內(nèi)蒙古白家海子礦井井壁結(jié)構(gòu)及施工方法論證

田昌富 齊寶健

(中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

內(nèi)蒙古白家海子礦井井壁結(jié)構(gòu)及施工方法論證

田昌富 齊寶健

(中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

以內(nèi)蒙古白家海子煤礦為工程背景，根據(jù)礦井井筒穿過(guò)地層的地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，確定了井筒的施工方法及井壁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技巧，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，以獲得最佳的施工效果。

井筒，地質(zhì)，井壁，結(jié)構(gòu)

隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和不斷深入，我國(guó)迎來(lái)了有史以來(lái)最大規(guī)模的煤礦新井建設(shè)期。由于東、西部巖層巖性差異較大，在西部地區(qū)，特殊鑿井法施工有較大規(guī)模的應(yīng)用。目前，我國(guó)較常用且較為成熟的特殊鑿井方法有凍結(jié)法、鉆井法、預(yù)注漿法(含地面預(yù)注漿和工作面預(yù)注漿法)等施工方法。

1 工程概況

白家海子煤礦是內(nèi)蒙古鄂爾多斯聯(lián)海煤業(yè)有限公司正在興建的15 Mt/年特大型礦井，位于鄂爾多斯市烏審旗南部，隸屬鄂爾多斯市烏審旗管轄。根據(jù)礦井開(kāi)拓部署和通風(fēng)安全要求，本礦井共設(shè)主井、副井、中央回風(fēng)井和中央進(jìn)風(fēng)井四個(gè)立井井筒；其設(shè)計(jì)凈直徑分別為9.5 m，10.5 m，7.0 m，6.8 m；井筒深度分別為765 m，755 m，704 m，679 m。根據(jù)白家海子礦井提供的井筒檢查鉆孔資料，白家海子礦井主井、副井、中央回風(fēng)井、中央進(jìn)風(fēng)井井筒自上而下依次穿過(guò)的地層為:第四系、白堊系志丹群、侏羅系(安定組、直羅組和延安組)地層。

2 井筒穿過(guò)地層的地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

1)第四系為風(fēng)積沙層，巖性主要為粉細(xì)沙，松散，顆粒級(jí)均勻，分選好，沙層厚度大，結(jié)構(gòu)松散；白堊系地層多為紫紅色砂巖組成，泥質(zhì)膠結(jié)，弱固結(jié)～半固結(jié)狀，膠結(jié)松軟；巖石平均抗壓強(qiáng)度均小于30 MPa，屬軟弱巖類巖石；侏羅系地層由砂巖、粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖和煤層組成，其中安定組、直羅組以泥巖、砂巖為主；延安組以砂巖為主。砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，少量鈣、硅質(zhì)膠結(jié)。侏羅系地層巖石強(qiáng)度一般大于30 MPa，大多為半堅(jiān)硬類巖石。2)隨著深度增加各類巖石強(qiáng)度值也隨之增高；巖體完整性中等～較完整，總體中等完整；巖體質(zhì)量差～中等，總體中等。局部巖石由于受應(yīng)力作用，巖芯破碎，尤其是泥巖、砂質(zhì)泥巖類，巖石質(zhì)量較差。3)井檢孔所穿過(guò)地層劃分四個(gè)含水層，其中第四系含水層富水性中等；白堊系含水層富水性中等；侏羅系安定組、直羅組含水層富水性弱；侏羅系延安組含水層富水性弱。4)各井檢孔所預(yù)計(jì)井筒涌水量有較大差異，說(shuō)明地層富水性不均一，其中白堊系含水層井筒預(yù)計(jì)涌水量(主井257 m3/h、副井240 m3/h、回風(fēng)井252 m3/h、進(jìn)風(fēng)井257 m3/h)較大，侏羅系地層雖然富水性弱，但井筒涌水量(主井369 m3/h、副井358 m3/h、回風(fēng)井241 m3/h、進(jìn)風(fēng)井235 m3/h)也較大。

3 井筒施工方法及井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 本礦井及相鄰礦井地質(zhì)情況

