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河南理工大学《采煤概论》精品课程第三篇井巷掘进与支护第9章立井开凿本章主要内容►第9章立井开凿第一节立井断面形状及尺寸第二节立井普通开凿法第三节特殊凿井方法第四节立井井筒延深思考题第一节立井断面形状与尺寸►一、立井断面形状立井井筒断面分纵断面与横断面。纵断面中有井颈、井身、井底三个部分。横断面形状有圆形、矩形和椭圆形等。横断面的形状根据井筒的用途、服务年限、井筒穿过岩层的性质及所用的支护材料确定。立井多采用圆形断面，这是因为煤矿井筒所通过的地层多数不够稳定，而圆形断面既便于施工又易于维护，还可承受较大的地压。地压小、服务年限不超过15a的小型矿井，有时采用矩形和多角形断面。椭圆形断面一般在改建、扩建旧的矩形断面小井时应用。图9-1立井井筒的组成1-翻笼硐室；2—装载硐室第一节立井断面形状与尺寸►二、立井断面尺寸立井撕面尺寸的大小决定于井筒的用途、设备和所需要通过的风量。为便于采用标准设计，我国煤矿立井净直径按0.5m进级，净直径6.5m以上特殊布置的井筒或小煤窑井筒不在此限。井筒断面布置方式大致有图9-2中的几种。图9-2井筒断面布置方式1－箕斗；2—罐笼；3—梯子间；4—管路电缆间；5—罐道梁；6—罐道；7—钢丝绳罐道；8—防坠钢绳第二节立井普通开凿法►目前，立井施工主要还是凿岩爆破为主的普通施工法。立井施工过程可分为准备工作，表土施工和基岩施工三个部分。在表土施工中，破岩容易，而支护却十分复杂。在基岩中掘进，破岩比较困难，需钻眼爆破，而支护并不太困难。准备工作是为顺利进行表土和基岩施工不可缺少的一步，应该周密细致的考虑和实施。►立井在正常施工阶段，要安装专用凿井井架，并自上而下设置下述供施工用的设施，如图9-3所示。图9—3立井井筒施工示意图1—天轮；2—凿井井架；3—卸矸台；4—排水管；5—井盖门；6—混凝土搅拌机；7—封口盘；8—混凝土输送管；9—固定盘；10—吊泵通过口；11—吊盘上层盘；12—壁座；13—气动绞车；14—吊盘下层盘；15—金属模板；16—吊泵；17—抓岩机；18—吸水龙头；19—卸矸溜槽；20—溜槽闸门21—临时轨道；22—矿车；23—扇风机；24—压风机房；25—稳车；26—提升机房；27—风筒；28—滑架与保护伞；29—稳绳；30—提升钩头；31—吊盘裤叉绳；32—喇叭口；33—吊盘定位丝杠；34—输送混凝立的活节管；35—压风管；36—吊盘折页；37—分风器；38—风筒卡子；39—挂钩；40—井圈；41—背板；42—撑柱；43—吊桶第二节立井普通开凿法凿井井架是专门用于开凿立井而设立的井架，多为装配式金属凿井井架天轮平台井筒内的设备和管路一般均用钢丝绳绕经天轮平台上的天轮由地面稳车悬吊，管路每隔一定距离用专用管卡固定在悬吊钢丝绳上。卸矸台矸石吊桶提至卸矸台上方卸矸，使矸石沿倾斜溜槽装入自翻矿车或汽车，运至排矸地点。封口盘又称井盖，设在井颈上端，用作升降人员、设备、下放材料和拆装各种管路的工作平台。同时，又是保护井上、下工作人员的安全结构物，要求坚固严密。固定盘为了安全，在封口盘下4～8m处还应设置一道固定盘，用梯子和井口相连。吊盘吊盘是进行井筒永久支护施工的工作盘，为金属结构，用一根或两根钢丝绳悬吊在地面稳车上。为使其稳定不翻盘，可做成双层，间距3～4m，根据需要可以升降。稳车稳车设于地面，用于悬吊吊盘、吊泵和各种管路等设备和拉紧稳绳。第二节立井普通开凿法►一、准备工作工程地质、水文地质勘探资料作为设计依据，编制施工组织设计和施工预算，按设计要求进行施工准备。抓好风、水、电、路这些关键环节第二节立井普通开凿法►二、表土施工覆盖在基岩上部直至地表的第四纪、第三纪风化沉积的土、砂、砾石层，统称为表土层。