富水軟巖斜井井筒涌水防治與圍巖穩(wěn)定研究

任冬冬

摘要：為了解決西部地區(qū)第四系、新近系富水軟巖斜井施工中出現(xiàn)的巖石塑性變形、承載能力差、機(jī)械設(shè)備下沉、底板泥濘等問題，以伊犁一礦三個斜井井筒為工程背景，提出了井點(diǎn)降水、傾斜地層小巷截水、井內(nèi)導(dǎo)水、井上下相向掘進(jìn)放水等方法;對影響井筒圍巖穩(wěn)定的新近系黏土層進(jìn)行了分析，采取鋼棚支架加固、及時進(jìn)行混凝土澆注、開展變形量監(jiān)測等措施，取得了良好的效果。結(jié)果表明，井筒涌水量防治是解決巖層失穩(wěn)問題的關(guān)鍵，新近系黏土層是井筒穩(wěn)定性管理的重點(diǎn)，通過有效治水+關(guān)鍵部位加固的方式，可有效解決制約井筒施工的技術(shù)難題，保障井筒安全施工。

Abstract： In order to solve the problems of rock plastic deformation， poor bearing capacity， mechanical equipment sinking， and muddy floor in inclined shaft construction of Quaternary and Neogene water rich soft rock in Western China， in the engineering background of 3 inclined shafts in Yili No.1 Coal Mine， this paper puts forward the method of well-points dewatering， water interception in inclined stratum， water diversion in the well， tunnelling in the opposite direction. This paper analyzes Neogene clay layer which affect the wellbore stability， the measures of steel shed reinforcement， cast concrete in time and deformation monitoring， all these methods have produced good results. The results show that shaft water prevention is key method to solve the problem of rock instability， Neogene clay is the key point of wellbore stability management. Effective water control and reinforcement of key parts will solve the technical problems of the shaft construction and ensure the safe construction.

關(guān)鍵詞：伊犁一礦;富水軟巖;斜井施工;涌水防治;圍巖穩(wěn)定

Key words： Yili No.1 Coal Mine;water rich soft rock;inclined shaft construction;water prevention;rock stability

中圖分類號：TD3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）19-0145-03

0 ?引言

目前，我國正在實施“一帶一路”戰(zhàn)略。新疆是絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)，也是絲綢之路商貿(mào)物流和文化科教中心，該地區(qū)擁有豐富的煤炭資源，是我國重要的煤炭、煤化工生產(chǎn)基地之一。新汶礦業(yè)集團(tuán)伊犁一號井是新疆伊犁地區(qū)開發(fā)的第一對千萬噸級礦井[1]。

礦井采用斜井開拓，建設(shè)的主斜井、緩坡副斜井、進(jìn)風(fēng)斜井在施工過程中，均穿越第四系礫石層、新近系黏土層以及侏羅系地層。其中進(jìn)風(fēng)斜井為2007年施工，主斜井及緩坡副斜井為2018年施工。根據(jù)三條井筒的施工經(jīng)驗，第四系礫石層具有較好的穩(wěn)定性，在無水礫石層施工難度較低，采用25U型棚作為臨時支護(hù)即可滿足安全施工要求;含水礫石層及新近系黏土層較為松散，特別是新近系黏土層含蒙皂石及高嶺石等膨脹性礦物，遇水易膨脹，巖層無承載能力，含水較少時發(fā)生塑性變形，含水較多時會發(fā)生流動，易造成井筒大面積漏頂坍塌;同時現(xiàn)場因軟巖及井筒涌水問題，機(jī)械設(shè)備下沉，底板泥濘沉陷，施工條件困難。因此礦井水是影響井筒穩(wěn)定性的決定性因素，井筒涌水防治是井筒安全施工的主要保障[2-4]。

1 ?工程背景

1.1 井筒簡介

礦井投產(chǎn)時布置有位于南工業(yè)場地（南工廣）的主斜井、緩坡副斜井、進(jìn)風(fēng)斜井、東回風(fēng)立井，以及位于風(fēng)井場地（北工廣）的進(jìn)風(fēng)立井，共計5個井筒。本文主要針對3個斜井井筒進(jìn)行研究。

