34。
      井筒壁后注浆方式一般采用分段下行式。即在井壁淋水区段内,自上而下逐段(一般15~20m)进行注浆。这样有利于改善下段注浆作业条件。在各分段内则采取由下而上的注浆顺序,即先在各分段的底部注好一圈,使后注浆液不致向下渗漏,保证充塞致密,提高注浆效果。
      注浆孔呈菱形交错均布,孔距1.5~3.0m,孔深一般超出井壁100~200mm(冲击层区段,为防止透水涌砂,只作壁内注浆,禁止穿透井壁)。在淋水较大的地方,应缩小孔距,对集中出水点,可利用出水眼单独布孔注浆,含水层上下两段应增加注浆孔数,以形成有效的隔水帷幕,防止地下水被驱散至无水区渗出井壁。总之,布孔原则以有效封水为准,灵活掌握,随出水点变化而调整。
     
    图6-34  井筒壁后注浆工艺流程 图6-35  井筒壁后注浆孔管路布置
    1-注浆泵;2、3-贮浆桶;4-清水桶;5-压力表;
    6-活接头;7-混合室;8-泄浆管;9-注浆阀;10-注浆管 1-注浆管阀门;2-压力表;
    3-进浆管阀门;4-泄浆管阀门
      按照上述孔位,顺次钻凿注浆孔,埋设注浆管。注浆管可用直径38~50mm钢管制成,一端带有丝扣,便于安装注浆管阀门,另一端做成锥形。注浆管插入注浆孔要安装牢固,孔口处要严加密封,以防注浆压力(一般为2~3MPa)将管顶出或造成跑浆。注浆孔的管路装置,见图6-35。
      壁后注浆采用逐孔单进的方式,同水平的其它孔口必须将注浆管紧闭,以免漏浆、跑浆,上面排列的注浆管或泄水管,则应敞开,用于排水、放气,以防注浆时压力过大而损坏井壁。
      浆液浓度应根据岩层裂隙大小和水流速度来确定,而且随着注浆过程来变化。当岩层孔隙较大时,浆液太稀,则扩散范围很大,既耗损大量浆液材料,亦不易收到快速堵水的效果。当岩层孔隙较小时,如果浆液过浓,则不易压入裂隙,影响浆液扩散范围,注浆亦难达到预期效果。
      为了确定浆液浓度,注浆前应做压水试验,即用注浆泵往注浆孔中注入清水,测定在一定压力下,一定深度的注浆孔,其单位时间内的注入水量,或称注浆孔的吸水率。注浆吸水率小于0.005L/(min.m.mH2O)时,说明裂隙太细,应采用可注性好的化学浆液;吸水率在0.005~1.0 L/(min.m.mH2O)时,宜采用水泥浆液;当吸水率大于1.0 L/(min.m.mH2O)时,说明岩层裂隙很大,甚至有空洞,纯注水泥浆液,会使水泥用量过大,宜在水泥中掺入一定比例(20%~40%)的其它充填材料,如膨润土、粘土、岩粉等。
      压水试验除用于确定浆液浓度外,还可为浆液凝胶时间和注浆泵的流量等参数提供依据。浆液宜在自注水至井壁裂隙见水的间隔时间内凝胶。注浆泵的流量不应小于注浆孔涌水量的1.2~1.4倍。压水试验的另一作用,在于冲洗缝隙中的淤泥、杂质、使浆液能较密实地充填裂隙。
      一般情况下,当地下水流速小于30m/h时,宜采用水泥浆液,初注时,浆液的浓度可取1:2或1:3(水泥:水)的稀浆。若进浆快,压力表不升压,应换1:1浓浆。若压力表仍不起压,则应停注,待3~4h后再注。随着注浆压力逐渐上升,达到规定终压时,再换稀浆,以充塞裂隙的剩余空隙,直至不进浆随即关闭管阀,结束注浆。当地下水流的速度为130~360m/h时宜采用水泥-水玻璃双液注浆。这种浆液可注性好,结石致密,透水性低,而且能够通过调整水玻璃浓度来控制凝胶时间。
      根据壁后注浆工程实践,注浆初压应比静水压力大0.25~0.35MPa,终压可为静水压力的2~2.5倍,以不损坏井壁和不超出2.2~3.0MPa为宜。当采用水泥-水玻璃双液注浆时,初压要比静水压力高0.5~1.0MPa,终压比静水压力高1.0~1.5MPa,但不应超过2.0~3.0MPa。注浆孔的静水压力,可通过关闭孔口装置上的进浆、卸浆阀门,打开注浆管阀,经20~30min稳定后,即可从压力表读得。
      为了保证注浆作业顺利施工,防止堵管、跑浆事故,注浆时应注意以下几点:
      (1)当井上注浆泵压力突然增加,而井下注浆管口压力表却无明显升高,说明注浆管路堵塞,应立即处理,使其畅通;
      (2)注浆初期,若孔口压力表突然增大,这并非注浆已达终压,而是注浆孔堵塞,此时应立即停注,待浆液初凝后,重新扩孔至原深,再继续注浆;
      (3)注浆中发生注浆压力突然下降,吸浆量猛增,这表明可能某处井壁开裂跑浆,或沿着某一大裂隙或溶洞漏泄远处,这时应立即检查,并作堵缝处理,或调整浆液浓度、缩短凝胶期,减少注浆压力等办法,视具体情况予以解决;
      (4)若注浆泵表压骤然下降为零,井下钻孔表压也小于液柱静压,表明注浆泵排浆阀发生故障,应立即修理。
      待整段注浆工作结束后,往往还需自上而下进行复注,进一步填塞隙缝,以补遗漏。经检查,注浆区段无漏水,已达预期效果,即可卸下阀门,孔口加上压盖,并用水泥-水玻璃胶泥密封。
       (二)导水与截水
      在井筒施工时,为了防止井筒淋水将灰浆冲洗流失,保证混凝土井壁施工质量和减少掘进工作面淋水,根据岩层涌水情况和砌壁工序不同,对淋水进行导或截的方法处理。
      1.导水
      在立模和浇灌混凝土前,或在有集中涌水的岩层,可预先埋设导管,将涌水集中导出(图6-36)。导管的数量以能满足放水为原则,导管一端埋入砾石堆,既便于固定,也利于滤水,防止壁后泥砂流失。导管的另一端伸出井壁,以便砌壁结束后注浆封水。导管伸出端的长度不应超过50mm,以免影响吊盘起落和以后井筒永久提升。管口需带丝扣,以便安装注浆阀门。此方法仅适用于涌水较小的条件。
     
    图6-36  导管泄水 图6-37  外模板挡水
    1-模板;2-砾石层;3-导水管;4-含水层 1-含水层;2-砾石层;3-外模板;4-导水管;5-内模板
      当涌水量较大时(20m3/h左右),可采用双层模板(图6-37),外模板与井壁含水层之间用砾石充填,阻挡岩层涌水。底部埋设导水管,并迫使全部淋水由导水管流出,而后,向砾石内和围岩裂隙进行壁后注浆。
      2.挡水板截水
      模板立好后,在浇灌混凝土前,可用挡水板挡住砌壁工作面上方的淋水(图6-38)。挡水板可用木质或金属材料或塑料板制作。挡水板一端固定在井壁上,另一端用铁丝或挂钩与临时支护相连。有时可用吊盘折页挡水(图6-39),折页一端搭在井圈上,并铺上塑料布或帆布,挡住上方淋水。这种方法只是在井底停止作业时才宜采用。
      3.截水
      对于永久井壁的淋水,应采用壁后注浆封水。如淋水不大,可在渗水区段下方砌筑永久截水槽,截住上方的淋水,然后用导水管将水引入水桶(或腰泵房),再用水泵排出地面(图6-40)。若井帮淋水不大,且距地表较远时,不宜单设排水设备,将截水用导水管引至井底与工作面积水一同排出。
     
