CN104763431A - 一种新的立井施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于深厚冲积层和软基岩条件下新的立井施工方法，本发明的施工方法不需冻结，采用掘砌分开、独立施工的方法，消除了掘砌工序转换和相互干扰。并且施工组织简单，施工设备少，节能环保，施工成本低，可降低施工成本三分之一。成井质量好，可提高井壁的强度两至五倍。

Description

一种新的立井施工方法

1、所属领域： 

地下岩土工程领域

本发明是一种用于不稳定的、松散的、含水的深厚冲积层和软基岩条件下立井的施工方法。在深厚冲积层和软基岩条件下的立井施工，是国内外在这一领域立井施工重点和难点，目前在这一领域的施工方法由“冻结法”和“钻井法”。冻结法由于冻结工期长，通常冻结加注浆需要大约6个月至一年，冻结成本是立井施工总成本的30％至40％。钻井法虽然机械化最高，但是由于一旦出事故，无法补救，因而限制了钻井法的应用。

2、背景技术：

目前我国煤矿有60％以上的矿井采用立井开拓方式，冶金矿山也绝大多数采用立井开拓方式。由于立井施工技术复杂、场地狭窄、环境恶劣、专业性强、设备繁多、安全性差。立井建设工期占矿井建设总工期的40％～50％(1)。以目前国内外普遍采用的立井掘砌混合施工方法为例，也存在着井壁接茬多、掘砌施工交替频繁、施工组织复杂、施工质量难以控制、井壁“泄漏淋水”难以解决等弊端(2)。同时，掘砌混合施工方法在深厚冲积层和软基岩条件下施工必须采用“冻结法”。

3.发明内容：

本发明既能克服现有立井施工的弊端，又能达到施工组织简单、施工环境好、井壁质量好、安全程度高，专用设备少，建井成本低的目的。

本发明是一种用于深厚冲积层和软基岩条件下新的立井施工方法，无需冻 结；并能与钻井法相融合；采用掘砌分开、独立施工；并由疏水降压系统和杂质泵排水系统所构成排水系统、同时还由井壁密封系统、井帮加固系统及井壁垂直调整系统所构成。

3、发明附图：

本发明的附图由图1、图2、及参考(图)组成：其中，发明的附图1是掘砌分开、独立施工的系统示意图；发明的附图2是本发明在深厚冲积层和软基岩条件下实施的水文地质柱状简图。

发明的图1：其中(1)井壁浇铸处、(2)模板、(3)井壁调正装置、(4)井壁、(5)井壁余隙、(6)压力检测孔、(7)余隙密封、(8)壁座、(9)疏水降压井、(10)挖掘工作面、(11)注浆孔，(12)井帮、(13)地面基准面。 

图1是掘砌分开、独立施工的系统示意图，其中(1)井壁浇筑处，(2)井壁的模板，(10)挖掘工作面，由此实现了掘砌分开、独立施工，互不干扰的条件和目的。疏水降压井(9)、压力检测孔(6)、余隙密封(7)及壁座(8)构成了立井挖掘施工工作面(10)水患危害的安全保障系统。

图1所示的13个部位，按其功能可构成四部分：其中一、掘砌分开，独立施工；二、疏水降压和井壁密封；三、井帮加固；四、井壁垂直度调整。下面，根据图1分别进行单述。

5、具体实施方式：

一、掘砌分开、独立施工：

这一部分是实现立井掘砌分开、独立施工的主要部分。不论是挖掘工作面(10)，还是井壁浇铸处(1)都能独立施工，互不干扰。都能实现专一化、专业化和连续化的全天候的施工条件和目的。

与目前应用最广泛的掘砌混合作业方式相比，消除了掘、砌的工序转换和相互干扰。实现了施工组织简化，既方便施工队伍管理，也降低了管理成 本。同时，也有利于施工队伍技能和素质的提高。

由于本发明消除了掘、砌的工序转换，也就消除了由于工序转换所需的设备、人员、材料、工具等的提升，因此提升量大幅减少，可以节省一套提升系统(包括大中型立井)。现有施工方法施工，大中型立井施工均需两套提升系统。而且，本发明的施工方法还不用凿井专用提升机和专用井架。这样，提升机、空压机、风机、井架就可以一步安装到位。这样，既可缩短工期，又不用大型临时设备的投入。既降低施工成本，又达到了专用设备少的目的。

