涼水井煤礦特殊地質(zhì)條件下的立井施工技術(shù)

董衛(wèi)峰

(陜西匯森煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)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(guān)鍵因素，因此所采取的施工方法至關(guān)重要。長期以來，在立井施工過程中，經(jīng)常會發(fā)生流沙埋井、涌水淹井的事故，給企業(yè)造成重大經(jīng)濟損失。如何選用技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理、安全可靠的施工方法，是立井施工中關(guān)鍵所在。

1 工程概況

神木匯森涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司二號回風(fēng)立井位于陜西省神木市境內(nèi)，西(安)—包(頭)鐵路和榆神府二級公路(204省道)均從井田南側(cè)通過，新建的榆神高速公路并行S204省道北側(cè)緊鄰井田南部邊界通過。礦井東至神木城區(qū)16 km，北至大柳塔40 km，交通十分方便。二號回風(fēng)立井主要承擔(dān)礦井北部區(qū)域回風(fēng)任務(wù)，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(hù)，其技術(shù)特征見表1。

表1 二號回風(fēng)立井井筒技術(shù)特征表

2 工程地質(zhì)

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(jié)構(gòu)疏松易被水流沖蝕而引起坍塌，浸水易失穩(wěn)。紅土為粉質(zhì)粘土，土體一般處于濕、中密、可塑狀態(tài)。屬于中等壓縮性土，不具濕陷性，屬不穩(wěn)定圍巖。

2．2 基巖段

井筒穿過風(fēng)化巖段的厚度20．30 m，其中強風(fēng)化巖厚度9．30 m，弱風(fēng)化層厚度11．00 m，巖心較為破碎，砂巖膠結(jié)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(fēng)化帶由于原巖結(jié)構(gòu)遭受破壞其粘土礦物含量增加，在巖體的結(jié)構(gòu)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(shù)巖石遇水短時間內(nèi)全部崩解或沿裂隙離析。根據(jù)測試成果，風(fēng)化巖飽和抗壓強度0.07 ～15．00 MPa，平均 4．64 MPa，軟化系數(shù) 0．29，巖石屬易軟化軟巖類，圍巖屬不穩(wěn)定巖層。

井筒穿越下部延安組地層主要由層狀結(jié)構(gòu)及塊狀結(jié)構(gòu)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(shù)0．40，巖石總體屬易軟化較軟巖類，總體屬中等穩(wěn)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(shù)平均0．58，巖石屬易軟化較硬巖類，總體屬中等穩(wěn)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(fēng)積沙層干燥，流動性強，開挖后周邊沙土失穩(wěn)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(xiàn)了脫落，如圖1(a)所示。工程技術(shù)人員立即對此進(jìn)行了研討，經(jīng)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(wěn)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(xiàn)場圖

圖2 二次鎖口施工方案示意圖

鎖口盤設(shè)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(jìn)行澆筑混凝土，每段高為1．8 m。澆筑完第一?；炷梁蠼壴诙ｄ摻?，待第一?；炷聊毯蟛鹉Ｌ嵘恋诙Ｎ恢貌⒉倨秸艺?，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(shè)計上進(jìn)行優(yōu)化，整體呈現(xiàn)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(fā)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(hù)法

井筒表土段上部50．2 m左右?guī)r性為黃色粉砂土，沙層結(jié)構(gòu)松散，開挖后極易坍塌。為了保證井筒開挖后圍巖的穩(wěn)定性和減少暴露面積，采用了分片開挖掘進(jìn)，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(hù)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(jìn)行開挖，挖掘1．8 m深后對此段進(jìn)行刷幫，打板樁，采用大錘將板樁楔入底板。板樁間隙可視現(xiàn)場實際情況而定，圍巖不穩(wěn)定時間距為150 mm，圍巖穩(wěn)定時間距可適當(dāng)增大。并待此段板樁施工完畢后繼續(xù)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(jìn)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(cè)，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(hù)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(fēng)化坍塌的難題，保證了開挖及澆筑過程中的井筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4 板樁支護(hù)現(xiàn)場效果圖

