山西龍礦主斜井黃土層施工技術(shù)的創(chuàng)新與實(shí)踐

王延潤(rùn)WANG Yan-run；王子悅WANG Zi-yue；高兆利GAO Zhao-li；周心剛ZHOU Xin-gang；梁建林LIANG Jian-lin

（山西朔州龍礦能源投資股份有限公司，朔州 036800）

1 礦井整體環(huán)境簡(jiǎn)介

1.1 礦井概況

山西龍礦投資開(kāi)發(fā)有限公司大恒礦井田位于管涔山脈東麓，呈中山丘陵地貌，地表大部為黃土覆蓋，位于山西省朔州市平魯區(qū)陶村鄉(xiāng)，距朔州市14km，距神頭電廠12km，交通運(yùn)輸極為便利。井田面積6.9km2，保有儲(chǔ)量1.95 億噸，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力300 萬(wàn)t/a。

1.2 主斜井布置

主斜井：巷道寬度4.5m，凈斷面14.2m2，傾角15°，斜長(zhǎng)860m，主井底部位于到11 號(hào)煤層底板。

主斜井設(shè)計(jì)斷面圖：如圖1 所示。

圖1 主斜井設(shè)計(jì)斷面圖

1.3 地質(zhì)概況

地形地貌：井田位于管涔山脈東麓，呈中山丘陵地貌，地表大部為黃土覆蓋。谷中有少量基巖出露，井田內(nèi)黃土沖溝發(fā)育，相間分布有黃土梁峁，地形比較復(fù)雜。井田總的地勢(shì)為北高，南低。地形最高點(diǎn)為東北部山梁上，標(biāo)高1325.0m，地形最低點(diǎn)為井田西南部沖溝中，標(biāo)高1165.0m，最大相對(duì)高差160.0m。

2 黃土的物理力學(xué)性質(zhì)

黃土是一種特殊性土，對(duì)水極為敏感，當(dāng)其含水量增大時(shí)，具有較大的液化勢(shì)和流動(dòng)破壞勢(shì)，成為黃土地區(qū)的一大潛在的災(zāi)害。根據(jù)朔州地區(qū)建井及建筑物地基勘察資料看出，黃土的物理力學(xué)性質(zhì)有如下特點(diǎn)：黃土的含水量（w）、天然密度（P）度（sr）、液性指數(shù)（I）等指標(biāo)，由于水的浸濕，促使土粒的結(jié)合水膜增厚外，粒間也出現(xiàn)了重力水，最終導(dǎo)致土結(jié)構(gòu)中充滿水，必然使土的含水量（w）、天然密度（p）、度（Sr）小液性指數(shù)（I.）等指標(biāo)值顯著增大。黃土的抗剪強(qiáng)度一般較低，這是因?yàn)辄S土中含有可溶鹽，由于浸水使其內(nèi)聚力（C）值降低以至消失，加上孔隙水的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低。黃土的靈敏度和觸變性高，黃土在水的作用下，原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，產(chǎn)生濕陷變形。

黃土的承載力情況，據(jù)載荷試驗(yàn)資料，朔州地區(qū)黃土承載力一般在70-l30kPa 之間，壓縮系數(shù)（a。）一般介于0.3-0.8MPa 之間，屬于高壓縮性土，黃土對(duì)外部的影響敏感性較強(qiáng)。隨著黃土深度的增加，黃土高度壓縮，顆粒間的內(nèi)應(yīng)力明顯增加，受到掘進(jìn)施工的擾動(dòng)時(shí)，黃土顆粒間的原始應(yīng)力平衡被破壞，黃土顆粒間儲(chǔ)存內(nèi)應(yīng)力快速釋放，掘進(jìn)形成的自然拱短時(shí)間就被破壞，隨著施工斷面的增加，原始應(yīng)力平衡破壞往往呈多米諾骨牌效應(yīng)。

3 在富含水黃土層施工斜井，完成二次支護(hù)

當(dāng)主斜井施工到井口下90m 時(shí)，遇到含水層，松散的黃土泥化，粘結(jié)成團(tuán)，大大增加了施工和運(yùn)輸難度，隨著出水量的進(jìn)一步加大，黃土泥化成漿狀，不僅鏟車(chē)作業(yè)效率大幅度下降，而且巷道幫部、頂部的泥化成漿狀的黃土，與水混合成泥漿流，源源不斷地涌入巷道，迎頭坍塌，以致于下山施工的迎頭無(wú)法前進(jìn)。如圖2、圖3 所示。

