井巷工程-井筒施工.doc

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第十章 井筒施工
第一节 概述
根据井田开拓方式不同，井筒可分为立井和斜井二种。井筒按其用途又分为主井、副井和风井等。
当采用立井开拓方式时，主井是专门用作提升煤炭的井筒，在大型和中型矿井中提升煤炭的容器多采用箕斗，所以主井又常称作箕斗井。副井是用作升降人员、材料、设备和提升矸石的井筒，由于副井采用的提升容器是罐笼，所以又称作罐笼井。同一个井筒内安设有箕斗和罐笼两种提升容器时，该井筒称作混合井，它多用于老矿改扩建的延深井。风井主要是用作通风，一般又兼作矿井的安全出口，所以井内设有梯子间。立井井筒的组成由上向下可

分为井颈、井身和井底三部分，如图10-1所示。靠近地表面井壁需要加厚的一段井筒称作井颈。井颈的深度可为浅表土的全深，也可为厚表土井壁第一个壁座以上的部分井筒，一般要求井颈的深度为门15～20m。井颈部分的井壁不但需要加厚，而且通常需要配置钢筋。这是因为该段井筒处在松软表土层或风化岩层内，地压较大，又有地面构筑物和井颈上暖风道、梯子间出口、风道口等硐口的影响，使井颈内产生的应力加大。井颈靠近地表部分的井壁厚度可由具体计算确定，一般按经验可取为1.0～1.5m。采用多绳轮提升井塔时，或处在地震区的井颈厚度应取上限。井颈以下至井底车场水平的井筒称作井身，井身是井筒的主要组成部分。井底车场水平以下部分的井筒称作井底。井底的深度是由提升过卷高度、井底装备要求的高度和井底水窝深度决定的。罐笼井的井底深度一般为10m左右，箕斗井和混合井的井底深度一般为35～75m，风井井底深度一般为4～5m。
当采用斜井开拓时，斜井井筒按其用途也分为主井、副井和风井。主井是提升煤炭的斜井，按其所用的提煤设备又分为串车斜井、箕斗斜井和胶带输送机斜井。副井提升方式是采用串车提升，它的用途是上下人员、提放设备、提升矸石和入风。风井的主要用途是通风由副井入风，由风井排出。斜井井筒的组成与立井井筒相似，也分为井颈、井身和井底三部分。串车斜井井底有甩车场，箕斗斜井和胶带输送机斜井井底有装载硐室等。
井筒工程是矿井建设主要连锁工程项目之一。井筒工程量一般占全矿井井巷工程量的百分之十五左右，而施工工期却占矿井施工总工期的三分之一到二分之一。井筒工程施工速度的快慢，直接影响其它井巷工程、有关地面工程和机电安装工程的施工。因此，加快井筒施工速度是缩短矿井建设总工期的重要环节。同时，井筒是整个矿井建设的咽喉，其设计和施工质量的优劣，直接关系到矿井建设的成败和生产时期的正常使用。因此，井筒设计必须合理，井筒施工质量必须予以足够的重视。
第二节 井筒断面设计
一、立井井筒断面设计
（一） 井筒断面布置形式
立井井筒断面形状有圆形和矩形，我国煤矿一般都采用圆形断面。因为圆形断面井筒有利于采用混凝土、料石和锚杆喷射混凝土等永久支护。同时，圆形断面井筒具有承受地压性能好、通风阻力小、服务年限长、维护费用少以及便于施工等优点。
根据立井井筒用途、井筒内提升容器和井筒装备的不同，井筒断面布置有许多不同形式。如图10-2所示：图a为主井的一种布置形式，井筒内布置一对箕斗，罐道梁用树脂锚杆固定在井壁上，型钢组合罐道固定在罐道梁上；图b为风井的一种布置形式，井筒内布置有梯子间和管路间；图c、d和e为副井的布置形式，井筒内布置有一对罐笼以及梯子间和管路间，图c是采用钢轨罐道，图d是采用木罐道，图e是采用钢丝绳罐道，图f为混合并的一种布置形式，在同一个井筒内布置一对箕斗和一对罐笼，并采用钢丝绳罐道。
（二） 提升容器的选择
立井井筒中提升容器的选择是由井筒用途、井筒深度、矿井年产量和提升机类型决定的。专门用作提升煤炭的容器，通常选用箕斗。用作升降人员、材料设备和提升矸石的容器，一般都选用罐笼。当一套提升设备兼作提升煤炭和升降人员设备时，通常选用罐笼。提升容器的规格大小，可通过具体计算来确定，也可通过类比法来确定。
箕斗和罐笼按其提升钢丝绳数量，有单绳提升和多绳提升两种型式。根据采用的罐道类型不同，提升容器又分为刚性罐道箕斗和罐笼，以及钢丝绳罐道箕斗和罐笼。箕斗和罐笼的规格有多种，见表l0-l和表l0-2。
表l0-l提煤箕斗筒要规格表

