二石磕煤礦緩坡副斜井施工方法探討

黃小平

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

橫山縣波羅鎮(zhèn)二石磕煤礦(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“二石磕煤礦”)位于橫山縣北部，屬于地方民營(yíng)煤礦。設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為0.60 Mt/a。采用斜井開(kāi)拓方式，擔(dān)負(fù)礦井材料和人員等輔助提升的副斜井，斜長(zhǎng)1 460 m，傾角5.5°。初步設(shè)計(jì)副斜井松散層段斷面如圖1所示，基巖段斷面如圖2所示。由于該區(qū)域第四系沙層較厚，風(fēng)化基巖段富水性較強(qiáng)。參照臨近礦井施工經(jīng)驗(yàn)，采用普通施工方法在松散層和風(fēng)化基巖段施工過(guò)程中容易出現(xiàn)潰水潰沙等安全隱患，嚴(yán)重影響井筒施工安全。因此，為了確保二石磕煤礦緩坡副斜井施工安全和進(jìn)度，需要對(duì)副斜井井筒施工方法進(jìn)行探討。

圖1 副斜井松散層段斷面

圖2 副斜井基巖段斷面

1 副斜井工程及水文地質(zhì)

1.1 副斜井工程地質(zhì)

副斜井穿過(guò)的地層，由老至新依次為三疊系上統(tǒng)延安組、侏羅系中下統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)直羅組和第四系上更新統(tǒng)薩拉烏素組和風(fēng)積砂層。

井筒圍巖特征，上部為第四系松散層，厚度約為25 m；其下為土層，厚度約為17 m；土層之下主要是風(fēng)化基巖，厚度約為15.2 m；風(fēng)化基巖之下為正常基巖，正常基巖主要為粉砂巖和細(xì)粒砂巖，厚度約為49.80 m。其中副斜井穿過(guò)的各地層中，第四系松散層和風(fēng)化巖組均為不穩(wěn)定地層；正常基巖段為中等穩(wěn)定地層。

1.2 副斜井水文地質(zhì)

第四系松散巖類(lèi)孔隙裂隙潛水：第四系全新統(tǒng)沙層含水層，其巖性為黃褐色中細(xì)沙。厚度35.50～42.80 m，單位涌水量0.065 7 L/(s·m)，該含水層為弱富水性；第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組黃土孔隙裂隙潛水分布于全區(qū)，厚度8.00～20.05 m，巖性為棕黃色砂質(zhì)黃土，單位涌水量0.025 1 L/(s·m)，該含水層為弱富水性。

侏羅系中統(tǒng)碎屑巖類(lèi)風(fēng)化裂隙潛水：分布于區(qū)內(nèi)基巖的頂部，厚度12.15～17.50 m，單位涌水量0.052 81 L/(s·m)，該含水層為弱富水性。

中侏羅統(tǒng)碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙承壓水：分布于基巖風(fēng)化裂隙帶以下，含水層以中、細(xì)粒砂巖為主，厚度為58.90～69.10 m。單位涌水量0.002 8 L/(s·m)，該含水層為弱富水性。副斜井井筒預(yù)計(jì)涌水量見(jiàn)表1。

表1 副斜井井筒預(yù)計(jì)涌水量計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果參數(shù)

2 副斜井施工方法選擇

二石磕煤礦煤層埋深在120 m左右，相對(duì)較淺，根據(jù)礦井開(kāi)拓布局，副斜井采用5.5°的緩坡斜井，輔助運(yùn)輸系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。但是副斜井穿過(guò)的地層，工程地質(zhì)條件較差，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜；特別是在風(fēng)化基巖段井筒涌水量達(dá)89.5 m3/h。副斜井穿過(guò)的地層約60%為松散層及風(fēng)化基巖，圍巖穩(wěn)固性較差，井筒涌水量與神府礦區(qū)相比，該區(qū)域井筒涌水量相對(duì)較大，井筒施工難度大。該區(qū)域無(wú)緩坡斜井施工先例，暫無(wú)可參考的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，針對(duì)本礦井緩坡副斜井提出地面預(yù)降水法、凍結(jié)法和注漿法施工。接下來(lái)對(duì)上述幾種可行的井筒施工方法進(jìn)行分析比選[1-4]。

