特殊施工方法

竖井掘进 (shaft sinking)
矿山建设由地面垂直向下挖掘竖井(又称立井)的施工过程。

竖井掘进方法分普通施工法和特殊施工法两种。

普通施工法适用于井筒涌水量小，岩层比较稳定的竖井掘进。

特殊施工法适用于不稳定岩层(包括流砂、淤泥、破碎的岩层)的竖井掘进。

此外还有一种全面机械化施工的钻井法。

竖井普通施工法用人工或机械凿岩爆破的方法进行竖井掘进。

掘进程序是先进行锁口施工，然后进行表土施工和基岩施工。

锁口施工由井颈上部的临时井壁和锁口框组成。

锁口框采用木材、钢材、钢木结构；临时井壁段长度一般为1～2m，采用砖、料石、混凝土块砌筑。

如表土层稳定，可采用一次施工永久锁口。

表土施工常用的方法有井圈背板、吊挂井壁、板桩、锚喷临时支护施工法等。

根据井筒涌水量大小，可以采用工作面水窝集水、排水法，超前小井竖井降低水位法和井外疏干孔降低水位法进行涌水处理。

表土施工提升有标准掘进井架提升系统(见井巷施工提升)和简易提升两种。

简易提升方式可以采用：(1)慢动卷扬机、小吊桶和简易井架。

简易井架可用人字架、三角架、双三角架、帐幕式木井架、单龙门架和双龙门架。

(2)汽车起重机、小吊桶。

(3)大抓斗。

表土施工主要包括表土掘进和表土支护。

(1)表土掘进。

在无水而稳定的土层中，可用镐、锹等工具人工进行挖掘或用抓斗直接取土，土层坚硬时可用风镐或风铲松土，或打浅眼、放小炮破土。

施工中，要加强集水、排水工作。

(2)表土支护。

井颈段一般以钢筋混凝土或素混凝土作永久支护。

施工方法有：(1)边下掘边进行临时支护，挖掘至井颈段壁座后，由下而上边拆临时支护边进行永久支护施工。

(2)采用吊挂井壁作临时支护。

当挖掘井颈段壁座后再自下往上浇筑永久井壁。

(3)用板桩进行临时支护。

(4)对易风化、易片帮、遇水易散的土层，采用素喷、锚喷和锚网喷混凝土的方法进行临时支护。

当采用吊挂井壁永久支护时，随掘进分段紧接进行支护。

基岩施工也称凿岩爆破法。

用于井筒涌水小于30m3 ／h，稳定、中等稳定的岩层。

施工时，将井筒全深划分为若干个井段，自上而下逐段施工。

段长主要取决于井筒里围岩的稳定程度、涌水量、施工设备等条件。

段长2～6m称短段，30～60m称长段。

竖井施工作业方式按掘进、砌筑、安装三项作业在时间上、空间上的不同可以分为掘砌单行作业(又有长段单行、短段单行和混合短段平行之分)、掘进按顺序作业和掘砌、掘安平行作业，掘砌安三平行作业，掘砌安混合作业一次成井方式。

基岩掘进工序包括凿岩、爆破、通风、装岩、支护、涌水处理，以及提绞设施、供风、供水、排水、动力照明和通讯等作业。

凿岩，当炮眼深度小于2m(浅孔)时，采用手持式凿岩机凿岩；当炮眼深度大于2m(中深孔)时，采用凿岩钻架凿岩。

手持式凿岩方式适用于在各种井直径、不同硬度岩石的浅孔凿岩。

凿岩钻架有环形钻架和伞形钻架两种，适用于5～9．5m井径的竖井掘进，各种硬度岩石的中深孔凿岩。

爆破，一般采用2号抗水岩石炸药和水胶炸药、国产8号延期或毫秒延期电雷管电力爆破。

炮眼布置分掏槽眼、崩落眼、周边眼。

圆形井筒炮眼一般都按同心圆分圈布置，使每个炮眼的最小抵抗线相等。

炮眼装填分普通爆破炸药装填结构和光面爆破炸药装填结构。

爆破网络有并联网络、串并联网络和串联网络三种。

装岩，有人工装岩和机械装岩二种。

使用抓岩机装岩适用于竖井。

提高抓岩生产率的主要措施有：(1)综合防治涌水措施，根据地质水文条件采用地面、工作面预注浆及壁后注浆封闭水源，用截水堵水措施来减少工作面的涌水、淋水，工作面应尽快抓出水窝用风动潜水泵及时排除积水，使工作面水位低于岩碴面0．1～0．2m。

