大龙论文37：千米深井井筒与井塔平行施工技术

发布时间:2024-05-23

千米深井井筒与井塔平行施工技术

赵明祥 龙志阳  杨永军  

金诚信矿业管理股份有限公司，北京，100089

摘 要： 三鑫金铜矿新主井工程井深1086m，井筒施工采用液压伞钻凿岩、中心回转抓岩机装岩、3.8m段高的整体金属大模板砌壁等机械化配套作业线，新主井井塔为现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构，采用滑模施工工艺；为加快施工进度，争取早日投产，采用井筒与井塔平行施工技术，大幅缩短了井筒、井塔建设总工期，缩短工期达14个月，降低了工程成本，经济效益显著。

关键词：千米深井；井筒掘进；混凝土井塔；平行施工

“十一五”期间，预计每年将有300个井筒施工，其中有近15%左右是千米深井井筒，井筒深，工程量大，建设周期长^[1]。而对于主井井筒而言，除了立井井筒的建设，还有地面井塔工程，竖井井筒和井塔的施工顺序，国内一般的施工工艺是先施工竖井井筒后建井塔，国外一般是先施工井塔后利用永久设备施工竖井井筒。以上两种方式都采用了顺序施工的方式，因此造成工期长，由于井筒和井塔工程是项目的关键线路，制约工程建设总工期。竖井井筒与井塔平行施工技术一改传统上井筒与井塔单行作业的思维方式，为竖井井筒及井塔的施工开辟了新思路，在确保施工安全的基础上有效地缩短了井塔、井筒施工总工期，对于矿山建设单位早期投产降低投资压力意义重大。

1 井筒与井塔平行施工技术工艺及应用现状

1.1 井筒与井塔平行施工技术工艺

当采用正掘法施工竖井时，通常在井口工业场地布置提升机、稳车、空压机房、搅拌站等，在井口布置凿井井架、天轮平台、卸矸台，人员、设备、材料等从井口通过提升容器上下井，废石通过吊桶提出地表后采用矿车或卡车运出工业场地到废石场排放，风、水、电缆等也从井口吊挂下井，井口场地被凿井设备、设施占用，不可能同时进行井塔土建施工。传统施工顺序是:竖井掘进、支护到底→井筒装备→拆除凿井设施→井塔基础施工→井塔塔身施工→提升机安装及调试→提升系统试运行。

井筒与井塔平行施工工艺突破了传统的井筒与井塔顺序作业的思维方式，开辟了新思路，通过建立两个可以同时作业的工作面，一个工作面为井筒掘支和井筒装备施工，另一个工作面为井塔土建施工及提升设备安装，两个工作面分开形成两个相对独立的系统，避免相互影响，实现了井筒与井塔平行施工。竖井井筒与井塔同时施工技术工艺及示意图如图1、图2所示。

图1 井筒与井塔平行施工技术示意图

目前为止，普遍采用通过措施平硐的方法实现井筒与井塔平行施工。地形条件允许时，可以直接开凿措施平硐，平硐至井口的高差要满足凿井需要及井塔基础承载力的要求^[2]。竖井井筒与井塔同时施工技术在井口标高以下适当位置设计或增设措施平硐、马头门，在平硐中设置小竖井反掘其井筒的上部井颈段，正向刷扩成井。凿井稳绞车布置在地表，平硐及小竖井反掘期间同时开挖永久井塔基础并安装井塔基础外的凿井设备。当井塔混凝土砌筑施工至第一层平台后安装凿井设施的三盘两台，然后下掘井筒并同时平行施工上部混凝土井塔工程。井筒掘进碴石从平硐运输，给井塔的砌筑施工提供了空间上的有利条件。当平硐至井口的高差不足或地形条件不能满足开挖措施平硐的要求时，需采取措施增加高差，常用的方法是以斜井或者斜坡道代替措施平硐。