（三） 井筒装备
立井井筒装备包括：罐道梁、罐道、梯子间、管路电缆间、过卷装置以及井口和井底金属支承结构等。其中罐道梁和罐道是井筒装备的主要组成部，它是保证提升容器安全运行的导向设施，也是决定井筒装备安装工期的主要工作。

图10-2立井井筒断面布置方式
1.罐道梁
立井井筒装备采用刚性罐道时，在井筒内需安设罐道梁以固定罐道。罐道梁沿着井筒全深每隔一定距离布置一层，一般都采用金属材料。罐道梁按截面形式分，有工字钢罐道梁，和由型钢焊成的封闭形空心罐道梁（图10-3，a），国外还有采用整体轧制的封闭形空心罐道梁（图10-3，b）。罐道梁与井壁的固定方式有梁端埋入井壁和用树脂锚杆固定两种，前者需要在井壁上预留或现凿梁窝，后者可以用树脂锚杆将罐道梁支座直接固定井壁上。用树脂锚杆固定罐道梁的优点是：不削弱井壁，劳动强度低和安装罐道梁速度快。但是，罐道梁支座等部件加工量大，要求加工精度高，钢材消耗量大。

表10-2 提升罐笼筒要规格表

2.罐道
罐道是提升容器在井筒中运行的导向装置，它必须具有一定的强度和刚度，以减小提升容器的横向摆动。罐道有木质罐道、钢轨耀道、型钢组合罐道、整体热轧异形钢罐道和钢丝绳罐道数种。
1） 木罐道
木罐道，只是在采用普通罐笼升降人员、材料和设备，而又采用普通断绳保险器时才被采用。制作木罐道的材料，要求木质致密坚固。一般采用强度较大的松木，并且必须进行防腐处理。木罐道的长度一般为6m，横断面尺寸根据罐笼规格的大小确定。通常l t矿车的罐笼采用160×160mm木罐道，罐笼较大时可采用180×200mm木罐道。由于木罐道每隔半年左右就需要更换一次，木材消耗量和罐道维修工作量都很大。因此，采用木罐道的井筒已逐渐减少。
2） 钢轨罐道
钢轨罐道与木罐道相比较具有经久耐用的优点，故应用比较广泛。通常采用的钢轨罐道有38kg/m和43kg/m钢轨，每根钢轨的标准长度为12.5m，钢轨接头处必须留有4.5mm的伸缩缝。安装罐道时，每根钢轨罐道卡在四层罐道梁上，所以罐道梁的层间距离为4.168m。
钢轨罐道与工字钢罐道梁之间的连接，用特制的罐道卡子和螺栓固定，如图l0-4所示。钢轨罐道与边梁同样用特制的罐道卡子和螺栓连接，故需要在罐道的另一侧设一短段钢轨作为伪罐道。钢轨罐道的缺点是，在两个轴线方向上的强度和刚度相差较大。所以采用钢轨罐道在材料使用上不够合理。
3） 型钢组合罐道
型钢组合罐道的断面形式有许多种，常用的是槽钢组合罐道，如图l0-5所示。型钢组合罐道的断面尺寸是根据刚度要求设计的，它的优点是两个轴线方向上刚度比较接近。采用这种罐道，提升容器是通过三个橡胶滚轮沿组合罐道滚动，所以提升容器运行比较平稳。由于型钢组合罐道在两个轴线方向刚度都较大，所以罐道梁层间距离可以加大。从而可减少罐道梁的层数和安装工程量。