2.1 地面預(yù)降水法

地面預(yù)降水法，是指在井筒周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)，施工若干降水井，由排水設(shè)備抽取地下水，形成降水漏斗，使地下水位一直低于掘進(jìn)工作面，這是掘進(jìn)工作面順利施工的一種施工方法。該施工方法多用于立井施工中。二石磕煤礦副斜井在沙土層之上可采用地面預(yù)降水法，在沙層段先進(jìn)行明槽開(kāi)挖，待穩(wěn)定后進(jìn)硐施工。在風(fēng)化基巖段和正常基巖段，如井筒深部采用降水措施，因垂深大、布孔多，且降水效果也存在一定的不確定性，故不適合全長(zhǎng)施工采用地面預(yù)降水法[5]。

2.2 凍結(jié)法

凍結(jié)法施工在煤礦建設(shè)中，特別是針對(duì)井筒涌水量大、沙層厚，易形成潰水潰沙的井筒施工比較常用的并且具有明顯優(yōu)勢(shì)的一種施工方法。既可用于沙土層中不穩(wěn)定的含水層，又可用于穩(wěn)定基巖含水層；既可應(yīng)用于立井井筒施工，也可以應(yīng)用于斜井井筒施工、平巷及風(fēng)道口工程，適應(yīng)性強(qiáng)，安全可靠，工期有保證。因此在礦井井巷工程特殊施工方法中，特別是在立井施工中所占比例最大。目前，我國(guó)凍結(jié)法施工技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，已成為煤礦井筒穿越流砂層、松軟巖層、含水巖層最可靠和最安全的施工方法[6-8]。

二石磕煤礦鄰近的大海則煤礦、門(mén)克慶礦井等立井井筒，均采用凍結(jié)法施工，已經(jīng)取得了較好的施工效果，確保了礦井項(xiàng)目的整體建設(shè)要求。斜井凍結(jié)法目前在國(guó)內(nèi)已完成施工的有內(nèi)蒙古新街礦區(qū)馬泰壕煤礦主斜井、山西呂梁龐塔煤礦主斜井、峰峰礦業(yè)集團(tuán)查干淖爾煤礦主斜井和潞安古城煤礦主斜井工程。其中凍結(jié)斜長(zhǎng)最長(zhǎng)的是古城煤礦主斜井，斜長(zhǎng)505.5 m，垂深147 m。

二石磕煤礦緩坡副斜井若采用凍結(jié)法施工，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)已施工井筒的實(shí)際費(fèi)用調(diào)研，斜井凍結(jié)綜合平均費(fèi)用約30萬(wàn)元/m，井筒凍結(jié)段掘進(jìn)速度相對(duì)較慢(約40 m/月)，施工工期長(zhǎng)。整個(gè)緩坡副斜井采用凍結(jié)法，總施工費(fèi)用大約為4.38億元，工期大約為36個(gè)月。

2.3 注漿+普通施工法

注漿治水技術(shù)是井巷工程施工和礦井采掘過(guò)程中預(yù)防和消除水害影響的重要手段之一。近年來(lái)，特別是在我國(guó)陜北地區(qū)榆橫礦區(qū)，多個(gè)礦井在井筒施工中采用該技術(shù)。該區(qū)域井筒穿過(guò)地層的普遍特征均為厚沙層、涌水量相對(duì)較大、風(fēng)化基巖破碎含水。該區(qū)域在二石磕煤礦附近的小紀(jì)汗煤礦井筒，采用德國(guó)巴斯夫公司生產(chǎn)的美固MP325注漿材料進(jìn)行壁后注漿，濕噴混凝土，取得了良好的施工效果。