图2 井筒与井塔同时施工装备图

1.2 井筒与井塔平行施工技术应用现状

井筒与井塔平行施工技术为金诚信矿业管理股份有限公司部级工法，已成功在武山铜矿新主井工程、内蒙古黄岗铁矿Ⅰ矿区混合井工程、鸡冠嘴金矿二期扩建工程混合井工程等多个工程中得到成功应用。

武山铜矿新主井工程井筒深度756m，净径5.6m，掘进断面31.17m²，主井井塔为钢筋混凝土结构，高度75m，平面尺寸18m×15.5m。本工程采用了井筒与井塔平行施工作业技术，井筒施工采用了中心回转抓岩机、整体滑模、伞钻等机械化配套作业线，井塔施工中采用了较先进的滑模浇筑工艺，缩短建设工期231天，为该矿的二期技改工程早日建成投产做出了重要贡献，取得了很好的经济效益，创造综合经济效益1232.5万元。

内蒙古黄岗铁矿ⅠI矿区混合井工程井筒深度611m，净径6.0m，井筒净断面为28.26m²，井颈段为钢筋混凝土支护，其余喷混凝土支护。混合井井塔高度70.6m，平面尺寸17m×14m。本工程采用了井筒与井塔平行施工作业技术，井筒施工中，采用了中心回转抓岩机、整体滑模、伞钻等机械化配套作业线，井塔施工采用了较先进的滑模浇筑工艺；工期比原计划提前6个月，为该矿早日建成投产做出了重要贡献，新增产值2538万元，节约工程成本733万元。

以上几个矿井应用井筒与井塔平行施工技术，工期大幅度缩短，经济效益显著，但其深度均不足千米，随着地下开采深度的增加，新井开凿和老矿改扩建，矿井施工正向深井过渡，千米深井施工技术及装备已成为我国建井行业关注的焦点。三鑫新主井工程井深1086m，属千米深井，在千米深井中应用此技术尚属首次，此技术在千米深井中的成功应用，必将为我国千米深井建井技术革新做出重大贡献，对于带动我国矿山产业整体技术水平的提升，推动行业的技术进步具有重要作用。

2 工程概况

湖北三鑫金铜股份有限公司金铜矿位于湖北省大冶市城西4.2km,与铜绿山铜矿毗邻，其采选改扩建工程采矿工程设计生产能力为3000t/d，采用竖井开拓方式，在老主井旁新建一条新主井，新主井为矿、废石提升明竖井，井筒净直径4.5m,井深1086m（ 46m至-1040m），现浇混凝土支护，钢丝绳罐道。新主井井筒位于铜绿山火成岩体上，井筒所穿岩层为石英二长玢岩，f=8～10。新主井的提升井塔场地位于鸡冠山破碎带之上，场地较平整，井塔采用现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构形式，基础采用冲孔灌注桩，主体结构设计使用年限为50a，楼高7层，高78.3m，平面尺寸16m×15m，设计地坪标高 46.15m。新主井工程是整个采选改扩建工程的关键工程，工期紧，任务重，质量要求高，为此，根据新主井井筒特点、地形条件等因素，确定采取井筒与井塔平行施工技术方案，同时加强施工组织管理，确保实现安全、优质、快速施工。目前本工程正在施工中。

3 井筒施工

根据新主井及附属工程结构形式、设计参数、工程量大小，考虑到工程水文地质条件，以及我公司的装备水平和施工经验，为了加快施工进度，缩短施工工期，确定采用井塔和井筒平行施工方案。由于井筒掘进断面小，凿井设备多，井筒凿井装备布置较难，再加上地面场地狭小，为稳车群布置带来了一定的难度。井筒施工中，配备了中心回转抓岩机、整体液压金属大模板、液压伞钻等先进的机械化配套设施，采用光面控制爆破，短段掘砌，混合作业的施工方式。