4） 钢丝绳罐道
目前使用的钢丝绳罐道主要是异形股不旋转钢丝绳和密封钢丝绳，这两种钢丝绳表面光滑、耐磨性强、具有较大的刚性，是比较理想的罐道绳。
罐道绳的固定方法有两种：一种是钢丝绳罐道的上端固定在井架的托梁上，下端在井底内挂以重锤拉紧，这种固定拉紧方式要求有较深的井底，并且井底水窝内的淤泥应及时清理，否则淤泥将托住重锤使罐道绳松弛而造成提升容器碰撞事故；另一种是钢丝绳罐道下端固定在井底的钢梁上，而上端用安设在井架上的液压螺杆拉紧装置将罐道绳拉紧。这种固定罐道绳的方法调绳方便省力，井底也较浅，但安装和换绳比较复杂。
为了保证提升工作安全，罐道绳必须具有一定的拉紧力和刚度。《煤矿安全规程》规定：采用钢丝绳罐道时，每l00m钢丝绳的拉紧力不得小于10kN，每根罐道绳的最小刚性系数不得小于50kg／m。各钢丝绳罐道张紧力之差不小于5％，内侧张紧力大，外侧张紧力小，以防罐道绳发生共振，导致提升容器产生较大的横向摆动。
钢丝绳罐道与刚性罐道相比较具有不需要罐道梁、通风阻力小、安装方便、材料消耗少和提升容器运行平稳等优点。但是，采用钢丝绳罐道时，在进出车水平仍需另设刚性罐道。而且存在着井架荷载大、井底深和要求安全间隙比较大的缺点。
3.其他隔间
当立井井筒作为矿井的安全出口时，井筒内必须设置梯子间。梯子间两平台之间的垂距不得大于8m，梯子斜度不得大于80°。梯子间除作为安全出口外，还可以利用它检修井筒装备和处理卡罐事故。
管路间和电缆间安设有排水管、压风管和供水管，以及各种电缆。为了安装检修方便，管路间和电缆间一般布置在罐笼井内靠近梯子间的一侧。管路间的大小，由管路的直径和趟数决定。电缆间的位置应考虑出入线和安装检修方便。在井筒内的电话和信号电缆最好同动力电缆分别布置在梯子间两侧，如受条件限制布置在同侧时，两者间距应大于300mm。
（四） 立井井筒断面尺寸确定步骤
1. 确定井筒净直径
井筒净直径主要根据提升容器的大小和数量，井筒装备，井筒布置和各种安全间隙来确定，其步骤如下：
1） 根据井筒用途和所采用的提升容器，选择井筒装备的类型，确定井筒断面布置形式。
2） 根据所选用的井筒装备类型，初步选定罐道梁规格和罐道规格。
3） 根据提升间、梯子间、管路和电缆的布置与尺寸；以及《煤矿安全规程》规定的安全间隙，用图解法或解析法求出井筒净直径的近似值，然后按《煤炭工业设计规范》的规定，当井筒净直径小于6.5m时，以0.5m进级确定井筒净直径。一般以0.2m进级确定。《煤矿安全规程》规定的最小间隙如表l0-3所承。
表10-3 立井内提升容器之间以及提升容器量突出部分和井壁、罐道渠、井梁之间的最小间隙表，mm

4） 根据初步确定的井筒净直径，验算罐道梁和罐道。
5） 根据验算结果进行必要的调整，重新作图核算检查各处的安全间隙。当各处安全间隙都满足要求时，井筒净直径就基本确定。
2. 通风校核
根据提升容器和井筒装备尺寸确定的井筒净直径，如果井筒同时用作通风时，还必须进行通风速度校核。要求井筒内的风速不大于允许的最高风速，即

式中 Q——井筒内要求通过的风量，m3/s；
v——井筒内实际风速，m/s；
So——井筒通风有效断面积，井内设有梯子间时So=S-A，不设梯子间时So=0.9S；
S——井筒净断面积，m2；
A——梯子间等面积，A可取2.0 m2；
vmax——立井井筒中允许的最高风速，m/s。；
《煤矿安全规程》规定：升降人员和物料的井筒，vmax =8m/s，专为升降物料的井筒，vmax=12m/s；无提升设备的风井，vmax＝15m/s。
验算结果v ≤ vmax时，则井筒净直径满足通风要求。如果v ＞ vmax，则应按通风要求加大井筒净直径。
3. 井筒掘进直径
井筒掘进直径由井筒净直径与井筒永久支护厚度所决定。
井筒永久支护的设计，经常采用公式计算与经验数据相结合的方法确定。采用混凝土、混凝土预制块和料石井壁时，可按表10-4选择井壁厚度。对于砌块井壁还需加上l00mm的壁后充填厚度。采用锚喷作为井筒永久支护时，可按表10-5选取喷射混凝土层厚度、锚杆长度和间距。计算锚喷支护的井筒掘进直径时，除考虑喷射混凝土厚度外，还应考虑锚杆外露长度和锚喷支护塑性变形值。
表 10-4 井壁厚度经验数据

二、 斜井井筒断面设计
斜井断面设计步骤如下：
1.斜井井筒断面形状和支护型式的选择与平巷基本相同，但斜井服务年限长，且从受力性能好、采用石材整体式支护及锚喷支护的方便等因素考虑，斜井断面多采用半圆拱形、圆弧拱形或三心拱形断面。
2.根据斜井井筒内的提升设备类型及设施进行断面布置。串车斜井井筒内通常有轨道、人行道。管路和水沟等，根据它们相对位置有四种布置方式，如图10-6所示，箕斗斜井为出煤井，一般不铺设管路和电缆，其布置如图l7-7所示；胶带输送机斜井内除胶带输送机
表10-5 立井井筒锚喷支护参数