3．3 人工綜合方法過流沙層

井筒掘進(jìn)至標(biāo)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(cè)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(xiàn)場情況進(jìn)行認(rèn)真分析研究，制定出了控制流沙、安全掘進(jìn)的施工方案。

工字鋼點柱對井壁進(jìn)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(cè)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(shè)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(shè)在流沙層下部堅硬紅土層上。

圖5 流沙層揭露狀態(tài)示意圖

使用板樁對流沙層實施超前控制:點柱支設(shè)完成后，隨著涌水量的不斷增加，沙層流動性越來越強，導(dǎo)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(nèi)側(cè)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(fēng)動鑿巖機將板樁逐根打入下側(cè)紅土層，入土角度為70°左右;②當(dāng)板樁入土深度達(dá)0．5 m時，在板樁尾部焊接導(dǎo)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(shè)完成后，用準(zhǔn)備好的編織袋、棉絲、草封等將板樁間縫隙封堵嚴(yán)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(zhì)量;⑤待井壁無較大的涌沙冒泥現(xiàn)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(nèi)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(jìn)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(nèi)，在小井內(nèi)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(huán)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(wěn)定狀態(tài)，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(nèi)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(cè)的空洞一并澆實，并在集中出水點留設(shè)導(dǎo)流管，將部分涌水集中引流至吊盤水箱排出。

3．4 基巖段導(dǎo)水，小立模、短砌護(hù)施工

井筒過流沙層后，繼續(xù)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(dá)22 m3/h，斷面井壁淋水明顯增多，為了保證井筒澆筑質(zhì)量，采用了安設(shè)截水槽、分流導(dǎo)水，短砌護(hù)施工方案。該砌護(hù)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?xí)r涌水流入模板，沖刷混凝土，造成井筒產(chǎn)生蜂窩麻面，上下模澆筑接茬不密實的問題。

導(dǎo)水:在井壁設(shè)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(shè)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(jìn)行緊固;混凝土中適當(dāng)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(jìn)至標(biāo)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(dǎo)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(jìn)行并保證施工質(zhì)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(xué)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(dāng)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(shù) 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(lián)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(xué)漿中，甲液∶乙液 =10∶2 ～10∶5。

注漿:注漿泵站及漿液攪拌系統(tǒng)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(jìn)注漿孔用2TGZ-60/210型雙液調(diào)速高壓注漿泵注漿。YT-28風(fēng)鉆按布孔要求在井壁上鉆孔，埋設(shè)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(jìn)至－56 m水平附近時，土體內(nèi)含大量孤石與土石膠結(jié)體，料姜石和紅土摻雜出現(xiàn)，且紅土層含水，圍巖十分堅硬，挖掘機開挖掘進(jìn)困難，故采取放松動炮、裸井壁插管導(dǎo)水，集中外排，壁后注漿封水等措施保證施工進(jìn)度及支護(hù)質(zhì)量。

圖6 壁后注漿示意圖

調(diào)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(yù)注漿擴散半徑不明顯，未達(dá)到理想效果，因此及時修改了工作面預(yù)注漿和壁后注漿施工方案，如增加注漿孔密度、改變化學(xué)漿配比等，保證最小擴散半徑相交，并制訂了工作面預(yù)注漿和壁厚注漿結(jié)合的注漿方案，封水效果明顯，保證了工程質(zhì)量。

4 結(jié)語

涼水井煤礦二號回風(fēng)立井工程，在施工過程中積極摸索新的施工方法，根據(jù)井筒掘進(jìn)實際情況，大膽采用板樁法做臨時支護(hù)，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(jié)法施工過流沙層帶來的工期長、費用高的技術(shù)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?，F(xiàn)該井筒已經(jīng)通過了特殊地質(zhì)條件段，順利完工，為立井掘進(jìn)及井筒支護(hù)施工積累了豐富的經(jīng)驗。