    图6-38  挡水板截水 图6-39  吊盘折页挡水
    1-铁丝;2-挡水板;3-木板;4-导水木条 1-折页;2-吊盘
      
      
      图6-40  截水槽截水
      1-混凝土截水槽;2-导水钢管;3-胶皮管;
      4-排水管;5-小卧泵;6-贮水小桶;7-固定盘
      
       (三)钻孔泄水
      采用钻孔泄水的条件是,井筒施工前,必须有巷道预先通往井筒底部,而且井底新水平已构成排水系统。这种方式可取消吊泵和腰泵房,简化井内凿井设备布置,井内涌水由钻孔自行泄走,为井筒顺利施工创造条件。一般多用于改建矿井。
      提高钻孔质量,保证钻孔的垂直度,使偏斜值控制在井筒轮廓线内,是钻孔泄水的关键。因此,在钻进中,应经常进行测斜。发现偏斜,及时查明原因,迅速纠偏。如导向管安装不正,钻机主轴不垂直,钻杆弯曲,钻压过大,或钻机基础不稳,管理不善等都能造成钻孔偏斜。
      保护钻孔,防止井筒掘进矸石堵塞泄水孔是钻孔泄水的另一技术关键。泄水孔钻完后,为了防止塌孔,孔内需要安设筛孔套管,保护泄水孔。随着掘进工作面的推进,逐段将套管割除,为了防止爆破矸石掉入泄水孔,将泄水孔堵塞,放炮前可用木塞将孔口塞牢,确保泄水孔畅通。
       (四)井筒排水
      目前我国很多立井虽然已实现了注浆堵水打干井,但工作面仍有少量积水或者较小量的涌水,作为一种辅助和备用措施,井筒掘进工作面仍需要布置排水设备。根据井筒涌水量大小不同,工作面积水的排出方法可采用吊桶排水和吊泵排水。
      吊桶排水是用风动潜水泵将水排入吊桶或排入装满矸石吊桶的空隙内,用提升设备提到地面排出。吊桶排水能力,与吊桶容积和每小时提升次数有关。井筒工作面涌水量不超过8m3/h时,采用吊桶排水较为合适。
      吊泵排水是利用悬吊在井筒内的吊泵将工作面积水直接排到地面或排到中间泵房内。利用吊泵排水,井筒工作面涌水量以不超过40m3/h为宜。否则,井筒内就需要设多台吊泵同时工作,占据井筒较大的空间,对井筒施工十分不利。目前我国生产的吊泵有NBD型吊泵和高扬程80DGL型吊泵,其最大扬程可达750m。其主要技术特征见表6-18。
       表6-18                  立井排水吊泵的类型及技术特征
    型  号 流量
    /m3/h 扬程
    /m 吸程
    /m 效率
    /% 转数
    /r/min 电机容量
    /kW 吸水口径
    /mm 吐水口径
    /mm 外形尺寸
    长×宽×高
    /mm 质量
    /kg
    NBD-30/250
    NBD-50/250
    NBD-50/500 30
    50
    50 250
    250
    500 5.0
    5.0
    40   1450
    1450
    2950 45
    75
    150 100
    100
    100 100
    100
    100  990×950×7250
    1020×950×6940
    1010×868×6695 3020
    3250
    2500
    80DGL50×10 33
    60 564
    464 7.2
    6.4 59
    65 2950 150 100 80 1305×1180×5503 2400
    80DGL50×15 33
    60 846
    696 7.2
    6.4 59
    65 2950 250 100 80 1305×1180×5903 4000
    80DGL75×10 38.1
    60.2 820
    729 8.4
    6.7 56
    62 2950 250 100 80   
      
      当井筒深度超过水泵扬程时,就需要设中间泵房(腰泵房)进行多段排水。用吊泵将工作面积水排到中间泵房(腰泵房),再用中间泵房(腰泵房)的卧泵排到地面,见图6-41。当附近的两个井筒同时施工时,可考虑共用一个泵房,以减少临时工程量及其费用。
      吊泵排水时,还可以与风动潜水泵或隔膜泵进行接力排水,也就是用潜水泵或隔膜泵将水从工作面排到吊盘上转水箱内,然后用吊泵再将水箱内的水排到地面。此时,吊泵处在吊盘之上方,不影响中心回转式抓岩机和环行轨道式抓岩机抓岩,见图6-42。常用的潜水泵或隔膜泵的技术特征见表6-19。
       表6-19                立井排水潜水泵和隔膜泵的类型及技术特征
    种  类 型  号 流量
    /m3/h 扬程
    /m 转数
    /r/min 使用风压
    /MPa 耗风量
    /m3/min 进气管径
    /mm 排气管径
    /mm 排水管径
    /mm 质量
    /kg
    风动潜水泵 F-15-10
    1-17-70 15
    17 10
    70 5500
    4500~25000 >0.4
    >0.5 2.5
    4~4.5 16
    25 
    50 40
    40 15
    25
    气动隔膜泵 QOB-15N 15 58   0.6 2.04 19 12.5 12.5 31
      
     
    图6-41  吊泵与腰泵房接力排水 图6-42  吊泵与潜水泵接力排水
    1-吊泵;2-腰泵房;3-卧泵;4-水仓 1-吊泵;2-潜水泵;3-转水箱;4-吊盘
    5-压风管;6-抓岩机;7-模板
      当立井施工采用吊泵排水时,尽量采用高扬程吊泵实现一段排水,或与风动潜水泵或隔膜泵联合排水方式。避免采用腰泵房或两台吊泵串联排水方式,以减少临时工程量,简化施工设备及操作,以利井筒快速施工。与此同时,应加强吊泵维修,减少故障,提高设备完好率,保证正常运转。
      在实践中,为了彻底解决涌水对立井施工带来的影响,改善掘、砌工作面的作业条件,有时采用单一的方式难于将水彻底治理,往往采用注浆堵水、截水、吊泵排水与壁后注浆等方法相互配合使用,采用综合治水方法,才能获得良好的效果。
       二、通风工作
      在立井井筒施工时,必须不断地进行人工通风,以清洗和冲淡岩石中和爆破时产生的有害气体,经常保持工作面的空气新鲜。
      立井的掘进通风是由地面通风机和设于井内的风筒完成。由于井壁常有淋帮水(流淌),使空气沿井壁四周向下流动,并在井筒中央上升,这对采用压入式通风十分有利。当采用压入式通风时,井筒中污浊空气排出缓慢,一般用于井深小于400m的井筒。抽出式通风方式,使污浊空气经风筒排出,井内空气清晰,激光光点清楚,放炮后,经短暂间隔,人员即可返回工作面。因此,对于深井,常采用抽出为主,辅以压入的混合式通风,以增大通风系统的风压,使风流不因自然风流的影响而造成反向。
      风机常用BKJ系列轴流式局部通风机,也有采用离心式通风机。由于放炮后排烟所需要的风量比平时大,常常采用两台能力不同的风机并联,其中能力大的一台供爆破后抽出式通风用,另一台作为平时通风用。
      风筒的直径一般为0.5~1m。井筒的深度和直径愈大,选用的风筒直径也愈大。常用的风筒有铁风筒、玻璃钢风筒和胶皮风筒。铁风筒和玻璃钢风筒用于抽出式通风,而压入式通风可用胶皮风筒,它可以减轻悬吊重量,也便于挂设。目前普遍采用玻璃钢风筒,其重量轻、通风阻力小,适用于深井施工。布置时,风筒末端距工作面的垂距不宜大于(3~4)m(S为井筒的掘进断面积,m2)。风筒一般采用钢丝绳双绳悬吊,地面设置凿井绞车悬挂,也可直接固定在井壁上。
      在通风方式确定后,通过计算出工作面所需的风量以及风机所需的风压,就可以进行通风设备的选择,并结合井内条件进行布置。
       三、压风、供水工作
      立井井筒施工中,工作面打眼、装岩和喷射混凝土作业所需要的压风和供水等动力是通过并列吊挂在井内的压风管(一般φ150mm左右钢管)和供水管(一般φ50mm左右钢管),由地面送至吊盘上方,然后经三通、高压软管、分风(水)器和胶皮软管将风、水引入各风动机具。井内压风管和供水管可采用钢丝绳双绳悬吊,地面设置凿井绞车悬挂,随着井筒的下掘不断下放;也可直接固定在井壁上,随着井筒的下掘而不断向下延伸。工作面的软管与分风(水)器均采用钢丝绳悬吊在吊盘上,放炮时提至安全高度。
       四、照明
      井筒施工中,良好的照明能提高施工质量与效率,减少事故。在井口及井内、凡是有人操作的工作面和各盘台,均应设置足够的防爆、防水灯具。在掘进工作面上方10m左右处吊挂伞形罩组合灯或防溅式探照灯,并保证有20~30W/m2的容量,对安装工作面应有40~60W/m2的容量,井内各盘和腰泵房应有不少于10~15W/m2的容量,而井口的照明容量不少于5W/m2。此外,抓岩机和吊泵上亦应设置灯具,砌壁后的井筒每隔20~30m设置一盏照明灯,以便随时查看井内设施。在装药联线时,需切断井下一切电源,用矿灯照明。
       五、通讯及信号
      立井井筒施工时,必须建立以井口为中心的全井筒通讯和信号系统。通讯应保证井上下与调度指挥之间的联系。信号以采用井下掘进工作面、吊盘及腰泵房与井口房之间,建立各自独立的信号联系。同时,井口信口房又可向卸矸台、提升机房及凿井绞车房发送信号。信号分机械式和电气信号两种,机械式信号是井下通过细钢丝绳拉动井口打击杆发出锤击信号。这种信号简单可靠,但笨重费力,只作井下发生突然停电等事故时的辅助紧急信号,或用于深度小于200m的浅井中。目前使用最普遍的是声、光兼备的电气信号系统。如KJ-8-1型井筒信号机,KLZ系列矿用隔爆型电铃。KJTX-SX-1型煤矿井筒通讯信号装置,由KT-X-1型煤矿井筒提升机信号机、KT-T-1型煤矿井筒通讯机,KJ-X-1型煤矿井筒信号机、KDD-1型矿用电话机组成一套完整的安全火花型通讯信号控制台,专门用于井筒施工联系和提升指挥系统。通讯信号传送距离大于1000m,井下噪音120dB时,通话清晰度达到90%以上,声光显示,并备有记数和寄存装置,全套装置是目前井筒施工机械化最佳的配套设施。
      
