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        靜態(tài)破碎在副立井井壁修復(fù)中的應(yīng)用實踐

        2016-01-01 00:00:00盧明皎姜新才田建設(shè)李昂
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年2期

        摘 要:文章以陜西省麟游縣園子溝煤礦副立井井壁-566.00m~-573.2m破壞段作為工程背景,研究該破壞段井壁返修實踐應(yīng)用技術(shù)。依據(jù)靜壓破碎原理修復(fù)破壞段井壁,在井壁破除中選用靜態(tài)破碎劑,并通過現(xiàn)場試驗開展了應(yīng)用前、后效果對比分析。實踐結(jié)果表明,該方法切實可行,具有節(jié)省材料、降低工程造價、縮短返修工期、減少圍巖擾動破壞影響等優(yōu)點。該方法的成功應(yīng)用可為類似工程提供參考依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo),值得推廣借鑒。

        關(guān)健詞:靜態(tài)破碎;副立井井筒;井壁修復(fù);應(yīng)用實踐

        1 工程背景

        1.1 副立井井筒概況

        園子溝礦井位于陜西省麟游縣境內(nèi),井田北以陜、甘為界,南以礦權(quán)邊界線為界,西以麟游區(qū)邊界為界,東以無煤區(qū)與丈八井田相隔。井田東西長12.2~20.4km,南北長5.3~13.2km,面積241.5km2。該礦井采用“三條立井”單一水平開拓全井田,設(shè)計井筒施工采用凍結(jié)法施工,凍結(jié)段井筒采用雙層井壁結(jié)構(gòu)。

        園子溝礦副立井井筒設(shè)計井深616.42m,井筒凈直徑9.2m,最大開挖直徑11.9m,井筒凈斷面S凈=66.48m2,鋼筋混凝土支護(hù)(厚度1350~650mm),井筒上部采用凍結(jié)法施工,凍結(jié)深度365m;下部采用普通法施工。井筒共分為四個部分:井口鎖口段、凍結(jié)段、井筒基巖段、副井井底與井底車場連接處及井底水窩段:

        (1)井口鎖口段(±0~-7m段)。設(shè)計臨時支護(hù)為磚砌,支護(hù)厚度1000mm。掘進(jìn)斷面S掘=98.52m2。

        (2)凍結(jié)段(-7~-350.42m段)。-7~-350.42m為雙層井壁段,設(shè)計為雙層井壁,雙層鋼筋混凝土澆筑。其中-7~-204.42m段:掘進(jìn)斷面S掘=98.52m2,壁厚1000mm,內(nèi)壁厚550mm,外壁厚450mm,內(nèi)壁為C50砼,外壁為C40砼。-204.42~-350.42m段:掘進(jìn)斷面S掘=111.22m2,壁厚1350mm,內(nèi)壁厚900mm,外壁厚450mm,內(nèi)壁為C60砼,外壁為C40砼。

        (3)井筒基巖段(-354.42~-587.5m段)。-354.42~-567.5m段,掘進(jìn)斷面S掘=86.59m2,設(shè)計為C50鋼筋混凝土支護(hù),支護(hù)厚度為650mm。-567.5~-580.5m段,掘進(jìn)斷面S掘=88.25m2,設(shè)計為C50鋼筋混凝土支護(hù),支護(hù)厚度為700mm。

        (4)副井井底與井底車場連接處及井底水窩段(-580.5~-616.43m段)。

        1.2 井壁變形破壞情況

        園子溝礦副立井井壁在施工完成后發(fā)生局部井壁變形破壞,破壞段位于-566.00m~-573.2m,其井筒分兩模澆筑完成,模板段高3.6m,分二段施工,施工起始時間2013年11月27日~11月30日,累計砼使用方量230m3(設(shè)計方量為156.6m3)。破壞情況如下:

        (1)井筒北側(cè):設(shè)備通道底板預(yù)留梁窩處至北側(cè)馬頭門頂板之間出現(xiàn)豎向裂隙,并且局部保護(hù)層開裂掉落,外露的內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋出現(xiàn)整體向外彎曲。

        (2)井筒南側(cè):安全通道底板預(yù)留梁窩處至南側(cè)馬頭門頂板之間出現(xiàn)縱裂隙,并且局部保護(hù)層開裂掉落,外露的內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋出現(xiàn)整體向外彎曲。如圖1所示。

