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专利名称：一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411055605.0

专利申请（专利权）人：陕西元盛煤业有限公司
权利人地址：陕西省榆林市横山区赵石畔镇水掌村刘新窑组

专利发明（设计）人：邓启锐,高建峰,刘飞,徐士哲,南忠辉,王杰,孙胜,白世涛,高春越

专利摘要：本发明为一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法，属于煤矿井筒施工技术领域。针对黄嵩界煤矿的主、副井筒在饱和软黄土段无法采用常规支护方法继续掘进的问题，本发明采取以下步骤：1）在开挖荒径两侧布设混凝土灌注桩帷幕；2）在井筒内开挖断面布设超前管棚形成拱顶部帷幕；3）加固巷道底板并交替式向内部掘进。本发明的方法首次以地面施工灌注桩帷幕联合井筒内开挖断面施工拱部超前长管棚的思路，对未掘进井筒两侧的饱和软黄土先行原位改性，再从井筒内部施工超前管棚对开挖断面顶部形成帷幕，两者结合实现对两侧及顶部泥化淤泥的阻挡，使此段施工具备继续向内掘进的条件，逐段交替式施工，最大程度上确保井筒巷道的施工质量。

主权利要求：
1.一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：布设混凝土灌注桩帷幕（1）；
在地面定位巷道的开挖荒径，沿开挖荒径的两侧放样打桩距离及灌注桩的中心点，确定钻孔位置；
根据确定的钻孔位置依次打钻，形成多个灌注孔，在开挖断面两侧采用弧口布置，定位为半径2000mm的弧形走向，打钻的深度进入巷道底板（3）后，继续向下进入坚硬基岩1500~
2000mm内；
依次向每个灌注孔中浇筑混凝土，待凝固后形成混凝土灌注桩帷幕（1），每个混凝土灌注桩的直径为1000mm，且两个相邻的混凝土灌注桩的间距为200mm；
若掘进施工过程中，灌注桩的桩间部位泥化流泥严重且封堵不。绦┕さ诙排灌注桩，第二排灌注桩布设在第一排灌注桩的外侧，并排列在与第一排两个灌注桩之间的间隙处；
S2：布设超前管棚（2）形成拱面支护帷幕；
从井筒内巷道断面分段进行超前管棚（2）施工，在开挖荒径顶部形成拱面支护帷幕，支护完成后向巷道内掘进；
S3：加固巷道底板（3）；
对步骤S2中开挖后的巷道底板（3）进行加固处理，交叉式重复执行步骤S2与步骤S3，直至完成井筒施工。
2.根据权利要求1所述的一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法，其特征在于，在步骤S2中，超前管棚（2）施工采用渐进式分段施工，从支设超前管棚（2），到开挖断面，再到底板加固完成一个循环，具体步骤如下：S21：定位超前管棚（2）的施工角度；
S22：根据巷道内净高及步骤S21定位的角度，确定第一循环施工的管棚长度；
S23：开始第一循环超前管棚（2）的施工，施工完成后，沿掘进方向对巷道断面开挖，开挖至设定距离后，进行下一循环的超前管棚（2）施工；
S24：重复步骤S23，且确保每一循环超前管棚（2）施工完成后，顶部钢拱架（8）支设空顶距离不超过400mm。
3.根据权利要求2所述的一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法，其特征在于，在步骤S23中，超前管棚（2）采用多个直径Φ108mm、厚度8mm的无缝钢管进行套丝连接，除第一循环外，其余每个循环的超前管棚（2）的长度均为15000mm，当拱部两侧无法采用超前管棚（2）施工时，采用直径Φ50mm、长度3000mm的水平小导管管棚施工。
4.根据权利要求3所述的一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法，其特征在于，在步骤S3中，加固巷道底板（3）的步骤具体为：S31：底板开挖至设计标高后布设管桩，并将管桩（6）钉入基岩内；
S32：在管桩（6）上方架设工字钢，将部分管桩（6）与工字钢（5）的底梁焊接；
S33：在工字钢（5）的下方铺设一层胞腔袋（7），按设计要求浇筑混凝土形成稳固的巷道底板（3）。