      图6-43  安全梯
       六、测量
      井筒的掘进、砌壁或安装应认真做好测量工作,保证井筒达到设计要求的规格质量。井筒中心线是控制井筒掘、砌质量的关键,除应设垂球测量外,平时一般采用激光指向仪投点,即根据井筒的十字线标桩,把井筒中心移设到固定盘(封口盘以下4~8m处)上方1m处的激光仪架上,并依此中心点安设激光仪。为使已校正好的中心点准确可靠,激光仪架应用型钢独立固定于井壁,严防与井内其它设施相碰。当井筒很深,可采用千米激光指向仪或将仪器架移设到井筒深部适当位置。
      边线(包括中心线)可用垂球挂线,垂球重不得小于30kg(井深大于200m),悬挂钢丝或铁丝应有两倍安全系数。边线一般设6~8根,固定点设在井盖上,也可固定在井壁中预埋木楔或预留梁窝木盒上。当井筒超过500m时,为防止垂球摆动大,可用经纬仪将固定点投设在井筒中间的临时固定盘上。
       七、安全梯
      当井筒停电或发生突然冒水等其它意外事故时,工人可借助安全梯迅速撤离工作面。安全梯用角钢制作,分若干节接装而成。安全梯的高度应使井底全部工人在紧急状态下都能登上梯子,然后被提至地面。为安全起见,梯子需设护圈。安全梯必须采用专用凿井绞车悬吊。
      
    第六节  立井井筒的安装
      立井井筒安装包括罐道梁、罐道、管路、电缆和梯子间等井内装备的安设。这一工作一般都是在井筒掘砌工作全部结束后进行。对有主、副井的多井筒矿井,常在两井筒贯通后,互相交替进行,即一个井筒用临时提升设备担负巷道施工的提升工作,另一个井筒进行安装,然后再交换。也有个别矿井在井筒掘砌的同时进行永久安装,称为一次成井。
      根据井筒装备的安装顺序不同,井筒安装可分一次安装和分次安装两种方式。其安装方向也分由上向下和由下向上两类。
      为适应施工需要,在井筒安装前,须对井内及地面原有某些掘砌设施拆除或改装。对井内掘砌施工时使用的管路,提至井口逐节拆除。各种电缆拆下后放到井底,缠绕后一次提出井内。井内各盘由上向下逐层拆除,最下一层放到井下拆除。天轮平台也应根据井筒安装时,提升与悬吊的布置要求,调正天轮位置。
      井筒装备的全部构件,应提前加工好,并进行除锈和防腐处理。在安装前,要在地面试装,并编上顺序号码,分类堆放在井口附近,以加快井内安装速度。
      
      图6-44  井筒装备的分次安装方法
      a-罐梁安装示意图;b-罐道安装示意图
      1-双层吊盘;2-罐梁;3-吊架;4-罐道
       一、井筒装备的分次安装方法
      井筒装备的分次安装作业方式如图6-44所示,其方法是先在吊盘上,从井口向下安装全部罐道梁或托架、梯子梁、平台、梯子和管路电缆卡子等。再由下向上在吊架(吊笼)上安装罐道。最后由井底向上安装管路。
       (一)罐道梁或托架的安装
      一般将井筒掘进用的双层吊盘略加改装制作成安装罐道梁的吊盘,其下层盘用于开凿梁窝或钻锚杆眼,上层盘安设罐道梁或托架,因此,吊盘的层间距与罐道梁的层距应一致。人员上下及材料的下放,由单设的一套提升设备完成。
      托架安装时,可采用锚杆眼位导向模具确定眼位与方向,如图6-45所示。模具由工字钢联接成一框架,并按设计的托架眼位,安设导向管(定位器),导向管与框架间用螺丝联接,便于调距。整个模具上用手动葫芦悬吊在上下层盘之间。定位后,用丝杆固定于井壁,然后向井壁打锚杆眼。
      在安装罐道梁或托架的同时,将梯子间的铺板和梯子,以及电缆卡子一起安装好。
       (二)罐道的安装
      罐道安装是站在吊架上进行的,见图6-46a。多层钢结构吊架的断面规格是根据罐道梁间的水平距离来确定,吊架突出边缘与梁之间应大于300mm的间隙,层数与层间距应与每根罐道长和罐梁层间距一致,各层间有爬梯相通。吊架托板在升降时折起,安装时放下。吊架的起落和材料运送由提升机完成,用稳绳导向。其布置见图6-46b。
      
      图6-45  锚杆眼位导向模具平面图
      1-模具体;2-螺丝;3-定位器;4-导向管;5-井壁位置
      
      对于图6-46b的“山”字型布置方式,安装时,可先安中间并列的两列罐道(双侧),再安两边单侧罐道,最后用罐道水平间距尺检查。
      
      图6-46  四层吊架结构及在井筒内的布置
      a-四层吊架结构图; b-四层在井内的布置
      1-提升钢丝绳;2―连接钢丝绳;3-安全罩;4-托板(工作状态);5-托板支架;
      6-吊架接头;7-托板(吊架升降时的位置);8-梯子;9-罐道位置;10-罐道梁位置;
      11-运送罐道钢丝绳;12-吊架稳绳;13-提升钢丝绳;14-吊架
       (三)管路及电缆安装
      
      图6-47  井筒装备的一次安装方法
      1-多层吊盘;2-钻锚杆眼;3-吊笼;
      4-安装锚杆;5-安装托架(和罐梁);
      6-罐道;7-梯子
      安装管线是在吊架或永久罐笼上、由下向上进行。为便于工作人员接近管线安装位置,常在吊架或罐道上增设活动折板或活动踏板,安装时伸展,工作完毕后收折。
      安装前,应按管子梁的实际层间距,按排管路法兰盘的联接位置(避开管子梁的位置),并标出各管路的安装顺序。管路的提升钢丝绳应布置在靠近管路的安装位置。
      电缆由专用手摇绞车下放,并由专人乘提升容器或沿梯子间护送至预定点后,再由下向上卡固在电缆架上。
      井筒装备分次安装的作业方式,每次安装内容单一,工作组织简单,也比较安全,能适应各种罐道梁层格布置形式。但它要分3次进行,每次需改装安装设施,工序重复,施工时间长。近年来,随着井筒深度的加大、井筒装备布置的改进,以及树脂锚杆固定井筒装备的推广,已普遍开始采用一次安装的作业方式。
       二、井筒装备的一次安装方法
      井筒装备的一次安装方法,如图6-47所示。该方式是从井底向上利用多层吊盘一次将罐梁、罐道、梯子间、管路电缆等全部安装完。即在吊盘上层盘上挖梁窝或打锚杆眼,在下层盘上安装罐梁和管路等,在吊架上安装罐道。这种方式具有工时利用率高、施工速度快和有利于提高工程质量等优点。但是,施工组织管理工作复杂,需要的施工设备较多。这种安装方法关键是根据井内装备的布置,选择合理的工作盘(架),保证全部井简装备自下而上一次安好。它避免了工作盘的上下多次起落,减少了辅助作业时间。
    第七节  立井施工机械化配套
      立井施工机械化配套,就是根据立井工程条件、施工队伍素质和技术装备情况将凿井各主要工序用的施工设备进行优化,使之能力匹配,前后衔接组成一条工艺系统完整的机械化作业线,并与各辅助工序设备相互协调,充分发挥各种施工机械的效能,快速、高效、优质、低耗、安全的共同完成作业循环。立井井筒施工是矿井建设的关键工程,技术复杂、工况条件差、速度馒、占用建井工期长。因此,世界各国都把提高凿井机械化程度和设备的配套,作为提高立井施工速度和工效的突破口。
      