本发明的施工方法不论是挖掘工作面，还是井壁浇铸，都可以实现施工速度快、效率高、质量好、安全可靠的施工目的。

挖掘工作面(10)的连续不断挖掘，井壁(4)就不断下沉，永久井壁可以时时跟进挖掘工作面。由此可见，本发明的支护最安全，最可靠，是现有任何施工方法都无法实现的。这不但可以从根本上消除了传统施工方式井帮超挖和欠挖的问题，以及由于井帮超挖和欠挖所造成的各种弊端，也革了“临时支护的命”，使立井施工成本进一步降低。

图1中所示的挖掘工作面(10)的施工方法可以采用挖掘法、射流法、爆破法及混合法。由于本发明的施工方法不需冻结，其施工比冻结法容易，其施工方法主要采用挖掘和爆破法相结合的方式；亦可采用小型挖掘机直接挖掘。

本发明的井壁结构可以是单层的，也可以是双层的，还可以是复合的。同时，还可以采用常规无法采用的AV柔性井壁、球墨铸铁丘滨块井壁、预制块井壁、预制井壁等。这样，也可以为井壁的工厂化生产创造了条件。本发明浇铸井壁的混凝土还可以采用常规无法采用的高性能混凝土，如C70～C110的高标号混凝土。这样，井壁的强度可以大幅度提高，井壁的厚度可以减薄， 井壁在复杂地质条件下的承载能力大幅加强，适用范围拓宽。

为了能清楚地分辨本发明的井壁浇铸特征，特提供掘砌混合施工方法的井壁砌铸示意图(参考附图)加以说明：

其中：(1)锁口盘、(2)地面基准面、(3)井壁、(4)井帮、(5)井壁接茬处、(6)井壁浇铸处、(7)模板、(8)掘进工作面。 

锁口盘(1)是1井壁浇铸的起始点，井壁浇铸的方向是至上而下，既下行铸壁，井壁接茬为负接茬。其模板(7)也为单面下行内模板，没有外模板，井壁的外径面直接浇铸在凹凸不平的井帮(4)上，这样就使井壁的柔性“基本消失”，井壁应对局部应力的能力大幅降低乃至消除，至使井壁损坏率高。现有井壁损坏80％为局部应力损坏。

与本发明附图1相比，就可以看出，本发明的井壁浇铸点(1)在地面基准点正负零的上方，壁座(8)就是井壁浇铸的起始点，井壁浇铸的方向为上行铸壁，正浇铸，正接茬。与现有掘砌混合施工方法的井壁浇铸方向相反。

本发明不但为井壁浇铸改善了施工环境，而且也为井壁浇铸实现了专一化、专业化和连续化的正浇铸，为井壁无接茬浇铸、连续浇铸创造了条件，实现了井壁浇铸的无接茬式、连铸式，使井壁浇铸真正实现了“一体化”。又由于本发明的施工方法无需冻结，为井壁浇铸后的养生提供了良好的条件和环境。因此，井壁的强度可以得到极大的提高，可比现有井壁的强度提高2至5倍。同时，还可以大幅提高井壁的柔性，使井壁受局部应力损坏的能力大幅提高。

由于本发明井壁浇铸的模板(2)采用内外双层模板，井壁内外面均实现了光滑平整，井壁承受井帮(12)由于失水等原因沉降的“负压力”的能力大幅增强，使井壁由“负压力”造成井壁损坏的几率大幅降低乃至消除。使 现在广泛应用的既难有预定效果，又难以施工的“可缩井壁”可以下岗了。

为了最大限度的减少井帮下沉的“负压力”影响，本发明的井壁的壁后充填，采用沙子、石子等无粘合力的材料，以最大限度的减少岩土下沉对井壁的影响。

本发明的掘砌分开、独立施工的施工方法，全面克服了以掘砌混合作业方式为代表的传统施工方法井壁接茬多、成井质量差(下行铸壁)、井壁强度低、“泄漏淋水”等无法解决的弊端。

本发明的施工方法施工的井壁浇铸的内、外模板(2)，既可以采用液压滑升式，也可以采用倒板式。

二、疏水降压和井壁密封：

这一部分是为了解决挖掘工作面(10)的水患危害，保证施工安全，并尽可能的提供相对较干的施工环境。

如图1所示的疏水降压井(9)的数量和井径可以根据水文地质井检涌水量确定。它的设计可以参照矿井排水标准，并要有一定的备用疏水能力，以保证疏水降压效果和安全可靠程度。

压力检测孔(6)即可检测壁后水压力，又可疏水(必要时还可注浆)。

井壁余隙(5)，井壁余隙是为了井壁垂直度调整时井壁要有一定的活动量。为了保证余隙的长期作用与效果，余隙内需注入浓度较大的泥浆护壁，并要随时观测泥浆浆位高低和泥浆失水状况。井壁余隙的大小可根据地质状况确定，以能保证井壁的自由度为宜。