1)白堊系地層不僅含水較豐富，地層多為紫紅色砂巖和粉砂巖組成，弱固結(jié)～半固結(jié)狀，膠結(jié)松軟。巖石固結(jié)程度較低，且膠結(jié)物多為泥質(zhì)，巖層可注(注漿)性較差。雖然巖石完整程度較高，但巖石的抗壓強(qiáng)度較低，巖體質(zhì)量差。2)侏羅系地層多為半堅(jiān)硬巖層，有三個(gè)主要含水層組水量較大。3)井筒開(kāi)鑿后，實(shí)際揭露的含水層涌水量與井筒檢查鉆孔預(yù)計(jì)涌水量相比，均有一定差異(大多偏大)。4)井筒設(shè)計(jì)直徑大，掘砌速度慢，空幫時(shí)間長(zhǎng)，圍巖涌水較大且?guī)r性差時(shí)不僅容易發(fā)生片幫等事故，井壁質(zhì)量也難保證。

3.2 幾種特殊鑿井施工方法

根據(jù)對(duì)白家海子礦井井筒將穿過(guò)地層的地質(zhì)及水文地質(zhì)情況分析，認(rèn)為白家海子各井筒應(yīng)采用特殊鑿井法施工。

1)凍結(jié)法。人工地層凍結(jié)法(簡(jiǎn)稱“凍結(jié)法”)，是利用人工制冷技術(shù)使地層中的水結(jié)冰,把天然巖土變成凍土,增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性,隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系,以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌施工的特殊施工技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷臨時(shí)改變巖土性質(zhì)以加固地層。凍結(jié)法施工適用于各種不穩(wěn)定的沖積地層、含水巖層和溶洞、斷層等復(fù)雜地層；目前，凍結(jié)法鑿井技術(shù)已成為東、西部地區(qū)煤礦井筒穿過(guò)沖擊層、軟弱地層含水層時(shí)的主要特殊施工方法。凍結(jié)法施工主要優(yōu)點(diǎn)為：適應(yīng)性強(qiáng)；施工速度快，井筒施工工期相對(duì)較短；成井垂直度好，斷面利用率高，有利于井筒裝備的安裝和使用；井筒施工期對(duì)環(huán)境無(wú)污染，噪聲小。存在的主要缺點(diǎn)：井筒施工時(shí)存在凍結(jié)管斷裂破壞隱患；受井筒施工方法限制，井內(nèi)工作條件、混凝土養(yǎng)護(hù)條件差等。2)鉆井法。鉆井法是用大型井筒鉆機(jī)鉆頭破碎巖土，用泥漿進(jìn)行洗井、排碴和護(hù)壁，當(dāng)井筒鉆至設(shè)計(jì)直徑和深度后，在泥漿中懸浮下沉預(yù)制井壁，然后壁后充填固井的一種機(jī)械化鑿井方法。鉆井法施工適用于各種含水的沖積地層及中等硬度以下的巖層。鉆井法施工具有機(jī)械化程度高、投資省(與凍結(jié)法相比)、井壁在地面預(yù)制，質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)；主要缺點(diǎn)為施工速度慢、工期長(zhǎng)，有提升設(shè)備的井筒需考慮井筒偏斜的影響。3)注漿法。注漿法是利用泵壓，通過(guò)注漿孔將配置好的、具有充塞膠結(jié)性能的漿液灌注到地層的裂隙、空隙和空洞中，漿液經(jīng)擴(kuò)散、凝固硬化后，使地層具有更高的強(qiáng)度、密實(shí)性和不透水性。注漿法，可分為地面預(yù)注漿和工作面預(yù)注漿兩種注漿方式，其適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