3.1 措施平硐

措施平硐与井口高差确定原则：平硐至井口的井筒（井颈段）高度加上临时小井架的高度能够满足凿井提升设备的翻矸及提升过卷高度；满足井塔基础受力要求。

由于现场已有 27m措施平硐，平硐至井口高差19m，经过计算确定可满足凿井需要及井塔基础受力要求。综合考虑井筒周围地形，根据有利于施工的原则，充分利用现有条件，经过研究确定在现有系统 27m水平施工措施联道工程，在 27m水平直接与新主井贯通。 27m水平措施联道断面设计主要考虑无轨铲运机运行，根据铲运机尺寸及行人等综合考虑， 27m措施联道断面规格为：宽×高：2.9m×3.15m，三分之一三心拱断面，巷道断面积为8.5m²，支护采用超前管棚支架，托住土层，再架u型钢拱架立模，连同底板一起浇灌。遇到风化严重的地段需要采用喷射混凝土或喷锚网联合支护及浇灌混凝土支护,混凝土支护厚度为拱墙等厚，均为250mm，强度为C30；喷射混凝土支护厚度为100mm，强度为C20。

3.2 翻矸系统

在 38m标高处布置翻矸平台，并在对应标高设置翻矸硐室（见图2），安装翻矸座钩装置，设置排矸斜井承接存放矸石，在 27m平硐废石运输巷上设置放矸硐室，安装一台振动放矿机，将矸石装入矿车拉到地表排废场。

3.3 提绞系统

（1）在井口安装非标小井架（见图3）及井口天轮平台，设计小井架高5m，天轮平台：4×4m，小井架结构应满足提升及悬吊承载要求。

（2）采用3台JZ-25/ 1000A型稳车悬吊3层吊盘，同时2台兼作稳绳稳车。为了保证吊盘平稳升降，3台稳车同型号、同规格，并采用一台调绳器控制绳速。

（3）采用1台JZ-16/ 1000型稳车悬吊中心回转抓岩机兼作液压伞钻夺钩。

（4）采用1台JZ-10/ 1000型稳车悬吊5段安全梯。

（5）采用3台JZ-16/1000稳车悬吊整体金属大模板。

（6）采用1台JZ-16/1000吊挂电缆

（7）选用1台JK-3.0×2.2型凿井提升机，配4.0m³座钩式矸石吊桶提碴，下放伞钻、上下人员及材料，井筒掘进的岩石装吊桶提升到 27m中段后座钩翻矸再通过溜槽装入矿车运输至业主指定场地。

3.4 施工方法

凿井施工主要通过 27m平硐进行，从而为井塔平行施工让出场地，井架提升设施布置在地表，卷扬、稳车、天轮平台、搅拌站全部安装在 46m平台。天轮平台及井口进行密封，井塔施工时预留钢丝绳绳孔，钢丝绳从预留孔穿出。除混凝土从 46m平台下外（ 27m平硐接灰，底卸式吊桶下灰），所有的设备材料、人员都从 27m平台上下。为了实现井筒掘砌、地面永久井塔平行施工，在 27m平硐增加双马头门、伞钻维修硐室、卸矸硐室、卸矸溜井、运输平巷等措施工程（见图2）。

图3 井筒与井塔平行施工照片

左上：非标小井架 右上：伞钻维修硐室

左下：措施平硐 右下：井颈段掘进

井颈段以表土层施工为主，为了加快装岩效率，开始阶段临时安装长绳悬吊式抓岩机装岩（见图2），当工作面至吊盘距离允许安装中心回转抓岩机时，装备中心回转抓岩机HZ-4，井颈部分采用500～600mm厚的双层钢筋混凝土支护，钢筋保护层厚度为40mm，混凝土强度等级为C30。进入基岩段后，为了加快施工进度，提高凿井效率，井筒基岩段采用中深孔全断面光面控制爆破，短段掘砌混合作业的施工方式，掘进段高3.8m。采用液压伞钻YSJZ3.6凿岩，中心回转抓岩机HZ-4配合4m³吊桶装岩，3.8m段高的整体液压金属大模板砌壁的机械化配套施工方案，井筒不良岩层段采用500mm厚的素混凝土支护，井筒正常段采用300mm厚的素混凝土支护，混凝土强度等级均为C30。