余隙密封(7)，余隙密封可根据需要采用一道或数道柔性密封。

壁座(8)，壁座(8)的外径面与底平面和与岩土的接触面构成了壁座的 接触密封。壁座的接触密封和余隙的柔性密封及余隙泥浆构成了井壁密封系统，用于封堵井壁余隙水串入挖掘工作面。疏水降压措施和井壁密封系统共同组成了挖掘工作面水患危害的安全保障系统。

综上所述，本发明的水患安全保证系统由五大措施所构成，既井内排水设施(实施例中加以说明)、井外疏水降压设施、井壁余隙(7)的柔性密封设施、壁座(8)的接触密封及注浆密封设施所构成。与常规相比，水患的安全保障措施的可靠性大幅提高，使挖掘工作面的施工更安全，保障系统更可靠。

三、井帮加固：

壁座(8)下部的注浆孔(11)分两部分组成，其中上部注浆孔注润滑剂，润滑剂一般采用水，也可以根据需要注润滑油、润滑脂等。还可以注入加固材料，如水泥浆、化学浆等加固材料加固井帮。下部注浆孔是为了井帮能坍塌和泄漏的部位随时注浆，用以加固井帮，防止井帮坍塌和泄漏。如松散土层、松散沙层、沙砾层以及基岩层等部位，都要随时注浆加固或注浆密封。以上构成了井帮加固系统，用于保证井壁余隙的长期作用与效果。

对井帮(12)的加固注浆，采用地面注浆泵(通过井内注浆管)与壁座(8)的注浆孔11直接注浆(注浆量较大时采用)。注浆量较小时，采用小型工作面注浆机注浆。这两种注浆方式均为“精准注浆”，效果直观可靠。既降低了注浆成本，又大量减少了注浆时间。改变了现有常规地面注浆“大水漫灌”的粗放注浆方式。

现有施工方法在工作面注浆，通常需要浇铸止浆垫，又由于永久井壁强度低，难以承受注浆压力，既难以达到注浆效果，也实现不了随时注浆堵水。如若在透水或突水的情况下，注浆堵水就更加艰难，需要在水压达到“动静 平衡”以后，才能在水下浇铸止浆垫。然后，再排水注浆，其工期需要几个月甚至更长。由于永久井壁强度低等原因，其注浆效果难以保证，有的甚至造成施工报废。

由于本发明的施工方法，其永久井壁可以时时跟进挖掘工作面，利用壁座(8)的注浆孔(11)做止浆垫，不需做任何准备，既可根据需要随时注浆。这种随时直接的“精准注浆”方法即可称为“直注式”。

上述的所示的直注式精准注浆，既可用于加固井帮，又可用于保障挖掘工作面的水患危害。

四、井壁垂直度调整：

井壁垂直度的调整分上下两部分组成。上部由图1所示的井壁调正装置(3)组成，井壁调正装置(3)一般采用液压式、也可以采用机械式。它的数量可以采用4组、6组、8组等，可根据需要而定。一般情况下，应尽可能的将井壁调整在井壁余隙中心。

下部井壁垂直度调整，主要是通过挖掘施工工艺调整壁座(8)的相对位移来实现。因为有井壁余隙的存在，井壁始终会有自由度，这样只要调整壁座的相对位置，就可以随时调整井壁的垂直度。也就是说，在井壁挖掘沉降“动”的过程中随时进行纠偏。需要特别强调地是挖掘工作面(10)的施工，必需以保证井壁垂直度为中心，特别是当施工到巨厚膨胀性粘土层时，必需以最小的垂直度误差进入粘土层，当膨胀性粘土将井壁余隙(5)的间隙膨胀封严以后，将井壁余隙(5)内注入润滑脂或润滑油，以防井壁被巨厚膨胀性粘土膨胀层抱住。并保证随时调整井壁垂直度的功能。

本发明的实施例：

本发明的实施例选择一个常规施工难度大、井径大、涌水量大和有巨厚 膨胀性粘土的立井为例加以说明：

该立井设计井筒深度677.85M，井筒净直径8M，井壁原设计为双层内钢板束服钢筋混凝土复合井壁，壁厚1·6M，内层井壁0.8M，外层井壁0.8M。

经与设计部门协商，采用本发明的井壁施工方案，既内、外井壁采用“同铸式”的施工方案。既改变了内、外井壁分别浇铸的繁琐模式，也节省了井壁浇铸的工时，又可大幅大幅提高了井壁的质量。同时，还根据不同埋深井壁的受力不同，采用“匀变径”措施，以达到科学节省井壁浇铸材料。降低井壁浇铸成本的目的。