外，还没有人行道和检修道，其布置如图10-8所示。
3.根据斜井提升设备尺才、井内设施尺寸和《煤矿安全规程》规定的安全间隙，确定斜井井筒断面尺寸。
4.斜井井筒若是作为矿井进出风的主要通道，则必须进行风速校核。直至斜井井筒断面尺寸既能满足提升运输和井内各种设施布置，又能满足通风要求时，断面才能最后确定。
第三节 井筒表土施工
一、 立井表土施工
立井井筒表土段施工方法是由表土层地质及水文地质条件决定的。立井井筒穿过的表土层，按其掘砌施工的难易程度分为稳定表土层和不稳定土层。稳定表土层就是在井筒掘砌施工中井帮易于维护，用普通方法施工能够通过的表土层，其中包括粘土层、含水的砂质粘土、无水的大孔土和含水量不大的砾石层等。不稳定表土层就是在井筒掘砌施工中井帮很难维护，用普通方法施工不能通过的表土层，其中包括含水砂土、淤泥、含饱和水的粘土、浸水的大孔土和含水量较大的砾石层等。
（一） 稳定表土施工
在稳定表土层中掘进井筒应尽量采用标准凿井井架，这样可以节省临时小井架的制作费用、拆装费用和拆装工期。但如果受到工程地质条件限制，采用标准凿井井架有可能造成地表沉陷或片帮时；或者因标准凿井井架不能及时到货，为了及早开工，则可采用汽车起重机或临时小井架施工一段井筒后，然后再换上标准凿井井架。临时小井架所用的材料一般采用钢材，其结构型式有三角架式、龙门架式和简易帐幕式等。这些金属临时小井架的特点是结构简单、加工方便和易于拆装。龙门架式小井架的结构如图10-9所示。

在稳定表土层中掘砌立井井筒，应首先向下挖掘2～3m，然后安设用以固定井口位置和悬挂临时支架的锁口。临时锁口用钢材或木材制作，由于钢结构锁口拆装方便，可以复用，在施工中多采用，其结构型式如图10-10所示，它由钢梁和锁口井圈组成，钢梁与锁口圈之间用卡子固定。施工中如果采用井圈背板作临时支架，可用挂钩将临时支护的第一个井圈挂在锁口井圈上。
安好临时锁口，便开始表土段井筒的正常掘砌工作。稳定表土段立井井筒的掘砌施工，一般采用掘砌单行作业方式和吊挂井壁短段掘砌方式。掘砌单行作业是井筒自上向下掘进，随掘进随架设临时支护，这样掘进20～40m后，停止掘进，然后自下向上随拆除临时支护随砌筑永久井壁，如此往复，直至基岩。这种掘砌作业方式需用井圈背板作临时支架，增加了费用。吊挂井壁短段掘砌方式是将井筒掘进l～2m，不用临时支护紧接着就进行该段井筒的永久支护。这种掘砌作业方式工序简单，工作安全，但井壁接茬多，封水性差。
在表上段施工中应特别注意水的处理，如果工作面有积水，为了防止片帮应挖一超前小井降低水位并汇集捅水，然后排到地面。如果井筒工作面涌水较大影响正常施工，可在井筒周围打降低水位钻孔进行抽水，以保证井筒顺利施工。
（二）不稳定表土施工
在不稳定表土层中施工立井井筒，必须采取特殊的施工方法，才能顺利通过，如：沉井法、钻井法、冻结法和帷幕法等。本节只简要介绍常用的沉井法、钻井法和冻结法。
1． 沉井法
1）淹水沉井
淹水沉井如图10-11所示，首先施工套井10，然后在安井内构筑带刃脚的钢筋混凝土沉井井壁2。套井的深度是由第一层含水层深度决定的，一般取8～15m。套井与沉井的间隙，一般取0.5m左右。

当钢筋混凝土沉井井壁的高度超出地面高度后，用泵通过预埋的泥浆管8将泥浆池11中的泥浆压入沉井壁后形成泥浆隔层9和泥皮。泥浆和泥皮起护壁润滑作用，同时减小了沉井下沉的摩擦阻力。沉井内充满水以达到平衡地下水静水压力的目的，防止涌沙冒泥事故的发生。
淹水沉井的掘进工作不需用人工挖土，而是采用机械破土。通常可用钻机和高压水枪破土，压气排渣。压气排渣的工作原理如图l0-12所示，压气进入混合器室内与水混合后其比重降低，与管外淹水形成压力差，在井内淹水液柱的压力作用下，使管内水气混合物带动泥砂沿排渣管上升排到地面沉淀池12内。破土排渣设备均用挂在井架上的游动车上，可以实现沿井筒全断面破土排渣。在井深不大的砾石层和卵石层中，采用长绳悬吊大抓斗直接抓取提到地面的破土排渣方法也是可行的。
淹水沉井是利用井壁下端的钢刃角插入土层，靠井壁自重、水下破土与压气排渣克服正面阻力而下沉。边下沉边在井口接长井壁，直到全部穿过冲积层，下沉到设计位置。采用这种施工方法，在我国的最大下沉深度己达到192.75m。日本利用压气代替泥浆，采用壁后充气的淹水沉井法，最大下沉深度已达到200.3m。

