涼水井煤礦特殊地質條件下的立井施工技術

董衛峰

(陜西匯森煤業開發有限責任公司，陜西榆林 719319)

0 引言

在立井施工中，過流沙層以及井筒涌水一直是影響井筒施工工期和安全的關鍵因素，因此所采取的施工方法至關重要。長期以來，在立井施工過程中，經常會發生流沙埋井、涌水淹井的事故，給企業造成重大經濟損失。如何選用技術先進、經濟合理、安全可靠的施工方法，是立井施工中關鍵所在。

1 工程概況

神木匯森涼水井礦業有限責任公司二號回風立井位于陜西省神木市境內，西(安)—包(頭)鐵路和榆神府二級公路(204省道)均從井田南側通過，新建的榆神高速公路并行S204省道北側緊鄰井田南部邊界通過。礦井東至神木城區16 km，北至大柳塔40 km，交通十分方便。二號回風立井主要承擔礦井北部區域回風任務，并兼做安全出口，井筒為單層井壁，采用普通法施工，雙層鋼筋混凝土或混凝土支護，其技術特征見表1。

表1 二號回風立井井筒技術特征表

2 工程地質

2．1 表土層

井筒圍巖上部為松散地層，井筒穿越土層厚度90 m左右，上部巖性為黃色粉砂土，厚度28．50 m，在深度23．50～34．20 m之間為粉砂土，含砂量較高，結構疏松易被水流沖蝕而引起坍塌，浸水易失穩。紅土為粉質粘土，土體一般處于濕、中密、可塑狀態。屬于中等壓縮性土，不具濕陷性，屬不穩定圍巖。

2．2 基巖段

井筒穿過風化巖段的厚度20．30 m，其中強風化巖厚度9．30 m，弱風化層厚度11．00 m，巖心較為破碎，砂巖膠結疏松，手捻之即成沙粒，泥巖，粉砂巖呈片狀薄層及碎塊狀，強風化帶由于原巖結構遭受破壞其粘土礦物含量增加，在巖體的結構面中富集粘土礦物形成軟弱泥化夾層，使巖體的強度降低。遇水易膨脹，多數巖石遇水短時間內全部崩解或沿裂隙離析。根據測試成果，風化巖飽和抗壓強度0.07 ～15．00 MPa，平均 4．64 MPa，軟化系數 0．29，巖石屬易軟化軟巖類，圍巖屬不穩定巖層。

井筒穿越下部延安組地層主要由層狀結構及塊狀結構的巖體組成。粉砂巖組飽和抗壓強度6．89～36．60 MPa，平均21．26 MPa，軟化系數0．40，巖石總體屬易軟化較軟巖類，總體屬中等穩定圍巖;砂巖組飽和抗壓強度 23．50 ～45．60 MPa，平均 33．33 MPa，軟化系數平均0．58，巖石屬易軟化較硬巖類，總體屬中等穩定圍巖。

井筒共穿過 5 個主要含煤地層，3－1、4－2、4－3、4－4、5－2煤層，總厚為12．05 m。

3 立井施工

3．1 鎖口施工

由于土層表面5 m厚左右風積沙層干燥，流動性強，開挖后周邊沙土失穩向基坑流動，井筒難以獲取足夠的圍抱力，待第一模及臨時鎖口完畢，開挖下部井筒時，井壁出現了脫落，如圖1(a)所示。工程技術人員立即對此進行了研討，經研究后決定破壞掉原有井壁及鎖口，采用大開挖方式，先開挖5．4 m深，自下而上澆筑井筒3模(5．4 m)，鎖口穩固后再自上而下用滑模法澆筑施工，如圖2所示。

圖1 鎖口施工現場圖

圖2 二次鎖口施工方案示意圖

鎖口盤設計為倒圓臺體型及正方形，上段正方形型體，長度為13 m，寬度為13 m。采用鋼筋混凝土澆筑。鎖口施工采用挖掘機挖掘，先挖掘鎖口盤，繼而挖掘永久鎖口至－5．4 m。鎖口挖掘完成后找平工作面，從下向上綁扎鋼筋并分段進行澆筑混凝土，每段高為1．8 m。澆筑完第一模混凝土后綁扎第二模鋼筋，待第一模混凝土凝固后拆模提升至第二模位置并操平找正，澆筑第二模，依次澆筑第三模。第三模與鎖口盤一并澆筑混凝土。

由于沙層松軟易流動，而鎖口下部井壁自重大于土層的圍抱力，所以鎖口還承載著對下部部分井壁的吊掛作用，因此在對鎖口段的鋼筋綁扎設計上進行優化，整體呈現出倒錐形，使其承載力傳遞至鎖口平臺。按此種施工方案，保證了鎖口的安全順利施工，鎖口下段井筒施工中也沒有發生任何問題，如圖1(b)所示。

