立井施工穿越百米级构造破碎带地层的施工方法

1.本发明属于矿业工程领域，具体涉及一种立井施工穿越百米级构造破碎带地层的施工方法。


背景技术：

2.现阶段乃至今后50年内，煤炭在中国能源结构中会长期处于主导地位。而立井开拓是我国井工设计的主要形式，本发明主要涉及在煤矿立井施工过程中在垂深400m以下(基岩段)遇到巨厚断层破碎带时，由于围岩破碎与深部地应力耦合作用，掘进断面开挖后水平位移显现，出现无法控制的现象，导致不能正常支护，若强行掘进会导致上部井壁整体脱落，引发灾难性重大事故的发生。因此本发明是基于实际工程案例总结发明的一种立井施工穿越百米级构造破碎带地层的施工方法，对我国矿建工程有着重要的指导作用。
3.现有技术中，主要对立井的施工装备及施工工艺进行研究改造，对于特殊的构造地质(深部百米级断层破碎带)条件下的处理方法还没有相关报道。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种立井施工穿越百米级构造破碎带地层的施工方法，可实现立井施工遇到巨厚构造破碎带时水平位移速率过大条件下，保障立井施工的高质量安全进行，为煤矿立井开拓穿越特殊地质背景条件下安全掘进提供科学保障。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种立井施工穿越百米级构造破碎带地层的施工方法，包括以下步骤：
6.步骤(1)、立井开挖井壁破碎围岩位移控制，为测定井壁围岩最大位移速度提供物理环境，从而最终获得井壁四个方向上围岩最大位移速度v，具体包括：
7.(11)设定位移控制因子，包括：缩小开挖支护循环段高和有效的临时支护；
8.(12)根据位移控制因子，监测开挖后井壁围岩位移，具体步骤包括：
9.(121)缩小循环掘进段高，在监测位移阶段设置循环掘进段高正常开挖段高的一半；
10.(122)临时支护后，在井壁的四个方位上设置位移传感器，在井筒中心设置全自动全站仪进行测试，以得到井壁四个方向上围岩最大位移速度v；
11.步骤(2)、掘进系统数学模型建立：
12.建立掘进系统数学模型：
[0013]13.其中：
[0014]
x-立井开挖半径增量，mm，取值范围0～800mm；
[0015]
y-立井掘进循环进尺，mm；
[0016]
v-井壁四个方向上围岩最大位移速度，mm/h；
[0017]h1-聚乙烯缓冲垫的厚度，mm；其初始预设值取值范围50～120mm；
[0018]
t
1-开挖半径增量为x，段高为y的立井断面需要的时间函数，其输出值为一经验值，h；
[0019]
t
2-半径增量为x，段高为y的立井断面临时支护的时间函数，其输出值为一经验值，h；
[0020]
t
3-段高为y的立井掘进断面模板定位时间函数，其输出值为一经验值，h；
[0021]
t
4-混凝土浇筑时间函数，其输出值为一经验值，h；
[0022]ft-工序施工时间融合函数表达式，其输出值为一经验值；
[0023]
步骤(3)、基于掘进系统数学模型、变量y和变量h1，求解立井支护材料设计因子；立井支护材料可调整设计因子包括：临时支护设计参数、混凝土初凝控制时间、聚乙烯缓冲垫尺寸；
[0024]
其中，求解临时支护设计参数，以作为t2(x,y)中，除x、y以外的其他影响因子；其中，x对t2(x,y)、t1(x,y)的影响可忽略不计；
[0025]
求解混凝土初凝控制时间，以作为t4(x,y)中，除x、y以外的其他影响因子；中，x对t4(x,y)的影响可忽略不计；
[0026]
求解聚乙烯缓冲垫厚度尺寸，以作为h1的经验值，h1的经验值/v＝缓冲抗压时间t2；
[0027]
具体步骤如下：
[0028]
(31)求解临时支护设计参数：根据掘进系统数学模型，求得临时支护时间的最优解以控制临时支护施工时间；其中，临时支护时间为锚杆施工时间和金属网支护施工时间之和；
