論特殊地層普通鑿井法

摘要：我國(guó)在新礦區(qū)開(kāi)發(fā)中，越來(lái)越多地遇到復(fù)雜地層，給新井建設(shè)帶來(lái)了很大的困難。文章分析礦井在特殊地層條件下，井筒穿過(guò)含水砂土層、流砂層的基本原理及采取的技術(shù)措施與重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：抗壓強(qiáng)；自然安息角；內(nèi)摩擦角；地面靜點(diǎn)降水法；降水疏干法

中圖分類號(hào)：TD262 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）16-0128-03

1 特殊地層中井筒施工法概況

我國(guó)在新礦區(qū)開(kāi)發(fā)中，越來(lái)越多地遇到復(fù)雜地層，給新井建設(shè)帶來(lái)了很大的困難，如華東的兩淮礦區(qū)、兗州礦區(qū)；華北的開(kāi)灤礦區(qū)含有流砂和礫石層；邯邢礦區(qū)我省潞安、晉城、霍州、朔州礦區(qū)表土層從幾十米到三百米不等，由于表土層地質(zhì)和水文地質(zhì)條件特殊，在設(shè)計(jì)和施工中必須采取針對(duì)性的施工技術(shù)措施。

井筒穿過(guò)的表土層按其是否有含水砂土層、流砂層、砂礫層及開(kāi)挖后是否有流動(dòng)性，通常分為穩(wěn)定表土層和不穩(wěn)定表土層。目前，在松散不穩(wěn)定表土層中，一般均采用特殊鑿井法：凍結(jié)法、化學(xué)注漿法和鉆井法。這些方法施工技術(shù)成熟，可靠程度大，但施工工藝及技術(shù)管理工作復(fù)雜，造價(jià)高，在一定程度上制約了其推廣應(yīng)用。因此，根據(jù)不同的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，研究、探索造價(jià)較低的普通鑿井法，對(duì)新井建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

長(zhǎng)溝煤礦，主、副斜井表土層垂深段內(nèi)共有含水砂土層12層，是山西地區(qū)少有的特殊復(fù)雜地層。主斜井井筒含水砂土層段垂深92米，斜長(zhǎng)314.7米；副斜井井筒含水砂土層段垂深95米，斜長(zhǎng)277.8米；設(shè)計(jì)采用全封閉雙層復(fù)合井壁支護(hù)，但用普通鑿井法順利通過(guò)長(zhǎng)距離含水砂土層和流砂層一舉獲得成功。

2 實(shí)施特殊地層普通鑿井法的技術(shù)思路

我認(rèn)為砂在井筒開(kāi)挖中，由于地下水的滲流使砂層失去穩(wěn)定性，施工排水而引起流動(dòng)，當(dāng)動(dòng)水壓力大于顆粒的懸浮重量時(shí)，使砂子懸浮失去平衡，隨動(dòng)水壓而流動(dòng)。砂、礫石層的滲透性大，其主要原因是砂層內(nèi)含水，使其抗壓強(qiáng)度降低。若能降低水位，砂層在同樣條件下的抗壓強(qiáng)度，自然安息角會(huì)大幅度增加。治水是最基本的技術(shù)措施。

井筒的開(kāi)挖必然引起圍巖的應(yīng)力重新分布，繼而發(fā)生彈塑粘性變形，形成塑性區(qū)和一定范圍的破碎松動(dòng)圈，并同時(shí)出現(xiàn)內(nèi)空收斂位移，導(dǎo)致圍巖變形失穩(wěn)。井巷支護(hù)的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上是控制井巷圍巖內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變的變化過(guò)程，即是通過(guò)改善圍巖力學(xué)性質(zhì)和提供支護(hù)約束反力，來(lái)控制松動(dòng)圈擴(kuò)展的過(guò)程。如何控制松動(dòng)圈的發(fā)展，長(zhǎng)期以來(lái)，一直以維護(hù)井巷圍巖穩(wěn)定為突破口，必須采取如下對(duì)策：

第一，對(duì)巖體內(nèi)加固，即提高巖體的殘余強(qiáng)度以及提高粘結(jié)力，內(nèi)摩擦角度和模量以提高圍巖的承載能力。常用的內(nèi)加固方法是注漿，錨桿支護(hù)等方法。