表1 注漿法分類、適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)比較表

3.3 白家海子礦井井筒施工方法

凍結(jié)法和鉆井法是目前我國(guó)煤礦立井井筒穿過(guò)沖積地層及不穩(wěn)定巖層采用較多、較為成熟有效的兩種特殊鑿井施工方法。

凍結(jié)法、鉆井法施工的優(yōu)、缺點(diǎn)比較如表2所示。

表2 凍結(jié)法及鉆井法施工的優(yōu)、缺點(diǎn)比較表

白家海子礦井井筒將穿過(guò)的地層中，除上部第四系地層為細(xì)砂外，其他均為巖層，除上部白堊系地層為軟弱巖層外，侏羅系地層大多為半堅(jiān)硬類巖石，少量為堅(jiān)硬巖層；采用鉆井法施工堅(jiān)硬巖層時(shí)，施工速度慢、刀具磨損快，成本高；中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院、煤科總院建井所、安徽理工大學(xué)以及中煤第三建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司四家單位聯(lián)合對(duì)內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)采用鉆井法施工立井井筒進(jìn)行研究論證，結(jié)果表明：在本地區(qū)，較小直徑的井筒采用鉆井法施工從理論上、技術(shù)上都是可行的，目前正在進(jìn)一步的研討、準(zhǔn)備實(shí)施之中；但對(duì)于較大直徑的主、副井井筒，在厚度較大的半堅(jiān)硬(少量為堅(jiān)硬)巖層的侏羅系地層中鉆進(jìn)，目前鉆機(jī)性能尚不能完全滿足要求。因此，設(shè)計(jì)認(rèn)為本礦井井筒尚不適合采用鉆井法施工。

所以，對(duì)于巖層巖性很差且富水性不均一的白堊系及以下地層，只有采用凍結(jié)法或預(yù)注漿法進(jìn)行治理。

白家海子礦井采用注漿法或凍結(jié)法施工比較如表3所示。

表3 白家海子礦井井筒采用注漿法或凍結(jié)法施工比較表

凍結(jié)法封水效果可靠。但由于基巖凍結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，費(fèi)用高，并且在凍結(jié)基巖段井壁設(shè)計(jì)中需考慮由于凍結(jié)孔導(dǎo)水等問(wèn)題，因此凍結(jié)基巖段井壁需采用雙層井壁結(jié)構(gòu)，不僅增加凍結(jié)費(fèi)用，也增加井筒掘砌費(fèi)用。所以，基巖段井筒一般宜采用注漿法治水。

但是當(dāng)巖石為泥質(zhì)或砂泥質(zhì)膠結(jié)、節(jié)理裂隙不發(fā)育時(shí)，注漿效果一般較差。例如，塔然高勒礦井，采用普通法施工的主、副、風(fēng)三個(gè)立井井筒施工到垂深250 m的白堊系礫巖、中粒或粗粒砂巖地層時(shí)，工作面出水達(dá)到20 m3/h以上，停工4個(gè)月進(jìn)行工作面注漿，重新開(kāi)挖后工作面涌水量并沒(méi)有減少，而且施工到垂深270 m時(shí)，涌水量達(dá)到60 m3/h以上。由此可見(jiàn)，在白堊系地層采用注漿封水效果較差。

本礦井井筒檢查鉆孔資料表明井筒將穿過(guò)白堊系地層的巖性以砂巖為主，砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)松軟，弱固結(jié)～半固結(jié)狀，巖石抗壓強(qiáng)度較低，且該層富水性中等，井筒預(yù)計(jì)涌水量(主井257 m3/h，副井240 m3/h，回風(fēng)井252 m3/h，進(jìn)風(fēng)井257 m3/h)較大；侏羅系地層，其巖性多為砂巖、泥巖，砂巖多為泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)松軟，僅延安組中有少量鈣、硅質(zhì)膠結(jié)。雖然巖石完整性較好，但是由于固結(jié)程度一般較低，巖石抗壓強(qiáng)度也較低，雖然侏羅系地層的富水性弱，但井筒涌水量(主井369 m3/h、副井358 m3/h、回風(fēng)井241 m3/h、進(jìn)風(fēng)井235 m3/h)較大；因此，井筒若采用注漿法施工，巖層注漿效果較差，存在不確定因素；同時(shí)，井筒設(shè)計(jì)直徑大，掘砌速度慢，空幫時(shí)間較長(zhǎng)，圍巖涌水較大且?guī)r性差時(shí)不僅容易發(fā)生片幫等事故，井壁質(zhì)量也難以保證。陜西亭南礦井、內(nèi)蒙塔然高勒礦井等初期采用注漿封堵涌水，但效果較差，后改為凍結(jié)法施工；門克慶、葫蘆素礦井、察哈素礦井、紅慶河礦井、陶忽圖礦井、營(yíng)盤壕礦井等井筒均采用或即將采用凍結(jié)法穿過(guò)白堊系、侏羅系地層(或部分侏羅系地層)。因此，設(shè)計(jì)推薦采用凍結(jié)法施工本礦井各井筒，以確保井筒順利施工到底。

