大直径超长管棚支护技术在煤矿斜井井筒表土段施工中的应用

王龙根 陈 杰 李志刚

（山西省长治经坊煤业有限公司，山西 长治046000）

1 工程概况

山西省长治经坊煤业有限公司副斜井井筒改造前井筒断面形状为三心拱形，料石砌碹，净宽3.1m，净高2.7m，净断面7.77m?。改造后井筒断面形状为半圆拱形，净宽6.0m，净高4.4m，净断面面积22.5m?。工程量391.5m，其中表土段236.6m，采用钢筋混凝土浇筑，支护厚度450mm，基岩段156.9m采用锚喷支护，支护厚度 150mm。斜井坡度为-20°15′。

2 管棚设计方案

2.1 管棚设计参数

（1）管棚布设范围：巷道拱极线以上180°范围，共计39根。

（2）管棚布设方案：钢管中心间距为300mm，管棚范围线距离扩刷范围法线距离为300mm。

（3）管棚材料选择：管棚采用Φ133mm×6mm无缝热轧钢管，套管采用Φ127mm×8mm无缝热轧钢管。

（4）连接方法：钢管采用丝扣套管连接，套管长度为300mm，用Φ127mm×8mm无缝钢管加工成300mm长外车丝扣。Φ133mm钢管两端加工150mm长内车丝扣。因管棚打设距离太长，仅丝扣连接难以承受这么大扭矩。将Φ133mm钢管纵向割成四块，每个丝扣接头焊接两块进行加固。

（5）钢管打设方位：钢管沿井筒开挖轮廓线纵向按-20°30′的坡度外插设置。详见管棚打设示意图1。

图1

（6）设备选型：采用HG-200型水平定向钻机，电机功率55KW；BW250型注浆机，电机功率为15KW；Q1393型管螺纹车床，导向定位仪采用国内最先进的SE-200型有线导向仪，该导向仪分有线数据探棒、数据连接线、手持式远程接收器。定位倾角精度为0.3%，倾角分辩率为0.1%。

2.2 管棚工作室和导向架设计

根据现场操作的需要，钻机钻孔时要有一个空间比井筒开挖轮廓线大的工作室，即长管棚工作室。它的宽度取决于井筒开挖断面尺寸、钻机尺寸及操作时所

需空间的大小，而其长度则主要取决于管节长度、钻机及钻杆接长所需要的最大长度，同时还要满足对管子进行纠偏操作的空间。根据以上要求，工作室的长取8m，宽取8.7m。

为准确控制长管棚的方向和坡度，在平整好的工作室场地上，采用32号工字钢作为水平方向移动的滑道，在滑道平台上竖立四根6m高的18号工字钢，每根工字钢上端挂一个3t的手动葫芦，在四根工字钢中间制作操作台，用手动葫芦控制操作平台的高度。见工作室及导向架设计图2。

图2

3 管棚施工方案

根据现场地质条件采水循环导向跟管钻进法一次打设到位。

水循环导向跟管钻进法就是将管棚钢管作为钻杆，在第一节管棚钢管前端安装带有导向探棒的楔形板钻头。首先采用水平定向钻机将装有楔形板钻头的管棚钢管打入土中，然后通过丝扣连接，将其它管棚钢管与前一节管棚钢管连接，依次打入土中，并跟踪测钻进方向，控制管棚铺设轨迹，直到达到管棚设计长度终孔，最后进行封孔注浆而成管棚。楔形板钻头如图3。

图3

导向过程如下：

如图3所示：钻头内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角(水平角度)、面向角(导向板的方向：导向板朝上即为12点，如同钟面)。打设角度如果偏下，可以把钻头调到12点，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大。受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动。同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，9点、3点分别是为左、右纠偏方向。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹是平直的。所以导向钻头是上下纠偏的关键。至于左右偏差根据传感器尾端的发光装置来定，通过仪器测量参数来纠偏。

