天云煤礦回風(fēng)立井?dāng)U井方案設(shè)計(jì)

何 剛

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

1 概況

1.1 井筒概況

天云煤礦為資源整合礦井，原主立井需要改造為回風(fēng)立井，施工改造期間可利用原有井筒、巷道及提升系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)、運(yùn)輸及提升。原主立井建設(shè)于20世紀(jì)七八十年代，施工粗糙，支護(hù)簡單，井筒表土為紅磚砌筑，厚度為240 mm，基巖段為裸巷，無支護(hù)，加之井筒支護(hù)年代久遠(yuǎn)，已呈老化狀態(tài)，安全隱患較大。原有主立井井口標(biāo)高+1 067.783 m，落底標(biāo)高+880.000 m，井筒深度187.783 m，采用圓形斷面，凈直徑3.0 m，凈斷面積7.07 m2。改造后井凈直徑5.0 m，凈斷面積19.63 m2，擔(dān)負(fù)全礦井初期回風(fēng)任務(wù)。井筒內(nèi)裝備玻璃鋼梯子間，兼作礦井安全出口。

1.2 井筒地質(zhì)概況

（1）井田穿越的地層由老至新依次為： 三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)； 第四系更新統(tǒng)（Q2+3）；第四系全新統(tǒng)沖、洪積層（Q4al+pl）。

（2）井筒要穿越的含（隔）水層主要為：①第四系全新統(tǒng)沖、洪積層孔隙潛水含水層（Q4al+pl），為間接充水含水層，對井筒施工影響較??；② 中更新統(tǒng)黃土孔隙裂隙潛水含水層（Q2+3），厚度2.80～7.80 m，巖性為粉質(zhì)黃土，大孔隙和垂直裂隙較發(fā)育，垂向滲透性大于側(cè)向滲透性，黃土大部不含水或富水性弱，為間接充水含水層，對井筒施工影響較??；③ 風(fēng)化基巖裂隙潛水含水層，厚度3.70～8.70 m，在風(fēng)化基巖底界以下，為間接充水含水層，對井筒施工充水影響較?。虎?三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組基巖孔隙裂隙承壓水含水層（T3w），厚度33.73～224.67 m，含水層巖性主要為中、細(xì)粒砂巖，局部粗粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)或硅質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)致密，裂隙發(fā)育微弱。通過井筒檢查孔對該層抽水試驗(yàn)：含水層厚度6.80～100.14 m，統(tǒng)降統(tǒng)徑單位涌水量q=0.000 46～0.907 07 L/s·m，含水巖段富水性均弱，滲透系數(shù)K=0.005 0～1.862 m/d，水質(zhì)由淺向深逐漸變差，水化學(xué)類型主要為SO4-Na型，為直接充水含水層，對井筒施工有直接的影響。各含水層對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕性甚微。

2 井筒擴(kuò)井施工方法選擇

適合該礦井回風(fēng)立井?dāng)U井的施工方法有普通鑿井法、鉆井鑿井法、豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井法（下排渣式）。

普通鑿井法：采用鉆眼爆破或其他常規(guī)手段（氣動(dòng)鑿巖機(jī)等）鑿井的作業(yè)方法。普通鑿井法適用于穩(wěn)定的或含水較少的地層中。

鉆井鑿井法：采用大型鉆機(jī)鉆頭破碎巖土，用泥漿進(jìn)行洗井、排碴和護(hù)壁，當(dāng)井筒鉆至設(shè)計(jì)直徑和深度后，在泥漿中懸浮下沉預(yù)制井壁，然后壁后充填固井的一種機(jī)械化鑿井方法。鉆井鑿井法適用于各種含水的沖積地層及中等硬度以下的巖層[1]。

豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井法（下排渣式）：利用反井鉆機(jī)鉆孔為先導(dǎo)孔，采用豎井掘進(jìn)機(jī)滾刀破巖，自上而下全斷面一次成井，破碎巖石通過導(dǎo)孔溜到井下已有巷道系統(tǒng)，利用吊盤吊掛整體模板澆筑支護(hù)的機(jī)械化、自動(dòng)化、掘支一體化的智能化鑿井方法。豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井法適用于地質(zhì)條件穩(wěn)定、涌水較小或地層經(jīng)過加固處理后（如凍結(jié)）達(dá)到要求的地層[2-3]。

普通鑿井法、鉆井鑿井法、豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井法施工的優(yōu)、缺點(diǎn)比較見表1。

天云煤礦回風(fēng)立井（原主立井）由于年久失修，加之最早施工工藝簡陋，支護(hù)不夠，基巖以下部分甚至無支護(hù)，經(jīng)過長年風(fēng)氧化及井筒淋水侵蝕破壞，圍巖耐壓強(qiáng)度及穩(wěn)定性均較差。

普通鑿井法造價(jià)低，但施工采用爆破，人工作業(yè)，機(jī)械化程度低，人員保護(hù)措施有限，爆破不當(dāng)極易造成井筒坍塌、人員傷亡，不推薦普通鑿井法。

鉆井鑿井法機(jī)械化程度較高，但地面占地大，鉆井設(shè)備重量大，對井幫影響破壞較大；且施工工藝復(fù)雜，環(huán)節(jié)較多，施工速度慢，工期長；預(yù)制井壁需要場地較大，材料消耗大，投資費(fèi)用高。因此不推薦鉆井鑿井法。

豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井法（下排渣式）需要先導(dǎo)孔和利用井下已有巷道排渣，天云煤礦回風(fēng)立井為擴(kuò)刷斷面，因此可省去先導(dǎo)開孔，井下巷道也可直接利用，井筒由原來的凈直徑3.0 m擴(kuò)刷至凈直徑5.0 m，具備豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井法的適用條件。且豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝為機(jī)械化、控制自動(dòng)化、掘支一體化的智能化成套工藝，避免了傳統(tǒng)鉆爆法對圍巖的擾動(dòng)破壞，將人員從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來，從根本上解決了鑿井安全問題，破巖、鉆進(jìn)和支護(hù)平行作業(yè)，大大提高了鑿井成井速度。其采用智能鉆進(jìn)、智能糾偏、智能檢測、智能保護(hù)顯著地提高了鑿井成井質(zhì)量。根據(jù)天云煤礦回風(fēng)立井的特點(diǎn)和實(shí)際情況，經(jīng)過比較采用豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井法（下排渣式）。

3 豎井掘進(jìn)機(jī)施工方案

豎井掘進(jìn)機(jī)技術(shù)源于全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM），豎井掘進(jìn)機(jī)最早在美國起源，在德國發(fā)展應(yīng)用的較好。國家863項(xiàng)目研制的國內(nèi)首臺(tái)豎井掘進(jìn)機(jī)在云南以禮河四級電站復(fù)建工程出線兼交通豎井順利貫通。該井筒掘進(jìn)直徑5.8 m，深282.5 m，采用MSJ5.8/1000/1000型豎井掘進(jìn)機(jī)施工，從開工鉆進(jìn)到順利貫通，總計(jì)施工用時(shí)90 d，除去外部因素影響，純鉆進(jìn)時(shí)間為36 d，平均進(jìn)尺達(dá)到7 m/d，最大日進(jìn)尺達(dá)到10.9 m。

3.1 掘進(jìn)機(jī)設(shè)備選擇

根據(jù)回風(fēng)立井穿越地層的地質(zhì)構(gòu)造、地層分布、巖層走向、傾角、完整程度、堅(jiān)硬程度、地下水水文地質(zhì)條件、回風(fēng)立井設(shè)計(jì)井徑、井深等技術(shù)參數(shù)，同時(shí)考慮現(xiàn)有豎井掘進(jìn)機(jī)設(shè)備技術(shù)性能和使用情況，選用MSJ5.8/1000/1000型豎井掘進(jìn)機(jī)施工，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