       一、立井施工机械化配套的原则
      立井施工机械化作业线及其配套设备在设计时,应遵循以下原则:
      ①应根据工程的条件,施工队伍的素质和已具有的设备条件等因素,进行综合考虑,最后选定配套类型。例如,井简直径、深度较大,施工队伍素质较好,应尽量选择重型或轻型机械化配套设备。否则应考虑选用轻型或半机械化设备。
      ②各设备之间的能力要匹配,主要应保证提升能力与装岩能力、一次爆破矸石量与装岩能力、地面排矸与提升能力、支护能力与掘进能力和辅助设备与掘砌能力的匹配。
      ③配套方式应与作业方式相适应。例如采用重型或轻型机械化作业线时,一般采用短段单行作业或混合作业。若采用长段单行作业,则凿井设备升降、拆装频繁,设备能力受到很大的影响。
      ④配套方式应与设备技术性能相适应,选用寿命长、性能可靠的设备。
      ⑤配套方式应与施工队伍的素质相适应。培训能熟练使用和维护机械设备的队伍,保证作业线正常运行。
      立井施工机械化配套,其配套方案设计要综合考虑各设备之间能力的匹配、设备与作业方式的协调、设备与组织适应、设备及工艺的适应等多环节的一致,以便充分发挥其效能。在进行设备配套设计时,通常应重点解决两个方面的问题,一是作业线设备能力的匹配,二是辅助作业设备配套;同时还应该解决好凿井设备与凿井方式及工艺的配套。
      对于机械化作业线设备能力的匹配,主要内容包括:提升能力与装岩能力的匹配、一次爆破岩石量与装岩能力的匹配、吊桶容积与抓斗容积的匹配、地面排矸能力与提升能力的匹配、以及井筒的支护能力与掘进速度配备等五个方面
      立井井筒支护机械化作业线较为成熟,施工速度快,特别是采用锚喷支护技术后,井筒支护占整个循环时间的比例大幅度下降,一般为15%左右;在现浇混凝土的井筒中,由于采用了液压金属活动模板、大流态混凝土、混凝土输送管下料等新技术,使立模、拆模、下料、浇注混凝土等工序实现了机械化,砌壁速度大大加快,使砌壁占整个循环时间的比例在20%左右。因此,提高井筒支护工作能力的关键是选用一套完整的机械化程度高的筑壁作业线,加快其速度,降低其占用施工循环的时间比例。
      对于辅助作业设备的配套,包括:通风、排水、照明、通讯、测量、以及安全梯等,它们是立井正常施工的保证,因此,必须按照机械化作业线主要设备的要求,予以正确地选择。
      对于凿井设备与凿井方式及工艺的配套,主要应考虑新型凿井设备的出现所引起的凿井工艺甚至凿井方式的改变。在20世纪50~70年代,我国基本上采用半机械化凿井设备施工,因此当时在凿井方式及工艺上,力求在掘进与砌壁的时间关系上,以及掘进、砌壁、作业的时间上寻找潜力以提高速度,因而广泛采用掘、砌平行作业方式。到70年代,我国凿井用的重型、轻型机械化设备开始应用时,由于作业方式与施工工艺不相适应,故其效率较低。如采用长段单行作业,掘砌工作的转换时间长,大型设备的利用率较低;加之中深孔爆破技术未能解决,一次爆破的岩石量很小,大型抓岩机又不能充分发挥作用;凿井提升机能力小而与抓岩帆的能力不匹配;伞型钻架不能下井;工作面活动模板虽然得到了应用,但是伞钻凿边眼困难,模板高度过低,且拆装困难;井筒施工时涌水量过大影响效率等。
      因此,立井施工机械化配套方案选择应保证设备与工艺的配套,并且还要在使用过程中不断地从作业方式和施工工艺方面改进,才能充分发挥作业线的效能。
       二、常用立井施工机械配套方案
      目前我国立井井筒施工已基本实现机械化,立井井筒施工机械化作业线的配套主要根据设备条件、井筒条件和综合经济效益考虑,主要有重型设备机械化作业线、轻型设备机械化作业线和半机械化作业线3种。
       (一)重型设备机械化作业线
      重型设备机械化作业线及其配套设备内容见表6-20,这种配套方式设备能力相互匹配,工艺也较合理,可以满足大型井筒快速施工的要求。
       表6-20               重型设备机械化作业线及其配套设备内容
    序号 设备名称 型  号 单位 数量 主要技术特征
    1 凿岩钻架 FJD-9 台 1 动臂9个,推进行程4m,收拢直径1.6m,高5m,重8.5t
    2 抓岩机 2HH-6
    HZ-6 台
    台 1
    2 抓斗2个,斗容2×0.6m3,生产能力80~100m3/h,重13~15t
    3 提升机 主提 2JKZ3/15.5 台 1 最大静张力17t,最大静张力差14t,绳速5.88m/s
      副提 JKZ2.8/15.5 台 1 钢丝绳最大静张力15t,绳速5.48m/s
    4 吊桶 主提 矸石吊桶 个 2 吊桶容积5m3,桶径1.85m,重2t
      副提 矸石吊桶 个 1 吊桶容积3m3,桶径1.65m,重1.05t
    5 凿井井架 V 座 1 天轮平台尺寸7.5m×7.5m,高度26.364m,卸矸台高度10.3m
    6 凿井绞车 JZM40/1000 台 2 钢丝绳静拉力40t,容绳量1000m
      JZM25/800 台 2 钢丝绳静拉力25t,容绳量800m
      JZA-5/1000 台 1 钢丝绳静拉力5t,容绳量1000m
      JZ系列 台 12~14 钢丝绳静拉力10t、16t,容绳量800m
    7 活动模板 YJM系列 个 1 直径:7.5……8.0m,高度:3.5m
    8 吊  泵 80DGL系列 台 2 扬程750m,流量50m3/h,重4t
    9 通  风 4-58-11No.11.25D 台 1 最高转速1370r/min,风压3650Pa,风量12m3/s
      BKJ56No.6 台 1 最高转速2900r/min,风压1600Pa,风量4.17m3/s
    10 通信、信号 KJTX-SX-1 台 1 传送距离大于1000m
    11 照明设备 Ddc250/127 台 2 每台容量250W,光通量20500lm,距工作面16m
    12 测  量 DJZ-1 台 1 指向精度12″
      
      重型设备配套机械化作业线及其配套方案适应于井筒直径7~8m、井筒深度800m的大型凿井工程。方案中多数配套设备都是按照千米井筒的施工条件设计的,设备能力、施工技术及辅助作业等相互都很协调,配套性能较好,装备水平与国际水平接近,在今后的深井工程中很有发展和使用前景。
       (二)轻型设备机械化作业线
      轻型设备机械化作业线配套主要是由6臂伞钻和中心回转抓岩机组成,见表6-21。这种方案应用最广,并且取得了良好的经济技术效益,该方案机械化程度高,设备轻巧、灵活方便,主要适应于井筒直径5~6.5m,井筒深度500~600m的井筒施工。
      
       表6-21               轻型设备机械化作业线及其配套设备内容
    序号 设备名称 型  号 单位 数量 主要技术特征
    1 凿岩钻架 FJD-6 台 1 动臂6个,推进行程3m,重5t,高4.5m
    2 抓岩机 HZ-4 台 1 斗容0.4m3,生产能力30m3/h,重8t,适用直径5m
    3 提升机 主提 2JZK3/15.5 台 1 最大静张力17t,最大静张力差14t,绳速5.88m/s
      副提 JZK2.5/11.5 台 1 最大静张力9t,绳速8.2m/s
    4 吊桶 主提 矸石吊桶 个 2 吊桶容积3m3,桶径1.65m,重1.05t
      副提 矸石吊桶 个 2 吊桶容积2m3,桶径1.45m,重0.7t
    5 凿井井架 新Ⅳ 座 1 天轮平台尺寸7.0m×7.0m,高度25.870m,卸矸台高度10.8m
    6 凿井绞车 JZM25/800 台 2 钢丝绳静拉力25t,容绳量800m
      JZA-5/1000 台 1 钢丝绳静拉力5t,容绳量1000m,多种动力
      JZ系列 台 12~14 钢丝绳静拉力10t、16t,容绳量800m
    7 活动模板 YJM系列 个 1 直径:5.5~6.5m,高度:3~4m
    8 吊  泵 80DGL系列 台 2 扬程750m,流量50m3/h,重4t
    9 通  风 4-58-11No.11.25D 台 1 最高转速1370r/min,风压3650Pa,风量12m3/s
      2BKJ56No.6 台 1 最高转速2900r/min,风压2400Pa,风量4.11m3/s
    10 通信、信号 KJTX-SX-1 台 1 传送距离大于1000m
    11 照  明 Ddc250/127 台 1 每台容量250W,光通量20500lm,距工作面16m
    12 测  量 DJZ-1 台 1 指向精度12″
      
      轻型设备配套方案是立井施工中应用最广泛的一种,在我国机械化凿井工程中占有很大比重。这种作业线机械化程度高,设备能力和施工技术配套性能好,机动灵活,操作使用方便,工效高,速度快,在新井建设中为加快建井速度缩短建井工期曾发挥了积极的作用。今后随着凿井工程的增多、凿井技术的发展和凿井设备的完善,在井径5~6.5m的井筒工程中仍将是主要机械化作业线及其配套方案而被推广使用。
       (三)半机械化作业线
      半机械化作业线是以手持式凿岩机、人力操纵的抓岩机为主要设备组成的作业线。它的特点是设备轻小,生产能力低,靠人力操纵,机械化程度低,劳动强度大,多用于井筒直径较小的浅井,但从施工速度方面看仍有潜力。最近几年,在一些大直径深井工程中,选用斗容0.6m3长绳悬吊抓岩机,配用多台手持式凿岩机,段高3~5m液压金属整体活动模板,采用短段单行作业或混合作业,先后曾创造立井月进100m以上的好成绩。
      半机械化作业线主要特点是作业灵活,能实现多台凿岩机同时作业,充分发挥小型抓岩机的优点,设备简单,操作容易,但机械化程度低,工人劳动强度大,生产能力小,安全工作要求高。这种设备配套方案,由于设备轻便,操作、维修水平要求不高,设备费用省,施工组织管理简单等优点,目前仍有不少立井工程采用。
    第八节  施工方式与施工组织
       一、井筒施工作业方式
      
