萬福礦井主井井筒施工方案及井壁結構設計

張彥奇，岳海鷗，譚花文

(1.煤炭工業濟南設計研究院有限公司，山東 濟南 250031； 2.濟南市科學技術信息研究所，山東 濟南 250001)

萬福礦井主井井筒施工方案及井壁結構設計

張彥奇1，岳海鷗2，譚花文1

(1.煤炭工業濟南設計研究院有限公司，山東 濟南 250031； 2.濟南市科學技術信息研究所，山東 濟南 250001)

萬福礦井主井井筒穿過特深厚不穩定沖積層，必須采用特殊鑿井法施工。設計采用井筒全深凍結法施工方案，雙層現澆鋼筋混凝土井壁結構，并在600m以深井壁結構中使用高強度鋼纖維混凝土，確保井筒安全高效施工。

特深厚不穩定沖積層； 凍結鑿井法； 雙層井壁； 鋼纖維混凝土

1 前言

萬福礦井位于巨野礦區最南端，由兗礦菏澤能化有限公司籌建，設計生產能力為每年180萬t，采用立井開拓。主井井筒凈直徑5.5m，井筒深度885m，穿過不穩定沖積層厚度754m。在深厚含水不穩定沖積地層中鑿井必須采用特殊鑿井法施工。萬福礦井主井井筒穿過的不穩定沖積層厚度和特殊鑿井深度在國內均處首位，因此，其井筒施工方案及井壁結構設計具有重要意義。

2 井筒地質及水文地質

2.1 井筒工程地質

該井田為全隱蔽的華北型石炭、二疊系煤田，煤系以中、下奧陶統為基底，沉積了石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系山西組、石盒子組，其上被新近系和第四系所覆蓋。主要含煤地層為太原組和山西組。根據井筒檢查鉆孔資料，主井井筒穿過的地層由上到下簡述為：第四系、上第三系、二疊系、石炭系，地層情況詳見表1。

2.2 井筒水文地質

井筒深度范圍內主要有4個含水層，自上而下分別為：上第三系含水層、下第三系底部含水層、風氧化帶含水層和太原組三灰含水層。各含水層之間均有良好隔水層，無垂直水力聯系。風氧化帶厚28.83m，底深781.52m，主要由粉細砂巖、泥巖組成，含水層正常涌水量0.295m3/h。太原組三灰位于孔深805.00～813.44m之間，厚8.44m，主要由淺灰色、灰色石灰巖組成，該含水層在井田內較穩定，是一個半無限含水層，裂隙較發育，主要為裂隙水，正常涌水量120.24m3/h。

表1 主井檢查鉆地質資料

3 井筒施工方案及井壁結構

3.1 井筒施工方案

目前國內外通過新生代深厚含水松軟地層的特殊鑿井方法主要有凍結法、鉆井法及注漿法。由于注漿法效果較差，僅對凍結法和鉆井法進行比較[1]。

凍結法鑿井在煤礦建設實踐中顯示了明顯的優勢，既能用于不穩定的含水層，又可用于基巖含水層；既可以應用于立井井筒，又可以應用于斜井井筒、平巷及風道口工程，適應性強，安全可靠，經濟合理，工期有保證。因此在井巷特殊施工方法中，凍結法所占比例最大[2]。凍結法施工的主要缺點是凍結壁的溫度低，現澆混凝土井壁的質量很難得到保證，容易造成不同程度的質量問題，影響井筒的使用。

鉆井法鑿井的全部作業均在地面上進行，是一種高度機械化的施工方法。具有用人少、施工安全、成井質量高、在沖積層鑿井技術經濟效果好的優點。鉆井法施工的主要缺點有：在堅硬巖層中鉆進時鉆速較低，經濟效果差；工序轉換復雜，占用施工工期；鉆井深度受設備能力的限制，不宜太大；鉆井施工過程中使用的大量泥漿難以處理。

充分比較凍結法和鉆井法的優缺點，綜合考慮萬福礦井主井井筒地質條件、井筒直徑、設備能力、施工工藝及混凝土技術發展等多方面因素，設計決定采用凍結法作為萬福礦井主井井筒的施工方案。凍結方案確定為井筒全深凍結，自原地坪算起，有效凍結深度為894m。