第二，對(duì)圍巖外支護(hù)，最適宜的方法是噴射混凝土或砂漿等加固結(jié)構(gòu)。

第三，圍巖變形是力學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程，支護(hù)既要控制圍巖變形發(fā)展，又要允許圍巖產(chǎn)生有限制的變形，使圍巖支護(hù)體系在共同變形力學(xué)過(guò)程中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，就要求支護(hù)結(jié)構(gòu)要有一定的柔性，能自身產(chǎn)生一定的變形，又要有一定的剛性以限制變形發(fā)展。

第四，必須根據(jù)松動(dòng)圈發(fā)展的時(shí)空效應(yīng)，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)施工及時(shí)，控制圍巖變形過(guò)程，不斷調(diào)整開(kāi)挖循環(huán)，掘進(jìn)段長(zhǎng)，支護(hù)時(shí)間和底拱閉合時(shí)間等。

第五，根據(jù)圍巖變形特征，采用二次支護(hù)方法，早期支護(hù)作用，要迅速地控制井巷圍巖變形過(guò)程，并作為永久支護(hù)的一部分。在圍巖變形，松動(dòng)圈發(fā)展得到有效的控制后，再進(jìn)行后期支護(hù)。

表土層一般均屬松散不穩(wěn)定圍巖，即使在疏水降壓后，砂土層的強(qiáng)度也是很低的，不足以抵抗地應(yīng)力。按照上述力學(xué)分析和圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，表土層屬于大松動(dòng)圈范圍的圍巖，井巷支護(hù)除遵循上述對(duì)策原理外，尚需遵循以下四條基本原則:（1）及時(shí)封閉圍巖；（2）必須具備足夠的支護(hù)能力；（3）必須具備一定的可縮性；（4）必須實(shí)現(xiàn)全斷面支護(hù)。

依上述原則作指導(dǎo)，在長(zhǎng)溝礦主、副斜井井筒施工中，采用了全封閉雙層復(fù)合井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)，外層為350mm厚料石碹，剛性支護(hù)，其整體性好，抗壓強(qiáng)度大，實(shí)踐證明：該支護(hù)方式結(jié)構(gòu)合理、

正確。

3 井筒疏水降壓方法與步驟

表土層中建井產(chǎn)生巨大困難的根源是水。砂層遇水則易流動(dòng)，使井筒周邦很不穩(wěn)定，因此必須想方設(shè)法疏水降壓，這是表土層中建井的關(guān)鍵。凍結(jié)法的原理就是用人工制冷的方法，將井筒周圍的巖層凍結(jié)成封閉的巖筒—凍結(jié)璧，以抵抗地壓，隔絕地下水和井筒的聯(lián)系；化學(xué)注漿法的實(shí)質(zhì)為在松散的含水砂土層中，注入可凝結(jié)的漿液，固結(jié)砂土，減少涌水涌砂。長(zhǎng)溝煤礦主、副斜井施工的疏水降壓方法有以下三種：

3.1 地面靜點(diǎn)降水法

在距離井筒前進(jìn)方向適當(dāng)位置左或右一側(cè)10米處，向下打一個(gè)∮219～377mm的疏水降壓孔，下設(shè)帶過(guò)濾網(wǎng)的花管，使砂層的水通過(guò)花管聚集在疏水降壓孔中，放入水泵在較大范圍、較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)將水排至地面。從而使斜井穿過(guò)的部位處于自然形成的降水漏斗中，以達(dá)到疏水降壓，砂層固定的目的，為掘進(jìn)創(chuàng)造寬松便利的條件。

3.2 井下掘進(jìn)工作面迎頭超前小井降水疏干法

當(dāng)含水砂層或流砂層顆粒較大時(shí)采用此法。隨著掘進(jìn)工作面的前進(jìn)每隔3～5m，放入水泵排水使掘進(jìn)工作面迎頭的水位始終低于掘進(jìn)工作面迎頭3米以下，使松軟不穩(wěn)定的含水砂土層變得相對(duì)

穩(wěn)定。

3.3 大直徑鉆孔超前降水法

該方法的施工是在退后掘進(jìn)工作面迎頭2.5米處，沿井筒底板和兩邊側(cè)墻內(nèi)側(cè)，以450角超前打直徑∮325～377mm的降水鉆孔（鉆孔斜長(zhǎng)12m）放入水泵，不斷排水，控制水位在施工工作面以下。每個(gè)鉆孔的底部在井筒輪廓線之外3～5m處，各孔底走向間距一般為4～8m。