3.5 贯通方案

根据采选改扩建工程采矿工程总体设计，整个工程分为三部分，新主井、新风井、盲回风井及溜井三个区域，三个区域同时开工。盲风井到底后临时改绞，在-1040m水平首先实现与新主井贯通，然后继续施工与副井贯通，新风井到底后，临时改绞，在-970m水平施工中段石门等工程，与副井、新主井、盲回风井等进行贯通，新主井竣工后利用永久提升施工矿石、废石溜井等。

4 井塔施工

4.1 井塔施工

新主井的提升井塔为现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构，基础采用冲孔灌注桩，主体结构设计使用年限为50a。高78.3m，平面尺寸16m×15m，设计地坪标高 46.15m。本井塔工程遵循先地下后地上，先基础后上部，先结构后建筑先室内后室外，各专业适时交叉进行的总体施工原则。

井塔主体采用较为先进的滑模施工工艺，考虑优化施工工期，采用“滑一打一”的方法，即滑一层筒壁浇筑一层梁板，井塔施工和井筒同步施工。基础为人工挖孔桩基础，设桩帽、承台、基础梁。在基础梁顶-3.00m处组装滑模机具后进行滑模施工,钢梯、上人钢平台采取提前制作，在滑模过程中随时安装，作为上人通道，凸出外墙面的窗套影响滑模施工，为加快施工进度，主体墙、柱滑模施工时先不做窗套，采取安装成品窗套或二次装修的方式处理。滑模高度1.5m，液压升降装置依靠纵向受力钢筋提升整体模板，一次提升0.5m，浇灌混凝土，然后绑筋，完成一个浇筑循环。布置一台建筑塔吊垂直运输，塔吊随井塔施工而不断增加高度。

4.2 井筒装备

新主井井塔配备多绳塔式提升机，型号JKM-3.5×4，新主井设计有7m3底卸式箕斗一个，配平衡锤，钢丝绳罐道6根（箕斗2根、平衡锤2根），井筒底部有设计有计量系统，皮带转载系统，还设计有井底刚性罐道8层、挡罐梁层、粉矿回收系统和钢丝绳罐道张紧系统等。井筒装备安装自下而上进行。

井塔土建施工完成后，进行井塔起重机和提升机安装，同时井下进行井筒装备安装，同步完成，对接，调试，再担负溜井施工废石提升。

5 安全防范措施

认真贯彻“安全第一，预防为主，综合治理”的方针，根据国家的有关规定、条例，结合施工单位实际情况和工程具体特点，组成专职安全员和班组兼职安全员等参加的安全生产管理网络，执行安全生产责任制，明确各级人员的安全责任，抓好工程的安全生产。建立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。

