小保當一號礦井主斜井施工方法選擇及井壁結構設計

常 青，張 磊，史 鑫

(1.山西高平科興趙莊煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400；2.中國煤炭工業(yè)協(xié)會，北京 100013；3.山西焦煤霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400)

小保當一號礦井設計生產(chǎn)能力15.0Mt/a，由陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司開發(fā)建設，服務年限74a。礦井2017年4月通過國家發(fā)展改革委核準，2020年6月正式投入生產(chǎn)，是榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)第一個建成煤礦。礦井主斜井傾角12°，長度1595m，凈寬5.8m，凈斷面20.2m2，井筒內一側裝備2.0m鋼繩芯帶式輸送機，另一側安裝架空檢修裝置并敷設電纜、管路等。

主斜井井筒是煤礦核心工程，使用年限與礦井服務年限相同，安全可靠的井筒質量是保證煤礦安全高效穩(wěn)產(chǎn)的關鍵因素之一[1-10]。在該區(qū)域地層中第四系薩拉烏蘇組和保德組巖層軟弱、破碎、涌水量大、易與地表水系溝通，主斜井井筒需長距離穿過該地層。榆神礦區(qū)現(xiàn)有煤礦斜井井筒或采用凍結法施工，或建成后涌水量大，或未穿過第四系風積沙層，可見，已建成礦井井壁質量、施工工期、工程造價等均與該礦井建設要求有差距。因此，需要對井筒施工方法和井壁結構進行研究[11-15]。

1 工程地質和水文地質

1.1 井筒工程地質

小保當一號礦井井田范圍內地表全部被第四系風積沙及薩拉烏蘇組沙層所覆蓋，根據(jù)井筒檢查鉆孔揭露，井筒范圍內地層由老至新共分為五層，具體見表1。

表1 井筒穿過地層情況表

分析主斜井井筒穿過的巖層，主要由層狀結構和塊狀結構的巖體組成，大致分為松散層組、極軟巖組、軟巖類和較軟巖共4類。松散層組主要為沙層組和土層組，沙層組為不良級配中、細沙，土體一般處于密實、濕、可塑狀態(tài)，不具濕陷性；極軟巖類(風化巖組)巖石膠結疏松，巖芯十分破碎、強度低，遇水易膨脹、崩解或沿裂隙離析；軟巖類主要為粉砂巖、泥巖及互層巖組，飽和抗壓強度14.32MPa；較軟巖類由地層中不同粒度的砂巖組成，飽和抗壓強度16.23MPa。總體看砂巖組為抗水、抗風化和抗凍性較好的巖石，巖石質量中等，是井筒區(qū)內穩(wěn)定性較好的巖組。

1.2 水文地質情況

小保當一號礦井預測正常涌水量818m3/h，最大涌水量981m3/h，為水文地質條件復雜礦井。井筒穿過的含水層由上至下劃分為5層：第一層為第四系全新統(tǒng)風積沙孔隙潛水含水層，厚度2.87～11.70m，疏松、透水性強、富水性弱；第二層為風化基巖裂隙承壓水含水層，厚度7.82～37.48m，巖石疏松、易碎，水位降深9.45～15.13m，富水性較弱；第三層為侏羅系中統(tǒng)安定組基巖裂隙承壓水含水層，厚度4.84～113.00m，富水性弱；第四層為侏羅系中統(tǒng)直羅組基巖裂隙承壓水含水層，厚度59.64～129.10m，富水性弱；第五層為侏羅系中統(tǒng)延安組基巖裂隙承壓水含水層，厚度123.29m。

礦井隔水層主要為新近系保德組紅土和正?；鶐r中的泥巖和粉砂巖。保德組紅土全區(qū)不均衡分布，厚度6.60～82.27m，部分區(qū)段有“透水天窗”?；鶐r中各含水層段中的泥巖、粉砂巖粒度小、孔隙率小、膠結致密，是正?；鶐r含水層段之間相對隔水層。主斜井穿過各巖層涌水量情況見表2。