[0029]
(32)求解混凝土初凝控制时间：立井施工选用混凝土强度等级为c50，对c50混凝土进行配比升级并增加速凝剂，调整到两个小时内初凝强度要达到2.00mpa；
[0030]
(33)求解聚乙烯缓冲垫尺寸：在巨厚构造破碎带增加聚乙烯缓冲垫；
[0031]
其中，聚乙烯缓冲垫的设计形状为矩形板，长边为掘进循环段高长度，宽度根据井筒开挖半径适当调整，小于1.00m；
[0032]
聚乙烯缓冲垫的厚度根据掘进系统数学模型和变量y进行求解，以确保在允许位移时间(t)内，使混凝土井壁浇筑完成并达到初凝2.00mpa的要求；
[0033]
步骤(4)、基于步骤(3)、步骤(2)和掘进循环段高变量y的不同取值，获取各个工序时间函数的经验值，基于步骤(3)获取缓冲抗压时间t2，并将各个工序时间函数的经验值、缓冲抗压时间t2按照f
t
进行融合衔接：
[0034]
其中，立井穿越百米级构造破碎带掘进施工工序时间经验值包括：井筒开挖掘进时间经验值、临时支护及永久支护时间经验值、模板定位时间经验值、混凝土浇筑时间经验值、混凝土初凝时间经验值；
[0035]
(41)井筒开挖掘进时间：从上一个段高浇筑混凝土形成后开挖下一段高开始，到开挖到设计调整后尺寸(调整后的循环段高、开挖半径尺寸)所用的时间；
[0036]
(42)临时支护及永久支护时间：立井开挖到设计尺寸后即可施工临时支护，包括树脂锚杆、金属网、聚乙烯缓冲垫；现阶段的永久支护为双层钢筋绑扎固定支护；
[0037]
结合实际生产工矿和人员组织条件，根据类比法得到井筒阶段支护所用时长；
[0038]
(43)模板定位时间：钢筋绑扎固定完成后需要立井清底找平模板刃角处，下方混凝土浇筑圆柱形钢模板，中线定位尺寸，固定模板，等待浇筑混凝土；此过程用时可利用类比法估算得到；
[0039]
(44)混凝土浇筑时间：根据浇筑使用混凝土的量进行推算；
[0040]
(45)混凝土初凝时间：由步骤(32)获取；
[0041]
(46)工序融合衔接：按照f
t
调整工序的交叉时间，以获得必要时间t
x
；
[0042]
步骤(5)、根据最大允许位移时间t
max
和必要时间t
x
，迭代以求解最优允许位移时间to：
[0043]
根据掘进系统数学模型，可变形为：根据掘进系统数学模型，可变形为：
[0044]
其中，允许位移时间t包涵：最大允许位移时间t
max
和最优允许位移时间to；最优允许位移时间to＝x/v；最大允许位移时间t
max
＝800/v；必要时间＝800/v；必要时间
[0045]
当必要时间t
x
＝最大允许位移时间t
max
时，必要时间t
x
取最大值，可获取立井开挖半径增量x的最大值；
[0046]
当必要时间t
x
＝最优允许位移时间to≤最大允许位移时间t
max
时，允许位移时间t取最优解，可获取立井开挖半径增量x的最小值；
[0047][0048]
其中，x最优解＝实际开挖时间与破碎围岩位移速度的乘积＝最优允许位移时间to与破碎围岩位移速度的乘积；
[0049]
当允许位移时间t＜必要时间t
x
时，重新调整步骤(1)中的循环掘进段高y、井壁四个方向上围岩最大位移速度v以及步骤(3)中的井支护材料设计因子，再进行步骤(4)～(5)，直至必要时间t
x
＝最优允许位移时间to。
[0050]
优选地，在步骤(11)中，有效临时支护具体包括：根据施工循环段高，可对树脂锚杆的长度及金属网片的尺寸做相应调整。
[0051]
优选地，在步骤(11)中还包括：注浆改造和减少围岩扰动；
[0052]
其中，注浆改造具体包括：对立井施工工作面进行混凝土封底、利用水泥浆液或化学浆液分段对未施工的立井底部围岩进行注浆改造；
[0053]
