井巷工程第十一章立井设计与施工

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1、11立井设计与施工,井巷工程11,第十一章立井的设计与施工,11.1概述 主要进出口咽喉工程 工程量占5%，工期占4050% 主井 副井 风井 井颈、井身、井底 延深,11.2立井井筒断面设计,11.2.1提升容器的选择 箕斗、罐笼 单绳、多绳 刚性罐道、钢丝绳罐道（柔性罐道）,11.2.2井筒装备 指安设在井筒内的空间结构物，主要包括罐道、罐梁、梯子间、管路电费、过卷装置，以及井口和井底金属支承结构等。 刚性罐道需在井筒内设置罐道梁，柔性罐道不用设置罐道梁，但要在井口或井底设置张紧装置。,11.2.2.1刚性罐道,图103刚性罐道的形式 a木罐道；b钢轨罐道；c槽钢组合罐道；d球扁钢组合罐道

2、； e内弯形热轧罐道；f方形钢管热轧罐道；g盆形热轧罐道；h帽顶形热轧罐道；,木罐道 钢轨罐道 钢轨罐道 槽钢组合罐道 球扁钢组合罐道 内弯形热轧罐道 方形钢管热轧罐道 盆形热轧罐道 帽顶形热轧罐道,图10-4型钢组合罐道和滚动罐耳 1型钢组合罐道；2滚轮；3罐道梁； 4滚动罐耳底座（固定在罐笼上）； 5滚轮支座；6轴承,11.2.2. 2柔性罐道 一般为钢丝绳罐道，分上张紧和下张紧： 上张紧方式井筒装备主要有：罐道钢丝绳、防撞和制动钢丝绳、天轮、拉紧装置、提升容器的导向装置、井口及井底的局部刚性罐道、中间水平的稳罐装置。,图10-5 钢丝绳罐道布置形式,钢丝绳罐道的张紧方式可以是地面液压张紧

3、，也可以是井下重锤张紧。地面张紧可以减少井下水窝的深度，从而使井筒的总深度减少。但地面布置较复杂，井底承接梁易锈蚀，更换钢丝绳较困难。井下张紧方式是在井架上设置承接梁，固定钢丝绳，下端悬吊一定重量的重锤。煤矿安全规程规定：采用钢丝绳罐道时，每100m钢丝绳的张紧力不得小于10KN，第每根罐道的最小刚性系数不得小于500N/m。,11.2.2.3罐道梁,在井筒中水平设置的用以固定罐道的梁。 在井筒全深内每隔一定距离设置一层，层间距根据罐道的形式确定。采用钢轨罐道时，标准钢轨长12.5m，需4层固定，故层间距为4.168m，型钢（组合）罐道可采用4m或6m的层间距。罐梁固定可采用梁窝式或锚杆托架。

4、,11.2.2.4其它隔间,梯子间：当立井作为矿井的安全出口时，必须设置梯子间，布置梯子，一般为两跑交错布置。层间距根据罐道梁的层间距确定。 梯子间由梯子、梯子梁和梯子平台组成。梯子间通常布置在井筒一侧，并用隔板（或隔网、隔栅）与提升间、管缆间隔开。梯子间的垂距不得大于8m。有金属梯子间和玻璃钢梯子间。后者可减轻井筒装备的重量，因此其应用也日见增多。 管路电缆间,11.2.3井筒断面布置及尺寸确定,11.2.3.1断面布置 箕斗井和罐笼井布置,图102井筒断面布置形式 1箕斗；2罐笼；3梯子间；4管路电缆间；5罐道梁；6刚性罐道；7钢丝绳罐道 8防坠钢丝绳；9防撞钢丝绳；10托架或悬臂支撑架；

5、11装配式组合架；12平衡锤,11.2.3.2井筒断面尺寸,净断面尺寸（井筒净直径）： 确定布置： 确定断面布置形式 初定罐道及罐梁规格 根据提升间、梯子间、管路间及安全规程规定的各种安全间隙，计算或作图初定井筒直径：6.5m以下以0.5m进级，以上可增加0.2m。,根据已确定的井筒直径，验算罐道梁型号及罐道规格。 根据验算后确定的井筒直径和罐道梁、罐道规格，重新作图，检查断面内的安全间隙，并作必要的调整。 根据通风要求，核算井筒断面，如不满足要求，则最后按通风要求确定井筒净直径。 13.2.3.3通风校核 煤矿安全规程规定：升降人员和物料的井筒，；专为升降物料的井筒，；无提升设备的风井，；根

