§15.1立井井筒断面设计立井井筒断面设计§15.2立井基岩施工立井基岩施工§15.3立井表土施工立井表土施工9/12/20241井巷工程 §一、立井井筒的种类一、立井井筒的种类§立井井筒按用途的不立井井筒按用途的不同可分为以下几种同可分为以下几种§ (一一)主井主井§专门用作提升煤炭的专门用作提升煤炭的井筒称为主井在大、井筒称为主井在大、中型矿井中，提升煤中型矿井中，提升煤炭的容器为箕斗，所炭的容器为箕斗，所以以 主井又称箕斗井主井又称箕斗井(图图15-1)9/12/20242井巷工程 §(二二)副井副井§用作升降人员、材用作升降人员、材料、设备和提升矸料、设备和提升矸石的井简称为副井石的井简称为副井副井的提升容器是副井的提升容器是罐笼，所以罐笼，所以 副井副井又称为罐笼井又称为罐笼井(图图15-2)副井通常都副井通常都兼作全矿的进风井兼作全矿的进风井9/12/20243井巷工程 §(三三)风井风井§专门用作通风的井筒称为风井专门用作通风的井筒称为风井风井除用作出风井外，又可作为风井除用作出风井外，又可作为矿井的安全出口，风井有时也安矿井的安全出口，风井有时也安设提升设备设提升设备。
§除上述情况外，有的矿井在一个除上述情况外，有的矿井在一个井筒内同时安装箕斗和罐笼两种井筒内同时安装箕斗和罐笼两种提升容器，兼有主、副井功能，提升容器，兼有主、副井功能，这类立井称为混合井这类立井称为混合井§二、立井井筒的组成二、立井井筒的组成§主、副井的用途不同，其结构也主、副井的用途不同，其结构也不同但从整体的组成部分来看，不同但从整体的组成部分来看，都由井颈、井身和井窝三部分组都由井颈、井身和井窝三部分组成，如图成，如图15-3所示9/12/20244井巷工程 §(一)井颈§井颈是井筒上端直接通达地面而且井壁需要加厚的部分这是由于该段井筒处于松软表土层或风化岩层内，井口附近的构筑物对该段井壁又产生附加压力，且井颈部分留有各种孔硐，如梯子间出口、暖风道和风道口等，都会降低井颈的承载能力为此，井颈最上端壁厚往往可达1.0~1.5m，然后呈倒台阶式逐渐减薄井颈深度一般为15~20m，井塔提升时可达20~60m§ (二)井身§井身是指井底车场罐笼进出车水平(或箕斗装载水平)以上至井颈以下的这段井筒，是立井的主干部分§ (三)井窝§井窝是井底车场罐笼进出车水平(或箕斗装载水平)以下的井筒部分。
其深度是由提升过卷高度、井筒装备要求以及井底水窝深度决定的一般罐笼井井窝深10m左右；箕斗井井窝深35~75m风井井窝深4~5m§以上三部分的总和为井筒的全深9/12/20245井巷工程 §壁座的主要作用是支撑正在向上砌筑井壁的重量和悬挂向下掘进段的临时支护壁座用混凝土浇筑，其形式有单锥形和双锥形两种(图15-4)，一般b＝0.4~1.2m，h＝1.5~2.0m，α＝30°~40°，β＝20°~30°§马头门是副井井筒在井底车场水平和巷道相连贯的地方，其空间高度应满足下放长材料(如钢轨、管道)的要求9/12/20246井巷工程 §三、井筒断面布置§立井井筒横断面形状基本上有圆形和矩形两种，煤矿立井井筒的横断面都采用圆形这是因为圆形断面具有承载地压性能好，通风阻力小以及便于施工等优点§井筒的断面应根据选定的提升容器与井筒的类型来布置井筒断面内通常布置有提升罐笼或箕斗、罐道梁、罐道、梯子间以及管缆间或延深间井筒断面的布置，既要满足井筒内提升容器等设备布置的要求，又要力求缩小井筒断面，简化井筒布置，以达到既经济合理而又安全的目的根据提升容器和井筒装备的不同，井筒断面布置形式多种多样，较为典型的井筒布置形式如图15—5所示。
§图15-5中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)采用刚性罐道；(h)和(i)采用钢丝绳罐道(或称柔性罐道)9/12/20247井巷工程 9/12/20248井巷工程 §刚性罐道的布置方式有单侧布置、双侧布置和端面布置三种单侧布置如图15—5(b)、(f)所示，罐道布置在提升容器长边的一侧双侧布置如图15—5(a)、(d)所示，罐道布置在提升容器长边的两侧这种布置方式主要用于箕斗井和采用木罐道的罐笼井，钢罐道罐笼井有时也采用双侧布置方式单侧布置与双侧布置相比，节省钢材，井简装备简单，安装工作量少，便于提升大型设备，提升容器运行平稳端面布置如图15—5(c)、(e)所示，罐道布置在提升容器的短边上，这种布置方式提升容器运行平稳，但是在进出车水平需要改变罐道布置方式，因此端面布置方式适用于长条形罐笼(如单层双车)单水平提升的井筒中§图15-5(g)所示为对角布置方式§钢丝绳罐道布置方式如图15-5(h)、(i)所示钢丝绳罐道的根数为2~4根，在大中型矿井中通常采用四根罐道四根钢丝绳罐道可布置在提升容器的一侧或布置成四角形国内多采用四角布置，这样能减少提升容器的摆动，仅国外有人认为单侧布置比四角布置运行平稳。