减少围岩扰动具体包括：临时锚杆支护时需要施工钻孔，改用风煤钻或电煤钻进行造孔、下料的方向沿着井壁做螺旋切线运动。
[0054]
优选地，在步骤(122)中，井壁的四个方位包括n0
°
w、n90
°
e、s0
°
w、n90
°
w。
[0055]
优选地，在步骤(2)中，h1的初始预设值为70mm。
[0056]
优选地，在步骤(33)中，聚乙烯缓冲垫的厚度根据掘进系统数学模型和变量y进行求解的具体步骤包括：
[0057]
聚乙烯缓冲垫的尺寸设定满足以下条件即可：
[0058]
聚乙烯缓冲垫厚度z≤井筒开挖半径增量最优解x；
[0059]
聚乙烯缓冲垫高度l＝调整后的井筒施工循环段高y。
[0060]
优选地，在步骤(31)中，根据掘进系统数学模型，求得临时支护时间的最优解的具体步骤包括：
[0061]
根据调整后的循环段高y和井筒开挖半径增量最优解x，综合确定锚杆的长度、金属网的大小尺寸，以减少临时支护的施工时间。
[0062]
与现有技术相比，本发明的优点为：
[0063]
(1)根据围岩开挖后位移速率反向设定材料调整工序、时间控制工序之间及内部的相互协同时间。
[0064]
(2)基于增设聚乙烯缓冲区以提高立井施工工序的必要时间。
[0065]
由此，在立井深部施工遇巨厚构造破碎带地层时可以快速安全的掘进，成本控制相对较低，能够有效的保证施工质量。
附图说明
[0066]
图1为本发明方法实施流程图；
[0067]
图2为工序分解施工数据融合关系案例图；
[0068]
图3为立井施工穿越巨厚破碎带地层井壁支护系统案例图。
具体实施方式
[0069]
下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施案例，应该理解本领域的技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
[0070]
如图1所示，立井施工穿越百米级构造破碎带地层的施工方法，是基于开挖围岩位移控制、支护材料尺寸的调整、工序时间的融合控制等三个方面形成的立井掘进的系统方法，本发明能够有效的解决全球范围内煤矿立井施工遇长距离构造破碎带时的安全掘进问题。具体实施方案如下所示：
[0071]
(1)立井开挖井壁破碎围岩位移控制，为测定井壁围岩最大位移速度提供物理环境，从而最终获得井壁四个方向上围岩最大位移速度v。具体包括步骤(11)～(12)。
[0072]
(11)设定位移控制因子，位移控制的因子包括：注浆改造、降低自由面高度、有效的临时支护、减少围岩扰动。
[0073]
具体步骤：
[0074]
①
注浆改造：立井遇巨厚构造破碎带无法有效掘进时，可以对立井施工工作面进行混凝土封底；利用水泥浆液或化学浆液分段对未施工的立井底部围岩进行注浆改造(具体注浆长度、注浆控制参数根据现场施工情况择优而定)。
[0075]
②
降低自由面高度：改变施工工艺，缩小开挖支护循环掘进段高(一般立井施工循环段高为4m)，一般按正常段掘进段高的一半进行前期的监测数据收集。
[0076]
③
有效的临时支护：根据施工循环段高，要形成快速的支护工艺，可以对树脂锚杆及金属网片的尺寸做相应调整，从而达到快速临时支护的目的(例如：锚杆长度有2.00m变
更为1.50m；金属网有1.00*2.00m变更为1.00*1.00m)。
[0077]
④
减少围岩的扰动：开挖后尽量减少人为地对破碎井壁围岩进行二次扰动，具体地主要分为两个方面，一是临时锚杆支护时需要施工钻孔，一般情况下矿用风动工具进行造孔，现建议改用风煤钻或电煤钻进行造孔，以降低对破碎围岩的扰动；另一方面是下料系统的改造，在混凝土浇筑的时候一般的下料口是与井壁呈45
°
夹角，下放混凝土时会对井壁施加一定的冲击作用力，从而对破碎井壁和临时支护造成扰动，建议对下料系统进行改造，下料的方向尽量沿着井壁做螺旋切线运动，进而降低对破碎围岩和临时支护造成冲击扰动。