5.根据权利要求1所述的一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法，其特征在于，在步骤S31中，管桩（6）为直径Φ108mm钢管，且管桩（6）采用梅花状布置。
6.根据权利要求5所述的一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法，其特征在于，在步骤S33中，胞腔袋（7）采用碎石与水泥按质量比1：0.5混合制成，且胞腔袋（7）位于工字钢（5）底部的深度为500mm。
7.一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法的应用，其特征在于，将权利要求1?6中任一项所述的方法应用于黄土震动液化的饱和软黄土段，实现对井筒的掘进施工。 说明书 : 一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法技术领域[0001] 本发明涉及煤矿井筒施工技术领域，特别涉及一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法。背景技术[0002] 黄嵩界煤矿项目位于陕西省榆林市，采用斜井开拓方式，主斜井和副斜井的井筒断面均为直墙半圆拱形，其中：主斜井的井筒设计工程量为1392m、联络巷为77m、倾角为16度，井筒净宽5400mm，净高4100mm，墙高1400mm，拱高2700mm；副斜井的井筒设计工程量为1114m、倾角为20度，井筒净宽5400mm，净高4300mm，墙高1600mm，拱高2700mm。井筒掘进至离石组黄土段时，考虑到黄土层稳定性差，设计采用20b工字钢+钢筋混凝土复合支护，钢拱架间距650mm，混凝土支护厚度400mm，混凝土强度等级C35，抗渗等级不小于P8。[0003] 2022年4月12日主斜井、2022年4月15日副斜井分别进入设计复合支护段施工，6月9日上午主斜井开挖至黄土层178m时、6月13日副斜井开挖至黄土层142m时，二者的钢拱架腿部土层含水量均出现突然增大的现象，墙部钢拱架下方出现渗水现象，便立即停止掘进工作，并依次采取地面打降水井、井筒内施工渗水井、使用固化剂固化土层、腿部及底板充填胞腔袋、喷浆+片石铺底、超前小导管、渗水管+自吸泵、超前小导管+注浆帷幕等措施，但仍出现了钢拱架整体下沉，下沉量最大达到350mm，且在主斜井的左帮拱部及腿部钢拱架出现臌胀和右移，右移及臌胀最大量为170mm，8月19日主斜井施工至227米处时，迎头钢拱架部位出现了整体沉降，沉降量达180mm，迎头开挖荒径部位土层整体出现泥化滑落，最大量达到700mm，副斜井在施工过程中核心土泥化流动现象严重，核心土封闭后局部仍出现泥化流动、渗水，且封闭的掌子面喷浆砼开裂严重，底板软化成为“橡皮泥”状，极不稳定。此时主副井筒施工掌子面垂深分别为49.1m和48.6m，受井筒附近微构造形成的静储水环境影响，掘进面进入潜水面以下，黄土处于饱和状态，主、副井筒的开挖全断面处于含水饱和黄土层内，受井筒开挖导致的工程偏应力及震动载荷叠加作用，复合支护段饱和黄土出现液化流动现象，其工程强度丧失殆。8月19日主斜井与副斜井全面停止掘进，主斜井从6月9日?8月19日共掘进49m，副斜井从6月13日?8月19日共掘进33m。[0004] 整体上，主斜井、副斜井迎头核心土含水且扰动泥化流动现象严重，底板开挖扰动后成“橡皮泥”极不稳定，掘进开挖时迎头核心土存在整体流动，导致原有的支护结构整体下沉、整体偏移的现象频发，安全风险非常大，巷道无法正常掘进施工，同时也无法保证施工质量。发明内容[0005] 针对上述已有技术中存在的缺陷，本发明旨在提出一种能够将扰动后的饱和软黄土段的泥化淤泥进行阻挡的井筒支护施工方法，采取地面施工混凝土灌注桩帷幕对井筒两侧的饱和软黄土先行原位改性，再采取井筒内施工超前长管棚的方法对井筒开挖断面进行帷幕保护，使得现场具备对井筒巷道向内部掘进的施工条件，从而解决上述背景技术中存在的问题。