    图6-48  井筒短段掘砌单行作业示意图
    1-模板;2-抓岩机;3-吊盘;4-风筒;
    5-混凝土输送管;6-压风管
       (一)施工方式的种类
      立井井筒根据掘进、砌壁和安装三大工序在时间和空间的不同安排方式,其施工方式可分为掘、砌单行作业,掘、砌平行作业,掘、砌混合作业和掘、砌、安一次成井。
      1.掘、砌单行作业
      井筒施工时,将井筒划分为若干段高,自上而下逐段施工。在同一段高内,按照掘、砌先后顺序交替作业称为单行作业。由于掘进段高不同,单行作业又分为长段单行作业和短段单行作业。
      井筒掘进段高,是根据井筒穿过岩层的性质,涌水量大小,临时支护形式,井筒施工速度来确定的。段高的大小,直接关系到施工速度,井壁质量和施工安全。由于影响段高的因素很多,必须根据施工条件,全面分析、综合考虑、合理确定。
      以前,井筒施工采用挂圈背板临时支护时,段高以30~40m为宜,最大不应超过60m,支护时间不得超过一个月。加大段高,能减少掘、砌工序转换所消耗的工时,减少井壁接茬,增强井壁的整体性和封水性,有利于提高施工速度。但是岩帮暴露时间长,维护困难。又因井筒未封闭面积过大,出现大量淋帮水,影响作业速度。段高过大,临时支护材料用量大,复用率低,成本高,因此,采用井圈背板作临时支护时,段高受到多方面限制。对于井筒全深来说,不必强求一律,应视具体情况而定。目前,综合多方面的因素,采用挂圈背板作临时支护的方法在基岩施工中已逐渐淘汰。
      井筒施工采用锚喷临时支护方法,由于井帮围岩得到及时封闭,消除了岩帮风化和出现危岩垮帮等现象,避免了井圈背板的一些弊病,宜采用较大段高。淮南潘集一号中央风井,直径8m,锚喷临时支护段高为196m。在实际工程中,为了便于成本核算和施工管理,现场往往按月成井速度来确定段高,锚喷临时支护的结构应视岩性而区别对待。
      长段单行作业是在规定的段高内,先自上而下掘进井筒,同时进行锚喷或挂圈背板临时支护,待掘进至设计的井段高度时,即由下而上砌筑永久井壁,直至完成全部井筒工程。而短段掘、砌单行作业则是在2~4m(应与模板高度一致)较小的段高内,掘进后,即进行永久支护,不用临时支护。为便于施工,爆破后,矸石暂不全部清除。砌壁时,立模、稳模和浇灌混凝土工作都在浮矸上进行,见图6-48。
      当井筒采用锚喷作为永久支护时,采用短段掘砌施工作业方式可实施短掘、短喷单行作业,这种作业用喷射混凝土代替现浇混凝土井壁,喷射段高一般为2m左右。利用喷射混凝土进行井筒的永久支护,可以妥善地解决短段掘砌井壁接茬这个技术难题,且作业可不受井筒深度的限制,在地质条件多变的岩层中,具有较高的灵活性。可随岩性的变换,及时调整炮眼深度,改变锚、喷的支护结构。当岩层构造复杂、破碎,且涌水很大时,亦可事先注浆封水,作加固处理,而后再行短掘、短喷作业,从而可安全顺利地通过困难地层。短掘、短喷施工作业无需临时支护,不但可节省器材,还可免除架设和拆卸临时支护、放炮后清扫临时井圈、修缮临时支护、下放模板、立模和稳模等烦杂的辅助工序,节省大量非生产工时,有利于高效快速施工,另外还可把岩帮的暴露时间控制到最低限度,使井帮及时得到维护,有利于井筒围岩的稳定,改善井内的安全状况。
      2.掘、砌平行作业
      
    图6-49  井筒长段掘砌平行作业示意图
    1-砌壁吊盘;2-井壁;3-稳绳盘;
    4-锚喷临时支护;5-掘进工作面
      掘、砌平行作业也有长段平行作业和短段平行作业之分,长段平行作业,是在工作面进行掘进作业和临时支护,而上段,则由吊盘自下而上进行砌壁作业,见图6-49。
      长段平行作业方式的实质,在于充分利用井筒的纵深,在井筒相邻的两个井段、井筒的不同深度处,使掘、砌两大作业能充分地平行完成,砌壁作业不再单独占用工时,从而可有效地加快井筒的成井速度。
      这种作业方式与单行作业相比较,其最大的区别在于井筒施工装备复杂,设备用量多,除了在井筒掘进工作面上方需设置稳绳盘、以满足提升及保护作业安全外,尚需挂设一个移动的砌壁作业盘和必须分别设置两套独立服务于掘进与砌壁作业的提升系统和信号系统,以满足不同深度处两个作业面同时工作的需要。此外,由于两个井段的岩壁都必须用临时支护来维护,这样不但加大了临时支护的数量和使用时间,而且也增加了围岩暴露时间和范围,对井筒围岩的稳定程度产生不利的影响,井内的淋水也会增大,因此,这种长段掘、砌平行的作业方式必然会使施工的组织工作和安全作业复杂化。
      目前,在井筒砌壁装备及技术已发展到一定水平的情况下,立井施工的成井速度,无论是掘、砌单行作业还是掘、砌平行作业,主要取决于井底工作面的掘进速度,其中,尤其取决于井筒工作面的排矸能力。在采用长短掘、砌平行作业时,由于提升矸石的吊桶在通过稳绳盘和砌壁吊盘时必须减速,势必延长吊桶的一次提升运行时间,加之井筒断面的限制,难于在井底配置大容积吊桶和大斗容抓岩机,从而大大降低了排矸能力和限制了立井掘进速度的增长,也使得长段掘、砌平行作业的应用受到了一定的限制。
      短段掘、砌平行作业,掘、砌工作也是自上而下,并同时进行施工。掘进工作在掩护筒(或锚喷临时支护)保护下进行。砌壁是在多层吊盘上,自上而下逐段浇灌混凝土,每浇灌完一段井壁,即将砌壁托盘下放到下一水平,把模板打开,并稳放到已安好的砌壁托盘上,即可进行下一段的混凝土浇灌工作,见图6-50。
      
    图6-50  井筒短段掘砌平行作业示意图
      1-风筒;2-混凝土输送管;3-模板;
      4-压风管;5-吊盘;6-气动绞车;
    7-金属掩护网;8-抓岩机;9-吊桶
      这种施工作业方式可使掘进与砌壁吊盘合一,排矸吊桶过盘无需二次减速运行,完全克服了掘、砌平行作业对掘进提升能力的限制。在严格信号系统的管理和施工工序组织恰当的情况下,还可创造掘、砌工作面共用提升系统的条件,从而创造了在有限的井筒作业断面内装备大斗容抓岩机和大容积排矸吊桶的可能。如能采用管路输送混凝土,还可使砌壁作业对掘进提升的影响降到最低程度。
      这种作业方式不受井筒深度和断面大小的制约,随着掘进速度的加快,砌壁与掘进作业的平行比重也会有所增长。这种施工工艺的不足之处在于,必须设置一个结构坚固的重型吊盘,以满足重型抓岩机的挂设和高空浇筑混凝土永久井壁的需要。
      3.掘、砌混合作业
      井筒掘、砌工序在时间上有部分平行时称混合作业。它既不同于单行作业(掘、砌顺序完成),也不同于平行作业(掘、砌平行进行)。混合作业是随着凿井技术的发展而产生。这种作业方式区别于短段单行作业。对于短段单行作业,掘、砌工序顺序进行,而混合作业,是在向模板浇灌混凝土达1m高左右时,在继续浇注混凝土的同时,即可装岩出碴。待井壁浇注完成后,作业面上的掘进工作又转为单独进行,依此往复循环。见图6-51。
      掘、砌混合作业一般都需要采用较高的整体伸缩式活动模板(>3m),这样才能在模板浇注混凝土到—定高度(约1m)后与掘进装岩实施平行作业。采用这种方式时,井内凿井装备全部集中在吊盘以下15~20m井段范围之内,且掘、砌作业就在离工作面3~5m范围内完成,有利于不同深度的井筒在各种围岩稳定条件下组织施工,因而这种作业方式具方较广泛的适应性。
      掘、砌混合作业方式,在重型凿井机械化装备的利用、施工组织管理、施工安全作业以及成井的各项经济技术指标等方面,都优越于单行作业和平行作业,是一种具有较强适应性的、有推广前途的施工方式。它不但有利于提高凿井装备的利用率,能达到稳定的快速施工指标,而且从总体上能降低立井的施工成本,提高施工效率,改善立井的安全作业条件。这种作业方式目前已成为我国立井施工的主导作业方式。
      4.掘、砌、安一次成井
      井筒永久装备的安装工作与掘、砌作业同时施工时,称为一次成井。根据掘、砌、安三项作业安排顺序的不同,又有三种不同形式的一次成井施工方案。
      1)掘、砌、安顺序作业一次成井   掘、砌、安顺序作业一次成井,是在一个大循环中掘、砌、安三项工序顺序作业。
      2)掘砌、掘安平行作业一次成井   掘砌、掘安平行作业一次成井是在两个段高内、下段掘进与上段砌壁、安装相平行,而砌壁和安装工序则按先后顺序进行,砌壁自下而上,安装自上而下,段高一般为30~40m。
      掘砌、掘安平行作业一次成井,可以使掘进和砌壁、安装工作量在时间上大致平衡起来,施工管理方便,掘进不停,井内总有两项工序同时施工,安全工作要求高,施工设备多,布置复杂,临时支护段高较大。
      3)掘、砌、安三行作业一次成井   为了充分利用井内有效空间和时间,在深井工程中可采用掘、砌、安三行作业一次成井施工方案。在掘进工作面采用短段掘、砌平行作业的同时,利用双层吊盘的上层盘进行井筒安装工作。每班安装4m,与掘、砌协调一致,只是在下放模板;浇灌0.5~1.0m高混凝土时,装岩工作暂停40min外,在整个循环时间内都是平行作业。这种施工作业方式,组织复杂,多工序平行交叉作业,安全要求严格。
     