[0078]
(12)根据位移控制因子，监测开挖后井壁围岩位移。
[0079]
具体步骤：
[0080]
(121)降低自由面高度，缩小循环掘进段高(立井掘进循环进尺y)，一般在监测位移阶段设置正常开挖段高的一半(正常开挖段高为4.00m)。
[0081]
(122)临时支护后，在井壁n0
°
w、n90
°
e、s0
°
w、n90
°
w等四个方位上设置位移传感器，在井筒中心设置全自动全站仪进行测试。测试目的，得到井壁四个方向上围岩最大位移速度v。
[0082]
(2)掘进系统数学模型建立。
[0083]
根据立井施工穿越百米级构造破碎带地层的施工方法流程图(图1)，建立掘进系统数学模型，如下式(1)所示。
[0084][0085]
式中：
[0086]
x-立井开挖半径增量，mm，取值范围0～800mm；
[0087]
y-立井掘进循环进尺，即循环掘进段高，mm；
[0088]
v-井壁四个方向上围岩最大位移速度，mm/h；
[0089]h1-聚乙烯缓冲垫的厚度，mm；其初始预设值取值范围50～120mm；
[0090]
t
1-开挖半径增量为x，段高为y的立井断面需要的时间函数，其输出值为一经验值，h；
[0091]
t
2-半径增量为x，段高为y的立井断面临时支护的时间函数，其输出值为一经验值，h；
[0092]
t
3-段高为y的立井掘进断面模板定位时间函数，其输出值为一经验值，h；
[0093]
t
4-混凝土浇筑时间函数，其输出值为一经验值，h；
[0094]ft-工序施工时间融合函数表达式，其输出值为一经验值。
[0095]
根据掘进系统数学模型式(1)所示，可以根据掘进循环段高变量(y)的不同取值进行计算各个工序的时间，以满足数学模型的成立，后续步骤(5)中可求得x的最优解(最小值)，如式(2)所示。
[0096][0097]
(3)立井支护材料设计的调整。即基于掘进系统数学模型、变量y和变量h1，求解立井支护材料设计因子。
[0098]
立井支护材料可调整因子包括：临时支护设计参数、混凝土初凝控制时间、聚乙烯缓冲垫尺寸。
[0099]
其中，求解临时支护设计参数，以作为t2(x,y)中，除x、y以外的其他影响因子；其中，其中，因x变量限定≤800mm，所以此时x对t2(x,y)、t1(x,y)的影响可忽略不计。
[0100]
求解混凝土初凝控制时间，以作为t4(x,y)中，除x、y以外的其他影响因子；其中，因x变量限定≤800mm，x对t4(x,y)的影响可忽略不计。
[0101]
求解聚乙烯缓冲垫厚度尺寸，以作为h1的经验值，h1的经验值/v＝缓冲抗压时间t2。
[0102]
具体步骤如下：
[0103]
(31)求解临时支护设计参数：根据掘进系统数学模型，求得临时支护时间的最优解(锚杆、金属网支护施工时间)，其中，临时支护时间为锚杆施工时间和金属网支护施工时间之和，之后根据临时支护时间的最优解，综合确定锚杆的长度、金属网的大小尺寸，以控制临时支护施工时间。例如：锚杆长度可以取1.50～1.80m、金属网可以取1.00*1.00m，以控制临时支护施工时间。
[0104]
其中，求得临时支护时间的最优解的具体步骤包括：
[0105]
根据调整后的循环段高(y)和井筒开挖半径增量最优解(x)，综合确定锚杆的长度(适当减小锚杆的长度)、金属网的大小尺寸，以减少临时支护的施工时间。具体根据立井施工现场经验值可以确定。矿建技术人员可知。
[0106]
(32)求解混凝土初凝控制时间：立井施工一般选用混凝土强度等级为c50，需要对c50混凝土进行配比升级，增加速凝剂，调整到两个小时内初凝强度要达到2.00mpa；其目的是在破碎带井壁围岩在允许位移时间内，混凝土井壁可以形成初凝对破碎带位移起到抑制作用，同时混凝土井壁不发生变形破坏。
