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(以下簡稱“二石磕煤礦”)位于橫山縣北部，屬于地方民營煤礦。設(shè)計生產(chǎn)能力為0.60 Mt/a。采用斜井開拓方式，擔(dān)負礦井材料和人員等輔助提升的副斜井，斜長1 460 m，傾角5.5°。初步設(shè)計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。參照臨近礦井施工經(jīng)驗，采用普通施工方法在松散層和風(fēng)化基巖段施工過程中容易出現(xiàn)潰水潰沙等安全隱患，嚴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度，需要對副斜井井筒施工方法進行探討。

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?；鶐r，正?；鶐r主要為粉砂巖和細粒砂巖，厚度約為49.80 m。其中副斜井穿過的各地層中，第四系松散層和風(fēng)化巖組均為不穩(wěn)定地層；正?；鶐r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)計涌水量見表1。

表1 副斜井井筒預(yù)計涌水量計算參數(shù)及計算結(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，相對較淺，根據(jù)礦井開拓布局，副斜井采用5.5°的緩坡斜井，輔助運輸系統(tǒng)較為簡單。但是副斜井穿過的地層，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89.5 m3/h。副斜井穿過的地層約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)域井筒涌水量相對較大，井筒施工難度大。該區(qū)域無緩坡斜井施工先例，暫無可參考的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。因此，針對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。接下來對上述幾種可行的井筒施工方法進行分析比選[1-4]。

2.1 地面預(yù)降水法

地面預(yù)降水法，是指在井筒周圍一定范圍內(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工作面，這是掘進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，在沙層段先進行明槽開挖，待穩(wěn)定后進硐施工。在風(fēng)化基巖段和正?；鶐r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，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，我國凍結(jié)法施工技術(shù)已達到世界領(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，確保了礦井項目的整體建設(shè)要求。斜井凍結(jié)法目前在國內(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)斜長最長的是古城煤礦主斜井，斜長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，通過對國內(nèi)已施工井筒的實際費用調(diào)研，斜井凍結(jié)綜合平均費用約30萬元/m，井筒凍結(jié)段掘進速度相對較慢(約40 m/月)，施工工期長。整個緩坡副斜井采用凍結(jié)法，總施工費用大約為4.38億元，工期大約為36個月。

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程中預(yù)防和消除水害影響的重要手段之一。近年來，特別是在我國陜北地區(qū)榆橫礦區(qū)，多個礦井在井筒施工中采用該技術(shù)。該區(qū)域井筒穿過地層的普遍特征均為厚沙層、涌水量相對較大、風(fēng)化基巖破碎含水。該區(qū)域在二石磕煤礦附近的小紀汗煤礦井筒，采用德國巴斯夫公司生產(chǎn)的美固MP325注漿材料進行壁后注漿，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，得到了廣泛應(yīng)用；但同時其存在鉆孔深度大，鉆孔偏斜率控制要求高，對注漿設(shè)備能力和注漿技術(shù)要求比較高，工程費用高等特點。二石磕煤礦穿過的地層與小紀汗煤礦和大海則煤礦斜井穿過的地層條件相比較為簡單，井筒深度淺、井筒涌水量也相對較小。在施工過程中，借鑒小紀汗煤礦和大海則煤礦的注漿施工經(jīng)驗，可優(yōu)先選用德國巴斯夫公司生產(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?；鶐r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+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)濟技術(shù)指標如下。

2.4 工期與造價

施工總工期：為15.6個月，其中松散層及風(fēng)化基巖段長約415.0 m，月進度按60 m考慮，工期6.9個月。土層及基巖段長694 m，月進度按80 m考慮，工期8.7個月。

井筒造價：松散層段4.60萬元/m，基巖段4.50萬元/m。每米井筒排水電費0.50萬元，松散層及風(fēng)化基巖段壁后注漿造價6.5萬元/m。注漿段長約415.0 m，井筒總造價合計約為8 459.5萬元。

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械簡單，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個月；普通法+注漿施工方案，施工方式及支護方式靈活，風(fēng)險小，可隨時調(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，施工工藝簡單，井筒工程造價較低，施工速度有保證；預(yù)計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，可以達到預(yù)期的施工效果。

(3)通過對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)域緩坡副斜井穿過松散層和風(fēng)化基巖等破圍巖破碎段時，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。