1.1.1 主斜井

主斜井井口標(biāo)高+1278.5m，傾角16°，凈寬5200mm，斜長636.6m，裝備一部B=1600mm膠帶輸送機(jī)擔(dān)負(fù)礦井煤炭提升任務(wù)。井筒采用普通法施工，表土段采用25U型棚+鋼筋混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度400mm，基巖段采用二次錨網(wǎng)索噴支護(hù)，支護(hù)厚度300mm。

1.1.2 緩坡副斜井

井口標(biāo)高+1271.8m，傾角5.5°，凈寬5200mm，長度440.5m，由地面沿5.5°的角度進(jìn)入5煤隱伏露頭附近，與5煤繞道向南延伸的輔運(yùn)巷道相連。承擔(dān)礦井輔助運(yùn)輸任務(wù)兼進(jìn)風(fēng)。井筒采用普通法施工，表土段采用25U型棚+鋼筋混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度400mm，基巖段采用二次錨網(wǎng)索噴支護(hù)，支護(hù)厚度300mm。

1.1.3 進(jìn)風(fēng)斜井

該井筒原為礦井的材料斜井，后由于設(shè)計變更，改為進(jìn)風(fēng)斜井，不再進(jìn)行物料提升。凈寬4500mm，斜長537m，傾角16°。表土段采用25U型棚+鋼筋混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度450mm，基巖段采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)厚度150mm。

1.2 水文地質(zhì)概況

影響井筒施工的地下水含水層組主要有第四系松散砂礫層、新近系砂巖含水層及侏羅系裂隙-孔隙承壓含水層。自上至下分述為：

1.2.1 第四系孔隙含水層（Ⅰ1）

覆蓋于新近系之上，巖性為砂礫石層，砂泥質(zhì)充填，局部夾有黏性土透鏡體或薄層，表層常有0.2～2m的黃土狀粉質(zhì)黏土。總厚度14.10～102.20m，平均67.25m。砂礫石層含孔隙潛水。含水層單位涌水量平均0.061L/s·m;滲透系數(shù)平均0.2644m/d。礦化度0.218g/L，水化學(xué)類型為HCO3-Ca·Na型。

1.2.2 新近系孔隙含水層（Ⅰ2）

隱伏于第四系之下，巖性為含礫粗砂巖、細(xì)砂巖，平均厚度5m左右。含孔隙潛水或微承壓水，主要受第四系孔隙水補(bǔ)給，由于第四系底礫巖膠結(jié)較為致密，透水性差，該含水層補(bǔ)給條件較差，富水性弱。

2 ?井筒涌水防治方法

2.1 井點(diǎn)降水

井點(diǎn)降水就是在井筒開挖之前，在一定的區(qū)域內(nèi)埋設(shè)一定的濾水管井，利用抽水設(shè)備從中抽水，使地下水位降低到斜井底板以下，直至施工完畢為止的一種治水方法。井點(diǎn)降低地下水位的方法有輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)、管井井點(diǎn)和深井井點(diǎn)等。斜井井筒井點(diǎn)降水的原理圖如圖1所示。

對于斜井井筒施工來說，開挖點(diǎn)的集水井受施工條件限制，集水井的容量及排水泵的能力一般都比較小。隨著井筒的延深，迎頭位置會不斷下移，最后深度會超過水泵的揚(yáng)程，因此在施工過程中還需要在適當(dāng)位置施工容量更大的水倉，采用接力排水方式，安裝排水能力更大的水泵（圖2）。

2.2 傾斜地層小巷截水

針對和伊犁一礦南部斜井類似的地質(zhì)條件和井筒條件，含水層傾斜且厚度較小時，可以采用掘進(jìn)小巷的方式集水和排水。當(dāng)掘進(jìn)到含水層下方適當(dāng)位置，開掘兩條垂直于斜井井筒的小巷，讓含水層位于小巷的腰線以上。小巷的長度根據(jù)含水層以下地層的滲透性來確定，應(yīng)盡量增加水流長度和水流阻力保證小巷截水后，上層流水和側(cè)面流水繞道進(jìn)入下方井筒。