6、据设计经验，除特殊情况外，设计出的井筒净直径一般都能满足通风要求。如果不能满足要求，井筒净直径要相应增大。,11.2.3.4掘进断面尺寸 净断面尺寸井壁厚度壁后充填厚度,11.3.立井表土施工技术,稳定表土和不稳定表土,稳定表土： 含非饱和水的粘土层 含少量水的砂质粘土层 无水的大孔土层 含水量不大的砾石层,不稳定表土： 淤泥层 含水的砂土层 含饱和水的大孔土层 膨胀土 红色粘土层,11.3.立井表土施工技术,普通施工法： 井圈背板普通施工法 表土开挖一定深度后，先砌筑临时锁口。将事先用槽钢制成的井圈固定于临时锁口中，Z型钩挂在固定好的井圈上，其下端悬挂另一圈井圈。两层井圈之间用木背板封闭土层

7、。如此随着井筒的不断开挖，一圈一圈地悬挂井圈，直到表土掘进完毕。然后由下向上逐渐拆除井圈，逐渐按设计表土段及井颈段支护厚度砌永久支护，最后进行永久锁口的砌筑。该方法一般适用于稳定表土层且厚度不大的土层。,吊挂井壁普通施工法 该法适用于稳定表土短掘短砌作业，施工时先砌好锁口，在其下端预埋S形钩，随着井筒的不断向下掘进，每一圈井壁由S形钩吊挂，表土掘砌完后可直接进行基岩掘进。 板桩法 稳定表土中有厚度不大的不稳定土层时，采用板桩法施工。在掘进不稳定表土时，先沿井壁周围向土层中斜插板桩，在板桩的保护下进行表土的掘砌工作。 超前小井降低水位法 当土层中含有厚度不大的含水层时，采用超前小井的办法，将涌水

8、集中至超前小井中，用水泵排出，井壁支护采用井圈背板临时支护或吊挂井壁支护施工。,特殊施工法： 冻结法： 钻井法； 沉井法； 其它,冻结法,冻结法凿井是在井筒开凿之前，用人工制冷的方法,将井筒周围的岩层冻结成封闭的圆筒冻结壁，以抗抵地压，隔绝地下水与井筒的联系，然后在冻结壁的保护下进行掘砌工作的一种特殊凿井法。冻结法施工示意图见图2-1。 人工制冷的工作原理是：盐水吸收岩层的热，并把这部分热量传绐氨，经压缩机作功后，氨又把这部分热量传给冷却水，冷却水把热量带到大自然中。,1-氨压缩机 2-氨油分离器 3-集油管 4-冷凝器 5-贮氨器 6-调节阀 7-氨油分离器 8-蒸发器 9-盐水管 10-盐

9、水泵 11-配液管 12-集液管 13-冻结孔 14 冷却水泵 15-水池,图2-1 冻结法凿井示意图 1盐水泵 2蒸发器 3氨液分离器 4氨压缩机 5中间冷却器 6油氨分离器 7集油器 8冷凝器 9贮氨器 10空气分离器 11冷却水泵 12去路盐水干管 13回路盐水干管 14配液器 15集液圈 16冻结器 17井壁 18冻结壁 19水文观察孔 20测量孔,盐水循环:冻结站制出的低温盐水(-30左右)经去路干管、配液圈到供液管底部，沿冻结管和供液管之间的环形空间上升到集液圈、回路干管至冷却站的盐水箱,形成盐水循环。 冷却液循环:以氨为制冷液，故又称为氨循环。利用液氨汽化吸热原理，吸收蒸发器周围

10、盐水中的热量，使盐水温度降低为低温盐水。而液氨则变为气态氨，经压缩机可压缩为过热蒸汽，经冷凝器冷却为高压饱和液氨，再经节流阀减压为低压液态氨流入蒸发器重新汽化，构成氨循环。 冷却水循环:冷凝器中的冷却水不停地流动，把过热蒸汽氨中的热量带走，形成冷却水循环。,钻井法,钻井法示意图 1钻头 2钻杆 3回液槽 4封口平台 5转台 6转盘 7工作台 8排浆槽 9排浆管 10钻塔 11压气管 12水龙头（缓转器） 13钻塔二层台 14游车 15天车 16钢丝绳 17大钩 18方钻杆 19绞车 20门式吊车 21预制井壁 22锁口,钻井设备由钻具系统、旋转系统、提吊系统、洗井系统和其它辅助系统组成。钻具系