即：設(shè)計(jì)推薦主井、副井、中央回風(fēng)井、中央進(jìn)風(fēng)井井筒采用凍結(jié)法施工。

3.4 井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于硐室以上段井壁，四個(gè)立井井筒均采用“雙層鋼筋混凝土及HDPE塑料夾層”復(fù)合井壁，該種形式井壁與地層的相互作用機(jī)理為：采用短段掘砌的外層井壁首先要承受凍結(jié)壓力的作用；井壁澆筑后，井幫的凍結(jié)壓力作用在外層井壁上；凍結(jié)段井筒及外層井壁掘砌完成后，內(nèi)層井壁自下而上一次砌筑，并在內(nèi)外壁之間鋪設(shè)一定厚度的HDPE塑料板(在凍結(jié)井筒中，由于內(nèi)層井壁相對(duì)較厚，內(nèi)層井壁砌筑后，內(nèi)、外層井壁間將產(chǎn)生一定溫度應(yīng)力，由于外層井壁對(duì)內(nèi)層井壁的約束，使內(nèi)壁外緣不能自由收縮而造成井壁橫向裂縫。因此內(nèi)、外層井壁間鋪設(shè)塑料板可減少內(nèi)、外井壁之間的約束力，防止內(nèi)層井壁出現(xiàn)橫向裂縫)；井幫解凍后，在內(nèi)、外層井壁間進(jìn)行內(nèi)、外層井壁間注漿，內(nèi)層井壁承受內(nèi)、外層井壁之間的水壓，內(nèi)、外層井壁共同承受永久地壓。對(duì)于硐室以下段井壁，外層井壁采用錨網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)，噴層厚度100 mm。井筒施工過(guò)程中，由錨網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)承受井筒凍結(jié)壓力；井幫解凍后，內(nèi)層井壁承受內(nèi)、外層井壁之間的水壓。硐室以上內(nèi)、外層井壁結(jié)構(gòu)形式如圖1所示；硐室以下外層錨網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)、內(nèi)層井壁結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

該井筒井壁結(jié)構(gòu)計(jì)算原則如下：

1)內(nèi)、外層井壁之間塑料夾層設(shè)置在硐室以上；2)硐室及硐室以下井壁，外層井壁采用錨網(wǎng)噴臨時(shí)支護(hù)；3)內(nèi)層井壁計(jì)算時(shí)，白堊系與侏羅系的相鄰地層段，水壓折減系數(shù)取1.00；硐室以下水壓折減系數(shù)取0.95；硐室以下至井壁底水壓折減系數(shù)取0.90；4)根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，取混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)為1.2；井筒底部控制截面處混凝土強(qiáng)度等級(jí)最高采用C70。

根據(jù)以上計(jì)算原則，選用GB 50384-2007煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范“6.29條”計(jì)算公式：

鋼筋混凝土井壁：

fs=0.9(mfc+ρminfy′)。

其中，t為井壁厚度，m；rn為計(jì)算處井壁內(nèi)半徑，m；fs為井壁材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MN/m2；ρmin為井壁圓環(huán)截面的最小配筋率；vk為結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，取1.35；m為混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)；P為計(jì)算處作用在井壁上的設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值，MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

白家海子礦井主、副井井壁結(jié)構(gòu)中，井筒底部井壁厚度分別為1.65 m，1.8 m，屬于“大體積混凝土”；大體積混凝土在固化過(guò)程中釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，產(chǎn)生的溫度和收縮應(yīng)力可能導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫；建議開(kāi)展對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土方面的研究。

Discussion on Mongolian Baijiazi Mine casing structure and construction methods

TIAN Chang-fu QI Bao-jian

(NanjingDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaMineScienceandTechnologyGroup,Nanjing210031,China)

Taking Mongolian Baijiazi mine as the engineering background, according to the geological and hydraulic conditions of mine shaft crossing stratum, the paper determines the shaft construction methods and casing structure design techniques, and makes specific description, with a view to achieve optimal construction effect.

shaft, geology, casing, structure

1009-6825(2014)03-0098-03

2013-11-19

田昌富(1984- )，男，助理工程師； 齊寶健(1983- )，男，工程師

TU941

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