(2)改进爆破技术，实现中深孔爆破，增加一次爆破岩石量，减少清底岩石量，缩短清底时间。

(3)合理安排抓岩路线及顺序，尽快抓出水窝和罐窝，使吊桶低于岩面，人工辅助扒出井帮岩碴，合理布置吊桶位置和抓岩机台数。

(4)根据井深及小时出碴量配置大吊桶及多套提升机，保证抓岩机不间断工作。

采用自动翻岩装置，缩短提升休止时间，减少一次提升时间。

(5)采用技术性能好的设备，加强司机培训，提高操作水平，严格保养和检修制度，减少机械故障，提高设备完好率。

(6)加大地面矸石仓面积，协调抓岩、提升、排矸等环节，提高抓岩能力。

支护和涌水处理，井筒工作面涌水大小是影响竖井掘进速度和支护质量的最关键因素，应采取综合处理措施，加强对井筒涌水的处理。

竖井涌水处理一般分为预处理和后处理两种。

(1)预处理。

是在井筒开凿前进行处理，使地下水流不到井筒工作面。

有预注浆堵水法(用注浆材料把井简围岩的裂隙、孔洞堵塞形成隔水帷幕)、降低地下水位法(疏干工作面上部岩层的水)和钻孔泄水法(当井筒下部有矿
山巷道时可打泄水孔将水疏干)。

(2)后处理。

是在井筒掘砌过程中或井壁砌筑之后，对井筒淋水和工作面涌水进行处理。

有井壁注浆、二次复壁封水、截水、导水以及工作面排水等。

工作面排水又有吊桶排水和吊泵排水两种。

通风、防尘，其动力、照明、电讯的准备工作，与其他井巷工程相同。

竖井特殊施工法有板桩法、沉井法、冻结法、预注浆法、混凝土帷幕法、钻井法等。

板桩法当井筒挖掘至距离流砂或淤泥层为1m时，停止掘进，利用上部临时支护或井壁预埋12～18个生根钩子，架设导向圈，依次打入板桩(有木板桩、钢板桩)，在超前(一般0．5～1．0m)对不稳定冲积层进行支护后再下掘，边下掘边架圈打板桩，直至通过冲积层。

若井帮压力大，可根据实际情况，架设中间导向圈及副导向圈进行加固。

该方法适用于表土层中流砂、淤泥段。

沉井法一般采用预制钢筋混凝土沉井井筒，下端设刃脚，依靠自重下沉，边下沉，边挖掘、边接长井壁，直至预定位置止，称不淹水自重沉井法。

该法适用于流砂层小于1m的不稳定表土层，沉井深度小于30m、涌水量小于30m3 ／h的浅表土层井筒施工。

为减少沉井阻力，避免井壁偏斜与开裂，采用壁后泥浆淹水沉井和壁后压气淹水沉井法，称“淹水沉井”法施工。

该方法用水力破土掘进、压气提升排渣、泥浆护壁、淹没沉井。

这种方法无需特殊专用设备，准备期短，易于施工，操作简单，全部作业在地面进行，劳动强度较低且工作安全，成本低，适宜下沉深度为60～80m的沉井。

冻结法用人工制冷技术暂时加固不稳定地层，隔绝地下水的施工方法。

掘进前，预先在井筒外围由地表钻出一圈穿过含水层进入下部稳定岩层5～10m的钻孔(冻结孔)，在孔内安装底端封闭的冻结管，通过冻结管路利用低温盐水循环进行热交换，有正循环系统和后循环系统两种。

冷冻站制出的低温盐水( - 25℃以下)，用盐水泵排到井口冷冻沟槽内的配液管，经配液管进入冻结管的底部，低温盐水在冻结管内徐徐上升，吸收管壁周围岩层热量，经回液管返回冻结站冷却，称正循环系统；冷冻站制出的低温盐水由回液管进入冻结管缓缓下流，由供液管返回冷冻站，称反循环系统。