3．2 表土沙層分段開挖、板樁支護法

井筒表土段上部50．2 m左右巖性為黃色粉砂土，沙層結構松散，開挖后極易坍塌。為了保證井筒開挖后圍巖的穩定性和減少暴露面積，采用了分片開挖掘進，小段高板樁法施工。先開挖井壁斷面1/4，開挖完成后，將16#槽鋼作為超前樁，打入沙層，支護完成后開挖剩余部分。

為減少井幫暴露時間，首先對井筒1/4斷面進行開挖，挖掘1．8 m深后對此段進行刷幫，打板樁，采用大錘將板樁楔入底板。板樁間隙可視現場實際情況而定，圍巖不穩定時間距為150 mm，圍巖穩定時間距可適當增大。并待此段板樁施工完畢后繼續開挖1/4，以此類推直至此段開挖完成。為防止板樁被片落沙土擠壓傾倒，每段掘進鍥入板樁時與上段的槽鋼板樁連接牢靠。井筒澆筑時，必須使混凝土充分振搗，使其流動充填至板樁后側，與圍巖接觸緊密，保證井壁與圍巖有足夠摩擦力，如圖3所示。

圖3 分段開挖，板樁臨時支護施工方案

該施工方案實施后，極好地解決了斷面松軟沙層風化坍塌的難題，保證了開挖及澆筑過程中的井筒結構穩定性，如圖4所示。

圖4 板樁支護現場效果圖

3．3 人工綜合方法過流沙層

井筒掘進至標高－86．4 m(井口相對高程 ±0.000)處時，揭露一流沙層，層厚1．8 m。流沙層揭露后大量泥沙伴隨地下水流涌入井筒空間，并且在開挖過程中泥沙不斷外流，造成井壁后側2 m左右懸空，對井筒安全造成巨大威脅，若不及時采取措施，井壁隨時有脫落危險，如圖5所示。通過對現場情況進行認真分析研究，制定出了控制流沙、安全掘進的施工方案。

工字鋼點柱對井壁進行支撐，防止井壁下沉:由于井筒流沙的大量涌入，造成工作面井壁外側懸空，且懸空段頂部紅土不斷片落，在這種情況下，必須先考慮安全，防止井壁下沉脫落，通過研究，決定首先以立柱支撐上段井壁，以防止井壁下沉。圍繞井筒均勻布置8個點柱，點柱均使用18#工字鋼加工，點柱支設時需穿鞋戴帽，并且上端用鐵片楔夯緊，下端墊槽鋼大板，“穿鞋”牢固，點柱下端打板必須支設在流沙層下部堅硬紅土層上。

圖5 流沙層揭露狀態示意圖

使用板樁對流沙層實施超前控制:點柱支設完成后，隨著涌水量的不斷增加，沙層流動性越來越強，導致井筒無法開挖，在這種情況下，參照前面沙土層板樁施工工藝，采用板樁楔入配合編織袋、棉絲、草封等對流沙層實施了超前控制。①沿井壁內側楔入板樁，板樁采用10#槽鋼加工而成，一頭加工成尖形，便于鍥入底板，相鄰板樁一正一反交替使用，尾部外露平齊，用風動鑿巖機將板樁逐根打入下側紅土層，入土角度為70°左右;②當板樁入土深度達0．5 m時，在板樁尾部焊接導向圈，并用外力作用讓井圈緊緊地把板樁固定在井筒周圍，借以保持板樁方向和增強板樁支撐泥沙壓力的能力;③板樁支設完成后，用準備好的編織袋、棉絲、草封等將板樁間縫隙封堵嚴實，盡量做到流水不流沙，這樣就形成了密實的板樁井筒;④對于集中出水點用膠管引出，以防澆筑時涌水沖刷混凝土影響井壁質量;⑤待井壁無較大的涌沙冒泥現象后，即可開挖超前小井。

施工超前小井抽排涌水:在井筒開挖前必須有效控制井筒內積水量和沙層流動，為此采取了開挖超前小井的方式對涌水進行抽排。①超前小井開挖前，使用10#槽鋼加工1．5 m直徑的井圈6架，使用長1．5 m的10#槽鋼制作板樁，繞井圈一圈。將板樁依次垂直打入流沙層，并在板樁和井圈之間增加草袋封沙濾水;②超前小井開挖完成后，將制作好的筒形過濾器放入超前小井內，在小井內放入潛水泵，排水在出水位置形成疏干漏斗，以改善工作面環境。

掘砌井壁:板樁及超前小井施工完成后，由于超前小井吸水，使大井和小井之間形成流水漏斗，從而降低了大井工作面的水頭壓力，使大井工作面的沙層趨于穩定狀態，且由于板樁形成的密實“鐵桶”，泥沙不再向井筒空間流動，此時便可在板樁圈內開挖，開挖至一模(1．8 m)段高時便可下模澆筑。澆筑時必須將井壁后側的空洞一并澆實，并在集中出水點留設導流管，將部分涌水集中引流至吊盤水箱排出。