2）普通沉井
当不稳定表土层厚度不超过30m时，也可以来用普通沉井法。此法在沉井外不用泥浆护壁，沉井内不充水，工人在沉井的保护下在井内宜接挖土掘进。随着挖土工作的进行，井壁借自重克服正面阻力和侧面阻力而不断下沉。随着沉井下沉，在地面不断接长沉井井壁。在沉井的下沉过程中，要特别注意防偏和纠偏问题，以保证沉井的偏斜值在允许的范围内。
当淹水沉井或普通沉井下沉到设计位置，井筒的偏斜值又在允许范围内，应及时进行注浆固井工作，防止继续下沉和漏水。注浆前，一般用要在工作面浇注混凝土止水垫封底，防止冒砂跑浆。如果刃脚已插入风化基岩内，也可以不封底而直接注浆。注浆工作一般是利用预埋的泥浆管和注浆管向壁后注入水泥或水泥-水玻璃浆液。套井与沉井之间的间隙，要求用毛石混凝土充填。
2.钻井法
钻井法凿井是利用钻井机（简称钻机）将井筒全断面一次钻成，或将井筒分次扩孔钻成。我国目前采用的多为转盘式钻井机，其类型有ZZS-1、ND-l、SZ-9／700、AS-9／500、BZ-1和L40／800型等。
钻井法凿井的主要工艺过程为:井筒钻进、泥浆洗井护壁、下沉预制井壁和壁后注浆固井。
1）井筒钻进
井筒钻进是个关键的工序。钻进方式多采用分次扩孔钻进，即首先用超前钻头一次钻到基岩，在基岩部分占的比例不大时，也可用超前钻头一次钻到井底，而后分次扩孔至基岩或井底，如图l0-13所示。超前钻头和扩孔钻头的直径一般是已固定的，但有的钻机（如BZ-1钻机）可在一定范围内调整钻头的钻进尺寸。这样就可以选择扩孔的直径和次数。选择的原则是，在转盘和提吊系统能力允许的情况下，尽量减少扩孔次数，以缩短辅助时间。

钻井机的动力设备，多数设置在地面。钻进时由钻台上的转盘带动六方钻杆旋转，进而使钻头旋转，钻头上装有破岩的刀具。为了保证井筒的垂直度，都采用减压钻进。即将钻头本身在泥浆中重量的30～60％压向工作面，刀具在钻头旋转时破碎岩石。
2）泥浆洗井护壁
钻头破碎下来的岩屑必须及时用循环泥浆从工体面清除，使钻头上的刀具始终宜接作用在末被破碎的岩石面上，提高钻进效率。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进入混合器，压气与泥浆混合后在钻杆内外造成压力差，使清洗过工作面的泥浆带动破碎下来的岩屑被吸入钻杆，经钻杆与压气管之间环状空间排往地面。泥浆量的大小，应保证泥浆在钻杆内的流速大于0.3m／s，使被破碎下来的岩屑全部排到地面。泥浆沿井筒自上向下流动，洗井后沿钻杆上升到地面，这种洗井方式叫做反循环洗井。
泥浆的另一个重要作用，就是护壁。护壁作用，一方面使借助泥浆的液柱压力平衡地压，另一方面使在井帮上形成泥皮，堵塞裂隙，防止片帮。为了利用泥浆有效地洗井护壁，要求泥浆有较好的稳定性，不易沉淀，泥浆的失水量要比较小，能够形成薄而坚韧的泥皮；泥浆的粘度在满足排渣要求的条件下，要具有较好的流动性和便于净化。
3）沉井和壁后充填
采用钻井法施工的井筒，其井壁多采用管柱形预制钢筋混凝土井壁。井壁在地面制作。待井筒钻完，提出钻头，用起重大钩将带底的预制井壁悬浮在井内泥浆中，利用其自重和注入井壁内的水重缓慢下沉。同时，在井口不断接长预制管柱井壁。接长井壁时，要注意测量，以保证井筒的垂直度。在预制井壁下沉的同时，要及时排除泥浆，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lm。
当井壁下沉到距设计深度l～2m时，应停止下沉，测量井壁的垂直度并进行调整，然后再下沉到底，并及时进行壁后充填。最后把井壁里的水排净，通过预埋的注浆管进行壁后注浆，以提高壁后充填质量和防止破底时发生涌水冒砂事故。
3.冻结法
冰结法凿井就是在井筒掘进之前，在井筒周围钻冻结孔，用人工制冷的方法将井筒周围的不稳定表土层和风化岩层冻结成一个封闭的冻结圈（图10-14），以防止或流沙涌入井筒并抵抗低压，然后在冻土圈的保护下掘砌井筒。待掘砌到预计的深度后，停止冻结，进行拔管和充填工作。
冻结法凿井的主要工艺过程有钻冻结孔、冻结和井筒掘砌等工作。
1）钻冻结孔
为了形成封闭的冻结圈，先要在井筒周围钻一定数量的冻结孔，以便在孔内安设带底锥的冻结管和底部开口的供液管。
冻结孔一般等距离地布置在与井筒同心的圆周上，其圈径取决于井筒直径、冻结深度、冻结壁厚度和钻孔的允许偏斜率。冻结孔间距一般为1.2～1.3m，孔径为200～250mm，孔深应比冻结深度大5～10m。
2）冻结过程
井筒周围的冻结圈，是由冷冻站制出的低温盐水在沿冻结管流动过程中，不断吸收孔壁周围眼涂层热量，使岩土逐渐冷却冻结而成。盐水起传递冷量的作用，称为冷媒剂。盐水的冷量是利用液态氨气化时吸收盐水的热量而制取的，所以氨叫做制冷剂。被压缩的氨由过热蒸汽状态变成液态过程中，其热量又被冷却水带走。可见，整个制冷设备包括氨循环系统、盐水循环系统和冷却水循环系统三部分，如图10-15所示。
氦循环素统：气态氨在压缩机1中被压缩到0.8～1.2MPa，温度升高到80～120℃处于过热蒸气状态。高温高压的氨气经管路进入氨油分离器2，除去从压缩机中带来的油脂后进入冷凝器4，在16～20℃冷却水的淋洗下被冷却到20～25℃而变成液态氦（多余液态氨流入贮氨器5贮存，不足时由贮氟器补充）。液态氨经过调节阀6使压力降到0.155MPa左右，温度相应降低到蒸发温度－25～－35℃。液态氨进入蒸发器8中后便全面蒸发，大量吸收周围盐水的热量，使盐水降温。蒸发后的氨进入氨液分离器7进行分离，使未蒸发的液态氨再流入蒸发器8继续蒸发，而气态氨则回到压缩机中重新被压缩。
盐水循环系统：在设有蒸发器的盐水箱l0中，被制冷剂氨冷却到－20～－25℃以下的低温盐水，用盐水泵输送到配液管和各冻结管内。盐水在冻结孔内沿供液管流至孔底，然后沿陈结管徐徐上升，吸收周围岩土层的热量后经集液管返回盐水箱，这种盐水流动循环方式叫做正循环方式，其冻结壁厚度上下比较均匀，故常被采用。还有一种反循环方式，盐水由原回油管进入冻结管缓缓下流，然后从原供液管返回集液管。反循环方式可加快含水层上部冻结壁的形成。
冷却水循环系统：用水泵将贮水池或地下水源井的冷却水压入冷凝器中，吸收了过热氨气的热量后从冷凝器排出，水温升高5～l0℃。若水源不足，排出的水经自然冷却后可循环使用。