浇铸井壁的内、外模板(2)均采用贴膜措施，这样，既可解决不用“定时脱模”的问题，又可使内外井壁更加光滑。

由于本发明的施工方法不用冻结，为井壁的自然养生创造了良好条件和环境，可以减少或不用“早强剂”，既减少了混凝土的成本，也可大幅提高了井壁的强度。

经与设计部门协商，内层井壁的“内钢板束服取消”，井壁的厚度由1.6M减少至1M。内、外井壁均采用钢筋混凝土井壁，改变内、外井壁的厚度比，既内经壁厚0.3M，外井壁的厚度0.7M。外井壁从埋深400M处采取外井壁“匀变径”措施至地面基准面，地面井壁的最终厚度为0.6M。浇铸井壁的混凝土由C25#提高到C50#。虽然混凝土的浇铸量减少了65％，但井壁的综合强度却可以提供两倍以上，确保了井壁的综合受力要求。

壁座(8)的直径等于井壁直径(4)加余隙(5)，既壁座直径大于井壁才有余隙。壁座的厚度可以比井壁薄，一般壁座厚度取井壁厚度的1/2～1/3之间为宜，壁座的厚度选择主要考虑岩土的强度，以能防止井壁自沉为宜。本实施例壁座厚度选择井壁厚度的三分之一。

施工设施简述：以改变常规为主。

井筒施工吊盘三层(吊盘分层次序至上而下)，第一层主要安装较大容积的临时储水箱。第二层安装三台串联式PM-300型杂质泵。第三层安装中心回转抓岩机、小型工作面注浆机等。吊盘固定在永久井壁上，吊盘安全钢丝绳做稳绳，并有稳车牵引。井壁需悬吊四趟管路，其中，两趟排水管路，一趟压风管路，一趟射流管路(兼做地面临时注浆)。这四趟管路均为永久管路，需要根据设计标准安装，并要尽可能使这四趟管路在井壁上的重量分布均衡，以利于井壁的垂直度调整。

凿井井架采用矿方永久井架。井壁浇铸需按设内、外操作平台，内操作平台为双层，以备井壁管路安装做操作平台，内外操作平台同步移动，业可不同步移动，并有稳车牵引。内操作台兼做井筒安全盖。

提升绞车和空压机，通风机采用4-58-No-11-25D1型调速扇风机。均采用矿方永久设备。测量、照明、通讯信号、各种管路、电缆等。也全部采用矿方永久设施，并且，一步安装到位。本发明还可以节省了大量稳车、钢丝绳等设备和材料。

下面，根据新生界水文地质柱状简图2(本发明的附图2)，既井捡孔的柱状图，其埋深以地面设计标高正负零为基准，水文地质柱状图的实际埋深数据均为各含水层的底板线和各主要地层的底板线，单位为米(M)。

下面根据附图2单述井筒实施方案：

本立井的实施方案设计以挖掘法和爆破法相结合为主，辅以射流法和混合施工法。，当施工到第四含水层时转入射流法施工，当施工到基岩层时采用爆破法。

下面根据新生界水文地质柱状简图2和井检抽水实验的涌水量单述疏水 降压措施。第一含水层的井检流量735立方米/小时，埋深33.85m，设降水井两个(一个备用)，井泵650QJ800～38/1型两台，每井一台。该泵流量800立方米/小时，扬程38m。

第二含水层的井检流量762立方米/小时，埋深89.54m，设降水井两个(一个备用)，井泵650QJ800-114/3型两台台，该泵流量800立方米/小时，扬程114.00m。

第三含水层井检流量410立方米/小时，埋深293.19m，设降水井两个(一个备用)井泵350QJ500-330/11型两台，该泵流量500立方米/小时，扬程330.00m。

第四含水层井检流量210立方米/小时，埋深488.60m，根据施工方案设计，采用射流法施工。以上构成疏水降压系统。

第一、第二和第三降水井均可供矿方生产和生活用水水源井。为了保证挖掘施工安全，要采用先疏水降压，后挖掘施工，先探后挖，边探边挖的施工措施。

疏水降压系统采用立井内设杂质泵排水系统与井外疏水降压系统相结合。统一部署，统一设计。例如；第一至第三含水层的疏水降压措施以降水井泵为主，立井内的杂质泵作为备用排水安全保障系统。当立井施工进入第四含水层时，挖掘施工转为射流法施工时，井内的另一条排水管路为备用排水系统。基岩风化带含水量很小，仅30立方米/小时，仍用井内排水系统。

