ＭＪＹ型系列多用金属模板研制与应用

发布时间:2023-11-06

ＭＪＹ型系列多用金属模板研制与应用

煤炭科学研究总院北京建井研究所

龙志阳　李俊良　胡敬东　杨春满

　　国内冻结法施工的立井井筒，一般在冻结段外壁和下部基岩段砌壁中分别使用两套直径不同的整体下移式模板或小块金属模板砌壁，而冻结段套内壁时又需再用一套液压滑模上行砌壁，因而施工同一个井筒需使用多套模板。据1988～1993年统配煤矿立井的井筒统计资料中有近一半用冻结法施工，因此，有必要研制一种适用于三种不同状况下的井壁施工中的多用金属模板，自1991年起，煤炭科学研究总院北京建井研究所根据施工单位提出的要求，先后为大屯煤电公司姚桥新主井、峰峰梧桐庄风井、兖州济宁三号主、副井等立井进行了MJY型系列多用模板设计，经过模板加工、井下使用，该模板完成了冻结段外壁、内壁和基岩段井壁的砌壁工作，均取得了较好的进度，有11个井筒创造了月进尺百米以上的纪录，井壁质量优良，经济效益明显，社会效益十分显著。

　　1、多用模板研制的意义

　　据预测，到本世纪末世界各主要煤炭生产国家要新建立井约1200口，其中我国有400口，而进入90年代，我国在平原地区新建的立井大部分是在第三和第四纪表土覆盖层中，据统计资料表明，每年施工的50～60座立井井筒，约50%是采用冻结法施工。按照现有的施工方法，首先进行冻结段外壁施工，一般是下行短段掘砌施工，在表土下第一层基岩中施工冻结段壁座后上行进行冻结段内壁砌筑，最后再进入基岩段下行掘砌施工。

　　随着煤炭开采逐渐向深部发展，立井井筒结构也发生了很大变化，由过去的简单单层井壁变为复杂的复合多层井壁，施工模板也由有许多种，一个矿井建成投产，施工模板堆积如“山”，不但加工量之大，造成材料严重浪费，而且施工过程中的频繁拆装变换严重影响施工速度，危及施工安全，以兖州矿务局第三十二工程处近年来施工10个冻结立井模板用量统计为例平均每个井筒用模板2.5套。

　　由于冻结法施工的井筒有内壁、外壁和基岩段井壁，因而井壁支护工作相当繁琐，首先要为冻结段外壁和下部基岩段砌壁分别设计加工两套直径不同整体下移式模板(或两套十米的小块金属组装式模板)，还要为冻结段套内壁再加工一套液压滑模，这样施工一个冻结井筒就需三套模板，按目前的钢材价格三套模板需钢材30～40t，总造价约50～60万元，目前建井施工单位均已独立承包核算，模板为非标设备，还没有形成租赁业务，显然一个冻结井筒使用多套模板在经济上是不合算的。有时还因模板加工拖延而影响井筒施工。

　　在施工工序上，一般冻结段外壁砌壁完成后要先将外壁模板拆除升井，然后组装液压滑模套内壁，套完内壁后还要拆除液压滑模，再下放金属模板进行基岩段下行砌壁，两次拆除更换模板一般要占8～10天，而使用一套模板可减少工期4～5天。

　　由于混合作业法具有不用临时支护，成井速度快、工艺简单、施工成本低，管理方便，安全性好等优点，已成为国内外普遍采用的施工方法。混合施工法中的整体下移模板，只能完成下行砌壁，因此在这种模板的基础上，研制一种能适用于冻结法施工不同工艺砌壁要求的多用模板有重要的使用价值。必将为加快我国凿井速度起到一定的作用。

2、MJY型系列多用金属模板设计

　　2.1　模板系列化

　　通过对现有模板的改进，参照国内外整体移动金属模板系列化设计特点，结合国内目前立井机械化施工的具体要求和将来进一步发展的需要，MJY型系列多用金属模板的设计以模板直径从4.5～8.5m共分为9个档次，模板高度从2.5～4m共分为四个高度，模板系列化设计按直径和高度不同排列组合为36种模板，适用于不同井筒的施工的要求，模板系列化设计参数确定如下：