对于罐道绳的布置方式，还有待进一步研究9/12/20249井巷工程 §四、提升容器§立井中的提升容器有罐笼和箕斗，提升容器类型的选择是由井筒用途决定的专门用作提升煤炭的容器，通常选用箕斗；用作升降人员、设备、下放材料和提升矸石的容器都选用罐笼如果一个井筒既提升煤炭，又作为升降人员、设备、下放材料和提升矸石用，此时应选用罐笼§ (一)箕斗的选择§箕斗的容积和规格主要根据矿井年产量、井筒深度和矿井工作组织来确定，箕斗的一次合理提升量q按下式计算：9/12/202410井巷工程 a——提升能力富裕系数，一般仅对第一水平留20％左右的富裕系数； N——矿井年工作日，300 d／a； t——每天净提升时间，14h／d； T——一次提升循环时间，s/次；§ 一次提升循环时间丁可按下式计算：§ T＝H/vp+u+θ (15—2)§ 式中H——提升高度，m；§ u——箕斗在曲轨上减速与爬行所需的附加时间，可取M＝10s；或罐笼在井口稳罐 所需的附加时间，可取u＝5s；§ θ——休止时间，s；箕斗装卸载和罐笼提升人员、矸石以及进出材料车、平板车的休止时间，按《煤炭工业设计规范＞规定选取；§ vp——提升平均速度，m/s；§ vp＝vm/a (15—3)§ vm——实际最大提升速度，m/s实际最大提升速度不得超过《煤矿安全规程》规定的 速度；立井提升物料，提升容器的最大速度不得超过下式所求数值：9/12/202411井巷工程 §a——速度乘数，对一般交流电机拖动的提升设备，可取1.2。
§根据求得的一次合理提升量Q和松散煤的重力密度，即可选用相应的箕斗箕斗的有效载重量，现行的标准有4t、6t、8t、12t、16t、20t在选用箕斗时，应在不加大提升机功率和井筒直径的前提下，尽量采用大容量的箕斗，以降低提升速度，节省电耗9/12/202412井巷工程 §(二)罐笼的选择§罐笼的规格应先根据矿井选用的矿车规格进行初选，然后再根据《煤炭工业设计规范》的规定，按下列要求进行验算：§1．按最大班工人下井时间验算§按40min内将最大班的下井工人运送完毕的要求进行验算，即§式中T——提升人员时一次提升循环时间，按式(15—2)计算，如最大速度vm超过《煤矿安全规程》规定的提升速度12m／s时，T应按vm＝12m／s计算；§n0——所选罐笼每罐提升人员数；§n——最大作业班下井人数§如不能满足上式要求，则可采用双层罐笼升降人员时用两层，提升矸石或进行其他作业时只用一层这样，一般情况下，既不必增大提升机功率和井筒断面，又能满足提升的要求9/12/202413井巷工程 §2．按最大班净作业时间不超过5h验算§对于提升任务较重，矿井深度较大的大型矿井的副井，除应满足升降人员的要求外，还要根据最大作业班提升总时间不应超过5h进行验算。
最大作业班提升总时间包括：最大班升降工人时间，按工人升降井时间的1.5倍计算；而升降其他人员的时间，按20％计算；提升矸石，按日出矸石量的50％计算；运送坑木、支架，按日需要的50％计算；计算出最大班总作业时间，以不超过5h进行验算若计算出的最大班总作业时间超过5h，则应考虑多层或多车罐笼9/12/202414井巷工程 §五、立井装备§立井井筒装备包括罐道梁、罐道、梯子间、管道、电缆间等其中罐道、罐道梁是井筒装备的主要部分它是保证提升容器安全运行的导向设施§ (一)罐道梁§罐道梁是井内其他装备的支承点，常采用18~28号工字钢制作，或由型钢焊成梁的两端插入井壁的梁窝内或用树脂锚杆固定，后者不消弱井壁，劳动强度低和安装速度快，使用较多§ (二)罐道§罐道是提升容器在井内垂直滑行的导向装置9/12/202415井巷工程 §1.木罐道§木罐道为矩形断面，常用木质致密、强度较大的松木制成，并经过防腐处理长度6m，断面180 mm×160或200 mm×180mm过去应用于升降人员的罐笼井近年来，由于钢丝绳防坠器已经成功地应用于矿井中，故木罐道已逐步被金属罐道所取代§2.金属罐道§金属罐道常采用33kg／m、38kg／m、43kg／m钢轨制作。