5.1 主要防护措施

（1）井塔基础坑要和凿井设备布置同时施工，凿井设备一旦布置完毕，竖井施工期间严禁在井口周围进行爆破作业。

（2）在井塔施工完第一层平台前，暂停竖井的施工。

（3）为防止井塔施工期坠落物的冲击，采用保护盘将井塔第一层平台井筒上方的提升孔封闭，保护盘的强度和抗冲击性能按照井塔土建施工时可能的最大坠落件计算。

（4）井塔施工期间要对可能受土建施工安全危害的稳车或提升机采取防护措施，以免坠落物砸坏设备引发安全事故。

（5）在井塔外围搭设钢丝绳廊道，钢丝绳通过预埋管穿过井塔围护墙。在提升机、稳车布置时，尽可能对称布置，同时又要避免钢丝绳穿过结构柱或梁。

（6）为了避免影响钢丝绳，当井塔采用滑模施工时，滑模要在高出天轮平台水平位置后开始组装滑升。

（7） 井塔内梁板预留的吊装孔、提升孔利用型钢、钢板进行全封闭。

（8）竖井井口及进入建筑物内部的过道及主要入口处以及井塔施工高处坠落的范围内都必须搭设防护棚并设醒目安全标志。防护棚利用钢管搭设，顶部用木跳板进行密闭。

5.2 其它安全措施

（1）加强安全教育，认真学习并严格执行各项安全操作规程。

（2）各种特殊工种必须持证上岗。

（3）高空作业人员必须通过体检，工作时必须佩带齐全劳动防护用品。

（4）加强各种施工设备、设施的检查与维护，确保设备运转正常。

6 施工工期及经济效益

6.1 施工工期

详细施工工期见图4。图中分别根据采取井筒与井塔平行施工工艺和传统的顺序作业方式进行了工程排队，并进行了对比分析。本工程利用了原有的 27m措施平硐，使得平硐开挖工程量相对减少，因此对井筒、井塔建设总工期影响小，仅影响一个月时间。图中上半部分采取井筒与井塔同时施工工艺，根据此工艺进行了工期排队，从施工准备到联合调试完成共23.5个月；下半部分是根据传统顺序作业的施工工艺进行工期排队，建设总工期为37.5个月；由于井塔工程及井筒装备建设工期长，采用井筒与井塔同时施工工艺比传统工艺缩短建井工期14个月，大大缩短了建井总工期，对于矿山建设单位早期投产降低投资压力意义重大。

此外在平行施工工艺中，井塔工程在施工主体工程及装修工程时，由于其不在主要矛盾线上，总时差较多， 可调整余地大。而采用传统工艺，主体工程在关键路线上，工期不确定性因素多，经常导致工期延误，从而拖延建井总工期。

6.2 经济效益

本工程应用井筒与井塔平行施工技术，将缩短井筒、井塔建设总工期14个月，为该矿的采选改扩建工程早日建成投产做出了重要贡献，取得了很好的经济效益，降低工程成本1451.1万元，预计新增产值5686.2万元。

表1 经济效益表

7 结语

（1）井筒与井塔平行施工工艺在国内千米深井中尚属首次使用，技术含量高。此工艺在千米深井中的成功应用将促进我国建井行业技术革新，带动我国矿山产业整体技术水平的提升，推动行业的技术进步，值得在国内进行推广应用。

（2）千米深井井筒采用井筒与井塔平行施工工艺，配备液压伞钻凿岩、中心回转出矸，整体金属大模板砌壁的机械化凿井设备，采用全断面光面控制爆破，短段掘砌混合作业的施工方式，能够大幅加快工程进度，缩短建井总工期。对于井塔工期长、设备安装工期长的工程效果尤其明显。此外应用此工艺能够降低工程成本,经济效益显著。

（3）井筒与井塔平行施工技术需根据地形条件布置措施平硐，有利的地形条件可以减少大量措施工程，降低工程难度，此工艺在丘陵地区较容易实现，在平原地区应用井筒与井塔平行施工技术难度较大，可采取打斜井或者斜坡道的措施代替平硐。

（4）井筒与井塔平行施工技术工艺复杂，在施工中，两个工作面平行作业，对管理要求高，一定要做好安全防范措施。

（5）主井井筒到底后，井筒进行装备，可利用其永久提升系统，采用箕斗提升矸石，提高矿井基本建设期间出矸效率。

[参考文献]

[1]龙志阳，桂良玉.千米深井凿井技术研究[A].建井技术，2011，（1/2）：15-20.

[2]李红辉，王友成.井筒与井塔同时施工技术[J].中国矿山工程，2009，（5）：1-4.

作者简介

赵明祥（1980—），男，山东聊城人，硕士，工程师。2005年毕业于煤炭科学研究总院，2005～2012年在煤科院从事冻结法特殊凿井施工技术研究，2012年至今在金诚信矿业管理股份有限公司新技术研发中心从事矿建现场施工技术、科研、工程管理等工作，发表论文多篇。