综上所述的疏水降压系统，可谓井内井外统一设计，相互配合，高度协调。具有系统简单、安全可靠不需转水站等设施(降低了施工成本)，就能解决涌水量高达2147立方米/小时的立井施工。

当施工到第四含水时，开始准备射流法施工的准备工作。其中主要是在 另一条永久排水管路上安装一台DN360-75X7型备用泥浆泵作为采用射流法施工时的备用排水系统。正在作施工转换准备时，发现第四含水层涌水量大量减少，经分析认为，四含水层比井检时涌水量减少为正常现象，由于井检孔径小，检测抽水时间有限(一般8小时)，对于这种水利流动条件极好的中沙含水层，误差很大，虽然四含水层流动条件极好，但无补给来源，属于静态水。在大流量排水的情况下，水位迅速下降，水量减少，计划的射流法施工不能实施了。因为杂质泵的排水能力为300～350立方米/小时，井下涌水量太小，必须在井上引进300立方米/小时的水，才能满足PM-300型杂质泵运转的需要，这样从经济上考虑是不合适的。因而继续采用挖掘法施工。由于本发明提供的掘砌分开、独立施工的方法，无需担心井壁“泡汤”的问题，也没有“空帮”和“塌帮”的任何机会。所以，在涌水量比常规大的情况下，仍可照常施工。这样，很快就穿过第四含水层，正常施工到601.44m井筒设计落底处。对井壁进行生根密封处理后，新生界冲积层段的井筒施工就结束了。根据本立井井筒设计最后落底处677.85m，还有76.41m的基岩段井筒未施工，该基岩段井筒按设计采用普通法施工。

由于本发明的施工方法，能与各种现有施工方法有机融合，无需转换周期。在这里就不再熬述了。

本发明的施工方法还能与钻井法有机融合，当钻井法出现事故时，现有技术无法补救，只能报废。采用本发明的施工方法不但不用报废，还可以利用全部以钻成果，为钻井法的推广应用消除了后顾之忧。

采用本发明掘砌分开、独立施工方法浇铸的井壁，必须从井壁浇铸开始，就得时时保证井壁本体的垂直度。同时还要通过四柱垂线或激光指向仪等设施与电脑联网，随时检测井壁在井内的垂直度。对井壁在井内的垂直度和井 壁浇铸的垂直度，要实现电脑化、智能化、数字化的“全天候”检测，井壁垂直度误差随时用数字显示，误差超过作业规程要求及时报警，达到随时掌控井壁垂直度的目的，以保证井壁的垂直度时时符合设计标准要求。

采用本发明的实施方案施工的立井成本与传统的冻结法施工立井的成本相比，本发明的实施方案不用冻结，既降低了施工成本，又实现了节能环保。加上施工组织简单，管理成本底，专用设备少，具有显著的经济优势，以上述实施例的立井，井筒净直径8m，井深近700m的立井为例，采用冻结法施工的造价约1.9亿元。采用本发明的施工方案施工造价约1.4亿元。如果一个矿的几个井筒同时采用本发明的实施方案，其成本还可以低一些。而且本发明施工组织简单、施工条件好、成井质量好、安全可靠。因此，本发明具有巨大的经济效益和开发推广价值，是立井凿井发展史上的一次重大变革。

附图1为摘要附图。

Claims (5)

1.一种用于深厚冲积层和软基岩条件下新的立井的施工方法，其特征在于该方法不需冻结；并能与钻井法有机融合；采用掘(10)砌(1)分开、独立施工；并由井外疏水降压系统(9)和井内杂质泵排水系统相结合；同时还由井壁密封系统井帮(12)加固系统及井壁垂直调整系统所构成。

2.由权利要求1所述的挖掘工作面(10)的施工方法，其特征在于该方法采用挖掘法、爆破法、射流法及混合法。

3.由权利要求1所述的井壁(4)浇铸方法，其特征在于该井壁的浇铸方法采用上行铸壁，正浇铸，无接茬式；其井壁浇铸的内外模板(2)均为液压滑升式，或倒板式；其井壁的结构可以是单层的、双层的及复合的；双层井壁浇铸还可以采用同铸式和匀变径；同时，还可以采用预制井壁、球濹铸铁丘滨块井壁、预制块井壁及AV柔性井壁。

4.由权利要求1所述的井壁密封系统，其特征在于该井壁密封系统由壁座(8)、壁座注浆孔(11)、余隙柔性密封(7)、及井壁余隙(5)的泥浆所构成。

5.由权利要求1所述的井帮(12)加固系统，其特征在于该井帮加固方法，利用壁座(8)的上的注浆孔(11)采用直注式。