近年来，由于大型矿井和深度要求加大提升容器、增大提升速度，而钢轨罐道在侧向水平荷载作用下，容易导致提升容器剧烈的横向摆动，故侧向刚性系数和截面系数较大的型钢组合罐道、整体轧制罐道日益得到发展§罐道梁和罐道的连接如图15—6、图15—7、图15—8所示§罐道梁与罐道的布置方式，按提升容器与罐道的位置的关系不同分为单侧布置、双侧布置、端面布置和对角布置9/12/202416井巷工程3.钢丝绳罐道采用钢丝绳作为提升容器的罐道，简称为绳罐道(柔性罐道)，其系统包括绳罐道、钢丝绳两端的固定拉紧装置、提升容器上的导向器、井口和井底进出车处的刚性罐道等，如图15-9所示 9/12/202417井巷工程 §(三)梯子间§梯子间主要作为井下突然发生事故或因停电而中断提升时人员的安全出口，平时可利用它检修井筒装备和排除故障§梯子间应与管缆间靠近，以便检修梯子间由梯子、梯子梁和梯子平台组成，其布置如图15-10所示9/12/202418井巷工程 § (四)管道电缆间§管缆间主要用来布置管路和电缆管路包括排水管、压气管、供水管和充填管等；电缆包括动力、通讯、信号电缆等为了安装检修方便，管缆间应靠近梯子间一侧布置。
管道固定如图15-11所示9/12/202419井巷工程 §六、确定井筒横断面尺寸§根据选定的提升容器的规格、数量和梯子间尺寸，预选管道梁和管道规格，如图15—5所示，选好井筒横断面布置方式后，便可依据《煤矿安全规程》有关安全间隙的规定确定井筒净直径我国煤矿采用井筒内径为4.5m、5.0m、5.5m、6.0m、7.0m、8.0m，这些均为标准尺寸9/12/202420井巷工程 §一、施工方案与施工设备一、施工方案与施工设备§ (一一)施工方案施工方案§根据掘进、砌壁和安装三大工序在时间和空间的不同安排方式，立井施工方根据掘进、砌壁和安装三大工序在时间和空间的不同安排方式，立井施工方案有掘、砌单行作业；掘、砌平行作业；掘、砌混合作业和掘、砌、安一次案有掘、砌单行作业；掘、砌平行作业；掘、砌混合作业和掘、砌、安一次成井§1．单行作业．单行作业§它的特点是将井筒自上而下分成若干个井段，在同一段内掘砌先后顺序作业它的特点是将井筒自上而下分成若干个井段，在同一段内掘砌先后顺序作业也就是在一个井段内自上而下进行掘进，待该井段掘完后停止掘进工作，再也就是在一个井段内自上而下进行掘进，待该井段掘完后停止掘进工作，再自下而上施工本段永久支护自下而上施工本段永久支护(图图15—12)。
每个井段高度视围岩稳定性和临时每个井段高度视围岩稳定性和临时支护而定，采用挂圈背板临时支护时，段高以支护而定，采用挂圈背板临时支护时，段高以30—40m为宜，最大不应超过为宜，最大不应超过60 m；采用锚喷临时文护时，由于井帮围岩得到及时封闭，宜采用较大段高采用锚喷临时文护时，由于井帮围岩得到及时封闭，宜采用较大段高单行作业方案的优点是占用凿井设备少，施工组织简单，工作安全；缺点是单行作业方案的优点是占用凿井设备少，施工组织简单，工作安全；缺点是掘砌顺序作业，施工速度受到限制掘砌顺序作业，施工速度受到限制§2．平行作业．平行作业§它的特点是将井筒分成若干个井段，在相邻的两个井段内，上一个井段自下它的特点是将井筒分成若干个井段，在相邻的两个井段内，上一个井段自下而上进行永久支护而下一个井段自上而下同时进行掘进井筒而上进行永久支护而下一个井段自上而下同时进行掘进井筒(图图15-13)其优点是充分利用空间和时间，为快速建井创造了条件；缺点是需要的设备多，点是充分利用空间和时间，为快速建井创造了条件；缺点是需要的设备多，掘砌工作相互干扰，施工组织复杂，作业安全性差掘砌工作相互干扰，施工组织复杂，作业安全性差。
9/12/202421井巷工程 9/12/202422井巷工程 §3．混合作业§井筒掘、砌工序在时间上有部分平行时，称为混合作业(图15-14)这种作业方式区别于短段单行作业，具体操作是在向模板浇灌混凝土达1m高左右时，在继续浇筑混凝土的同时，即可装岩出碴待井壁浇注完成后，作业面上的掘进工作又转为单独进行，依此往复循环这种作业具有不需临时支护、作业安全、适应性强等优点，在我国应用广泛9/12/202423井巷工程 §4．一次成井§井筒永久装备的安装和掘进、砌壁作业同时进行施工，称为一次成井由于施工组织太复杂、各工序的干扰大、安全性差，故很少采用§总之，立井井筒施工方案的选择，是由具体的施工条件决定的目前我国立井施工采用单行作业的较多，短段单行作业和混合作业发展较快平行作业和一次成井作业方式，在我国虽然未收到理想的效果，但是只要进一步提高施工组织管理水平，今后在井筒深度、井筒直径不断增大、机械化施工设备配套日益完善的情况下，必将进一步发挥其作用9/12/202424井巷工程 §(二)凿井主要施工设备和设施§凿井主要施工设备和设施有凿井井架、卸矸台、吊盘、固定盘和封口盘、凿井提升绞车等立井井筒施工概貌如图15—15所示。