    图6-51  掘、砌混合作业示意图 图6-52  掘砌、掘安一次成井作业示意图
    1-压风管;2-输料管;3-吊盘;4-风筒;
    5-抓岩机;6-模板;7-吊桶 1-罐道;2-罐梁;3-吊盘;4-排水管;5-压风管;
    6-模板;7-风筒;8-稳绳盘;9-气动绞车;
    10-吊泵;11-抓岩机;12-吊桶
      一次成井的三种作业方式中,以掘砌、掘安平行作业较为理想。它分别安排高空筑壁及井筒永久装备的安装与井筒工作面掘进平行完成。在保持工作面连续推进的同时,使掘进与砌壁和掘进与安装的作业量在时序上大致取得平衡,见图6-52。这样,既有利于施工的组织管理,也可使劳动力达到均衡,以便于加快成井速度、提高劳动工效和降低施工成本。这种作业方式与三大工序完全平行的方式相比,它易于保证施工作业面有较好的安全作业环境。
       (二)施工方式的选择
      立井施工方式的选择,不仅影响到井内、井上所需凿井设备的数量、劳动力的多少,而且在于能否最合理地利用立井井筒的有效作业空间和作业时间,充分发挥各种凿井设备的潜力,获得最优的效果。因此,在组织立井快速施工时,施工方案的选择,具有特别重要的意义。
      各种施工方式都是随着凿井技术不断发展而形成的,并且逐步完善。任何一种作业方式都受多方面因素影响,都有一定的使用范围和条件。选择施工方案时,应综合分析以下几方面因素:
      (1)井筒穿过岩层性质,涌水量的大小;
      (2)井筒直径和深度(主要指基岩部分的深度);
      (3)可能采用的施工工艺及技术装备条件;
      (4)施工队伍的操作技术水平和施工管理水平。
      选择施工方式,首先要求技术先进,安全可行,有利于采用新型凿井装备,不仅能获得单月最高纪录,更重要的是能取得较高的平均成井速度,并应有明显的经济效益。
      在确定施工方式时,除了注意凿井工艺和机械化配套要与井筒直径、深度相适应外,要特别重视井筒涌水对施工的影响。如井筒淋水较大,多数达不到施工方式要求的预期效果。另外,为了充分发挥各种方案的优越性,必须提高施工队伍的操作技术水平和技术管理水平。如在凿井条件大致相同的情况下,由于施工队伍不同,其施工速度相差悬殊,某些凿井设备的配套能力与实际获得施工速度也极不适应。因此,加强施工队伍的建设,提高维修技术水平,改进施工管理方法是保证有效地实现各种施工方式的基本条件。
      掘砌单行作业的最大优点是工序单一,设备简单,管理方便,当井筒涌水量小于40m3/h任何工程地质条件均可使用。特别是当井筒深度小于400m,施工管理技术水平薄弱,凿井设备不足,无论井筒直径大小,应首先考虑采用掘砌单行作业。
      其中短段掘砌单行作业除上述优点外,它取消了临时支护,简化了施工工序,节省了临时支护材料,围岩能及时封闭,可改善作业条件,保证了施工操作安全。此外,它省略了长段单行作业中掘、砌转换时间,减去了集中排水、清理井底落灰,以及吊盘、管路反复起落、接拆所消耗的辅助工时。因此,当井筒施工采用单行作业时,应首先考虑采用这种施工方式。
      掘砌平行作业是在有限的井筒空间内,上下立体交叉同时进行掘砌作业,空间、时间利用率高,成井速度快。但井上下人员多,安全工作要求高,施工管理较复杂,凿井设备布置难度大。因此,当井筒穿过的基岩深度大于400m,井筒净径大于6m,围岩稳定,井筒涌水量小于20m3/h,施工装备和施工技术力量较强时,可以采用平行作业。
      掘、砌平行作业,主要用于井径较大的深井工程。为了充分发挥掘、砌同时施工,成井速度快的特点,还必须辅以大型机械化配套设备,提高机械化装备水平和生产能力;采用注浆堵水,凿井管线井内吊挂等先进技术,为平行作业创造更好的施工条件,这种作业方式的潜力及优越性才能更好地显示出来。
      混合作业是在短段掘砌单行作业的基础上发展而来的,某些施工特点都与短段单行作业基本相同,它所采用的机械化配套方案也大同小异,但是混合作业加大了模板高度,采用金属整体伸缩式模板,使得在进行混凝土浇注的时候可以进行部分出矸工作。实际施工中,装岩出矸与浇灌混凝土部分平行作业,两个工序要配合好。只有这样只能实现混合作业的目的,达到利用部分支护时间进行装渣出矸,节约工时而提高成井速度。
       二、井筒施工组织
      为了加快立井施工速度,缩短建井工期,除了采用新技术、新设备、新工艺、新方法等技术措施外,科学的施工组织和管理方法也是十分重要的因素。
       (一)正规循环作业
      正规循环作业是立井快速施工的一种科学管理方法,是取得立井快速、优质等各项凿井指标的重要因素之一。
      立井施工循环图表,应使各辅助工序尽可能与主要工序平行交叉进行,以充分利用作业空间和时间,使循环时间缩短到最低值。多年来各建井单位以装岩、钻眼(或永久支护)作为组织正规循环的主线,创造和积累了许多多工序平行交叉作业先进经验,例如:放炮通风与提升机调绳(指双钩提升)平行,清理吊盘与下放抓岩机、接长排水管路、接长或下放喷射混凝土管路平行;装岩与临时支护平行,井底工作面找平、立模与接长混凝土输送管平行,钻眼准备、接长和下放压风管与清底平行,钻凿周边眼与清底平行(用手持式凿岩机时),钻眼与扫眼平行,钻眼与抓岩准备平行,以及钩头、钢丝绳、天轮、悬吊设备、管线等日常检修,在不影响正常工作的情况下,见缝插针地进行等。要实现多工序平行交叉作业,各工序之间要互相协作,紧密配合,互创条件,充分发挥施工人员的积极性和责任感,保证在规定的时间内,保质保量完成每项工序所规定的任务。
      在编制循环图表时,应首先了解井筒技术特征:井筒穿过岩层的地质泉水文地质条件,井筒施工工艺和施工装备,以及工人的技术水平和施工习惯等。这样可使图表中制定的各项指标,具有切实可行的基础。编制图表的方法可按下列具体步骤进行:
      (1)根据计划要求和具体情况,拟定月进度L;
      (2)根据选用的施工方案,确定每月用于掘进的天数N(采用平行作业或短段单行作业时,每月掘进天数为30d);采用长段单行作业时,按比例确定掘进与砌壁的天数,掘进一般占掘、砌总工时的60%~70%,当采用混凝土作永久支护时,可取70%,即月掘进天数为21日;
      (3)根据钻眼爆破技术水平,综合选择日循环数n和炮眼深度l,其值可按(6-28)式求算;
      (4)根据施工队伍的操作技术熟练程度,施工管理及凿井装备的机械化水平等具体条件,进一步确定各工序的时间。
      (5)确定循环总时间T
                  
                            (6-28)
    式中  t1—钻眼时间,h;
        t2—装岩时间,h;
        t3—辅助作业时间,约占掘进循环时间的15%~20%左右,h;
        N1—炮眼数目,个;
        K1—同时工作的凿岩机台数,台;
        V—凿岩机的平均钻眼速度,m/h。
        S—井筒掘进断面,m2;
        K2—同时工作的抓岩机台数,台;
        P—抓岩机的平均生产率,m3/h(实体岩石);
        η—炮眼利用率,取0.80~0.95。
      在采用短段单行作业方式时,总循环时间尚须计入永久支护占用的工时。
      从上式可以看出:参数S为不变值,N1、l、η、t3在整个施工过程中会有变化,但变化幅度不大,而K1、V、K2、P为机械设备参数,尚有调整、挖掘潜力的可能。计算所得的总循环时间T应略小于或等于规定的循环时间,否则应从提高操作技术、改进工作组织或适当增加施工设备等方面进行调整。当计算和规定的循环时间相差甚为悬殊时,就必须重新对日循环数及炮眼深度进行调整。
      为了减少辅助工序占用的循环时间,并使正规循环作业具有较高的灵活性,在编制循环图表安排施工顺序时,以采用班初装岩、班末放炮的方式较为适宜,这样可以在执行循环图表过程中,根据占工时最长的装岩工作完成的情况,随时调整炮眼深度,确保正规循环的正常进行。且作业人员可在班末放炮前提升出井,避免人员多次升降而影响工时利用。班末放炮还可以利用交接班加强井筒通风。改善井内作业环境。此外,循环结构中尚须留出备用时间,以备不可预见的影响。
      目前,我国以大抓岩机和伞形钻架为主的掘进循环时间多为12~24h,循环进尺2~4m,每个循环要跨越若干作业班来完成。以手持式凿岩机和人力操作抓岩机为主的掘进循环时间多为8~12h,循环进尺多为1.5~2.0m左右。
      图6-53为宣东二矿副井井筒掘砌施工循环图表。宣东二矿副井井筒净径为6.5m,井深为850.3m,施工采用与立井机械化相配套的作业方案。提升系统布置了两套单钩,采用了JKZ2.8/15.5提升机配4.0m3矸石吊桶,FJD-9A型伞钻,4.0m深孔凿岩和光面爆破技术,采用两台HZ-6中心回转式抓岩机同时抓岩出矸,砌壁采用3.6m高MJY型整体金属刃脚下行模板。井筒施工连续6个月共成井713.6m,平均月成井118.9m,最高月成井146.0m,最高日成井7.2m,创当年国内立井井筒快速施工新纪录。
      