[0006] 本发明的上述技术目的是通过以下技术方案来实现的：[0007] 一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法，包括以下步骤：[0008] S1：布设混凝土灌注桩帷幕；[0009] 在地面定位巷道的开挖荒径，并在开挖荒径的相对外侧布设混凝土灌注桩帷幕；[0010] S2：布设超前管棚形成拱顶部帷幕；[0011] 从井筒内巷道断面分段进行超前管棚施工，在开挖荒径顶部形成拱面支护帷幕，支护完成后向巷道内掘进；[0012] S3：加固巷道底板；[0013] 对步骤S2中开挖后巷道的底板进行加固处理，交叉式重复执行步骤S2与步骤S3，直至完成井筒施工。[0014] 上述方案的进一步优化方案为：在步骤S1中，布设混凝土灌注桩帷幕的具体步骤包括：[0015] S11：沿开挖荒径的两侧放样打桩距离及灌注桩的中心点，确定钻孔位置；[0016] S12：根据步骤S11确定的钻孔位置依次打钻，形成多个灌注孔；[0017] S13：依次向每个灌注孔中浇筑混凝土，凝固后形成混凝土灌注桩帷幕。[0018] 通过采用上述方案，进一步地，在步骤S12中，打钻的深度进入巷道底板后，继续向下进入坚硬基岩1500 2000mm内。~[0019] 通过采用上述方案，进一步地，在步骤S13中，每个混凝土灌注桩的直径为1000mm，且两个相邻的混凝土灌注桩的间距为200mm。[0020] 上述方案的进一步优化方案为：在步骤S2中，超前管棚施工采用渐进式分段施工，从支设超前管棚，到开挖断面，再到底板加固完成一个循环，具体步骤如下：[0021] S21：定位超前管棚的施工角度；[0022] S22：根据巷道内净高及步骤S21定位的角度，确定第一循环施工的管棚长度；[0023] S23：开始第一循环超前管棚的施工，施工完成后，沿掘进方向对巷道断面开挖，开挖至设定距离后，进行下一循环的超前管棚施工；[0024] S24：重复步骤S23，且确保每一循环超前管棚施工完成后，顶部钢拱架支设空顶距离不超过400mm。[0025] 通过采用上述方案，进一步地，在步骤S23中，超前管棚采用多个直径Φ108mm、厚度8mm的无缝钢管进行套丝连接，除第一循环外，其余每个循环的超前管棚的长度均为15000mm。[0026] 通过采用上述方案，进一步地，当拱部两侧无法采用超前管棚施工时，采用直径Φ50mm、长度3000mm的水平小导管管棚施工。[0027] 上述方案的进一步优化方案为：在步骤S3中，加固巷道底板的步骤具体为：[0028] S31：底板开挖至设计标高后布设管桩，并将管桩钉入基岩内；[0029] S32：在管桩上方架设工字钢，将部分管桩与工字钢的底梁焊接；[0030] S33：在工字钢的下方铺设一层胞腔袋，按设计要求浇筑混凝土形成稳固的巷道底板。[0031] 通过采用上述方案，进一步地，在步骤S31中，管桩为直径Φ108mm钢管，且其采用梅花状布置。[0032] 通过采用上述方案，进一步地，在步骤S33中，胞腔袋采用碎石与水泥按质量比1：0.5混合制成，且胞腔袋位于工字钢底部的深度为500mm。[0033] 本发明公开的另一方面为：一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法的应用，将上述任一项所述的任一方面的方法应用于黄土震动液化的饱和软黄土段，实现对井筒的掘进施工。[0034] 结合上述方案，本发明主要具有的有益效果如下：[0035] 1、为了解决黄嵩界的主斜井、副斜井掘进至饱和软黄土段时无法采用现有施工方式掘进的问题，本发明的方法首次提出以“灌注桩结合超前管棚”的施工思路，在待掘进段的井筒对应的地面沿开挖荒径两侧采用灌注桩帷幕，将待开挖井筒两侧的饱和软黄土实现原位改性处理，以此达到在沿巷道掘进时将扰动后的淤泥阻挡在灌注桩帷幕以外的目的，再从井筒内沿掘进方向支设巷道顶部拱形超前管棚，从而达到具备开挖条件的施工环境，并在掘进时以逐段交替式的模式进行管棚支设、开挖和底板加固，从而在最大程度上确保了井筒巷道的施工质量。[0036] 2、本发明采用的“灌注桩结合超前管棚”对井筒支护的方法，能够有效对井筒的两侧与顶部的饱和软黄土淤泥实现阻挡，防止施工时侧压力过大造成钢拱架位移与顶部冒顶滑落淤泥的现象，将扰动后的泥化淤泥阻挡在帷幕以外，从而达到钢拱架腿部和顶部的稳定性，确保巷道永久支护的截面尺寸符合设计要求。