郭家灘風井過流砂層旋噴帷幕治理技術

高曉耕

(1.天地科技股份有限公司建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

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郭家灘風井過流砂層旋噴帷幕治理技術

高曉耕1,2

(1.天地科技股份有限公司建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

摘要針對郭家灘風井表土層薄、流砂層結構松散、富水性強的問題，為有效治理流砂層，加快施工進度，采用旋噴工藝，形成井筒帷幕。井筒帷幕設計兩圈旋噴樁，每圈樁數均為65個，內圈樁圈徑9.8 m，樁徑600 mm；外圈樁圈徑為10.7 m，樁徑為650 mm，引孔工程量1 768 m，消耗水泥506 t。結果表明，井筒旋噴帷幕能較好地加固與封堵流砂層，消除施工安全隱患、加快施工進度。

關鍵詞立井流砂層旋噴帷幕

沖積層井筒施工時常遇到流砂層，流砂層對應力變化異常敏感，微小的應力變化就能導致流砂層黏性急劇降低。若控制不當，井筒開挖擾動時常導致片幫、井底冒砂、井壁掏空等問題[1]，嚴重時可造成井筒偏斜，甚至危及地面建筑物。由于井筒穿越流砂層施工難度大、風險高，一直是影響井筒施工工期和造價的關鍵因素[1]。目前井筒穿越流砂層的施工方法有普通施工方法，包括板樁法、降水法；特殊施工方法，有凍結法、 鉆井法、 沉井法、帷幕法等。凍結法是目前井筒不穩(wěn)定表土層施工的首選方法，凍結壁可有效防止水或流砂涌入井筒，施工安全性好，但投資較大[2-3]；鉆井法利用泥漿洗井、護壁和排渣，井筒鉆成后再預制井壁下沉，該技術實現了機械化作業(yè)，但存在設備昂貴和后期泥漿處理的問題；沉井法利用刃腳插入土層， 工作面不斷破土排渣， 依靠井壁自重下沉，但不適用于地層存在孤石的情況，該法工藝簡單、占用設備少、投入費用小，但井筒垂直度不好控制[4]；帷幕法一般通過旋噴樁，相互咬合，形成穩(wěn)定隔水帷幕。普通施工法工期長，難度大，一般僅在流砂層較薄時采用[5-6]。近年來，常宏、徐繼民等[1,7]介紹了金屬井圈背板法在井筒穿越流砂層的應用情況，指出金屬井圈背板法結合注漿技術可明顯節(jié)省施工費用、縮短施工工期。

1　工程概況

郭家灘煤礦設計生產能力為10.0Mt/a，井田位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)。該礦采用斜井開拓方案，布置有主斜井、副斜井、進風及回風立井4個井筒。回風井井筒垂深350m(含水窩)，井筒凈徑7.5m，荒徑8.8m。井筒共穿越7層含水層，其中表土層薩拉烏蘇組和風積沙含水層富水性強，預測涌水量33.62m3/h，且透水性強，結構松散，穩(wěn)定性差，存在流砂現象，是井筒施工的難點[8]。另外，風積層及薩拉烏蘇組充水強度受大氣降水等因素影響強烈，雨季會明顯增大?？紤]井筒表土層薄，采用凍結法等特殊工法投資大，普通法降水困難且可能引起地面不均勻沉降等問題，為保證鑿井順利通過，在井筒外圍施工高壓旋噴樁帷幕，起到封堵外圍涌水及側向加固的目的。

2　表土層地質條件

2.1工程地質條件

回風立井自上而下穿越地層有第四系、新近系上新統保德組、白堊系下統洛河組、侏羅系中統安定組、直羅組、延安組地層。表土層與旋噴施工有關的地層情況見表1。①風積層主要為細砂，分選中等，上部稍濕，下部潮濕含水，初見水位1.10m；②第四系上更新統薩拉烏蘇組，粉細砂層，含植物腐殖質，局部顆粒稍粗，富水性強，結構松散，穩(wěn)定性差，存在流砂現象;③第四系中更新統離石組，為黃土，具可塑性，含少量粉細砂顆粒，上部見少量鈣質結核，下部黏土含量稍多,以柱狀及長柱狀為主(場區(qū)內部分位置見粉砂土，位于黃土下，呈灰黃色，成分以亞黏土為主，含少量粉砂，飽含水);④新近系上新統保德組(紅土)，可塑性強，含鈣質結核，局部富集成層，少量呈透鏡狀。

2.2水文地質條件

根據地下水的賦存條件、水力特征及含水層的縱向分布結構，表土層含隔水層組劃分為：①第四系上更新統薩拉烏蘇組及全新統風積砂孔隙潛水含水層(Q3s+Q4eol)；②第四系中更新統離石黃土弱含水層(Q2l)；③新近系上新統保德組紅土隔水層(N2b)。抽水試驗表明，第四系松散砂層透水性強，富水性弱～中等；土層富水性弱，但上部黃土層局部含砂量較大，并伴有砂層透鏡體，儲水條件較好。井筒位置處于低洼處，自然水位為1.85m，原始地坪接近水位線?；仫L立井采用“大井法”，表土段含水層預計井筒涌水量見表2。