3）冻结方案
冻结方案有一次冻全深、局部冻结、差异冻结和分期冻结等几种。一次冻全深方案的适应性强，应用比较广泛。局部冻结就是只在涌水部位冻结，其冻结器始构复杂，但是冻结费用低。差异冻结，又叫长短管冻结，冻结管有长短两种间隔布置，在陈结的上段冻结管排列较密，可加快冻结速度，使井筒早日开挖，并可避免下段井筒冻结，影响施工速度，浪费冷量。分期冻结，就是当冻结深度很大时，为了避免使用过多的制冷设备，可将全深分为数段（通常分为上下两段），从上而下依次冻结
冻结方案的选择，主要取决于井筒穿过的岩土层的地质及水文地质条件需要冻结的深度、制冷设备的能力和施工技术水平等。
4）冻结段井筒掘砌
采用冻结法施工，井筒的开挖时间要选择适时，即当冻结壁已形成而又尚未冻至井筒范围以内时最为理想。此时，既便于掘进又不会造成涌水冒砂事故。但是很难保证处于理想状态，往往整个井筒被冻实。对于这种冻土挖掘，可采用风镐或钻眼爆破法施工。
冻结井壁一般都采用钢筋混凝土或混凝土双层井壁。外层井壁厚度为400mm，随掘随进行浇注。内层井壁厚度一般为600mm，它是在通过冻结段后自下向上一次施工到井口。双层井壁的优点是内壁无接茬，井壁抗渗性好；内壁在消极冻结期施工，混凝土养护条件较好，有利于保证井壁质量。
二、斜井表土施工
在稳定表土层内开挖斜井时，其施工方式与井口所处地形有关。若斜井井口选择在山坡处，则表土施工比较简单，只需将井口位置的浮土和风化碎石清除干净即可开硐掘进。斜井的井口需要用混凝土或石材砌筑。若斜井井口处于表土层较厚的平坦地带，由于直接开硐掘进顶板不易维护，需要明槽开挖而后才能开明掘进斜井井筒。
（一） 明槽尺寸
明槽的形式如图10-16所示，其尺寸可根据图中几何关系求出。
1. 明槽斜深