4 施工工艺

4.1 管棚工作室施工

管棚施工前，斜井明槽段已开挖完毕。在明槽段标定出管棚工作室的范围，在扩刷过程中，两帮？及迎脸部分用锚网喷临时支护，防止遇水垮塌。将四周表土扩刷至设计的尺寸。平整好场地先用板材将地板平台操平找正，同时在管棚工作室旁边设置一个泥浆存放池，内设置一台泥浆泵，打设管棚所产生的泥浆由泥浆泵经管道排到地面指定位置。

4.2 测量放线

钻机机架安装前，根据设计图纸测量放出隧道轴线、里程线和管棚中心位置，并做好相应标志，标出孔号。

4.3 钻机安装

钢垫板规格：长×宽=250mm×250mm；胀管螺栓直径：Φ16mm；钢垫板与基础固定要牢，强度要高；H型钢轨找平误差<3mm；底盘对角线找方误差±3mm；斜拉筋需绷紧，交叉拉力基本相等；四柱对角误差±5mm；升降系统：卡瓦等上紧，加强整体性；所有螺母必须拧紧，发现溢扣者必须换掉；丝杠、顶杠要顶紧、有效，安装要牢固，确保不因震动而松动或脱落。

4.4 调整钻机对孔位

根据测量放线标志出的管棚孔位及施工方案设计参数调整钻机位置和钻机角度，对好孔位。孔位误差控制在50mm以内。

4.5 钻进

安装楔形板钻头，控制钻头进孔角度。导向钻进前应对钻机定位情况、方位、倾角情况，孔口管对中情况，冲洗液流通以及导向仪显示情况进行全面复检，确认正常后进行试钻；钻进前须先开泵，待冲洗液流通正常后，方可钻进；钻进时，泵压应控制在0.4MPa-0.8MPa，泵量为20-50L/min为宜。保持中低压力，匀速中速钻进；现场须及时进行导向数据记录和钻具前端长度及每次加管长度详细记录；钻进过程中机手必须及时做好施工记录，并对异常情况要详细记录。

4.6 回次加尺

每根管在下坑前必须进行质量检查。管材不得有弯曲，丝扣四周壁厚均匀，丝扣完好合格。管材内的铁屑、赃物及锈皮等必须清除干净。下坑时避免与硬物相碰，以免损伤管扣；连接的电线应选用导电性能好，外壳绝缘性能好且耐磨的电线。接头处要用两层热缩套管套好，用热吹风机吹烤贴牢；回次加时必须准确丈量钢管长度，连接管棚钢管时应将丝扣拧到位，并做好记录。

4.7 其它工艺

管棚打设到位后，采用10mm厚钢板进行封孔，并在封孔板上安装注浆阀门。每根管棚打设完成后要及时对管内和管外壁进行注浆，防止地表沉降。注浆采用BW250注浆泵将1：1水泥浆液注入孔内，注浆压力达到1.0MPa-1.5MPa稳定20分钟后停止注浆。注浆三小时后根据实际注浆情况确定是否需要再次补注浆。

结语

经坊煤矿副斜井表土段施工采用大直径管棚超前支护的方法取得良好的效果，顺利通过2.9m长流砂层和两处充填段。生产调度楼靠近井筒一侧平均下沉18mm，职工宿舍路靠近井筒一侧平均下沉6mm。达到了设计院给出的楼体沉降范围。

实践证明，采用大直径管棚及注浆超前支护的方法，在处理斜井表土段复杂地质条件下施工是有效的，对于煤矿斜井表土段施工安全具有足够的可靠性和适用性。

[1]高怀鹏,毛海东.长管棚预注浆超前支护技术在浅埋偏压大跨隧道洞口施工中的应用 [J].公路，2005.

[2]黎爱清、吕秀华.长管棚施工工法[J].西部探矿工程，2003.

[3]朱汉华,孙红月,杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术[J].科学出版社.