3．4 基巖段導水，小立模、短砌護施工

井筒過流沙層后，繼續下砌2 m左右便到基巖段。由于流沙層作為含水層，涌水量達22 m3/h，斷面井壁淋水明顯增多，為了保證井筒澆筑質量，采用了安設截水槽、分流導水，短砌護施工方案。該砌護施工方案克服了井壁澆筑時上部井壁淋水較大，澆筑混凝土時涌水流入模板，沖刷混凝土，造成井筒產生蜂窩麻面，上下模澆筑接茬不密實的問題。

導水:在井壁設置截水槽，將井壁流水引流至井底小井抽排。每掘砌一段，井壁流水增大后及時增設截水槽，控制井壁流水量。

模板緊固:為防止模板變形，用拉桿作支撐，對模板進行緊固;混凝土中適當增加速凝劑，縮短混凝土凝固時間，便于凝固成型，降低水流沖刷損害。

3．5 壁后注漿堵水

井筒掘進至標高－98 m處時，井筒上部井壁淋水量越來越大，淋水分布至大半斷面空間，導致截水槽無法有效截水引流，施工壞境十分惡劣。為使工程順利進行并保證施工質量，制定了壁后注漿施工方案。

注漿孔施工:在井壁混凝土澆灌接縫上下或出水點附近呈“梅花”型布置兩排注漿孔。上排施工深孔，孔深為 2．0～2．5 m，下排施工淺孔，孔深為1.0～1．5 m。孔間距為2．0 m，注漿孔與井壁呈65°～75°夾角，以利多穿巖石垂直裂隙。注漿孔交錯排列，均勻布置，保證各注漿孔的有效擴散半徑相交。通常情況下深孔注水泥—水玻璃雙液漿，淺孔注化學漿;先施工深孔，后施工淺孔。注漿壓力控制在1．0 ～1．25 MPa，壓力比靜水壓大0．5 ～1．5 MPa，并適當提高在巖石裂隙中的注漿壓力。同時，在注漿過程中也要控制壓力，以減少對井壁的破壞。

注漿材料:①采用水泥—水玻璃雙液漿，水泥采用P．032．5級新鮮普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用模數 m=2．4 ～3．2，35-45Be(波美度)堿性水玻璃;②甲液采用改性尿醛樹脂，固體含量大于50%，初始黏度是17 cp，乙液采用膠聯固化劑;③漿液配比中，水泥∶水灰 =0．75∶1 ～1∶1;水泥∶水玻璃 =1∶0．5;④化學漿中，甲液∶乙液 =10∶2 ～10∶5。

注漿:注漿泵站及漿液攪拌系統布置在吊盤上，水和水泥漿利用輸漿管輸送，輸漿管采用Ф60 mm的專用注漿管。鉆進注漿孔用2TGZ-60/210型雙液調速高壓注漿泵注漿。YT-28風鉆按布孔要求在井壁上鉆孔，埋設并固定注漿管。要求注漿時不頂出，不跑漿。采用馬牙扣式、Ф25．4 mm×(700～2 000)mm的無縫鋼管注漿。通過對井筒壁后注漿，有效地將地下含水層的涌水封堵于壁后，不僅較好地控制住了井壁淋水，同時還加固了井壁，如圖6所示。

3．6 其他施工措施

防松動炮:井筒掘進至－56 m水平附近時，土體內含大量孤石與土石膠結體，料姜石和紅土摻雜出現，且紅土層含水，圍巖十分堅硬，挖掘機開挖掘進困難，故采取放松動炮、裸井壁插管導水，集中外排，壁后注漿封水等措施保證施工進度及支護質量。

圖6 壁后注漿示意圖

調整注漿方案:壁后注漿至－72 m水平時，由于紅土泥層增厚，工作面預注漿擴散半徑不明顯，未達到理想效果，因此及時修改了工作面預注漿和壁后注漿施工方案，如增加注漿孔密度、改變化學漿配比等，保證最小擴散半徑相交，并制訂了工作面預注漿和壁厚注漿結合的注漿方案，封水效果明顯，保證了工程質量。

4 結語

涼水井煤礦二號回風立井工程，在施工過程中積極摸索新的施工方法，根據井筒掘進實際情況，大膽采用板樁法做臨時支護，分片開挖施工工藝，大大降低了投資成本，縮短了工期，解決了長期以來依靠凍結法施工過流沙層帶來的工期長、費用高的技術難題，為同類條件下的立井施工提供了一個重要的參考，具備一定的推廣價值。通過壁后注漿堵水的施工方式，解決了井筒涌水治理難題，治理后井筒總涌水量小于6 m3/h。現該井筒已經通過了特殊地質條件段，順利完工，為立井掘進及井筒支護施工積累了豐富的經驗。