表2 主斜井穿過各巖層涌水量情況表

2 主斜井施工方法選擇

2.1 影響施工方法的因素

在水文地質條件方面，井田內地表水系豐富，存在一些季節(jié)性“海子”，部分區(qū)段保德組紅土有“透水天窗”，地表潛水可經(jīng)紅土“天窗”補給風化巖裂隙含水層，井筒穿過該地層時安全施工和井筒質量會受到影響。選擇井筒位置時已考慮避開井田中等富水區(qū)，以減少井筒涌水量、降低施工難度、防范安全隱患。

在工程地質條件方面，對井筒施工影響較大的巖組主要是第四系薩拉烏蘇組及風積沙、新近系保德組，兩個巖層主要為松散層組和極軟巖組。松散層組主要為沙層和土層，極軟巖類飽和抗壓強度平均4.00MPa，軟化系數(shù)0.28，風化狀態(tài)下RQD平均值39%。軟弱松散的巖層對井筒施工方法、井壁支護、井壁質量提出了較高的要求。

2.2 周邊礦井施工情況

設計前對周邊礦井進行了調研，杭來灣礦井(8.0Mt/a，主斜井14°，斜長1047m)采用普通法施工，施工期最大涌水量為來自薩拉烏蘇組含水層的70m3/h；榆樹灣礦井(10.0Mt/a，主斜井14°，斜長1267m)采用普通法施工，施工期間最大涌水量80m3/h，保德組紅土厚度約80m，井筒建成后主副斜井總涌水量100m3/h左右；金雞灘礦井(15.0Mt/a)主、副斜井在通過沙層和土層時采用凍結法施工，立風井采用全深凍結法施工；隆德礦井(5.0Mt/a)第四系風積沙未覆蓋，立風井表土及風化基巖段采用凍結法施工。分析調研情況，井筒穿過松散軟弱巖層時或采用凍結法施工，或成井質量不高，選擇合理的施工方法和可靠的井壁結構是井筒長期安全穩(wěn)定運行的重要保障。

2.3 施工方案比選

根據(jù)該本礦井主斜井穿過的地層和含水層，結合周邊類似礦井施工情況，設計認為井田內安定組、直羅組、延安組巖層巖石強度基本達到20MPa且隔水層較豐富，在明槽開挖段、安定組、直羅組和延安組正常基巖采用普通法施工是可行的。對保德組巖層和風化基巖段提出3種施工方案進行比選。

1)方案一：普通法加注漿法施工。注漿技術是井巷工程施工中預防和消除水害的重要手段，所注漿液以充填或滲透等方式驅走巖石裂隙或孔隙中的水，并將松散巖層膠結成不透水的具有整體性的巖體，起到封堵裂隙、隔絕水源、加固巖體的作用，然后采用普通法正常掘砌井巷。

2)方案二：凍結法施工。我國凍結施工技術處于世界領先水平，凍結法鑿井在煤礦建設實踐中廣泛應用、適應性強、安全可靠、工期有保證，在特殊鑿井施工方法中占比最大，是煤礦井筒穿越流沙層、松軟巖層、含水層最可靠、最安全的施工方法。

3)方案三：盾構法施工。盾構法通過盾構外殼和管片支撐四周圍巖防止發(fā)生坍塌，同時在開挖面前方用切削裝置進行土體開挖，通過出土機械出渣，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制混凝土管片或混凝土襯砌塊形成井壁結構。該方法常用于隧道和地鐵等地下工程，在煤礦中應用較少，目前在塔山、同忻等煤礦已有成功經(jīng)驗。

以上三種方案中，凍結法施工技術成熟、安全可靠、井壁質量好，但井筒在表土及風化基巖段長度約330m，凍結孔工程量達17萬m，凍結費用高昂，加之凍結斜井掘進速度相對較慢，施工工期無法滿足施工組織設計要求，調研中礦井也均以立井凍結為主，故排除方案二。