经过足够时间，在冻结管周围逐渐形成冻土圆柱，连结成一个坚固的冻土厚壁圆筒，承受地压和静水压力，并封闭水源，防止掘进过程中大量涌水和流砂流向井筒。

预注浆法将胶结材料配制成浆液，利用泵的压力注入岩层的裂隙或孔洞中，浆液凝结硬化后，堵塞裂隙、孔隙或溶洞，达到封闭水源和加固岩层的作用。

此法是在井筒范围以外形成一定厚度的封水帷幕，然后往下挖掘竖井。

根据所需处理含水岩层的段长可以一次或分段进行，注浆方式可用下行式(钻进一段注浆处理一段，由上往下进行的方式)或上行式(全段一次钻进，由下往上分段注浆处理的方式)。

注浆使用材料要求具有很好的注入性能，在～定时间内能凝固或胶凝，凝固或胶凝后的结石体或凝胶固体具有一定的强度和耐久性、抗蚀性、不透水性。

最广泛使用的注浆材料有水泥浆液、水玻璃、水泥一水玻璃浆液、水玻璃一铝酸钠浆液、铬木素浆液、丙烯酰胺类浆液、尿醛类浆液、糖醛类浆液、聚氨脂类浆液等。

井筒预注浆有地面预注浆和工作面预注浆两种方法。

地面预注浆的全部工作在地面进行，采用大型设备钻孔和注浆。

工作面预注浆是在井筒中进行。

当井筒下掘至含水层或遇到裂隙破碎带、涌水量大的情况时，先打止水垫或预留岩石止水帽，预埋注浆孔口管，再进行钻孔和注浆。

混凝土惟幕法适用于埋深较浅的流砂、淤泥、卵石、砂砾等含水的不稳定冲积层。

施工深度必须深入至不透水的稳定地层中3～5m。

利用成孔机械在井筒周围钻一排交圈的钻孔，用泥浆护壁，清孔后用导管进行浇灌混凝土，形成一个封闭的混凝土帷幕，其厚度及强度能抵抗施工期间岩层最大压力。

钻井法一种全面机械化施工方法。

由钻井、洗井和沉井三个基本工艺过程组成。

钻井采用回转式钻机通过钻头在井底连续破碎岩石，依靠井内充满泥浆临时维护井帮，并利用泥浆作冲洗液循环冲洗工作面和提升岩屑。

井筒钻成后进行终孔测斜，冲洗井底和调整泥浆参数，经检查符合设计要求即开始沉井。

永久井壁的预制，在钻井期间同时进行。

沉井完毕，利用注浆管进行壁后充填，排净井内注水进行壁后注浆。

钻井法适用于含水的不稳定表土层和深厚的表土层，也适用于中硬以下岩层。

竖井特殊法掘进
special method of shaft sinking
shuJ一ng teshufo Juej旧竖井特殊法掘进(speeial meth()d of shaft 51- nking)在松软不稳定的含水层或在稳定的、
但涌水量很大的裂隙岩层或破碎带中，预先采取特殊的技术措施改善竖井施工的地质条件，再进行井筒施工。

简称特殊凿井
法。

18世纪末，由于矿业的发展，需要在复杂和困难的地质条件下掘进矿井，因而出现多种特殊凿井法。

板桩法最古老的特殊凿井法，最初是使用木板桩，18世纪中叶开始使用钢板桩，但在掘井过程中仍然发生坍井和涌砂事故，所以板桩法不能用于在深表土层凿井。

沉井法1839年法国采用了由砖、金属弧板等组成的沉井施工，后来又将沉井上部封闭，使之形成一个沉箱，在其中充满压气，用压气挤走地下水，使掘进工作在压气下进行，顺利地掘进到预定深处。