小巷的淋水幫應(yīng)設(shè)置濾水材料，可以用草袋或者其他透水材料防止在背板后面。小巷里面設(shè)置水溝，將上游滲水截住。設(shè)置水坑，將水用水泵排走。

小巷或注漿截水區(qū)域如圖3所示。在井幫注漿或者掘進(jìn)小巷截水時候，將會形成一個虛線圍成的無水區(qū)域，下部斜井井筒施工將不會受到涌水的威脅，在無水區(qū)域邊界線上，任意點(diǎn)P和井筒中心線正上方的M點(diǎn)相比，M點(diǎn)離斜井頂板距離最近。通過計算可以得出M點(diǎn)到頂板的距離h，從而可以通過計算得出h和圖中L的關(guān)系式。進(jìn)而得到注漿管長度或小巷的長度。

2.3 井內(nèi)導(dǎo)水和截水

2.3.1 井幫導(dǎo)水

當(dāng)井壁出現(xiàn)集中出水點(diǎn)或者成片出水點(diǎn)的時候，采用導(dǎo)管導(dǎo)水。如圖4所示，在出水點(diǎn)做出一個喇叭口，放置鋼管，周圍用大塊礫石將鋼管固定，并用快硬水泥將喇叭口封住，迫使涌水從鋼管中流出。因為管子周圍水壓很低，而其他地方的水壓較高，所以流水只有從管子中涌出。在井幫上再噴射混凝土，將水導(dǎo)出。導(dǎo)水管外口可以接上塑料軟管，流水引到積水坑。

2.3.2 井內(nèi)截水

為了防止斜井上部井筒的淋水或涌水影響下部井筒的施工，可以采用井內(nèi)截水的治水方法。

在斜井井筒底板上布置截水槽，截水槽橫跨井筒。槽的長度略小于井筒的凈寬度，深度和寬度根據(jù)現(xiàn)在的涌水量和水泵的排水能力而定。排水槽用混凝土材料建造，上面鋪上鋼筋混凝土蓋板，蓋板的厚度和強(qiáng)度要能滿足施工機(jī)械的行走需要。截水槽的下面設(shè)置集水坑或者臨時水倉，集水坑的容積要和涌水量和水泵的工作效率相適應(yīng)。

2.4 井上下相向掘進(jìn)放水

進(jìn)風(fēng)斜井于2007年施工，由于該井筒為礦井建設(shè)的第一個井筒，無法采取由井下向地面反掘的施工方法。主斜井和緩坡副斜井于2018年施工，此時已具備井上下相向掘進(jìn)條件，因此兩井筒在井上下分別布置了一個掘進(jìn)工作面，采用相向掘進(jìn)施工。井下掘進(jìn)的工作面由于施工坡度為正坡度，迎頭不存在積水，且可以在巷道貫通前提前施工放水鉆孔為對掘的工作面放水，既縮短施工周期，又可以從整體上減少涌水對掘進(jìn)工作面的影響。

3 ?井筒穩(wěn)定性保障措施

3.1 新近系黏土層

根據(jù)施工現(xiàn)場揭露的資料，進(jìn)風(fēng)斜井自236m位置揭露了新近系黏土層，厚度為1.6m，巷道總長度約35m，該段巷道施工過程中因圍巖松軟，造成巷道失穩(wěn)，部分頂板發(fā)生了冒落，井筒兩幫發(fā)生局部垮塌。

對于新近系的黏土層，其土層固結(jié)尚未形成，力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為強(qiáng)度低，滲透性差，高含水率、觸變性、結(jié)構(gòu)性等特點(diǎn)，受載荷作用后，易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

新近系位于第四系的底部，該地層的容水度較小，滲透性差，受第四系含水層影響較大，含水量容易達(dá)到飽和，黏土結(jié)構(gòu)易遭到破壞，造成土層基質(zhì)吸力快速下降，抗剪能力降低，造成巷道失穩(wěn)。因此解決新近系黏土層失穩(wěn)問題，是保證安全施工與井筒穩(wěn)定的重點(diǎn)。

3.2 采取措施