§即“一架两台三盘一架两台三盘”9/12/202425井巷工程 §1．凿井井架§凿井井架是专门用于立井开凿而设立的井架，目前主要采用的是装配式金属凿井井架，有时也可以采用永久井塔凿井§天轮平台是凿井井架的重要组成部分，用于承担凿井时全部提升和悬吊设备的载荷§2．卸矸台§卸矸台是用作将吊桶提出的矸石倒入溜槽，而后经溜槽装入矿车或汽车的排矸设施其高度一般为6m左右§3．封口盘与固定盘§封口盘也叫做井盖，作为升降人员、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安全的结构物为此，要求封口盘上的各种子孔口必须加盖封严§固定盘，是为了进一步保护井下人员安全而设置的同时在固定盘上通常安有测量装置，它也被用来作为接长风筒、压气管和水管的工作台固定盘位于封口盘以下4—8m处，与地面用梯子相连9/12/202426井巷工程 §4．吊盘§吊盘是进行井筒永久支护施工的作业盘，用钢丝绳悬吊在地面的稳车上吊盘多为双层，在单行作业时，还用作拉紧稳绳(吊桶罐道)、放置气动绞车升降抓岩机和起保护井底掘进工人安全的作用§5．凿井绞车§稳车也称凿井绞车，用来悬吊吊盘、吊泵和各种管路等凿井设备和拉紧稳绳。
9/12/202427井巷工程 §二、凿岩爆破工作§凿岩爆破工作是立井掘进的主要工序，约占整个循环时间的20％~30％，其效果好坏直接影响立井施工速度、工作安全和工程质量§ (一)凿岩设备§立井凿岩设备有手持式凿岩机和伞形钻架手持式凿岩机由于设备简单，易于操作，目前仍被广泛采用在大断面的井筒中主要使用可安装多台凿岩机同时进行打眼的伞形钻架§伞形钻架(图15—16)是由钻架和重型高频凿岩机组成的气液联动导轨式凿岩机具§伞钻由中央立柱、支撑臂、动臂、液压和气动系统等组成打眼前用主提升钩头将伞钻送至井筒工作面上进行对中、固定和打眼打完眼后，将伞钻收拢起来，用主提升钩头将伞钻提升至地面9/12/202428井巷工程 9/12/202429井巷工程 §(二)爆破工作§立井掘进由于工作面常有积水，目前常采用水胶炸药和乳化炸药、毫秒电雷管爆破电源采用220V或380V交流电源§炮眼的装药结构与平巷一样，掏槽眼和崩落眼采用连续装药结构，周边眼应采用径向和轴向空气间隙装药结构，或不耦合缓冲间隔装药结构(图15—17)9/12/202430井巷工程 §炮眼深度与循环时间、钻眼设备、爆破技术、围岩性质等因素有关。
现场主要按计划进尺、循环时间、炮眼利用率确定眼深一般为1.5—3.0m§炸药消耗量可参照表15—1选取9/12/202431井巷工程 §炮眼布置与井筒断面形状有关，圆形断面多按同心圆布置掏槽方式依眼深而定，一般采用锥形掏槽；深孔爆破常用直眼掏槽采用光面爆破时，周边眼间距E为0.4~0.6m；周边眼与相临一圈炮眼的间距E为0.6~0.8m，要求E／W≤0.8~1.0，W为最小抵抗线§万年风井在中硬岩层中采用直眼多段复式掏槽，取得了较好的效果爆破图表如图15—18和表15—2所示§立井爆破网路联线方式，一般多采用并联；若一次起爆的雷管数目较多，宜采用串并联 (图15—19)9/12/202432井巷工程 9/12/202433井巷工程 §三、装岩提升§在立井掘进中，装岩提升工作是最费工时的工序，它约占整个掘进循环时间的60％，是决定立井施工速度的关键§(一)装岩工作§立井掘进使用的抓岩机有人力操作的长绳悬吊抓岩机和NZQ2-0.11型抓岩机；机械化操作的中心回转式、环行轨道式和靠壁式抓岩机§NZQ2-0.11型是过去常用的抓岩机(图15—20)，此机由抓斗、起重器和操纵架三部分组成悬吊在吊盘上的气动绞车上，装岩时下放到工作面；作业完毕，提至吊盘下方距工作面15~40m的安全高度处。