比較方案一和方案三，盾構法比普通法工程投資增加約1.5億元，由于井筒表土段相對較短，不能完全發(fā)揮盾構機施工速度快、全過程自動化、勞動強度低等特點，同時施工設備研制、安裝、施工后回撤周期長，總工期與普通法施工相比沒有明顯優(yōu)勢。而普通法施工，施工方式及支護方式靈活，可根據(jù)施工情況靈活調整工程方案，施工技術成熟可靠，調研的杭來灣礦井采取普通法施工取得了良好的施工效果，為避免施工中井壁涌水量較大等問題，在通過巖層破碎、涌水量大的地段時可采用工作面預注漿方法封堵涌水和分段排水，增加施工巖層的穩(wěn)定性。綜合考慮開拓方式、地層情況、施工費用等因素，最終選擇方案一，即普通法加注漿法的施工方案。

3 井壁結構設計

考慮井筒圍巖破碎、易變形的特點，設計表土段和風化基巖段井壁采用二次支護方案，一次支護使用初撐力高、支護強度大、具有可縮性的U型鋼棚以適應松軟圍巖的載荷和變形，待圍巖穩(wěn)定后再施工永久支護結構。

礦井主斜井井壁支護結構按穿過地層地質條件劃分為4段：①地表風積沙較淺，采用明槽開挖即可穿過，即主斜井井口部分采用明槽開挖，鋼筋混凝土砌碹支護，支護厚度500mm，井筒底部鋪500mm漿砌毛石以防止井筒下沉、變形；②保德組巖層和風化基巖段先采用“U29鋼棚+噴射混凝土”作為一次支護，支護厚度150mm，待圍巖變形穩(wěn)定后再采用單層鋼筋混凝土砌碹作為二次支護，支護厚度350mm；③安定組砂巖段采用錨網(wǎng)索噴加29U型鋼棚聯(lián)合支護，支護厚度150mm，采用?17.8mm×7500mm錨索，錨索排距3000m；④直羅組砂巖段及延安組地層采用普通錨網(wǎng)索噴支護，支護厚度150mm，采用?17.8mm×7500mm錨索，錨索排距3000m。砌喧混凝土強度等級為C40，鋪底和噴射混凝土強度為C30，為防止井筒漏水，施工混凝土添加防水劑。主斜井井筒各地層施工及井壁結構如圖1所示。

4 結 論

礦井主斜井井筒作為主運輸系統(tǒng)的核心工程，施工質量關系到礦井長期安全穩(wěn)定運行。本次施工方法選擇和井壁結構方案借鑒周邊礦井施工經(jīng)驗、避免了井筒完工后涌水量大等問題，特別是根據(jù)隧道施工新奧法理論經(jīng)驗將柔性支護和剛性支護相結合應用于圍巖破碎的風化基巖段、安定組砂巖段，保證了施工進度和質量，為類似地質條件下軟弱巖層井筒施工和支護提供了經(jīng)驗。

1)在軟弱松散巖層斜井施工中采用二次支護方案效果良好，一次支護應借鑒新奧法施工及時性、封閉性、柔性支護的特點，防止圍巖松動破壞，增強巖層的穩(wěn)定性。

2)U型鋼棚作為臨時支護在松軟巖層支護中具有穩(wěn)定可靠的承載能力，能適應松軟圍巖的載荷和適當變形，為二次支護施工提供有利條件，完工后的井筒變形得到有效控制。

3)井筒掘砌過程中遇到圍巖破碎、涌水量增大等情況，通過工作面預注漿、增設鋼棚、架設管棚、減少圍巖暴露時間、在混凝土中添加防水劑、加密錨桿等方式加強支護保障施工安全和質量。

4)建成后井筒各分部工程質量、工程造價得到有效控制，施工工期滿足施工組織要求，保證了礦井二期工程臨時運輸、通風系統(tǒng)的順利形成，目前運行狀況良好。