        1.3 井壁變形破壞原因分析

        結(jié)合上述園子溝礦副立井井壁-566.00m~-573.2m破壞情況,總結(jié)得出以下幾點破壞原因:

        (1)變形段井壁位于軟弱巖層群處,巖石強度均不高,承載能力低;(2)泥質(zhì)成分含量高,遇水弱化程度高;(3)井筒淋水導(dǎo)致泥巖膨脹、弱化;(4)馬頭門、行人通道及設(shè)備通道構(gòu)成南北向弱面、地層傾向及地質(zhì)構(gòu)造原因,受東西向地應(yīng)力擠壓,導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn);(5)處于硐室巷道群,相互影響互相擾動嚴(yán)重、開挖面積大,巖石承壓能力減弱;(6)該段處于井底部位馬頭門斷面大,應(yīng)力釋放的主要區(qū)域。

        2 井壁破壞段破除機理分析

        為了返修園子溝礦井副立井-566.00m~-573.2m破壞段井壁,需要先破除原有的鋼筋混凝土井壁,破除方法盡量采用圍巖無擾動的破除技術(shù),故此選用靜壓破碎原理。靜態(tài)破碎是利用裝入鉆孔中的靜態(tài)破碎劑的水化反應(yīng)做功破壞介質(zhì)[1-6],水化反應(yīng)表示為:

        CaO+H2O→Ca(OH)2+6.5×104J (1)

        當(dāng)CaO轉(zhuǎn)變?yōu)镃a(OH)2時,其晶體由立方體轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)三方偏三角面晶體,這種晶型的變化會引起晶體體積的膨脹。根據(jù)測定,在自由膨脹的前提下,反應(yīng)后的體積可增大1.3~1.4倍。膨脹壓力緩慢的施加給孔壁,經(jīng)過一段時間后壓力可上升到30MPa~40MPa介質(zhì)在這種壓力作用下會產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力,使脆性材料在拉伸應(yīng)力作用下,沿鉆孔之間產(chǎn)生裂縫,隨著膨脹壓力的增加裂隙逐漸擴展成裂縫,繼而導(dǎo)致介質(zhì)破壞。

        3 工程應(yīng)用

        依據(jù)文章靜壓破碎原理,在井壁破除中選用靜態(tài)破碎劑,其方案如下。

        3.1 初始破除方案

        破除段井壁混凝土強度C50,壁厚700mm,井壁主筋雙層Ф25。砼破除采用人工配合G9風(fēng)鎬開挖。巖體開擴刷采用人工配合G9風(fēng)鎬開挖,原鋼筋、網(wǎng)片采用氧氣割切除。井筒破裂段-566.00~-573.20m由下向上分四部分破除,每段破除寬度為7.23m(井筒周長的1/4),每次開挖段高為7.2m,破除順序:先北側(cè)→南側(cè)→東側(cè)→最后西側(cè)。破除后井筒擴刷(開挖)直徑要達(dá)到Φ11.4m,設(shè)計臨時噴砼支護(hù)100mm。

        按原始破除方案施工時由于C50混凝土強度高,未破壞部分井壁完好單純用人工風(fēng)鎬開挖每班開挖量約1.5m3且損壞大量鉗頭,費時費力,耽誤工期,直接影響到副井永久裝備和礦井的投產(chǎn)。

        3.2 改進(jìn)方案

        在初始井壁破壞方案的基礎(chǔ)上,采用靜態(tài)破碎劑與人工風(fēng)鎬開挖配合施工技術(shù)。其操作步驟為鉆孔→濕潤→裝孔→封口→開裂。施工工藝和施工技術(shù)如下:

        3.2.1 施工工藝

        (1)布眼前首先確定至少有一個以上自由面(臨空面),鉆孔方向應(yīng)盡可能做到與自由面平行;切割混凝土?xí)r同一排鉆孔應(yīng)盡可能保持在一個平面上;(2)使用鉆機鉆好孔后,應(yīng)用高壓風(fēng)吹洗干凈,孔口旁應(yīng)干凈無土無渣;(3)經(jīng)過試驗,水灰比(質(zhì)量比)0.2:1時,靜態(tài)破碎劑有最大的膨脹壓力。因膨脹劑有少些腐蝕性應(yīng)帶橡皮手套,裝藥深度為孔深的100%;(4)水平方向和向上的鉆孔,可用比鉆孔直徑稍小的高強度長纖維袋(水炮泥袋)裝入藥劑,按一個操作循環(huán)所需要的藥卷數(shù)量,放在盆中倒入潔凈水完全浸泡,50秒后藥卷充分濕潤、完全不冒氣泡時,取出藥卷從孔底開始逐條裝入并捅緊,密實地裝填到孔口,即集中浸泡,充分浸透,逐條裝入,孔口用失效錨固劑封上保證水分藥劑不流出、不沖孔;(5)每次拌藥量不能超過實際能夠完成的工作量。在浸泡過程中,取藥、加水、濕潤、裝孔過程應(yīng)基本保持一致,可以讓每個孔內(nèi)藥劑的最大膨脹壓基本保持同期出現(xiàn),有利于混凝土的破碎;(6)濕潤過程中已經(jīng)開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的藥劑不容許裝入孔內(nèi),從藥劑加入水到灌裝完成,這個過程的時間不能超過10分鐘,否則容易沖孔;(7)裝藥后,經(jīng)過24小時反應(yīng)時間介質(zhì)即可自然開

        裂。

        3.2.2 施工技術(shù)參數(shù)

        施工技術(shù)參數(shù)如表1所示。

        表1 施工技術(shù)參數(shù)

        3.2.3 施工準(zhǔn)備

        根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁?、藥劑溫度、拌水溫度、被破碎體溫度、是否與要求相符;檢查藥劑包裝是否破損。操作前確定已準(zhǔn)備好以下材料物品:(1)藥劑;(2)潔凈水;(3)水桶、拌合盆;(4)捅棍;(5)防護(hù)眼鏡;(6)橡膠手套;(7)備用潔凈水和毛巾。

        3.3 應(yīng)用效果對比分析

        在園子溝礦井副立井-566.00m~-573.2m破壞段井壁返修期間,采用靜態(tài)破碎劑應(yīng)用于現(xiàn)場實踐中,該靜態(tài)破碎劑應(yīng)用實踐效果如圖2所示。

        通過圖2中(a-c)對比可看出:裝藥前與藥劑反應(yīng)后,靜態(tài)破碎劑已經(jīng)明顯改變了高強混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其破損出現(xiàn)明顯裂痕,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不再致密堅硬。配合人工風(fēng)鎬開挖每班破除量可達(dá)到5~6m3,提高人工效率3~4倍,顯著縮短了施工工期,減少了材料消耗。

        4 實踐成果

        (1)靜態(tài)破碎劑可顯著改善高強混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其

        破損出現(xiàn)明顯裂痕。(2)本次創(chuàng)新應(yīng)用過期錨固劑拌合作為封口材料,封口效果良好達(dá)到廢物利用效果且有效的避免了沖孔的危險。(3)利用比鉆孔直徑稍小的高強度長纖維袋(水炮泥袋)裝入藥劑與水反應(yīng)可避免腐蝕、控制裝藥時間、避免沖孔。(4)靜態(tài)破碎劑配合人工施工可廣泛的適用于大理石、花崗巖等石材開采,也適用于各種鋼筋混凝土建筑物的挖掘(破壞)。(5)靜態(tài)破碎劑有少些腐蝕性應(yīng)帶橡皮手套操作,戴好安全帽、防護(hù)眼鏡、穿好勞保用品,現(xiàn)場應(yīng)專門準(zhǔn)備好清水和毛巾,沖孔時入藥劑濺入眼內(nèi)和皮膚上,應(yīng)立即用清水沖洗。

        參考文獻(xiàn)

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        作者簡介:盧明皎(1987,12-),男,陜西商洛,本科,助理工程師,主要從事煤礦掘進(jìn)支護(hù)等方面的研究工作,現(xiàn)為陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司技術(shù)員。

        姜新才(1970,9-),男,陜西銅川,本科,高級工程師,主要從事煤礦安全方面的研究工作,現(xiàn)為陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司安全副總工程師兼安全監(jiān)察部經(jīng)理。

        田建設(shè)(1973,5-),男,陜西富平,本科,高級工程師,主要從事煤礦生產(chǎn)、運營、管理、技術(shù)等方面的研究工作,現(xiàn)為陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司副總經(jīng)理兼總工程師。

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