9/12/202434井巷工程 9/12/202435井巷工程 §(二)提升工作§凿井提升容器采用吊桶(图15—23)，其容积应与抓岩机抓斗容积相适应，一般为抓斗容积的3—6倍我国常用吊桶容积为l~3m3，在国外吊桶容积有的达4—8m3吊桶提升方式分为单钩提升和双钩提升根据井筒断面大小，可以设1—2套单钩提升或一套单钩、一套双钩提升9/12/202436井巷工程 §装岩时，吊桶摘挂钩频繁，必须使用操作简便、安全可靠的连结装置(图15—24)§吊桶在吊盘以下借助于滑架(图15—25)沿两根稳绳运行稳绳的上端，通过天轮固定在凿井绞车上，下端固定在吊盘上，双层吊盘结构如图15—26所示掘砌单行作业时，吊盘也就是稳绳盘若掘砌平行作业，则在砌壁双层吊盘之下，掘进工作面上方，还应设稳绳盘稳绳盘距工作面的高度不得超过40m9/12/202437井巷工程 §吊桶装满矸石后，提升至地面卸矸平台卸载卸矸方式有人工卸矸、翻笼自动卸矸和座钩自动卸矸等方式§人工卸矸(图15—27)§座钩式自动卸矸(图15—28)9/12/202438井巷工程 §四、立井支护§ (一)临时支护§井筒掘进临时支护有井圈背板式、锚喷支护和掩护筒支护三种。
§井圈背板式临时支护(图15—35)，是通过表土层和不稳定岩层的一种行之有效的方式§锚喷支护既可作永久支护，也可作临时支护，可节省材料，而且工序简单，有利于加快建井速度§掩护筒是一种金属结构物，吊挂在掘进盘与工作面之间，并随着井筒下掘，同时向下移动它不起支护作用，而是用来隔离吊盘下方的岩帮，防止碎石落到掘进工作面9/12/202439井巷工程 §(二)永久支护§永久支护可用料石砌壁、混凝土浇注或锚喷支护料石砌壁，劳动强度大、效率低、整体性差，在小型矿井、岩层涌水量不大、料石又可就地取材时采用§混凝土井壁施工，都是在地面搅拌站将混凝土搅拌好，经输料管或用吊桶送至井下浇注于井壁模板内模板有木模板、装配式金属模板和伸缩式金属整体移动模板三种为了节约木材，加快砌壁速度，应尽量采用金属模板§经验表明，短段掘砌时采用整体移动模板，效果很好，其结构如图15—29所示9/12/202440井巷工程 §随着锚喷支护在平巷及硐室工程中的大量应用，在立井井筒中也得到广泛采用，其施工工艺如图15-30所示喷射机也可设在井口，这时要特别注意防止堵塞管道锚喷支护作为永久支护，工艺简单，便于机械化施工，安全可靠，值得推广使用。
9/12/202441井巷工程 §五、立井涌水处理§立井开凿时，涌向井筒内的地下水对井筒施工有很大的影响井筒涌水处理得好坏，直接影响井筒的工程质量，甚至关系到井筒施工的成败对井筒涌水的处理方法有两种：一是排水；二是注浆堵水§ (一)排水§吊桶排水通常利用小压气泵将水排入吊桶内充满矸石的空隙，同矸石一起排到地面适用于涌水量不超过6m3小时情况§吊泵排水利用悬吊在井架上的吊泵，将井筒工作面的积水直接排到地面或排到中间泵房内利用吊泵排水，井筒涌水量以不超过40m3/h为宜§为减小工作面的积水和淋水，应采取截水措施一般在含水层下方设置截水槽，将截住的水导入水箱或中间泵房内，再用水泵排至地面(图15—31)9/12/202442井巷工程 §(二)注浆堵水§注浆堵水，就是利用注浆泵将浆液注入含水层内，使其充满岩层的裂隙并凝结硬化，堵住地下水流入井筒的通路，从而减少井筒涌水注浆堵水方式有两种：一是为了打干井，在井筒掘进前钻孔注浆堵水，称为预注浆，它又分为地面预注浆和工作面预注浆；二是为了避免井壁渗水，而在井筒掘砌后向含水层注浆封水，称为壁后注浆§壁后注浆，都是自上而下分段进行，分段高度一般为15—25m。
在各分段内则采用自下而上的注浆顺序，这是为了防止后注浆液向下渗漏而影响注浆质量§注浆管应在砌筑井壁时在出水位置埋设好，为了避免管路因注浆压力过大而被顶出，管子埋入井壁的部分应焊上法兰状铁板管端孔口还应采用卵石围砌，避免孔口被混凝土堵塞管门需带丝扣，以便安装阀门采用单液注浆的管路装置如图15—32所示9/12/202443井巷工程 §六、施工组织§立井快速施工的经验表明，采用正规循环作业、多工序平行交叉作业和工种岗位责任制是行之有效的科学组织形式，应予以推行9/12/202444井巷工程 §一、表土的工程性质一、表土的工程性质§(一一)土的基本物理性质土的基本物理性质•(1)含水量含水量(W)，是土中水的质量与颗粒质量之比的百分数是土中水的质量与颗粒质量之比的百分数•(2)孔隙比孔隙比(e)，是土中孔隙体积与颗粒体积之比是土中孔隙体积与颗粒体积之比•(3)孔隙率孔隙率(n)，是土中孔隙体积与土的总体积之比的百分数是土中孔隙体积与土的总体积之比的百分数•(4)饱和度饱和度(sr)，是土中水的体积与孔隙体积之比的百分数是土中水的体积与孔隙体积之比的百分数•(5)塑限塑限(WL)，是土由可塑状态过渡到半固体状态的界限含水量。