      图6-53  宣东二矿副井井筒基岩段正规循环作业图表
      图6-54为短段平行作业掘砌循环图表。井筒净直径8m,井深709.8m,现浇混凝土支护,壁厚500mm。采用五层吊盘施工,伞钻打眼,炮眼深度3.0m。液压滑升模板砌壁,滑模高度1.2m,最大滑升高度为3.6m。
      实际工作中,由于地质条件的变化,某些意外事故的发生或因操作技术上的因素往往打乱正规循环作业,一旦遇到这种情况,应积极主动采取措施,尽快使工作重新纳入正轨。
       (二)施工劳动组织
      立井施工中,目前采用的劳动组织形式有:专业组织、混合组织、专业和混合组织相结合三种。由于凿岩钻架、大型抓岩机等新型凿井设备的出现,要求工人具有熟练的操作技能。但是要求工人全面掌握各种施工机械还有一定困难。因此,在机械化配套的立井施工中,多采用专业组织形式。
      专业组织形式:工人按专业内容分成打眼班、装岩班、锚喷班等,由于这种形式专业单一,分工清楚,任务明确,有利于提高作业人员的操作技术水平和劳动生产率,有利于加快施工速度,缩短循环时间,同时还可按专业工种和设备需要配备劳动力,工时利用比较好。但是这种方式存在着各工种的工作量及工作时间不平衡的问题,如果各专业班不能保证按循环规定的时间作业时,往往打乱了上、下班的时间,就会出现工作时间过长的现象,给施工组织带来一定的困难。若能保证实现正规循环作业,对于机械化装备水平较高的井筒,采用这种组织方式比较有利。
      混合组织形式:工人不分专业,每班作业内容和工作量根据工序和时间来确定。这种形式虽然工人能按规定的班次和时间上下班,人员固定,工作量较平衡。但是,要求工人既会操作大型抓岩机,又会使用凿岩钻架和喷射混凝土等作业,目前,一时尚难达到。另外,由于各工序所需的人数不同,甚至差异很大,如组织不好,容易产生劳动力使用不合理现象。因此,这种组织形式目前不宜在立井机械化施工的井筒中推广使用,而对使用轻型凿井设备施工的井筒,较为合适。今后,当工人经过严格技术培训,各种施工机械都能熟练操作时,采用这种组织形式才比较合理。
      
      图6-54  短段平行作业掘砌循环图表
      专业组织和混合组织形式相结合:这种组织形式的主要特点是将机械化程序高、操作技术复杂的机械如环行轨道抓岩机、伞形钻架等,按专业组织形式分班,其它工序按混合组织形式。这样,重要机械做到专人操作使用,按作业实际需要配备人数,使劳动力得到合理的使用。但这种形式,要求组织管理水平比较高,使施工能够做到正规循环作业时,才能体现这种组织形式的优越性。否则,仍然存在专业组织形式中工人不能按时上下班的弊病。
      合理配备各作业班人数也十分重要。作业人员的多少要根据施工机械化程度、作业方式、工人技术水平以及井筒断面大小等因素来确定。根据不同的凿井设备,其劳动力配备也不一样,常见的专业班人员配备见表6-22、表6-23、表6-24。
     
       表6-22                         打眼班劳动力配备
    钻架名称 岗位名称 工  种 人  数 备  注



    架 井下直接工 打眼工
    放炮工
    班长 8~11
    2
    2 6臂伞钻 8人,
    9臂伞钻11人,
    技术熟练时1人1台凿岩机。
     井下辅助工 井下信号工
    吊盘工
    井下把钩工 2
    1
    1 没有考虑井下排水工人
     合          计 16~19 
     
       表6-23                         装岩班劳动力配备
    抓岩机类型 岗位名称 工  种 人  数 备  注
    环行轨道抓岩机
    中心回转抓岩机
    靠    壁抓岩机 井下直接工 司机
    副司机
    班长 1~2
    1
    2 副司机在工作面指挥抓岩
     井下辅助工 井底信号工
    吊盘工
    井下把钩工 1~2
    1

     合          计 8~10 
    长绳悬吊抓岩机 井下直接工 装岩工
    辅助工
    班长 5~10
    2
    2 双抓斗为10人
     井下辅助工 井底信号工
    吊盘工
    井下把钩工 2
    1

     合          计 14~19 
     
       表6-24                         砌壁班劳动力配备
    模板类型 岗位名称 工  种 人  数 备  注
    金属伸缩式模板 井下直接工 分灰工
    震捣工
    班长 4~6
    4~6
    2 采用吊桶下料,
    采用管路下料少2~4人
     井下辅助工 井下信号工
    吊盘工
    井下把钩工 2
    2
    2 没有考虑井下排水工人
     合          计 16~20 
     
    第九节  立井井筒延深简介
      一个矿井在投产若干年后,由于现有生产水平不能保持矿井正常的持续的生产能力,必须开始组织矿井的延深。矿井延深是在生产矿井不停产的条件下进行的,因此将给施工带来许多复杂的问题。按矿井延深的方法,立井井筒延深施工方法可以分为正井法和反井法两类。前者是自上而下全断面开掘,即和地面凿井基本上一样,其差别只在于施工设备受井下空间限制,在布置上有所不同而已;后者是自下向上先开掘小断面反井,而后再自上而下刷砌成井,因此在排水、提升、通风、安全、打眼放炮和永久支护等方面均具有实质性的差别。
      我国自20世纪60年代以来进行了大量的矿井延深工作,并且积累了丰富的经验。通常采用的立井井筒延深方案根据延深方向可分为正井延深法和反井延深法。
       一、正井延深法
      正井延深法延深立井的各项施工作业和地面开凿立井基本上相同,但延深工作由于井下空间有限,设备布置将受到很大制约。按施工水平的位置不同,可分为利用辅助水平延深和利用延深间延深两种。
       (一)利用辅助水平延深井筒
      立井井筒延深工程为了不干扰现有生产水平的正常生产秩序,则新开凿一个比现有生产水平标高低30~50m、能供延深施工设备布置的施工水平,即辅助水平。并在辅助水平布置延深用的巷道、硐室和安设延深施工设备。然后从延深辅助水平自上向下进行井筒的掘砌施工,如图6-55所示。
      利用辅助水平延深井筒,首先应确定辅助暗井位置。通往延深辅助水平的暗井可以是暗斜井,也可以是暗立井。在确定辅助暗井位置后,还应该进行延深辅助水平的确定。延深辅助水平可有两种设置方式,一种是主、副井共用一条辅助暗斜井,主、副井各设一个辅助水平。另一种是用一条辅助暗斜井,主、副井共用一个辅助水平。
      凿井绞车硐室—般都布置在延深辅助水平,条件允许时,副井的提升机硐室可尽量布置在生产水平。凿井绞车在延深辅助水平以集中布置在井筒一侧为宜,为了减少硐室开凿工作量,应尽量减少凿井绞车的台数,为此可采用单绳悬吊管路或井壁固定管路等方式。
      
      图6-55  利用辅助水平延深井筒
      1-生产水平;2-辅助暗斜井;3-延深辅助水平;
      4-卸矸台;5-凿井绞车硐室;6-提升机硐室;
      7-绳道;8-保护岩柱;9-护顶盘
      利用辅助水平延深井筒工作时,提升机和
      利用辅助水平延深井筒的施工,首先自生产水平向下掘进辅助暗斜井,而后施工延深辅助水平巷道和硐室。当完成所有延深辅助工程并安装好延深施工设备后,开始自上向下按井筒设计断面进行延深施工。当井筒施工至井筒设计深度后,就进行马头门施工和井筒装备工作。最后拆除保护岩柱或人工保护盘。为了保证施工安全,拆除保护岩柱或人工保护盘时,上部井筒的生产提升必须停止。
      利用辅助水平延深立井井筒方法的特点是:对矿井的正常生产提升影响小,但是延深辅助工程量大、延深准备工期长、投资大和占用设备比较多。
       (二)利用延深间延深井筒
      利用延深间延深井筒底方法是利用上水平井筒预留的延深间或梯子间,来布置延深施工的主要设备,并穿过保护岩柱(或盘),在岩柱的保护下,进行新水平的井筒延深。由于上水平井筒仍在正常生产提升,留给延深用的井筒断面比较狭小,很难布置全部施工设施,故将部分管线及设备,悬吊布置在生产水平或生产水平之下。为此,需在生产水平之下开凿少量的硐室,有时,还要另开暗斜井(或下山)与生产水平贯通。由于提升机、部分凿井绞车以及卸矸台可布置在地面,比起辅助水平延深法,大大减少了井下辅助工程量。
      利用延深间延深法的井筒掘砌施工方法与普通井筒基岩段施工基本相同,而主要的是井筒施工的提绞布置有所不同。
         