表土挖掘工作应尽量实现机械化，以提高表土段井筒的施工速度和减轻工人的劳动强度。当机械化条件不具备时，亦可用铁锹、风镐或打眼放炮等简单工具和方法。第二节立井普通开凿法三、立井基岩施工►(一)钻眼爆破工作在立井掘进中，凿岩爆破工作是一项主要工序，约占整个循环时间的20～30％。►1．凿岩设备立井钻眼用风钻，与岩巷掘进相似，只是立井打眼是由上向下钻进，所以进行机械化凿岩时，通常是采用吊架(又称钻架)。第二节立井普通开凿法►2.爆破工作1)炸药和雷管的选用立井掘进中多有涌水，岩石又比较坚硬，应选用抗水炸药和采取防潮措施。采用毫秒雷管爆破比普通段发雷管起爆效果好。2)炮眼直径和深度我国现场采用的炮眼直径多为38～42mm，药包直径为32～35mm。眼深一般1.2～2.Om，少数可达3.0—4.5m。3)炮眼数目及排列一般是先确定炮眼排列方式，再根据排列方式确定眼数。4)装药、联线、放炮和通风多用串装药，即将每个炮眼内全部药卷先在地面装入特制的防水纸筒内，在工作面装药时，将长药卷—次装入眼内，做到安全和保证爆破效果，还可以缩短井下装药时间。第二节立井普通开凿法►(二)立井掘进的装岩、提升和排水►1．装岩工作装岩是立井掘进中最繁重最费时的工序，约占循环时间的60%。抓岩机抓岩生产率是单位时间内把矸石装入吊桶的石方量，用m3/h表示。岩石较松软，岩块小而均匀，抓斗就易于插入、合拢、抓得满，效率就高。图9—10靠壁式抓岩机示意图1—抓斗；2—抓斗钢丝绳；3—斜梁；4—拉杆：，5—悬吊钢丝绳；6—提升油缸；7—折臂油缸；8—回转油缸；9—固定锚杆图9—9NZQ2—0.11型抓岩机1—机体；2—抓斗气缸；3—活塞；4—双层活塞杆；5—铰链板；6—片；7—小轴；8—起重器气虹；9—活塞；10—活塞杆；11—护绳环；12—钢丝绳；13、14—配气阀第二节立井普通开凿法►2．提升工作►一般使用的提升容器是吊桶，若提升速度不变，提升能力和吊桶容积成正比。矸石吊桶容积一般为0.5～3.Om3；国外已有4～8m3大吊桶。►加大吊桶容积需有大型提升设备，最好利用永久提升设备。►3．排水工作►若涌水量小于8m3／h,可用压气泵将水排入吊桶带走；若涌水量每小时在8～50m3／h中间时，可用吊泵排水；涌水量再大时，应设中间泵房，中间截水，进行多段排水。►此外，在井筒掘进过程中，还应有良好的照明和信号设备。第二节立井普通开凿法砌筑永久支架使用的材料有料石、浇灌混凝土、喷射混凝土等。►1．料石砌璇►2．整体混凝土井壁施工1)测量2)立模3)混凝土输送4)接茬►3．喷射混凝土井壁施工第三节特殊凿井方法►当遇到流沙、淤泥等不稳定土层时，为实现打干井，并能顺利凿井，就要利用特殊施工方法。►一、板桩法板桩法是在土层开挖前，预先将板桩沿井筒周边外缘密集的打入土中，然后在它的保护下进行掘进。图9—13斜板桩法掘进立井1—木质板桩；2—井圈；3一槽铁圈第三节特殊凿井方法►二、沉井法沉井法就是在土层开挖前，把预制好的永久井壁，按井筒位置沉入土中，然后在它的保护下进行掘进。这种方法可节省临时支护，所通过的土层可比板桩法厚些。图9—14沉井法掘进立井1—井壁；2—刃角；3—垫木；4—导向木；5—撑木；6、7—钢牡绳第三节特殊凿井方法►三、注浆法注浆法是将胶结材料配制成浆液注入地层的裂隙或空洞中去，浆液凝结硬化后堵塞孔隙，裂隙或溶洞，从而达到封闭水源或加固地层的目的。南非的注浆深度已达1500m。根据注浆地点不同分为地面预注浆和工作面预注浆。图9—15地面预注浆钻孔布置示意图d—井筒掘进直径；d±3～4m—钻孔布置直径第三节特殊凿井方法►工作面预注浆是从正在掘进的井筒工作面打若干12～20m深的眼，用泥浆泵把水泥浆压入钻孔内，使水泥浆沿岩层裂缝扩散开去，凝固后塞注裂缝，使水不能流到工作面。