4 井筒施工技術(shù)與步驟

在疏水降壓的前提下，工作面迎頭超前臨時(shí)支護(hù)，短掘短砌，分部開(kāi)挖，分部掘砌復(fù)合井璧

第一，當(dāng)砂土層較密實(shí)，穩(wěn)定時(shí)，在超前降水的情況下，施工按正常作業(yè)方式進(jìn)行，即先墻后拱，分部開(kāi)挖砌筑。

第二，當(dāng)含水層位于拱基線以下時(shí)，墻部采用密集板樁控制，先拱后墻，短掘短砌。

第三，當(dāng)含水砂土層升到拱基線以上，荒斷面以下時(shí)，在超前降水的控制下，采用的鋼筋混凝土底梁掩護(hù)，全斷面封閉，先拱后墻，短掘短砌。

第四，當(dāng)含水砂土層全部升到荒斷面以上時(shí)，采用穿梁過(guò)頂，金屬拱架支撐，密集板樁掩護(hù)，先拱后墻，短掘短砌施工方法。

第五，當(dāng)井筒穿過(guò)厚含水砂土層時(shí)，在疏水降壓前提下，采用鋼結(jié)構(gòu)組合移動(dòng)臨時(shí)支護(hù)，分部開(kāi)挖短掘短砌。

總之，長(zhǎng)溝煤礦主、副井筒采用普通鑿井法獲得成功的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是采用多種多樣的疏水降壓與靈活機(jī)動(dòng)的掘砌方法；二是選擇正確的支護(hù)設(shè)計(jì)方案。

5 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，如何減少礦井建設(shè)資金總需求量與降低噸煤投資已成為企業(yè)發(fā)展與企業(yè)整體利益的大事。

就長(zhǎng)溝煤礦主、副斜井井筒施工采用綜合治理普通鑿井法通過(guò)含水砂土層、流砂層而言，不僅為特厚沖積地層開(kāi)鑿斜井摸索和積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且形成了一整套系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。在我國(guó)斜井開(kāi)拓史上過(guò)這么厚含水砂土層和流砂層也是一大創(chuàng)舉。主斜井過(guò)沖積地層垂深141m，斜長(zhǎng)314.7m，副斜井井筒過(guò)沖積地層垂深144m，斜長(zhǎng)277.8m，兩斜井井筒合計(jì)穿過(guò)特殊地層斜長(zhǎng)為；592.4m。

按凍結(jié)法施工，平均每延米工程造價(jià)為9.5萬(wàn)元/米，則主、副井筒過(guò)含水砂土層和流砂層工程總費(fèi)用為：5628萬(wàn)元。按照超前降水板樁法施工，主、副斜井井筒平均每延米工程造價(jià)為1.81萬(wàn)元/米，則主、副井筒過(guò)含水砂土層和流砂層段工程總費(fèi)用為：1072.3萬(wàn)元萬(wàn)元。普通鑿井法與凍結(jié)法相比節(jié)約投資4555.7萬(wàn)元。

6 結(jié)論

第一，實(shí)踐證明：只要將水得到有效控制，砂的穩(wěn)定性就好，抗壓強(qiáng)度及自然安息角就大大增加，這是井筒順利通過(guò)含水砂土層和流砂層的大

前提。

第二，通過(guò)前面的分析說(shuō)明超前疏水降壓，采用全封閉復(fù)合井璧支護(hù)，先拱后墻，短掘短砌，分部開(kāi)挖、分部砌筑是特殊地層順利通過(guò)的重要技術(shù)原理。利用普通鑿井法穿過(guò)含水砂土層和流砂層在技術(shù)上是可行的，安全上是可靠的。

第三，特殊地層普通鑿井法是一種十分有效的井筒施工法，具有特殊鑿井法無(wú)法比擬的，投資少，工期短、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，具有很實(shí)際的使用價(jià)值和推廣前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱文林．立井開(kāi)鑿用降水法通過(guò)沖積層[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，1995，（1）．

[2] 中國(guó)礦業(yè)學(xué)院．特殊鑿井[M]．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1985．

[3] 中國(guó)礦業(yè)學(xué)院水工教研室．水文地質(zhì)及工程地質(zhì)學(xué)[M]．1985．

[4] 余德綿，陸春元．礦井水災(zāi)防止技術(shù)[M]．中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，1987．

作者簡(jiǎn)介：賈潤(rùn)田（1963-），男，太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司高級(jí)工程師。

（責(zé)任編輯：葉小堅(jiān)）