11、统的主要功用是使钻头在旋转中破碎工作面岩石。旋转系统转盘产生的旋转扭矩经方钻杆传递给钻杆和钻头，使钻头旋转切削破碎岩石。提吊系统的主要用途是提升或下放钻头，以及在钻进时提吊钻具并调节给进速度，以达到控制钻压的目的，砌井时它提吊和下放并壁。洗井系统一般用反循环洗井。其主要功用是及时清除钻头破碎的岩碴，避免刀具重复破碎岩碴，以提高钻进的速度和效率。同时对刀具进行冷却。洗井液的另一个作用是护壁，以洗井液的自重压力来平衡围岩的地应力，使井壁不产生片帮，同时洗井液的细小颗粒扩散至土层中的裂隙中从而提高土层的强度。洗井液主要采用黄泥浆。,洗井液自沟槽依自重流入并筒，在压气排液器的作用下，洗井液流动冲洗工作

12、面上的岩碴至钻头的吸入口进入钻杆，上升至水龙头，流入排浆管，经溜槽到沉淀池。其主要功用是及时清除钻头破碎的岩碴，避免刀具重复破碎岩碴，以提高钻进的速度和效率。同时对刀具进行冷却。洗井液的另一个作用是护壁，以洗井液的自重压力来平衡围岩的地应力，使井壁不产生片帮，同时洗井液的细小颗粒扩散至土层中的裂隙中从而提高土层的强度。洗井液主要采用黄泥浆。洗井系统的设备主要有水龙头(也叫“缓转器”)，压气排液器、排浆管和溜槽。在地面有沉淀净化和清出岩碴等辅助设备。压气排液器的动力是空气压缩机供给的压缩空气。,沉井法,沉井法是属于超前支护类的一种特殊施工方法，其实质是在井简设计位置上，预制好底部附有刃脚的一段井

13、简，在其掩护下，随着井内的掘进出土，并筒靠其自重克服其外壁与土层间的摩擦阻力和刃脚下部的正面阻力而不断下沉，随着井筒下沉，在地面相应接长并壁，如此周而复始，直至沉到设计标高。这种凿井方法称为沉井法。 淹水沉井的最大优点，是井内灌满水，平衡了井内外的水压差，只要保证井内水位始终高于地下水位，一般不会发生涌砂冒泥的链锁反应。工人不下井，在地面操作劳动条件好，作业安全，井壁质量较好，成本较低。因此在沉井较深，涌水运大，流砂层厚以及不含有较大的砾卵石层的冲积层，通常可采用淹水沉井法施工。,11.4立井基岩施工,概述：大容量吊桶、大斗容抓岩机、大模板（或滑升模板）、大直径提升机、大吨位凿井绞车、伞形钻架

14、、高扬程水泵、信号集中控制等 11.4.1钻眼爆破工作 1）钻眼设备：目前采用较多的是伞钻,2）爆破工作,11.4.2装岩提升工作,11.4.2.1装岩工作 常用的抓岩机：NZQ20.11；长绳悬吊型（HS）；中心回转式（HZ）；环行轨道式（HH）；靠壁式（HK）,图1014中心回转式抓岩机 1抓斗；2机架；3臂杆；4变幅油缸；5回转机构；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,可通过以下几方面来提高装岩生产率： 严格执行设备检修保养制度，提高技术水平，减少机械故障，提高抓岩机的工时利用率。 抓岩机司机要经过严格的技术培训，操作技术要熟练。 选择合理的爆破参数，改

15、进爆破技术，改善岩石的破碎程度，便于装岩。 加深炮眼深度，增加一次爆破的矸石量，相对减少清底时间。 提高提升能力，加大吊桶容积，减少吊桶提升休止时间，充分发挥设备能力。 合理选择抓斗容积和吊桶容积，提高抓斗利用率。 综合治水，打干井，改善作业条件。,11.4.2.2提升工作 1）提升容器及附属装置：提升吊桶、材料吊桶、钩头及联结装置、缓冲器、滑架 2）提升钢丝绳：多层股不旋转钢丝绳 凿井钢丝绳常用的有187和347两种规格。煤矿安全规程规定：用于专为升降人员或提升物料和人员的钢丝绳，其钢丝的韧性应不低于特号标准；而用于升降物料或平衡的钢丝绳则应不低于1号韧性标准。钢丝绳直径一般根据提升的终端荷