图9—16工作面预注浆示意图浆液搅拌机；2—注浆泵；3—输浆管；4—高压软管；5、6、7—阀门；8—注浆孔导向管；9—混凝土止水垫，10—砖层；11—砂浆层；12—油毡层；13—砾石层；14—泄水木盒；15—压力表；16—卸浆管；17—水泵吸水管；18—砾石层注浆管第三节特殊凿井方法►四、混凝土帷幕凿井法是在井筒位置的周围用机械分段钻成槽孔，并钻入基岩一定深度(3～5m)，钻孔时用泥浆护孔，每钻出一小孔就在泥浆中自下而上灌注混凝土，最后使各槽孔的混凝土互相紧密的衔接起来，形成一个圆筒状混凝土帷幕。这时开挖井筒，外部水砂被截不致流入井内掘进工作面，从而使井筒顺利通过含水的松散不稳定地层。鹤岗矿务局目前混凝土帷幕深度已达57m，顺利通过流砂层，与其它凿井法比较，施工速度快，成本较低。在国外，德国帷幕深度已达100m以上。第三节特殊凿井方法►五、冻结法实质是为了防止大量涌水和流沙流向井筒掘进工作面，在井筒开掘之前预先在井筒外围由地表钻一圈冻结孔，孔距为1.0～1.2m，孔径为200—250mm，孔深应穿过风化带进入不透水的稳定基岩10m以上。在冻结孔内安装底端封闭的冻结管，并送入由地面冻结站制成的—20℃～—25℃的盐水，盐水在冻结管中循环并吸收周围土层的热量，使土冻成一个个圆柱，并逐渐扩大交圈而互相连接成一个密闭而坚固的圆筒，然后在这个冻土圆筒的保护下进行井筒掘砌。第三节特殊凿井方法►六、钻井法是利用回转式钻机，将井筒全断面一次钻成或者是分次扩孔钻成，依靠井内充满的泥浆护壁，利用泥浆循环冲洗工作面和提升岩屑，井筒钻成后在泥浆中悬浮下沉井壁进行永久支护。它是一种全面机械化施工方法，我国淮北某矿曾创月进57.46m的好成绩。钻井法有钻进、洗井、下沉井避和壁后注浆固井几个主要工艺过程。第四节立井井筒延深►井筒延深就是将原打井筒加深的工作。根据井筒延深工作面的推进方向，立井井筒延深施工方案基本上可分为自上而下、自下而上或自上、下同时进行延深等几种方案。►一、自上向下延深井筒这种方案又分为利用生产设备延深井筒，利用延深间、梯子间延深井筒和利用辅助水平延深井筒等几种方法。第四节立井井筒延深►(一)利用辅助水平延深井筒这种方法使用较多，它是由生产水平通过暗斜(立)井到达所需延深的井筒之下，建立延深辅助水平，开凿一些为延深井筒服务的巷道和硐室，然后在此水平上进行井筒延深工作。这种方法对生产影响小，可独立延深主井或副井井筒。徐州局权台矿用此法延深了主、副井井筒。利用辅助水平延深井筒需开掘较多巷道，矸石提升和材料下放也要经几次转运。所以，只有在井筒中没有足够的空间或梯子间作延深间，井底车场中没有设置提升机硐室的位置或运输延深所出矸石妨碍正常生产时，才可用这种方法。图9-19某矿主、副井筒延深的巷道布置1—副井;2—主井;3—生产水平井底车场;4—回风暗立井;5—绳道;6—延深用绞车房;7—运输支线;8—暗斜井绞车房;9—暗斜井;10—延深辅助水平第四节立井井筒延深►(二)利用延深间延深井筒若矿井设计时已考虑井筒延深问题而留有延深间，或者井筒内梯子间断面较大时，可以采用这种方法(见图9—23)。图9-23利用延深间或梯子间延深井筒第四节立井井筒延深►二、由下向上延深井筒►这个方案有普通反井延深和吊罐反井延深等，其使用条件是新水平必须事先开拓出部分车场巷道，并以石门或平巷通达井筒中心。图9-24利用反井延伸示意图1—已掘井筒；2—车场巷道；3—反井；4—刷大井筒工作面；5—通往新水平的下山复习思考题1立井断面形状和断面尺寸如何确定？►2立井普通施工法在施工阶段需设置什么设施，并简述其功能？►3简述立井基岩施工的步骤？►4试分析立井支护的常用形式及特点？►5常用的特殊凿井方法有几种，简述其特点？►6简述钻井法凿井的主要工艺过程。►7常用的立井井筒延伸方案有几种，并简述各自的施工特点。