是土由可塑状态过渡到半固体状态的界限含水量•(6)液限液限(Wp)，是土由可塑状态过渡到流动状态的界限含水量是土由可塑状态过渡到流动状态的界限含水量§(二二)表土的分类与稳定性表土的分类与稳定性§表土土层的分类有碎石土、砂土和粘土等表土土层的分类有碎石土、砂土和粘土等§在井筒穿过的各类表土中，若其中不含有饱和水，一般来说都是比较稳定的，在井筒穿过的各类表土中，若其中不含有饱和水，一般来说都是比较稳定的，属于稳定属于稳定 表土若在这些土中含有饱和水，则往往变成不稳定表土若在这些土中含有饱和水，则往往变成不稳定表土§若是碎石土有较好的透水性，在动力水的作用下，其中的细小颗粒就要向井内若是碎石土有较好的透水性，在动力水的作用下，其中的细小颗粒就要向井内涌入，结果在碎石土中形成孔洞，进而造成坍塌；若是砂土中含有饱和水，则涌入，结果在碎石土中形成孔洞，进而造成坍塌；若是砂土中含有饱和水，则其中的粉砂将成为悬浮状态，掘进时将向井内流动，造成流砂涌入井筒；若是其中的粉砂将成为悬浮状态，掘进时将向井内流动，造成流砂涌入井筒；若是粘土含有饱水，则粘土变成具有流塑性，掘进时也将向井筒内冒泥粘土含有饱水，则粘土变成具有流塑性，掘进时也将向井筒内冒泥。
§由于上述情况，井筒用普通法开凿就难以通过，必须采取特殊措施开凿井筒由于上述情况，井筒用普通法开凿就难以通过，必须采取特殊措施开凿井筒凡是用普通凿井法难以通过的表土，一般称作不稳定表土；否则就称作稳定表凡是用普通凿井法难以通过的表土，一般称作不稳定表土；否则就称作稳定表土9/12/202445井巷工程 §二、稳定表土层的施工§在稳定表土层中施工井筒，其施工工艺比较简单，跟井筒在基岩中施工有许多类似之处稳定表土段施工井筒，首先按测量方法定出井筒十字中心线，并按照井口布置图放好线风硐口和安全出口要与井筒同时施工下面简述在稳定或比较稳定的表土中，井筒的施工过程§(一)安设锁口§表土段井筒施工，首先向下挖2—3m，然后安设用以固定井口位置和吊挂临时支护的锁口由于钢结构锁口拆装方便可以复用，在施工中广泛采用，其结构如图15—33所示9/12/202446井巷工程 §(二)提升方式§在设备条件允许时应尽量利用标准凿井井架，这样可以节省材料设备和缩短工期只是在工程地质条件不允许时，即是出于标准凿井井架的荷重给于井帮的侧压力可能造成片帮塌井时，才采用临时小井架临时小井架有三角式、龙门式和帐幕式(图15—34)等。
当表土较浅时，也可采用汽车起重机提升9/12/202447井巷工程 § (三)表土掘进§表土掘进可用手镐、铁锹、风镐和风铲挖出的土装入吊桶提升至地面卸载为防止井帮坍塌，挖掘后需及时架设临时井圈背板(图15 35)每架井圈由6—8段，14—20号槽钢组成，各段之间用小槽钢借助销钉相连接 上下相邻井圈用Z形挂钩悬吊，挂钩用22—28mm圆钢弯成靠近地面的第一圈悬吊在临时锁口上井圈和背板之间插入木背板，板厚30—50mm、宽150—200 mm板长决定于井圈的圈距和背板的接头方式，一般为1—1.5m表土施工多用搭接式背板[图15-35(b)]，背板于井圈之间需打入木楔撑柱打在靠近挂钩的地方，上下挂钩和撑柱必须垂直对正，使井圈受力合理，以增强支架的稳定性§表土松软易垮，侧压过大时，为预防井圈变形破坏，必须采取加固措施，如缩小圈距(0.5m左右)或架设双圈9/12/202448井巷工程 § (四)砌筑井壁§表土施工井段段高不宜过大，即使表土稳定，也应控制在20—30m以内井壁材料多用混凝土或钢筋混凝土具体施工方法见基岩施工§若表土不稳定，可采用短段掘支作业方式或吊挂井壁施工法此时段高仅为1.0—2.5m。
采用吊挂井壁时，视表土性质不同，可采用全断面一次掘砌(图15—36)或半圆分次掘砌法(图15—37)由于吊挂井壁的接茬多，井壁整体性较差，一般都需要二次复壁，复壁厚度不应小于200mm9/12/202449井巷工程 9/12/202450井巷工程 §三、不稳定表土的施工§在通过不稳定表土层时，井筒的施工方法有沉井法、钻井法、冻结法、帐幕法和注浆法等这些采取特殊措施的施工方法，统称为特殊凿井法在这些特殊凿井法中，比较常用的方法有沉井法、冻结法、钻井法和帐幕法§ (一)沉井法凿井§沉井法凿井，就是为了使井筒通过不稳定表土层，采取先砌好井壁后挖土，井壁随着井筒下挖而下沉，使掘进工作始终在已砌好的井壁内进行，而井壁也随沉随砌这种沉井方法，通常称之为普通沉井法该法由于沉井井壁与井帮的摩擦阻力的影响，沉井下沉深度受到了限制，一般情况下只能下沉20—30m§为了使沉井下沉得更深，施工现场采用在沉井上加外载荷以使其强制下沉，为了减少沉井下沉的侧面阻力，还有泥浆护壁淹水沉井法和壁后充气淹水沉井法9/12/202451井巷工程 §1．沉井结构§在普通沉井、强制沉井、泥浆护壁淹水沉井和壁后充气淹水沉井诸方法中，泥浆护壁沉井使用得最为成功。