附图说明[0037] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍。[0038] 图1为本发明的一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法的桩基帷幕断面示意图；[0039] 图2为本发明的灌注桩帷幕沿巷道布设的剖面示意图；[0040] 图3为本发明的灌注桩帷幕与超前管棚布置的平面俯视图；[0041] 图4为本发明的超前管棚的布置断面示意图；[0042] 图5为本发明的超前管棚布设施工原理图；[0043] 图6为本发明的巷道底板的工字钢与管桩布置平面俯视图。[0044] 图中：1?混凝土灌注桩帷幕；2?超前管棚；3?巷道底板；4?巷道顶板；5?工字钢；6?管桩；7?胞腔袋；8?钢拱架。具体实施方式[0045] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。[0046] 参照图1?6，本发明提出一种解决黄土震动液化的饱和软黄土段的井筒支护方法，采用在地面施工混凝土灌注桩帷幕1与井筒内施工超前管棚2相结合的方法，对井筒的开挖断面形成帷幕，该方法包括以下步骤：[0047] S1：布设混凝土灌注桩帷幕1；[0048] 在地面定位巷道的开挖荒径，并在开挖荒径的外侧布设混凝土灌注桩帷幕1；[0049] S2：布设超前管棚2形成拱顶部帷幕；[0050] 从井筒内巷道断面分段进行超前管棚2施工，在开挖荒径顶部形成拱面支护帷幕，支护完成后向巷道内掘进；[0051] S3：加固巷道底板3；[0052] 对步骤S2中开挖后的巷道底板3进行加固处理，交叉式重复执行步骤S2与步骤S3，直至完成井筒施工。[0053] 具体地，采用从地面打钻对巷道开挖荒径两侧形成墙体帷幕，以此将饱和软黄土淤泥进行阻挡，防止施工过程中压力或变形过大造成钢拱架8发生位移，将扰动后的泥化淤泥阻挡在帷幕以外以达到钢拱架8腿部稳定的目的，确保巷道永久支护截面尺寸符合设计要求，在布设混凝土灌注桩帷幕时：[0054] A：在地面上沿开挖荒径的两侧定位好巷道开挖荒径的位置、打桩距离及灌注桩的中心点，以此确定钻孔位置；如图3所示，在开挖断面两侧2000mm范围内，将灌注桩定位为半径2000mm的弧形走向，因此段处于饱和软黄土的掌子面位置，若距离开挖荒径太近，在混凝土灌注时会发生漏浆，因而此处采用弧口布置。[0055] B：根据测量人员放样的钻孔位置，采用反循环钻沿巷道两侧掘进方向进行依次打钻，布置两排灌注孔，两排形成的多个灌注桩示意图如图3所示；此处钻孔的深度进入巷道地面后，继续向下钻进至坚硬基岩1500 2000mm内。~[0056] C：依次向每个灌注孔中浇筑混凝土，待混凝土凝固后，形成混凝土灌注桩帷幕1；结合图1?图3所示，每个灌注桩的直径为1000mm，高度根据土层厚度而定，确保灌注桩的落底在基岩内1500 2000mm，且两个相邻的混凝土灌注桩的间距为200mm，且灌注桩距开挖荒~径200mm，混凝土灌注桩的强度等级采用C35和C15的素混凝土浇筑而成，具体为：如图2中，每个桩均先采用C35素混凝土浇筑，在灌注深度在巷道顶板4以上10m时，停止浇筑且待C35混凝土初凝时，再采用C15素混凝土灌注至桩口。[0057] 进一步地，若掘进施工过程中，桩间部位泥化流泥严重且封堵不住的情况下，将继续施工第二排灌注桩，第二排灌注桩布设在第一排灌注桩的相对外侧，并排列在与第一排两个灌注桩之间的间隙相对处，第二排灌注桩采用C35素混凝土浇筑至开挖断面荒径的顶部后，即可停止浇筑。[0058] 当混凝土灌注桩帷幕1布设完成后，施工人员进入巷道内的开挖断面，从巷道内对断面拱部采取超前管棚2施工，以此对开挖荒径的顶部形成连续钢制帷幕，将扰动后的泥化淤泥阻挡在钢制帷幕以外，来确保开挖时顶部不出现冒顶滑落淤泥的现象，从而达到钢拱架8顶部的稳定性，确保巷道永久支护截面尺寸符合设计要求。