16、载、钢丝绳的最大悬长、钢丝绳钢丝的强度和安全系数进行计算确定。对于钢丝绳的安全系数，专门用于提升人员时不低于9，用于提升人员和物料时也不低于9，专门用于提升物料时不低于7.5。,3）提升机 单绳缠绕式提升机，有单滚筒，也有双滚筒 单滚筒提升机 双滚筒提升机 4）提升辅助设施 提升天轮、稳绳及稳绳天轮、稳绳的稳车。 5）井内设备的悬吊稳车,11.4.2.3排矸工作 翻矸方式 排矸方法,图1015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,11.4.3井筒支护工作,11.4.3.1临时支护 井圈背板 锚喷支护 掩护筒,11.4.3.2永久支护 料石井壁 现浇混凝土井壁 （锚喷支护

17、井壁） 支护用模板：液压滑升模板 金属装配式模板 金属整体移动模板,门轴式 门扉式 伸缩式,图1016伸缩式活动模板 a径向收缩式；b插板式；c双楔式 1脱模螺栓；2脱模螺母；3活动小模板；4伸缩螺杆；5固定螺母；槽钢骨圈 7固定钢板；8伸缩螺杆；9模板；10销钉；11脱模启合手把 12铰链；13脱模插板；14模板；15角钢；16螺栓；17钢楔,11.4.4立井施工辅助工作,11.4.4.1通风工作 11.4.4.2井筒涌水治理 11.4.4.3压风和供水工作 11.4.4.4其它辅助工作,11.4.5立井施工设备的布置,11.4.5.1凿井结构物及主要设备 立井井筒施工的主要凿井结构物包括凿

18、井井架、卸矸台、封口盘、固定盘、吊盘、凿井绞车和凿井提升机等。各种凿井结构物的布置如图所示。,图1020立井井筒施工示意图 1天轮平台；2凿井井架；3卸矸台； 4封口盘；5固定盘；6吊桶；7吊盘8吊泵；9抓岩机；10掘进工作面,1）凿井井架、新、 2）天轮平台 3）卸矸台 4）封口盘和固定盘 5）吊盘与稳绳盘 6）提升机与凿井绞车,图1021天轮平台布置图 A边梁；B中梁；C天轮梁 1、2提升天轮；3吊盘天轮；4稳绳天轮；5安全梯天轮；6吊泵天轮； 7压风管天轮；8混凝土输送管天轮；9风筒天轮,图1023井筒施工设备的布置 1主提吊桶；2副提吊桶；3抓岩机；4钢模悬吊绳；5吊盘、动力电缆；6吊

19、盘信号电缆；7吊桶稳绳；8、9吊泵；10供风管、供水管；11风筒；12放炮电缆；13安全梯,11.4.5.2井筒内施工与安全设备布置 1）吊桶的布置 （1）凿井提升机房的位置应不影响永久建筑物施工，并应力争使井架受力比较均衡。 （2）对于罐笼井，吊桶一般布置在永久提升间内，并使提升中心线方向与永久出车方向一致；对开箕斗井，当井筒装配刚性罐道时，至少应有一个吊桶布置在永久提升间内，吊桶的提升中心线可与永久提升中心线平行或垂直，但必须与车场临时绕道的出车方向一致。 （3）吊桶应避开永久罐道梁的位置。另外，吊桶应尽是靠近地面卸矸方向一侧布置。 （4）吊桶与吊桶间、吊桶与井壁间、吊桶与其它悬吊设备间、