[0107]
(33)求解聚乙烯缓冲垫尺寸：增加聚乙烯缓冲垫是解决立井穿越巨厚构造破碎带安全施工方法的核心要素。
[0108]
聚乙烯缓冲垫的设计尺寸建议为矩形板，长边为掘进循环段高长度为宜，宽度可以根据井筒开挖半径适当调整，建议不要大于1.00m(运输及现场铺设方便)。其中，井筒开挖半径＝设计开挖半径增加x后的实际开挖半径。
[0109]
聚乙烯缓冲垫的厚度是根据掘进系统数学模型和变量y进行求解，以确保在允许位移时间(t)内，使混凝土井壁浇筑完成并达到初凝2.00mpa的要求。
[0110]
聚乙烯缓冲垫主要作用：
[0111]
①
缓冲挤压应力：聚乙烯缓冲垫具有高压缩性，对井壁破碎带围岩起到缓冲作用，避免水平应力递增，破碎带围岩位移超限，对未达初凝的混凝土井壁产生挤压应力，从而使混凝土井壁发生变形，混凝土井壁厚度不能达标。
[0112]
②
缓冲冲击动力：聚乙烯缓冲垫铺设在临时支护后，把临时支护后的破碎带井壁围岩与混凝土井壁进行物理隔离，在模板定位后，浇筑混凝土井壁时，可以减小下料时混凝土对破碎带围岩形成冲击扰动。
[0113]
其中，聚乙烯缓冲垫的厚度求解的具体步骤包括：
[0114]
聚乙烯缓冲垫的尺寸设定满足以下条件即可：
[0115]
聚乙烯缓冲垫厚度(z)≤井筒开挖半径增量最优解(x)；
[0116]
聚乙烯缓冲垫高度(l)＝调整后的井筒施工循环段高(y)。
[0117]
(4)工序时间控制。即基于步骤(3)、步骤(2)和掘进循环段高变量y的不同取值，获取各个工序时间函数的经验值，基于步骤(3)获取缓冲抗压时间t2，并将各个工序时间函数的经验值、缓冲抗压时间t2按照f
t
进行融合衔接。
[0118]
立井穿越百米级构造破碎带掘进施工工序时间经验值包括：井筒开挖掘进时间经验值、临时支护及永久支护时间经验值、模板定位时间经验值、混凝土浇筑时间经验值、混凝土初凝时间经验值。根据案例(a)具体分析。
[0119]
(41)井筒开挖掘进时间：从上一个段高浇筑混凝土形成后开挖下一段高开始到开挖到设计调整后尺寸(调整后的循环段高、开挖半径尺寸)所用的时间。
[0120]
案例(a)：
[0121]
三河尖煤矿刘庄风井位于江苏省徐州市沛县境内，南距徐州市区90km，交通便利，刘庄风井坐标为x＝3861458.000，y＝39479645.000；风井井筒直径6.00m，井口标高 37.50m，井筒落底标高-792.50m。刘庄风井坐标处于丰沛断裂构造带附近，受区域大型断裂构造的影响，井筒在白垩系和侏罗系地层出现巨厚断层破碎带，造成立井施工过程中出现巨大的困难。
[0122]
案例(a)根据掘进系统数学模型调整后数据：
[0123]
循环开挖段高为2.20m；井筒开挖掘进时间为2.50h。即可以根据循环开挖段高为2.20m，根据实际施工条件场景进行类比分析测得为2.50h即可完成掘进。
[0124]
(42)临时支护及永久支护时间：立井开挖到设计尺寸后即可施工临时支护，包括树脂锚杆、金属网、聚乙烯缓冲垫；现阶段的永久支护为双层钢筋绑扎固定支护(图3)。
[0125]
案例(a)：临时支护中锚杆长度调整为1.50m，金属网1.00*1.00m，聚乙烯缓冲垫尺寸为70mm。永久支护双层钢筋按原设计不变，即竖筋为直径16mm，间距300mm；水平筋直径18mm，间距300mm；连接筋直径8mm，间距600mm，如图3所示。
[0126]
结合实际生产工矿和人员组织条件，根据类比法得到需要完成段高为2.20m井筒阶段支护所用时长为2.00h。
[0127]
(43)模板定位时间：钢筋绑扎固定完成后需要立井清底找平模板刃角处，下方混凝土浇筑圆柱形钢模板，中线定位尺寸，固定模板，等待浇筑混凝土。此过程用时可以利用类比法估算得到。