　　2.1.1　模板直径

　　立井井筒设计直径目前大都在4.5-8.5m之间，按设计规范要求井筒直径的递增幅度是以0.5m为级差，模板系列化设计也以此为依据。为了保证井筒砌壁后能满足井巷验收规范，模板设计直径在井筒设计直径基础上放大40～60mm。

　　2.1.2　模板高度

　　根据现有伞钻打眼深度和深孔爆破效率以及目前仍有许多立井用人抱钻打眼的情况，同时考虑井筒空帮要符合《煤矿安全规程》的有关规定(见第22条)。为便于模板的加工与组合，模板分块的高度定为1.0m和1.5m两种，模板总有效高度可组合成2.5、3、3.5、4m等四种段高，这样可以满足施工现场的不同需要。

　　2.1.3　模板块数

　　根据井筒直径的大小，每块模板弧长的确定要考虑便于加工，便于通过吊盘喇叭口及上层模板浇注口数量与模板块数间的关系(浇注口数量能保证混凝土浇满封严)等。综合考虑上述因素确定直径为4.5～5.0m的模板分成9块，5.5～7.0m的模板分成12块，7.5～8.5m的模板分成15块。

　　2.1.4　模板用料

　　模板加工使用的钢材，首先应满足模板整体强度和刚度要求，保证一个井筒到底模板变形不大(目前平均井深约700m)，不上井大修。同时考虑模板重量用3台地面稳车能悬吊，直径8.5m、段高4m的模板总重不超过26t。因此通过计算，模板围板选用8mm厚钢板，竖结合板为12～15mm厚钢板，加强组合槽钢为L100×100×7～10mm等边角钢。　　综合上述设计参数，MJY型系列多用金属模板设计参数可按标准化设计列表。如某立井需用模板砌壁，已知井筒直径和施工要求循环砌壁段高时，从列表中可查出模板设计参数，如有个别井径和模板段高不是规范尺寸，可参照近似的井径和高度选取模板设计参数。

　　3、多用模板设计

为了解决冻结法施工的井筒在冻结段外壁和内壁以及基岩段分别需要两套不同直径的整体下移模板，和一套滑模完成砌壁井壁工作，多用模板设计以MJY型系列模板为基础，增加变径加块，上口稳模装置和外壁大刃脚，达到一套模板能完成上述三种不同工况下的砌壁。　　

3.1　变径模板

　　多用模板直径设计首先考虑井筒设计直径规格，按MJY型系列模板结构参数要求，选取模板半径和基本模板块数，模板变径以冻结段内壁厚度为半径增量，把模板直径扩大到砌筑外壁的直径。以梧桐庄风井为例，该井井筒直径Φ6m，冻结段内壁厚度400mm，模板设计直径为6050mm，在保证模板强度和刚度基本不变的条件下，基本模板块N为12块，对应中心角为30°，通过模板块之间增加小加块达到变径模板的直径，即模板直径由6050mm变到6850mm。由于是在直径6050mm的模板块之间插入小加块，这样所形成的新模板的横断面呈梅花形，见图3。新模板必然存在外出或里进现象，虽然是外层井壁，但应尽量保证成型井壁满足施工验收规范要求，模板径向波动范围公式为：

α

　　δ＝2(R－r)sin2 　                    (1)

　　　　　　　　        　　 4

式中：δ径向波动量；

　　　R为外壁模板最大直径；

　　　r为内壁模板设计直径；

　　　α模板块对应园心角；

图1　变径模板结构示意图

1－收缩液压系统　　2－标准模板块

3－加块模板　　　　4－外壁刃脚块

　　参照有关规定，根据公式(1)计算的模板径向波动量应控制在25mm以内，否则应调整模板块数，加块长度L计算公式为:

α　　　　

　　L1 ＝2(R－r)sin    (2)

2        

　　 NL1        

L＝             (3)       　  　　

N－1                

式中：L1 理论计算加块长度；

　　　L实际加块长度；

　　　N基本模板块数；

　　　k、r、α同公式(1)。　　　　　　　　　　

　　模板径向波动量及加块长度

的几何关系，见图2。                         图2　模加块计算简图

　　将梧桐庄风井有关数据代入(1)－(3)式得出结果如表1：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