，m
式中 h—井筒掘进高度，m；
h1—顶板安全厚度，h=2～4m；
h2—耕作层或堆积层厚度，坦地形可取h=0.5m；
a—斜井倾角，（°）；
a1—明槽边坡安息角，a＝45°～80°；
a2—井口地面自然坡度，（°），
2.明槽底斜长
，m
3明槽上口长度
，m
4.明槽底宽
明糟底宽B1可以取与斜井掘进宽度B相等，为了施土方便也可比斜井掘进宽度大0.6～1.0m。
5.明槽上口宽度
，m
明槽槽底的坡度应与斜井的倾角一致。为了减少开挖土方工程量，可将明槽掘成直立槽壁。但需用横撑或斜撑加固槽壁，以保证施工安全。
（二）表土施工方法
斜井表土施工应尽量避开雨季。施工前应在斜井井口四周修好排水沟，将水排至场外。明槽应尽量采用机械挖掘，缩短明槽边坡暴露时间。明槽挖完后，井口上部的边坡要支承好，如图10-17所示，以防片帮滑坡。明槽部分的井筒永久支护，若边坡的稳定情况较好，可待井筒下掘5～10m后，再自下向上砌筑永久支护直到井口。明槽永久支护的外部应做防水层或夯填三合土，然后及时用土回填，以防积水危及井筒正常施工。

斜井开硐后的表土施工方法，多采用短段掘砌施工方法，段距为2～4m。随着掘进立即进行临时支护，尔后拆除该段临时支护进行永久支护。临时支护，多采用拱形金属支架。
在不稳定表土层中掘进斜井是非常困难的。不稳定表土层较薄或距地表较浅时，可用
挖明槽方法通道。也可采用降低水位法和冻结法等特殊方法施工。
第四节 立井基岩施工
一、施工作业方式及循环组织
立井基岩施工，是指在表土层或风化岩层以下的井筒施工。井筒基岩段施工作业方式，有掘砌单行作业，掘砌混合作业和掘砌安一次成井。
（一） 掘砌单行作业
在井筒施工个，往往将基岩段井筒分成若干个30～60m的井段。掘砌单行作业，就是在同一个井段内首先自上向下掘进井筒同时进行临时支护，待该井段掘充后再自下向上施工永久井壁，如图I0-18所尔。
掘砌单行作业的掘进循环组织如图l0-19所示。在图表中安排各掘进工序进行的顺序和时间，以达到科学管如的目的。
掘砌单行作业的优点：占用施工设备少，施工组织工作简单便于管理，工作安全可靠。这种作业方式过去在施工立井井筒时多被采用，权台主井采用这种作业方式曾创造了月成并l60.92m的好成绩。
（二） 掘砌平行作业
在深井施工中，为了加快施工速度，缩短建井工期，可采用掘砌平行作业方式，如图10-20所示，在井筒工作面进行掘进的同时，在上一井段的吊盘上平行进行永久支护工作。这种作方式需要设备多，组织管理工作复杂，上一井段的永久支护工作对下一井段的掘进工作有影响，工作安全不易保证。红阳二井施工主井时曾采用了掘砌平行作业，最高月成井达到134.3m。

（三） 掘砌混合作业

掘砌混合作业，就是掘进和砌壁工作在工作面上先后进行或部分平行进行，砌筑永久井壁工作混入到掘进工作中间构成一个循环，如图10-2l所示。混合作业掘砌工作循环图表如图10-22所示。当装岩工作进行到围岩暴露高度相当于金属活动模板一个段高后，就立模砌壁。该段井壁砌筑工作结束后，就紧接着装岩。金属活动模板刃脚以下空帮高度应有利于打眼工作，同时也不应过高，以防片帮危及安全。

掘砌混合作业的优点：不用临时支护，施工成本低；围岩暴露时间短，工作安全；平均成井速度快。我国采用混合作业施工井筒已达到月成井121.3m。
（四） 掘砌安一次成井
掘砌安一次成井，既是在井筒掘砌过程中完成罐道梁等安装工作。已安装好的罐道梁可用于悬吊凿井设备，减少了需用凿井绞车的数量。但是，这种作业方式施工组织与管理更加复杂。鹤壁梁峪副井采用砌壁和安装工作分别与掘进工作平行，取得了月成井97.33m加的好成绩。

井筒掘砌施工作业方式的选择，取决于具体的施工条件。合理的施工作业方式应该是技术上先进，经济上合理，成井速度高，安全上可靠。目前我国施工立井井筒的作业方式，主要是掘砌单行作业和混合作业，而且混合作业有取代单行作业的趋势。平行作业和掘砌安一次成井作业方式，虽然在我国没有收到比较理想的效果。但是，只要进一步提高施工管理水平，今后在深井施工中将会受到重视。
二、凿井结构物与井内设备布置
（一） 凿井结构物及主要设备
施工立井井筒的凿井结构物及主要设备包括：凿井井架、卸矸台、封口盘、固定盘、吊盘、凿井绞车和凿井提升机等。各种凿井结构物的布置如图l0-23所示。
1.凿井井架
凿井井架是专门为施工立井井筒而制造的装配式金属井架，凿井井架的规格如表10-6所示。天轮平台是凿井井架的重要组成部分，需要承受全部悬吊设备荷载和提升荷载。天轮平台上设有天轮梁和天轮，为避免钢丝绳与天轮平台边梁相碰，有时还要增设导向轮。天轮平台由四根边梁和一根中梁组成，其结构和天轮布置如图10-24所示。