泥浆护壁淹水沉井的施工设备和沉井结构如图15—38所示沉井由刃脚1和钢筋混凝土井壁2组成，在沉井井壁内埋设有泥浆管8随着沉井下沉，不断地接长井壁和泥浆管，直至沉到设计深度§2．泥浆护壁§在泥浆护壁淹水沉井中，沉井井壁与井帮之间充满着触变泥浆触变泥浆的作用，一是平衡含水层中的地下水静水压力、形成泥皮而起支护作用；二是充满井壁与井帮之间的环行空间起润滑作用以减少沉井下沉的侧面阻力§泥浆是由地面储浆池用泵将泥浆压入预埋在井壁中的6—8根泥浆管，经刃脚上端6—8根水平管向壁后供给的9/12/202452井巷工程 9/12/202453井巷工程 §3．破土排碴§淹水沉井法施工，其破土方法有高压水破土和钻机破土两种采用高压水破土，其水压 约为1.8—3.0MPa排碴方法一般都采用压气排碴§破土排碴的方法，还有采用大抓斗直接抓取泥砂提到地面的，这种方法对碎石层和卵石 层十分有效此法适用于井深在30m以内，否则一次抓取提升时间较长，排碴效率将显著 下降§4．防偏纠偏§沉井在下沉过程中，由于土层倾角、刃脚下局部有大块卵石、刃脚涌砂冒泥、出土不均衡以及沉井井壁不直等诸多因素的影响，往往沉井要产生偏斜。
§纠正沉井偏斜的方法，一般可在地面用千斤顶或小顶柱斜顶沉井刃脚较低一侧的井壁； 在沉井刃脚较高一侧的刃脚附近用水枪加强破土，在沉井下沉过程中进行纠偏应当指出， 在沉井偏斜较大时纠偏是不容易的，所以一定要以防偏为主为了防偏，在制作井壁时，必 须保证沉井井筒的垂直度和圆滑度；在沉井下沉过程中，在沉井井壁外侧安设导向装置，同 时要安装仪器，及时而准确地进行测量，随时掌握井筒的偏斜情况，做到及时发现及时处 理§5．注桨固井§沉井下沉到设计深度后，进行注浆固井工作，把沉井井壁与井帮固结在一起，防止井壁 继续下沉和漏水注浆前一般需要封底，以防止冒砂跑浆如果刃脚已插入风化基岩内又不能冒砂跑浆，可以不封底而直接注浆注浆时，一般利用原来泥浆管和预埋的注浆管向壁后注水泥砂浆，沉井和套井之间要充填毛石混凝土9/12/202454井巷工程 § (二)钻井法凿井§钻井法凿井，通常是利用大型回转式钻机，将井筒全断面一次钻成或者是分次扩孔钻成主要工艺过程有钻井、泥浆洗井护壁、下沉井壁和壁后注浆固井，如图15—39所示9/12/202455井巷工程 §1．钻井§钻井是钻井法凿井的关键工序钻井时，多采用分次扩孔钻进，即首先用超前钻，一次钻至井筒全深，而后分次扩孔。
在扩孔时，先扩表土段后扩基岩段，以保证优质泥浆用于表土；但表土段的最后一级扩孔要同基岩段一次扩成，以使表土段井帮暴露的时间为最短§钻进的扩孔次数，主要由钻机转盘的额定扭矩和岩石性质决定，一般扩孔次数为2—3次扩孔次数应尽量减少，以缩短辅助时间提高钻井速度§钻机的动力设备，有设置在地面的，也有设置在井内的，目前我国制造的钻井机的动力设备多数设置在地面动力设备设置在地面的钻机，钻进时由钻台上的转盘带动六方钻杆和钻头回转破岩§为了保证钻井的垂直度，均采用减压钻进，使钻杆处于受拉状态即是钻头上加铸铁块配重，而钻杆用钢丝绳吊挂在井架上，以免钻杆弯曲、钻头偏斜使井筒的垂直度产生不允许 的误差9/12/202456井巷工程 §2．泥浆洗井护壁§钻头破碎下来的岩屑，应及时地用循环泥浆从工作面清除，以使刀具始终直接作用在未被破碎的岩石面上，保证钻头正常钻进泥浆由泥浆池经过进浆地槽流入井内，进行洗井护 壁压气通过中空钻杆中的压气管而进入混合器内，压气与泥浆混合后造成钻杆的内外压 力差，使清洗过沿石工作面的泥浆带动破碎下来的岩屑被吸入钻杆内，经钻杆和压气管之间 的环行空间排至地面泥浆量的大小，应能保证泥浆在钻杆中有一定的流速(一般要大于 1m／s)，使得破碎下来的大小岩块全部排到地面。