3.2 豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝

豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝采用反井鉆機(jī)鉆進(jìn)形成導(dǎo)井[4-6]，豎井掘進(jìn)機(jī)一次擴(kuò)大成井，利用新型井架和專用吊盤輔助作業(yè)，形成鑿井破巖、排渣、臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)一體化平行作業(yè)的鑿井工藝。其主要工藝如圖1。

圖1 豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井工藝示意圖

（1）導(dǎo)井：采用反井鉆機(jī)鉆進(jìn)先導(dǎo)孔，導(dǎo)通井下巷道，再進(jìn)行擴(kuò)孔，形成直徑1.6 m的導(dǎo)井，為豎井掘進(jìn)機(jī)排渣做好溜渣準(zhǔn)備。天云煤礦回風(fēng)立井是在原主立井的基礎(chǔ)上改造，因此可省去導(dǎo)井環(huán)節(jié)。

（2）破巖：使用豎井掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行破巖。安裝在豎井掘進(jìn)機(jī)鉆頭上的滾刀旋轉(zhuǎn)推進(jìn)以擠壓、剪切和刮削等綜合作用力將巖體破碎。

（3）排渣：巖體在鉆頭滾刀的旋轉(zhuǎn)推進(jìn)下破碎，沿著導(dǎo)井，下溜至井下巷道，在井下巷道裝運(yùn)，通過井下已有的軌道巷運(yùn)輸至井下廢棄巷，實(shí)現(xiàn)廢渣不出井。

（4）臨時(shí)支護(hù)：豎井掘進(jìn)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)在工作時(shí)，對井壁圍巖施加一定的壓力，防止井壁圍巖破壞坍塌。同時(shí)豎井掘進(jìn)機(jī)和吊盤上設(shè)置有錨桿鉆機(jī)和混凝土噴射機(jī)，可根據(jù)圍巖實(shí)際情況進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。

（5）永久支護(hù)：利用吊盤吊掛整體模板進(jìn)行澆筑。

（6）通風(fēng)：豎井掘進(jìn)機(jī)為機(jī)械破巖，產(chǎn)生的有害氣體和粉塵較少，同時(shí)井筒內(nèi)作業(yè)人員很少，導(dǎo)井和井下通風(fēng)系統(tǒng)能夠形成全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)，一般情況可以滿足通風(fēng)需求。為了安全起見，另配一套局部通風(fēng)機(jī)備用。

（7）排水：本礦井回風(fēng)立井穿越的含水地層富水性弱，預(yù)測井筒涌水量較小，可直接通過導(dǎo)井流至井下，匯入礦井原有排水系統(tǒng)。為了安全起見，另配2套排水泵備用。

4 井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)回風(fēng)立井穿越地層的水文地質(zhì)情況，井筒采用單層井壁結(jié)構(gòu)，表土段采用鋼筋混凝土砌碹支護(hù)，支護(hù)厚度為400 mm，環(huán)向鋼筋為Φ20，縱向鋼筋為Φ16，連接鋼筋為Φ10，砌碹混凝土強(qiáng)度等級為C30；基巖段采用素混凝土砌碹支護(hù)，支護(hù)厚度為400 mm，砌碹混凝土強(qiáng)度等級為C30。井壁結(jié)構(gòu)形式如圖2。

圖2 井壁結(jié)構(gòu)形式圖

5 結(jié)束語

天云煤礦回風(fēng)立井?dāng)U井方案設(shè)計(jì)采用豎井掘進(jìn)機(jī)鑿井法，利用原井筒為導(dǎo)井，采用豎井掘進(jìn)機(jī)破巖，廢渣經(jīng)導(dǎo)井下溜排至井下廢棄巷道，形成鑿井破巖、排渣、臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)一體化平行作業(yè)的鑿井工藝，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化破巖、自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制、掘支一體的智能化掘進(jìn)。該方案施工速度快，機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化程度高，能夠從根本上保證工人安全，能夠?qū)崿F(xiàn)高效智能、安全環(huán)保的先進(jìn)要求。