20、吊桶与吊盘喇叭口等之间的安全间隙必须满足煤矿安全规程和矿山井巷工作施工及验收规范的有关规定。,2）抓岩机布置 抓岩机的位置要与吊桶位置配合协调，保证工作面抓岩工作不出现死角，有利于提高抓岩生产率。中心回转式抓岩机和长绳悬吊抓岩机应尽量靠近井筒中心布置，同时又不影响井筒中心的测量工作。布置多台抓岩机时，每台抓岩机的抓取面积就大致相等。,3）吊泵布置 吊泵应靠近井帮布置，使之不影响抓岩机工作，为了使吊泵出入进口和接长排水管方便，吊泵必须躲开溜矸槽位置；吊泵与井壁和其它设备间的安全间隙符合煤矿安全规程规定；由于吊泵排水时，重量较大，为使天轮平台受力均衡，吊泵一般与吊桶对称布置；采用接力排水时，吊泵应

21、靠近腰泵房布置，以便主副井共用一套排水系统。当然，有条件时应尽量采用打干井的方式凿井，遇含水层时采用工作面预注浆治水，以简化天轮平台和井内设备布置。,4）安全梯 5）照明与信号,11.4.6立井井筒安装工作,安装工作的内容：罐梁、罐道、管路、电缆、梯子间、和井上下口金属支承结构等。 分次安装 一次安装,11.5立井延深,辅助水平延深法 延深间延深法 反井延深法 延深的保护设施 延深的方案选择,11.6立井井筒施工组织,11.6.1立井井筒施工方式 掘砌单行作业 掘砌平行作业 掘砌混合作业 掘砌安一次成井,11.6.1.1掘砌单行作业 长段单行作业：掘进后先进行临时支护，到一定段高后，拆除临时支

22、护，架设永久支护模板，段内由下而上砌筑永久支护。段高的确定与井筒穿过岩层的性质、涌水量大小、临时支护形式和井筒施工速度有关。段高一般为3040m。最大不超过60m。 短段单行作业：段高一般为24m，不用临时支护，立模时先清除一部分矸石，不清完，在矸石上找平架支模板，浇注混凝土。,临时支护形式： 井圈背板临时支护 锚喷临时支护 掩护筒,11.6.1.2掘砌平行作业 在井筒内相隔一定的距离，掘进和永久支护同时进行。 长段平行作业：工作面进行掘进，其上一定距离外在吊盘上进行砌壁工作。段高相对较大，可采用滑升模板作业。 短掘、短砌平行作业：掘进和支护段高相同，工作面进行掘进，而在吊盘上进行砌壁工作。同

23、时由上而下进行作业。,11.6.1.3掘砌混合作业 掘进和砌壁工作部分平行，使得作业方式既不同于单行作业，又不同于平行作业。目前已被大多数施工企业采用。,11.6.1.4掘砌安一次成井 各种施工作业方式与井筒安装工作在井筒内相隔一定距离同时进行。 根据掘、砌、安三项作业安排的顺序不同，又有三种不同形式的掘砌安一次成井： 掘、砌、安顺序作业一次成井 掘砌、掘安一次成井 掘砌安三行作业一次成井,11.6.2立井施工机械化配套,根据井筒施工条件、施工队伍素质和技术装备情况将凿井施工设备进行优化，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

24、的效能，快速、高效、优质、低耗、安全地完成作业循环。,11.6.2.1立井施工机械化配套原则 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，井筒直径、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、地面排歼与提升能力、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

25、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，要选用寿命长、性能可靠的设备。 （5）配套方式应与施工队伍的素质相适应。要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。,11.6.2.2立井施工机械化配套方案 立井施工机械化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。 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,1）重型设备机械化作业线 重型设备配套机械化作业线及其配套方案适用

26、于井筒直径78m、井筒深度800m以上的大型凿井工程。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，装备水平与国际接近，在今后的深井工程中很有发展和使用前景。,2）轻型设备机械化作业线 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66.5m的井筒工程中仍将作为主要机械化作业线及其配

27、套方案而被推广使用。,3）半机械化作业线 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。这种设备角轻便，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。,11.6.3立井井筒施工组织,11.6.3.1 正规循环作业 11.6.3.1 施工劳动组织,11.6.4 立井施工组织设计的编制,立井施工组织设计的任务就是以项目为对象，围绕施工现场的中心，保证整个施工过程能按部就班地完成全部工作内容，同时，施工组织设计也是施工单位承包具体工程项目后首先要做的前期工作，是为在施工项目中以最少的消耗获取最大经济效益的设计准备工作。,11.6.4.1 立井井筒施工组织设计的编制依据 1) 矿井初步设计文件、矿井施工组织设计及年度施工组织设计,