      图6-56  利用永久井架延深(卸矸台在地面)   图6-57  利用延深凿井井架延深(卸矸台设于井下)
      1-生产用永久井架;2-延深凿井提升绞车;
      3-卸矸溜槽;4-矿车,5-延深间;
      6-保护设施;7-延深吊桶;8-延深工作面   1-生产永久井架;2-延深凿井井架,3-生产水平安全门;
      4-延深间;5-延深吊桶;6-井下卸歼台;7-出矸绕道;
      8-箕斗装载硐室;9-保护设施;10-井下凿井绞车硐室
      
      利用延深间延深立井井筒的掘砌工作,其工作内容和方法与利用辅助水平延深井筒相同,当井筒和马头门掘砌完毕和井筒安装工作结束后,便开始施工保护岩柱段井筒。该段井筒的施工方法是沿延深间自上向下刷大至设计断面,然后再进行永久支护和永久装备工作。施工保护岩柱期间,必须停止生产提升工作。
      利用延深间延深井筒的方案,具有延深辅助工程量小和延深准备工期短等优点。其缺点是提升吊桶容积小,提升一次时间较长,影响井筒延深施工速度。特别是延深提升高度超过500m时,其提升能力很难满足延深施工的要求。
       二、反井延深法
      利用反井延深井筒时,在井筒延深施工之前必须有一个井筒或下山已经到达延深新水平,并且已有巷道通往延深井的井底,如图6-58所示。利用反井延深井筒,就是由延深新水平自下向上沿延深井筒先开凿一个断面比较小的反井,再自上向下按照井筒设计断面分段刷大和砌壁。
      
      图6-58  利用反井延深井筒示意图
      1-已延深好的井筒;2-新水平的车场巷道;3-反井;4-刷大井筒,5-通往新水平的下山巷道
      利用反井延深井筒,反井的施工方法可有普通反井施工法、吊罐、爬罐反井施工法和反井钻机钻进施工法等。
      普通反井施工法是一个比较传统的方法,目前使用很少,它是由下向上在井筒中用普通钻眼爆破的方法开凿一小断面反井,贯通以后,再由上向下刷砌井筒。该方法不但可用于延深井筒,还可用于掘进暗立井、溜煤眼和井下煤仓等工程。
      采用吊罐掘进反井是金属矿山进行井筒延深的常用方法。在延深辅助水平和延深新水平都到达井筒位置后,在延深辅助水平沿井筒中心向延深新水平钻一绳孔,将设在延深辅助水平的提升机的钢丝绳通过绳孔下放至延深新水平并与吊罐相连接。利用提升机上下提放吊罐,作业人员在吊罐上施工反井。待反井与延深辅助水平贯通后,再自上向下分段刷大井筒和进行永久支护。施工到底,再进行井筒安装和收尾工作。吊罐反井施工法与普通反井施工法相比较具有工效高、速度快、劳动强度低、施工安全而又经济等优点。采用吊罐施工反井一般不必架设临时支护,所以此法适于在比较稳定的岩层中采用。
      利用反井钻机掘进反井是我国20世纪80年代以来应用最为广泛的施工方法。反井钻机也称天井钻机,是一种专门用于开掘反井以及煤仓等工程的专用设备。利用反井钻机钻凿反井,具有机械化程度高、劳动强度低、作业安全、成本低、施工速度快和生产率高等优点,但使用设备较多,操作技术较复杂。我国近年来研制出了多种型号的反井钻机,主要型号有LM-1200型、ATY-1500型和ATY-2000型等。LM-1200型反井钻机的结构详见图6-59。
      利用反井钻机进行立井井筒延深的方法是先从上向下钻导向孔与延深水平相通,然后换扩孔钻头,再自下向上扩扎,一直扩孔到反井钻机下方3m处停止,剩余段岩柱待拆除反井钻机后再施工,亦可一直扩孔到井字型框架的底部。扩孔时的矸石借自重下落到延深水平,由耙装机装入矿车,运至车场。反井钻机一般扩孔直径为l~1.5m就能满足排矸、泄水、通风的施工要求。反井形成后,即在辅助水平及提升间安装提绞设备,然后从上而下用钻爆法刷大井筒,砌筑井壁可采用长段高一次筑壁或短段高分段筑壁等方法,最后进行井筒安装和与生产水平的连接而完成井筒的延深。
      
      图6-59  LM-1200型反井钻机
      1-转盘吊;2-钻机平车;3-钻杆;4-斜拉杆;5-长销轴;6-钻机架;7-推进油缸;8-上支承;
      9-液压马达;10-下支承;11-泵车;12-油箱车;13-扩孔钻头;14-导孔钻头;15-稳定钻杆;
      16-钻杆;17-混凝土基础;18-卡轨器;19-斜撑油缸;20-翻转架;21-机械手;
      22-动力水龙头;23-滑轨;24-接头体
       三、井筒延深的保护设施
      立井井筒延深通常要求在不停止生产水平提升的前提下进行施工,为了保证延深井筒工作面人员的安全,在生产水平下方必须设有安全保护设施,将生产水平与延深段井筒工作面隔开。这种保护设施通常采用保护岩柱和人工保护盘。
      当岩石比较坚固致密时,可在生产水平井底水窝的下面留一段岩柱作为安全保护设施。根据井筒延深方法不同,它可能是占有井筒整个断面或只占有井筒的部分断面。保护岩柱的厚度,视岩层的坚固性和井筒断面大小而定,约为6~8m。为了防止保护岩按下端的岩石冒落危及井筒延深工作安全,岩柱下面必须架设护顶盘。护顶盘由钢梁和木板构成。采用保护岩柱的优点是简单可靠,可节省构筑人工保护盘的钢材和木材。缺点是拆除保护岩技工作较复杂。
      采用人工保护盘需用材料较多,但不受岩石条件限制,拆除容易。人工保护盘必须具有足够的强度和缓冲能力,同时也应起到隔水和封闭作用。在满足上述要求的条件下,保护盘的结构应尽量简单以便于构筑和拆除。人工保护盘按结构形式可分为水平保护盘和楔形保护盘两大类,见图6-60和图6-61。
      
         
      图6-60  水平保护盘结构   图6-61  楔形保护盘结构
      1-缓冲层;2-砂浆层;3-粘土层;4-钢板;5-木板;
      6-方木;7-工字钢盘梁;8-井筒中心线放线管;
      9-防水管;10-生产水平   1-生产水平;2-托罐梁;
      3-缓冲塞;4-楔形砌体;
      5-钢梁;6-放水管;7-钢轨
       四、立井井筒延深方案的选择
      立井井筒延深工程是矿井新水平开拓的关键工程,它的施工条件差、工程量大、工期长、涉及面广,与生产关系密切,因此,在井筒延深施工前,要充分调查研究,掌握全面资料,进行仔细的方案比较,最后确定合理的延深方式。
      选择延深方案的影响因素主要包括:矿山地质条件、井筒施工技术条件、井筒延深深度和延深辅助工程量的大小,选取时,应根据生产条件、地质因素和施工设备等具体情况综合考虑,在保证技术上合理可行的基础上,进行多方案比较,选出最优方案。根据施工经验,有下列几条选择要点:
      (1)当具有通往延深新水平井筒位置的条件时,应优先考虑自下向上的延深方法。在诸种反井施工方法中,普通反井是最简陋的一种方法,它劳动强度大、速度慢、安全性差,但它辅助工程量小、施工容易掌握。适用于围岩破碎,延深深度在50m以内的井筒中。目前已逐步被其它方法所代替,只在中小型矿井仍有采用。
      (2)吊罐反井施工比普通反井法速度快、效率高、成本低。它适用于较坚固的岩层中,由于要钻孔,产生偏斜使吊罐运行困难,适用于反井高度不大于100m的立井井筒。
      (3)随着深孔反井钻机的推广使用,利用反井延深立井井筒,可减轻工人的体力劳动,且速度快,广泛适用于中硬岩石、深度大于60m的井筒延深施工。
      (4)当井筒断面及井口位置具有布置延深施工设备条件,且延深提升高度在提升机提升能力范围之内时,应优先采用延深间延深方法。
      (5)如不具备上述条件,或为保证矿井生产不受或少受影响,才采用辅助水平延深法。
      
      
      
      
      
     

    文档信息
  • 文档上传人:admin
  • 文档格式:Doc
  • 上传日期:2013年10月23日
  • 文档星级:★★★★★
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