井筒預(yù)注漿分為地面預(yù)注漿和工作面預(yù)注漿兩種施工方法。地面預(yù)注漿在立井施工中，由于其注漿工藝具有高效、可靠的特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用；但同時(shí)其存在鉆孔深度大，鉆孔偏斜率控制要求高，對(duì)注漿設(shè)備能力和注漿技術(shù)要求比較高，工程費(fèi)用高等特點(diǎn)。二石磕煤礦穿過(guò)的地層與小紀(jì)汗煤礦和大海則煤礦斜井穿過(guò)的地層條件相比較為簡(jiǎn)單，井筒深度淺、井筒涌水量也相對(duì)較小。在施工過(guò)程中，借鑒小紀(jì)汗煤礦和大海則煤礦的注漿施工經(jīng)驗(yàn)，可優(yōu)先選用德國(guó)巴斯夫公司生產(chǎn)的美固MP325注漿材料，采用工作面預(yù)注漿技術(shù)[9-13]。

二石磕煤礦緩坡副斜井充水層位主要為松散沙層段、黃土層段、風(fēng)化基巖段和3#煤層上部的正常基巖段。井筒的主要充水途徑為松散砂層孔隙和巖層中發(fā)育的風(fēng)化裂隙及構(gòu)造節(jié)理裂隙和粗顆粒巖層的孔隙。以圍巖孔隙涌水和裂隙滲水為主要充水方式。

通過(guò)分析二石磕煤礦緩坡副斜井工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料，該副斜井具備采用普通法施工的條件。在松散層和風(fēng)化基巖段涌水量相對(duì)較大，圍巖穩(wěn)定性差。在此段可先采用工作面預(yù)注漿，之后采用普通法施工井筒。綜上所述，我們認(rèn)為，只要采取合理的施工方案及施工組織形式，二石磕煤礦緩坡副斜井松散層及風(fēng)化基巖等破碎圍巖段含水層推薦采用工作面預(yù)注漿+普通法掘進(jìn)+壁后注漿封水的施工方法。二石磕煤礦緩坡副斜井普通法+注漿技術(shù)主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如下。

2.4 工期與造價(jià)

施工總工期：為15.6個(gè)月，其中松散層及風(fēng)化基巖段長(zhǎng)約415.0 m，月進(jìn)度按60 m考慮，工期6.9個(gè)月。土層及基巖段長(zhǎng)694 m，月進(jìn)度按80 m考慮，工期8.7個(gè)月。

井筒造價(jià)：松散層段4.60萬(wàn)元/m，基巖段4.50萬(wàn)元/m。每米井筒排水電費(fèi)0.50萬(wàn)元，松散層及風(fēng)化基巖段壁后注漿造價(jià)6.5萬(wàn)元/m。注漿段長(zhǎng)約415.0 m，井筒總造價(jià)合計(jì)約為8 459.5萬(wàn)元。

3 結(jié)論

(1)二石磕煤礦緩坡副斜井采用普通法+注漿施工方案，工程總投資較凍結(jié)法施工方案節(jié)省3億元左右；由于普通法+注漿施工方案所用的施工機(jī)械簡(jiǎn)單，設(shè)備制造、回撤工期短，雖然井筒施工速度相比傳統(tǒng)的普通施工法慢，但總工期仍然少于凍結(jié)法施工方案約20個(gè)月；普通法+注漿施工方案，施工方式及支護(hù)方式靈活，風(fēng)險(xiǎn)小，可隨時(shí)調(diào)整，施工技術(shù)可靠性更高一些。

(2)二石磕煤礦緩坡副斜井采用注漿+普通施工方法，施工工藝簡(jiǎn)單，井筒工程造價(jià)較低，施工速度有保證；預(yù)計(jì)二石磕煤礦在松散層和風(fēng)化基巖段采用注漿工藝后，再加上配套的排水措施，可以達(dá)到預(yù)期的施工效果。

(3)通過(guò)對(duì)二石磕煤礦緩坡副斜井施工方法選擇的分析探討，提出了在該區(qū)域緩坡副斜井穿過(guò)松散層和風(fēng)化基巖等破圍巖破碎段時(shí)，宜采用注漿+普通施工方法，也為本礦井其他斜井和鄰近相似地質(zhì)條件的礦井斜井施工提供了借鑒和參考。