3.2 井壁結構形式

凍結法施工的立井井筒支護應根據地質、水文地質、井筒直徑大小等條件及使用功能的要求，選擇合理的結構形式。沖積層厚度較大時，宜采用雙層鋼筋混凝土塑料夾層復合井壁。雙層混凝土塑料夾層復合井壁的內、外層井壁應分別按靜水壓力和凍土壓力作用計算。外層井壁應驗算穩定性，并應按吊掛力作結構強度計算。井壁整體應按均勻水土壓力、不均勻水土壓力及三向應力作用分別進行承載力驗算[3]。

根據計算并經有限元分析，萬福礦井主井井筒凍結段井壁采用雙層鋼筋混凝土井壁。其中300m深度以內井壁結構采用傳統的雙層現澆鋼筋混凝土結構；300～600m之間井壁結構借鑒近幾年龍固、趙樓、郭屯等礦井的成功經驗，采用雙層現澆高強高性能鋼筋混凝土井壁；600m以深井壁結構采用雙層現澆鋼筋鋼纖維混凝土井壁，混凝土強度等級CF80～CF90。外層井壁厚度450～1 100mm，內層井壁厚度450～1 000mm。

為預防由于土層沉降或融沉附加力引起的井壁破裂災害，沿井筒豎向在內層井壁設置3道可縮結構。

為提高混凝土早期強度和韌性，外層井壁混凝土施工時加入高效防凍早強劑；在凍結段內壁中摻加混凝土防裂密實劑，以增加內層井壁的防水性能。

在較厚、易膨脹變形的黏土層段和外層井壁之間，鋪設厚度為50～75mm的泡沫塑料板，以緩解凍土壓力對井壁的破壞，減少凍土低溫對井壁混凝土的影響，改善混凝土井壁的養護條件。

在內外層井壁之間設置兩層厚度為1.5mm的聚乙烯高密度塑料薄板，以緩解內層井壁混凝土入模時產生的水化熱對外層井壁的影響，并防止外層井壁受到豎向附加力作用下沉時對內層井壁造成破壞。

3.3 井筒施工情況

萬福礦井主井井筒已施工完畢，并順利通過單項工程驗收。井筒施工順利，井壁質量優良。

4 結語

(1)穿過特深厚不穩定沖積層的立井井筒采用凍結法施工，不但技術上可行，而且安全可靠。

(2)與高強混凝土井壁相比，鋼纖維高強混凝土井壁的韌性較大，一般不會突然破壞，因此在深部井壁中采用鋼纖維高強混凝土是可行的和必要的。

(3)在井壁混凝土中使用添加劑，可有效提高井壁結構的初期承載力和極限承載力。

(4)萬福礦井主井井筒凍結不穩定沖積層厚度754m，創造了世界紀錄；最大凍結深度894m，創造了國內紀錄。該井筒的順利施工，為相似地層條件下的井筒設計提供了經驗。

[1] 曾凡彪,譚國龍,郭魯川.斷層破碎帶及富水基巖井筒施工方案及井壁結構設計[J].建井技術,2015,36(4):5-7.

[2] 崔云龍.簡明建井工程手冊(下冊)[M].北京:煤炭工業出版社,2003.1155-1170.

[3] MT/T 1124- 2011,煤礦凍結法開鑿立井工程技術規范[S].

Construction plan and shaft lining structure design of main shaft in Wanfu mine

Special sinking method must be used in the construction of main shaft in Wanfu mine because the shaft passes through extraordinary deep unstable alluvium. The freeze sinking method and double-layer cast-in-place reinforced concrete shaft lining were used in this design. In addition, the steel fiber reinforced concrete was used in the shaft lining structure which below 600m to ensure the safety and high efficient construction of the mine shaft.

extraordinary deep unstable alluvium; freeze sinking method; double-layer lining; steel fiber reinforced concrete

TD262

B

2017-- 03-- 07

張彥奇(1982-)，男，山東聊城人，工程師，從事礦井設計工作。

1672-- 609X(2017)04-- 0038-- 03