　3.2　加块结构

　　按MJY型系列模板设计参数

所设计的模板，用于相应的冻结

段外壁砌壁，一般内壁厚度在

400－600mm之间，由公式(3)所

计算的加块长度在300mm以内，

为了保证变径后的模板强度，加

块结构保持和模板相同的布筋形

式，但上下边不安排有连接螺栓

孔，竖向连接板同基本模板块的

一样，以便于组装。加块模板设

计上没有弧度，一是便于加工，

二是对径向波动量δ影响极小，　　　　　　　图3　加块结构图

加块结构如图3。　　　　　　　　　　　1－横边角钢　2－竖边结合板

另外由于收缩口处结构复杂，　　　　3－组合槽钢　4－围板

加块困难大，因此实际加块长度　　　                          

按公式(3)计算，即在收缩口处的加块长度均匀分配到其他模板块之间。

　　3.3　外壁刃脚

　　为了满足冻结段外壁绑扎钢筋，变径模板的刃脚要专门设计。根据工艺要求，砌外壁首先应把刃脚下放到工作面，而后在刃脚到上段井壁之间绑扎竖向和横向钢筋，最后将变径模板脱模下放到外壁刃脚上开始浇注混凝土，因此外壁刃脚与直体模板每个循环都要脱离。此外刃脚中还要留有竖筋绑扎位置，所以外壁刃脚设计成一个不带收缩口的园形刃脚，考虑搭接钢筋规定长度和刃脚结构高度，刃脚高度按公式(4)计算

　　　　　H＞35d＋h                                   (4)

式中：H外壁刃脚高度，mm；

d竖向钢筋直径，mm；

h结构高度，一般为250mm。

外壁刃脚与直体模板用手动葫芦悬吊，刃脚脱模采取两种方式进行，一是先收缩直体模板，靠模板自重将刃脚压下脱模，另一种是在刃脚和直体之间用手压千斤顶先把刃脚脱离，外壁刃脚结构如图6。

　　3.4　上行砌壁

　　混合作业中一般的整体移动金属模板只能用于下行砌壁，而在冻结段内壁砌壁中和长段单行及平行作业中都要求模板上行砌壁，因此上行砌壁应设计模板上口脱模装置，另外还要增加搭接直体模板，多用模板套内壁施工工艺图，见图5。

图4　外壁刃角结构图

1－直体模板块　　2－千斤顶　　3－外壁刃脚块

图5　MJY型系列多用模板套内壁施工工艺图

1－底卸式吊桶　　2－分料器    3－凿井吊盘　　4－溜灰管

5－稳模装置　　　6－多用模板　7－临时工作盘　8－模板工作台

　　4、工业性试验与应用效果

　　4.1　工业性试验

　　模板的工业性试验主要选择在兖州矿务局济宁三号主井、峰峰矿务局梧桐庄风井及大屯煤电公司姚桥改扩建新主井。三套用多模板在外壁、套内壁和基岩段分别完成585、670m和570m的砌壁，三个井筒中使用的模板均取得较好的经济效益。

　　4.1.1　梧桐庄风井(井径6.0m，深652m)，用一套MJY型模板即可完成井筒各阶段的砌壁任务：冻结段外壁，冻结段内壁和基岩段井壁。为此在满足井筒施工验收规范的前提下，在一套直径6050mm基岩段模板基础上，根据冻结段外壁的要求，在保证模板强度和刚度基本不变的条件下，通过在模板缝间加块达到模板变径需要。多用模板在外壁施工中创造了月进40m的较好水平。套内壁时1993年2月份曾创月进90m的记录，其中包括4m壁座，以上28m为内、外壁一次套砌完成。最快时仅需10h完成一个循环。仅就模板使用本身而言，脱、立模占用时间与其它模板相比，具有省时省力的优点，脱、立模用时最多不超过30min。