故又称为压气沉箱法。

此种压气沉箱法先后在欧洲许多国家应用，但由于它有损于在压气下工作人员的健康，且沉箱下沉困难，现已很少采用。

1943年日本开始使用淹没沉井法。

用泥浆的压力来抵抗地下水向掘进工作面涌人，同时在沉井壁外侧加设压气喷嘴喷气，以减少井壁下沉的阻力，加深了沉井下沉的深度。

1956年德国成功地使用沉井壁后充填泥浆和井内用泥浆淹没的沉井法。

挖土和出土全部由水下挖掘机来完成。

1958年中国把震动技术应用于沉井法。

利用震动作用减小了沉井下沉的阻力，加大了沉井下沉的深度，故称为震动沉井法。

各种沉井法的共同特点是，沉井壁下沉超前于掘进工作面，超前段井壁的作用是防止掘进过程中围岩失稳和涌水，而不是改变围岩的物理力学性质。

这种方法是由板桩法发展成的。

为加大下沉深度和速度.已采取淹没沉井泥浆减阻、机械破土和压气排碴等综合措施，已形成一套较为完善的沉井法施工技术。

混凝土帷幕法中国把水工工程中槽壁施工法引进到竖井施工中。

本方法是环绕井筒周围在松软含水表土层中，钻凿一环形槽孔，其中灌人混凝土，形成一地下混凝土连续墙，以确保井筒施工安全。

注浆法1864年德国为解决沉井封底和掘进工作面底鼓问题，曾向沉井刃脚处的地层注人水泥浆， 1873年又用注浆法防堵隧道的涌水，效果均很好。

1901年瑞士首次成功地使用了井筒工作面预注浆法。

同年，德国采用由地面钻孔进行预注浆而后掘进的竖井施工法。

此后，用注浆法加固围岩和堵水技术，逐渐为各国广泛应用。

20世纪50年代美国研制成功可控凝聚时间的有机化学浆液，日本和中国也相继研制了可控凝聚时间的、以高分子有机材料作为主剂的化学浆液，它能注人岩石中的细微裂隙，起到水泥浆无法灌注的作用。

70年代后期，中国地面预注浆深度达 500m。

南非竖井施工注浆深度已达Z000m，各国还发展了旋喷桩注浆新技术。

冻结法1880年德国人彼茨奇(F.H.Poetsch)在制冷技术的基础上，提出用冻结方法加固井筒围岩后再进行井筒掘进的施工方法，并于1883年实验成功，获得了“流砂通过一定时间的人工冻结，能固结成岩体”的发明专利。

1884年他创建了冻结凿井公司，1886 年在钾盐矿成功地用冻结法开凿一条80m 深的竖井。

波兰于1885年开始采用冻结法凿井，至20世纪90年代，冻结深度达725m。

英国用冻结法凿井始于1909 年，1969年创世界纪录的最大冻结深度达930m。

前苏联是采用冻结法凿井规模最大的国家，从1928年到 1982年已完成740条井筒。

中国于1955年使用冻结凿井技术，到80年代末已开凿30。

余条井筒，冻结最大深度达 435m。

砂化法1922年前后，在凿井中曾采用过岩层矽化法(化学加固)，后来发展成电动矽化法(电化学加固)。

本法是向岩层中注人一种溶液，同时通以电流，使溶液在渗透系数较小的岩层中迅速扩散和固化，从根本上改善岩层的物理力学性质。

但因此法成本过高未能推广应用。

钻井法在地质和石油钻机的基础上发展成的。

1850年德国开始用冲击钻钻井，1871年霍尼曼 (Hon，gman)开始研制扩孔式钻井机，1884年获得专利权。

到20世纪30年代，已在欧洲用霍尼曼钻井机钻成 30条井筒，深度在80一512m，直径2一7.25m。

1938年苏联开始采用钻井法，先后研制成YZTM型扩孔式钻井机、、入日型取芯钻井机、PT型涡轮钻井机、TM型潜人式钻井机和厂以型掘井机组。

美国于1910年开始引进钻井法，直至5。

年代有较大发展。

中国于1969年开始使用钻井法，先后制造52型和As型煤矿专用钻井机，到1985年止已建成35条井筒，总长累计达70。

m 以上，在淮南潘集钻成一条直径9.3m、深508m的风井。

人工降低地下水位法在松软渗透性好的含水层中掘井可采用此法。

首先在井筒周围打钻孔，在钻孔中设置过滤器和潜水泵，然后抽水，疏干地层，使掘井工作能在无水或涌水甚少的条件下进行。