在使用永久井塔的矿井，而井塔又先于立井基岩施工时，采用永久井塔代替凿井井架施工也是合理的。

2. 卸矸台
卸矸台上没有溜槽和翻矸设施。排矸时，矸石吊桶提到卸矸台后，利用翻开设施或采用人工挂钩将矸石倒入溜槽，再装入矿车或汽车。坐钩式自动翻矸设施如图10-25所示。续装满矸石的吊桶坐到坐钩上时，坐钩钩住吊桶底一起绕横铀3翻转卸矸。
卸矸台要有一定的高度，保持溜槽具有35°～40°倾角，使矸石能借自重下滑到排矸车辆内。卸矸台的高度，也必须满足伞钻出入立井的要求。
3.封口盘与固定盘
封口盘也叫井盖，它是升降人员和材料设备以及拆装各种管路的工作平台，同时又是保护井上下作业人员安全的结构物。要求封口盘上的各种孔口必须加盖封严。
固定盘是为了进一步保护井下人员安全而设置的，它位于封口盘下4～8m处。固定盘上通常安设有测量井筒中心线的装置，有时也作为接长风筒、压气管和排水管的工作台。如果在施工中对封口盘加强管理，固定盘可以不设。
4.吊盘与稳绳盘

吊盘是进行井筒永久支护的工作盘，它用1～2根钢丝绳悬挂在地面的凿井绞车上，或采用液压迈步装置挂在井壁上。在掘砌单行作业和混合作业中，又可用于拉紧稳绳、保护工作面作业人员安全和安设抓岩机等掘进施工设备。为了避免翻盘，一般都采用双层吊盘。两层盘之间的距离应能满足永久井壁施工要求，通常为4m左右。当用吊盘安装罐道梁时，吊盘的层间距应与罐道梁的层间距相适应。吊盘的外径与井筒净径间应有不大于100mm的间隙，以便于吊盘升降，又不因间隙过大而向下坠物。为了保证吊盘上和掘进工作面上作业人员的安全，盘面上各孔口和间隙必须封严。
采用掘砌平行作业时，井筒内陈设有砌壁吊盘外还设有稳绳盘。稳绳盘用来拉紧稳绳、安设抓岩机等设备和保护掘进工作面作业人员的安全。
5.凿井提升机与凿井绞车
凿井提升机专门用于凿井提升，其型号有JKZ-2.8/15.5和2JKZ-3/15.5等。其中JKZ代表矿用凿井提升机，2.8和3代表卷筒直径（m），15.5代表传动比。
凿井绞车用于悬吊凿井设备，其型号主要有JZ和JZM型两种。其中JZ代表凿井绞车，数字前的A代表吊车安全梯用，数字后的A代表改进型，M代表钢丝绳与工作卷筒之间靠摩擦力传动，J前面的2代表双卷筒。
凿井提升机和凿井绞车的主要性能，见表10-7。

凿井提升机和凿井绞车在地面的布置应尽量不占用永久建筑物位置，同时应使凿井井架受力均衡，钢丝绳的弦长、绳偏角和出绳仰角均应符合规定值，凿井绞车钢丝绳之间，及与附近通过的车辆之间均应有足够的安全距离。
（二）井筒内施工设备布置
施工立井井筒时，井筒内布置的施工设备有吊桶、吊泵、抓岩机、安全梯，以及各种管路和电缆等。这些施工设备布置得是否合理，对井筒施工、提升改装和井筒装备工作有很大的影响。
1.吊桶布置
在立井施工中提升矸石、升降人员和材料工具都用吊桶。吊桶的规格见表10-8。吊桶在井筒横断面上位置的确定，应满足以下要求：

1）采用凿井提升机施工井筒时，应考虑地面地形条件是否有安设提升机的可能性。凿井提升机房的位置应不影响永久建筑物施工，并应力争井架受力比较均衡。
2）吊桶应尽量布置在永久提升间内，并使提升中心线与罐笼出车方向或箕斗井临时罐笼出车方向一致，以利于转入平巷施工时的提升设备改装和进行井筒永久装备工作。
3）吊桶应尽虽靠近地面卸矸方向一侧布置，使溜矸槽少占井筒有效面积，避免溜矸槽装车高度不足。
4）吊桶与井壁和其他设备间隙，必须满足《煤矿安全规程》和《矿山井巷工程旅工及验收规范》的有关规定。
2.抓岩机布置
抓岩机布置的位置，应使抓岩工作不出现死角，有利于提高抓岩生产率。中心回转式抓岩机和长绳悬吊抓岩机应尽量靠近井筒中心布置。同时又不应影响井筒中心的测量工作。
3.吊泵布置

吊泵的位置应靠近井帮，使之不影响抓岩工作。为了使吊泵出入井口和