　　使用此模板施工，从外壁掘砌到内壁套砌，在井筒规格尺寸及表面质量上都完全符合验收标准，经甲方及质量监督检查部门验收定为优良品工程。因本模板强度、刚度较大，变形小，整体性能稳定可靠，这就为较好的井壁成形打下了坚实的基础。同时每个段高都要重新对中找正，因此不会出现滑偏或旋转情况，确保了井壁质量。

　　4.1.2　大屯姚桥新主井(井径5.5m，深685m)，模板于1991年4月20日开始在井下砌冻结段大壁座，到5月29日共砌壁61个循环，砌筑井壁190m，其中最快循环用8h，最慢用30h(第一段大壁座3.5m高)平均每个砌壁循环用15.74h，平均每天砌壁4.75m，根据进入熟练砌筑阶段40－60段砌壁循环时间的统计，因此正常情况下12h可完成一个循环，砌壁速度可达到6m/d。按此推算，砌壁速度可达月进尺180m。在掘砌基岩段井壁380m时，最高掘进速度达54m/月。

　　4.1.3　济宁三号矿井设计年产5MT，竖井开拓，中央并列通风方式，根据风井、主井施工顺序的排列，利用砌筑风井外壁的Φ7.5m模板变径成可施工主井冻结段外壁的模板，实现两个井筒的冻结段外壁共用一套模板。

　　风井外壁模板经改进后又用于主井外壁施工，完成砌壁370m，其中表土段185m，冻结基岩段185m，其间模板变径三次(Φ8.6m，

Φ8.8m，Φ9.5m)。每次变径一般只需在工作面处理一至二个小班，大大减少了占用井筒的时间，省时方便。利用该套模板冻结段表土外壁施工最高月成井145.5m，冻结基岩段52m，平均月成井为62.5m。

　　4.2  应用效果

　　MJY型系列多用金属模板在国内现有模板的基础上，做了大量研究工作，优化设计了液压系统，纯脱模立模时间可在30min内完成，模板砌壁高度完成了两个段高的可调性。搭接口改为Ｔ型结构，增加了弧形槽钢导向装置，使模板伸缩口更密贴，脱模更灵活。新型工作台满足了浇注和振捣操作需要。在多用途模板设计中，通过加块解决了模板变径问题，冻结段外壁刃脚需要绑扎钢筋，先分离刃脚再脱模，解决了冻结段使用整体下移大模板绑扎钢筋的矛盾，在模板上口增加稳模装置，首次实现利用整体金属模板套壁，在模板设计使用上取得了重大突破。增加小加块模板，可用于冻结段外壁下行砌壁。模板砌壁直径为4.5～8.5m，段高2.5～4m按0.5m级差递增幅度完成了模板系列化设计。使模板设计更加合理适用。经过有代表性的三个井筒井下工业性试验和其它井筒模板正常使用证明：该模板实现了单伸缩口液压脱模立模，操作简单，液压系统动作安全可靠，减轻了工人的劳动强度，缩短了砌壁辅助时间，砌筑的混凝土井壁成型质量有保障，技术上为国内首创和居国际先进水平。

　　自从MJY型系列多用金属模板研制以来，已先后为兖州、大屯、淮南、平顶山、轩岗、徐州、峰峰和铜陵等矿区立井设计了近50套MJY型模板，目前许多井筒已完成砌筑井壁工作，还有许多仍在井下使用(或近期使用)，实践证明已实现了模板系列化。在济宁三号主、副井和大屯姚桥新主井和梧桐庄风井等近10个立井中实现了一模多用，其中梧桐庄风井已完成风井外壁160m，内壁510m的施工任务，节省了两套模板，降低成本和节省临时支护费用共计158.6万元。其它推广使用的井筒平均按百米节省20.8万元计，已获直接经济效益约2969.8万元。使用多用模板能减轻工人的劳动强度、改善了井下作业环境、操作安全可靠。由于使用多用模板砌筑井壁整体成形好，井壁质量也有了很大提高。使用多用模板操作速度快，且节省了辅助时间。在已使用多用模板施工的井筒中，月进100m以上的就有10例，见表2。由于加快立井凿井速度，每个矿井可提前3～4个月投产，由此带来间接的经济和社会效益是非常巨大的。

　　表2

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