[0059] 具体地，在井筒内部断面搭设超前管棚2时，采用渐进式分段施工，从支设超前管棚2，到开挖断面，再到底板加固完成一个循环，整体而言，超前管棚2的施工流程与现有技术相同，在上述施工工艺的基础上，本发明的巷道内井筒施工步骤具体如下：[0060] A：根据巷道设计要求定位超前管棚2的施工角度，超前管棚2施工时基本沿拱基线向上、混凝土灌注桩内侧施工，施工采用呈外放角度（按照《陕西元盛煤业有限公司黄蒿界煤矿主、副斜井井筒内超前长管棚施工方案》建议外放角度为3°6°）的扇形布置，且第一循~环的超前管棚2根据巷道内净高及定位的施工角度确定管棚的长度，第一循环的起始部位占据永久支护尺寸，是重点加固的处理环节。[0061] B：开始第一循环超前管棚2的施工，超前管棚2为多个直径Φ108mm、厚度8mm的无缝钢管采用套丝连接的方式进行连接，每一根钢管均采用密集排布，在拱部的两侧无法采用超前管棚施2工时，或者发生顶板冒落时，采用直径Φ50mm、长度3000mm水平小导管进行施工，小导管布设角度比超前管棚大，直至搭设到接触混凝土灌注桩时停止；水平小导管布设在图1中的拱部两侧，以防止拱顶部不稳定岩层大面积掉落，除第一循环外，其余每个循环的超前管棚2的长度均为15000mm，对当前的超前管棚2施工完成后，沿掘进方向对巷道断面开挖，对巷道开挖采用人工配合挖掘机先拱后墙分台阶掘进和架设钢拱架8支护，同时必须确保顶部钢拱架8支设空顶距离不超过400mm，掘进施工时对拱部空顶空间喷射混凝土进行充填，每次开挖至距离超前管棚2的距离为4000 5000mm时，进行下一循环的超前管棚2施~工；[0062] 架设钢拱架8支护与常规井筒掘进工艺相同，包括架棚支护和浇筑砼施工两个过程，架棚支护采用金属网+18#工字钢钢棚+喷射混凝土+砌碹联合支护方式，金属网采用φ6mm圆钢加工而成，网格为120mm×120mm，搭接间距120mm，采用铁丝进行绑扎，绑扎间距隔孔相连，网片紧贴岩面，不得出现空帮空顶现象，然后进行工字钢钢棚架设，黄土段棚间距为500mm，洛河组段棚间距为800mm，底座采用380*380*16mm钢板焊接，墙腿底座必须落在实底处，如遇土质松软情况，墙腿底座需增加钢板，防止墙腿下沉造成钢棚倾斜，棚与棚之间采用Φ20钢筋进行焊接固定，间距为600mm，喷射混凝土将网片全部进行覆盖；[0063] 混凝土浇筑施工与掘进平行交叉作业，掘进、挂网、架工字钢棚、喷射完成后，开始架设拱架和模板，进行浇筑混凝土施工，一次浇筑段距为3m，如若围岩情况较好，可适当延伸浇筑长度，浇筑完成24小时后脱模进入下一循环。[0064] C：按照标准施工工艺对当前循环的巷道地面进行混凝土地坪浇筑（地坪混凝土使用材料水泥可采用P.042.5标号的普通硅酸盐水泥，骨料采用12mm的石子、砂采用细砂，浇筑混凝土强度为C30自拌砼），完成后对巷道底板3进行加固处理，当已浇筑完成的巷道底部出现泥化流泥时，采用打管桩6和插木板的方式阻挡基底泥化流动，防止底板出现大面积空洞的现象，在底板开挖至设计标高后，采用梅花状布置施工管桩6，管桩6的直径为Φ108mm，并将管桩6钉入洛河组基岩内，在管桩6的上方依次排布18#工字钢5，将个别管桩6与工字钢5的底梁焊接，为阻止泥化流动，在工字钢5的下方铺设一层胞腔袋7，胞腔袋7采用碎石与水泥按质量比1：0.5混合制成，且胞腔袋7位于工字钢5底部的深度为500mm，然后按照底板设计结构图施工巷道底板，按设计要求浇筑混凝土，凝固后达到稳固底板的作用；[0065] D：沿掘进方向进行下一循环的施工，交叉式重复执行步骤C和步骤D，施工过程如图5所示，直至完成对整段井筒的施工。[0066] 需要说明的是，每个灌注桩的垂直度直接决定井筒内巷道墙部帷幕的预期效果，桩身的超荒径量过大不仅会造成桩间距处溃水溃泥封堵工作量增加，极易形成灌注桩帷幕外的空洞，使开挖难度加大，而且会造成充填量过大或达不到帷幕的效果，同时超前管棚2施工的第一循环管棚起始部位占据永久支护的尺寸，是重点加固处理的环节，巷道向内部开挖掘进时，巷道底板3是降水井停排后压力均衡过程中的薄弱点，因此本发明以管桩、胞腔袋等对底板做加固处理尤为重要。[0067] 以上显示描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

专利地区：陕西

专利申请日期：2024-08-02

专利公开日期：2024-11-12

专利公告号：CN118564255B