[0128]
案例(a):模板定位时间为0.30h。
[0129]
(44)混凝土浇筑时间：在前一道工序井下绑扎固定钢筋支护完成前，地面调度必须让混凝土泵车全部在井口待命。双层钢筋支护完成后立即形成下料系统，在输送混凝土过程中不得间断。此过程所需时间可根据浇筑使用混凝土的量进行推算。
[0130]
案例(a)：混凝土浇筑时间为2.00h。
[0131]
(45)混凝土初凝时间：由步骤(32)获取；初凝时间需要增设速凝剂重新配比，强度达到设计要求的同时具备2.00h初凝达到2.00mpa。
[0132]
(46)工序融合衔接：按照f
t
调整工序的交叉时间，以获得必要时间t
x
。
[0133]
在实际施工中正常情况下一般不进行交叉同步施工，但在遭遇特殊地质背景条件下为了安全快速的穿越极端地层条件，在申请备案审批条件下适当调整工序的交叉时间从而得以实现安全掘进。
[0134]
案例(a)：工序融合衔接如图2所示。
[0135]
(5)根据最大允许位移时间(t
max
)和必要时间(t
x
)，迭代以求解最优允许位移时间(to)。
[0136]
根据掘进系统数学模型，可变形为：根据掘进系统数学模型，可变形为：
[0137]
其中，允许位移时间t包含：最大允许位移时间t
max
和最优允许位移时间to；最优允许位移时间to＝x/v；最大允许位移时间t
max
＝800/v；必要时间＝800/v；必要时间
[0138]
当必要时间t
x
＝最大允许位移时间t
max
时，必要时间(t
x
)取最大值，可获取立井开挖半径增量(x)的最大值；
[0139]
当必要时间t
x
＝最优允许位移时间to≤最大允许位移时间t
max
时，允许位移时间(t)取最优解，可获取立井开挖半径增量x的最小值(最优解)：
[0140][0141]
其中，x最优解＝实际开挖时间与破碎围岩位移速度的乘积＝最优允许位移时间to与破碎围岩位移速度的乘积。
[0142]
当允许位移时间t＜必要时间t
x
时，重新调整步骤(1)中的循环掘进段高y、井壁四个方向上围岩最大位移速度v以及步骤(3)中的井支护材料设计因子，再进行步骤(4)～(5)，直至必要时间t
x
＝最优允许位移时间to。
[0143]
综上，基于步骤(1)～(5)，结合案例(a)，如图2～3所示，开挖半径3678mm的求解过程为：
[0144]
循环段高预设：假设段高缩小为正常段高的一般为2.00m。
[0145]
已知数据：开挖段高为2.00m时，井壁最大位移速度(原位测试)；正常市面上的聚乙烯缓冲垫一般为70mm(可以定制其他厚度)，预选用厚度为70mm；临时支护预设锚杆为1.50m，间排距700*700mm，金属网预设1.00*1.00m；钢筋双层钢筋原设计不变；
[0146]
可以得到数据(现场技术应知道项)：开挖最小半径(原设计开挖半径尺寸)、缓冲抗压时间t2、开挖一个循环段高的时间、支护时间、模板定位时间、混凝土浇筑及初凝时间。
[0147]
①
经监测n90
°
w方向上位移速率最大，最大位移速度为12mm/h；
[0148]
②
最优允许位移时间to内破碎围岩位移量计算：
[0149]
6.50
×
12.00＝78(mm)
[0150]
其中：6.50为必要时间(工序匹配时间(t1) 缓冲抗压时间(t2)，即融合时间)，即：
允许位移时间(t)。
[0151]
③
井壁开挖半径尺寸，如图3所示。
[0152]
开挖半径＝原设计开挖半径尺寸 最优允许位移时间to内破碎围岩位移量＝3600 78＝3678(mm)。
[0153]
其中：原设计开挖半径尺寸为3600mm。
[0154]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。