表1　回風井井筒表土層地層

3　旋噴帷幕設計

3.1旋噴深度

由檢查孔資料可知，富水流砂層底界為11.60m，下部為黃土層?？紤]施工安全，設計旋噴>帷幕進入隔水黃土層2.0m，旋噴樁底部深度13.60m。同時由于上部均為風積砂，且自然水位深度較高，設計旋噴樁頂部深度為自然地表(場平標高)以下0.5m，由此確定旋噴樁長度為13.10m。

表2　回風立井井筒涌水量預測

3.2旋噴樁布置

井壁為鋼筋混凝土結構，凈徑7.50m，壁厚650mm，理論開挖荒徑8.8m。本工程井筒帷幕采用二重管旋噴法施工，根據地層條件和高壓旋噴技術特點，考慮井筒開挖斷面，為保證流砂層治理效果，井筒帷幕旋噴樁布置如圖1所示。井筒帷幕共設計兩圈旋噴樁，插花布置，樁與樁之間相互咬合，以保證帷幕封堵效果。內圈樁圈徑9.8m，單樁樁徑600mm，樁間距473mm，數量65個；外圈樁圈徑10.7m，單樁樁徑650mm，樁間距517mm，數量65個；兩圈樁間距為450mm。施工時，根據實際樁體位置、成樁質量等，可在特殊位置增設樁。

圖1　井筒帷幕旋噴樁布置(單位：mm)

4　施工工藝及保障措施

4.1施工工藝

旋噴漿液采用水灰比1∶1的水泥漿，選用P.O42.5硅酸鹽水泥，大規(guī)模施工之前，在場地內選擇合適位置進行2～3根旋噴樁試噴，以確定施工初始參數(表3)。井筒帷幕旋噴施工工藝流程如圖2所示，主要施工程序包括：定位及倒空孔施工、制漿與旋噴作業(yè)、特殊部位復噴、沖洗及樁頂回灌等。

表3　回風立井井筒旋噴參數

4.2質量保障措施

旋噴樁施工過程應嚴密控制，確保帷幕交圈和帷幕厚度：①先平整場地，鉆桿應垂直，確保實際樁位與設計孔位的偏差不大于50mm，鉆孔垂直度偏差小于1%。防治鉆孔坍塌，必要時可采用泥漿循環(huán)護壁；②噴射過程中，旋噴壓力必須滿足設計要求，當壓力出現驟然下降、上升或冒漿異常時，必須停機檢查原因，待排除故障后方可恢復工作，防止出現樁徑不夠或者斷樁現象，確保樁徑容許偏差小于50mm;③噴射結束后，及時利用冒漿充填，直到孔口漿液不再下沉為止;④對于旋噴樁底部深入黃土層部分，采取降低上提速度和復噴措施,即底部0.5m上提速度降低5cm/min，50cm后旋噴管下放至孔底，以設計速度復噴，提升100cm后再下放50cm進行復噴，如此往復，直至上部細砂層位。

圖2　井筒帷幕旋噴樁施工工藝流程

5　結　語

針對郭家灘表土層薄，存在富水流砂層的特殊條件，通過布置兩圈相互咬合的旋噴樁，在井筒開挖

荒徑外形成封閉的井筒帷幕，成功解決了風井過流砂層的施工難題。施工成樁130根，總引孔工程量1 768m，消耗水泥506t。工程前后施工時間不到一個月，施工速速快，不影響建井工期，消除了井筒施工安全隱患，對類似工程流砂層處理有一定的參考價值。

參考文獻

[1]常宏.豎井掘進過流沙層的關鍵技術及其應用[J].現代礦業(yè),2014(7):187-188.

[2]朱明誠.立井工作面承壓水流沙層保漿旋噴注漿帷幕支護技術[J].煤田地質與勘探,2009,37(4):47-49.

[3]李永忠,撖宇靖,張磊.低溫大斷面立井凍結法施工技術[J].現代礦業(yè),2014(7):182-184.

[4]茹新華.立井井筒過第四系流沙層沉井技術應用[J].北京工業(yè)職業(yè)技術學院學報,2015,14(2):1-3,8.

[5]魏軍賢,梁國棟.立井過流砂層施工技術[J].建井技術,2005,26(3):26-28.

[6]陳志文,王廣彬.立井過流砂層板樁法施工技術[C]//2009全國礦山建設學術會議論文集.合肥：中國煤炭學會煤礦建設與巖土工程專業(yè)委員會，2009:408-414.

[7]徐繼民.金屬井圈法過流沙層井筒施工技術[J].煤炭工程,2007(9):42-43.

[8]田亞飛.郭家灘煤礦含(隔)水層特征及井筒充水因素[J].陜西煤炭,2015,34(1):103-105.

(收稿日期2016-04-26)

高曉耕(1981—)，男，副研究員，碩士，100013北京朝陽青年溝東路5號天地大廈402室。