泥浆沿井筒自上而下流动，洗井后沿钻杆 上升到地面的这种循环方式叫做反循环洗井钻井实践证明，当泥浆冲洗量为400— 600m3/h时可排除27kg重的大岩块§泥浆除了用于排除岩屑外，另一个重要作用就是护壁泥浆一方面借助本身液柱压力 平衡地压，另一方面在岩帮上形成的泥皮起堵塞裂隙隔绝地下水和防止片帮的作用§为了利用泥浆有效地洗井护壁，要求泥浆有较好的稳定性，不易产生沉淀；失水量较小，能形成薄而坚韧的泥皮；泥浆的粘度在满足排碴要求的情况下要有较好的流动性和便于净化9/12/202457井巷工程 §3．井壁下沉和壁后充填§采用钻井法施工的井筒，其井壁多数采用预制钢筋混凝土管柱结构钢筋混凝土预制 管柱是在钻井的同时在地面进行施工的，待井筒钻完后提出钻头，然后就进行悬浮下沉井 壁，如图15—40所示首先用起重大钩将带底座的预制井壁悬浮于井内的泥浆中，利用自 重和向井壁内注水的重量使井壁逐步下沉同时，在井口不断地接长钢筋混凝土预制管柱 在接长管柱时，要注意测量工作，以保证井筒的垂直度§在预制钢筋混凝土井壁下沉的同时，要及时从井底排除泥浆，以免泥浆外溢和沉淀为 了防止片帮，泥浆面不得低于锁口以下1m。
§当井壁下沉距设计深度1—2m时要停止下沉，测量井壁的垂直度并进行调整，然后再 沉到底井壁沉到底后，要及时进行壁后充填最后把井壁里的水排净，通过预埋的注浆管 进行壁后和封底注浆，以提高壁后充填质量和防止破底时发生涌水冒砂等事故9/12/202458井巷工程 §（三)冻结法凿井§冻结法凿井是在井筒开凿之前，先从地面在井筒掘进直径外的一个圆周上钻一圈冻结孔，然后在孔内安装冻结管进行冻结，用人工制冷的方法使冻结孔周围逐渐形成冻土圆柱，各冻土圆柱逐渐扩大相互交圈，将井筒周围的岩(土)水层冻结成封闭的圆筒——冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水和井筒的联系，然后在冻结壁的保护之下进行掘砌，如图15—41所示待井筒掘砌通过含水层达到预计深度后，便进行拔管充填，最后解冻井筒冻结方案有：一次冻结全深、局部冻结、长短段交叉冻结等，其中最常用的井筒冻结方案为一次冻结全深9/12/202459井巷工程 §1．冻结孔的布置§冻结孔一般按等距布置在与井筒同心的圆周上，其圈径的大小由井筒的断面、冻结深度、 钻孔允许偏斜值和冻结壁厚度来确定孔距一般为0.9—1.3m，孔径为200~250 mm，孔深应穿过含水层进入下部稳定岩层5—10m。
§2．制冷过程及冻结设备 §冻结凿井是用盐水吸收岩层的热，并把这部分热量传给氨，经压缩机做功后，氨又把这部分热量传给冷却水，冷却水把热量带到大自然中去制冷过程及冻结设备如图15-42所示9/12/202460井巷工程 §盐水循环在设有蒸发器7的盐水箱中的盐水被冷却到-20℃~-25℃以下，用泵8将盐水排到配液管10，再分别流向各冻结孔中冻结管的供液管，进入冻结管底部，然后沿冻结管徐徐上升，由回液管返回集液管9，经回液干管返回到盐水箱§制冷剂循环制冷剂通常用氨，氨气经压缩机1压缩后，进入氨油分离器2，除去从压缩机中带来的油脂微粒，纯净的氨进人冷凝器4，在冷却水的淋洗下，氨冷凝成液态氨液态氨流入储氨器5，然后经调节阀6，使体积增大压力下降进入蒸发器7后，便开始全面蒸发，并大量吸取周围盐水的热量，使盐水温度下降氨气从蒸发器出来后，经氨液分离器和除尘器又被氨压缩机吸入，进入下一循环§冷却水循环冷却水是用来冷却制冷剂氨的，要求有充足的低温水(18℃以下)冷却水用水泵12自储水池13或地下水压入冷凝器4中，冷却高温氨后由冷凝器排出。
9/12/202461井巷工程 §3．冻结段井筒的掘砌§采用冻结法施工的井筒，开挖时间选择在当冻结壁形成而尚未冻结至井筒范围以内最为理想因为在冻结壁形成之前开挖会造成涌水冒砂事故；当冻结至井筒范围以内时开挖则比较困难冻土挖掘和普通施工相同§冻结法的井壁施工，往往是在0℃以下进行的，由于水泥在低温时硬化过程很缓慢，在0℃时凝结和硬化过程将停止，又有冻融过程的变形，对井壁的强度和不透水性有很大的影响目前，国内外多采用双层钢筋混凝土或混凝土井壁，外层井壁在积极冻结期施工，内层井壁在维持冻结期施工内层井壁自下而上一次施工，井壁结构如图15—43所示双层井壁的优点是：内壁接茬少，或内外壁接茬错开，井壁不透水性好；内壁在维持冻结期施工，混凝土养护好，可避免和减少井壁出现干缩裂缝，提高了井壁质量缺点是：工序复杂，需两种规格模板，在施工内壁前必须清洗外壁的霜冻和进行打毛，以利于内外井壁结合严密9/12/202462井巷工程 §P260 §1．立井井筒的纵向组成包括哪几个部分?为什么?§2．立井井筒装备包括哪些，各有什么作用?§3．为什么井颈要比井壁段的支护加厚?§4．什么叫壁座?它有什么功用?通常布置在什么位置?§5．立井基岩施工有哪四种作业方式?其主要内容是什么?§6．立井施工时井筒涌水该如何处理?§7．试述沉井法施工工艺过程。
9/12/202463井巷工程 。