圖2 巷道頂部的泥化成漿狀的黃土

圖3 巷道幫部的泥化成漿狀的黃土

3.1 U 棚一次支護(hù)的具體做法

3.1.1 U 棚配合穿楔進(jìn)行一次支護(hù)

施工前準(zhǔn)備：掘進(jìn)施工前，在已支護(hù)U 棚頂穿楔護(hù)住頂部，在迎頭安設(shè)3 組-4 組腰梁，再打設(shè)密集立柱頂住腰梁，腰梁與巖壁間再用大板封嚴(yán)，阻止迎臉的坍塌。

U 棚配合穿楔支護(hù)：15 度下山施工，采用先下后上的方法支設(shè)U 棚，鋼棚間距400-600mm。在迎頭一幫挖水窩，用泥漿泵排水，先挖出另一側(cè)的巷幫，樹(shù)棚腿，用幫部錨桿臨時(shí)固定??；然后，將泥漿泵移支棚腿一幫，用同樣的方法固定住另一棚棚；將維護(hù)下山迎臉的立柱、腰梁、大板、鋼管再次進(jìn)行加固，避免迎臉坍塌。在已支護(hù)鋼棚、穿楔和密集立柱的掩護(hù)下，挖出棚頂?shù)目臻g，快速將棚頂與棚腿固定在一起。將新支的鋼棚與已支護(hù)好的鋼棚用8 組鋼帶連在一起，在新支鋼棚與巷幫、巷頂間，穿插2 寸鋼管穿楔，鋼管密排，彼此緊靠在一起，起到擋土濾水的作用，完成一架鋼棚的支護(hù)。如圖4。

圖4 U 棚配合穿楔支護(hù)圖

底板處理：底板的處理是保證巷道支護(hù)成功與否的另一關(guān)鍵因素。將底板的泥漿挖出后，迅速鋪設(shè)一層碎石，塊度200mm 左右，碎石上鋪上厚度300mm 砼，拌料時(shí)加入5-10%左右的速凝劑。

鋼棚加強(qiáng)支護(hù)：在新支設(shè)的鋼棚下，打設(shè)單體支柱，對(duì)鋼棚起到一定的加強(qiáng)支護(hù)的作用，可以減少鋼棚下陷的速度和幅度。單體支柱下穿400mm*400mm*30mm（長(zhǎng)度*寬度*厚度）的鐵鞋。單體支柱與棚頂用防倒繩拴住，前后單體支柱間，用防崩鋼管連在一起。

3.1.2 U 棚配合穿楔支護(hù)機(jī)理

鋼棚與鋼管穿楔配合是剛性支護(hù)，有一定的強(qiáng)度和剛度，能有效阻擋住泥化的黃土涌入巷道，同時(shí)鋼管與鋼管間隙，是巖層水泄出的通道，保證水和少量黃泥通過(guò)穿楔間隙滲流到巷道，起到疏水擋土的作用。

3.1.3 施工泄水立井加快泄水速度

為了改善迎頭的施工條件，在迎頭外施工泄水立井。

①立井布置：在井筒巷底距第四系底界3.1m 時(shí)，迎頭后方4m 巷中，施工1 個(gè)深4.5m 的小井，小井井底位于基巖以下1.4m。如圖5 所示。

圖5 泄水立井布置圖

②立井結(jié)構(gòu)：疏放降水井凈孔徑為1000mm，井深4.5m，井壁采用方石砌壘，方石與井壁間填充粒徑為0.5-1Omm 的礫石。

③排水疏干：井內(nèi)安裝10m3/h 泥漿潛水泵，接通電源，保證水泵正常運(yùn)行。

④施工之初泄水效果不理想，主要是泥水中泥漿較多，加上施工的其它材料混合在泥漿中，造成水泵排水效率低，水泵發(fā)熱故障率高。后期采取了泥漿和雜物阻擋過(guò)濾，避免其它材料混合在泥漿中，事故率大幅度下降，水泵逐步進(jìn)入了穩(wěn)定工作狀態(tài)，排水效率明顯提高，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境得到了一定的改善。

3.2 擴(kuò)刷、噴漿、澆注二次成巷支護(hù)

巷道施工40m 后，迎頭穿過(guò)了含水層，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的疏水，只有幾個(gè)集中的出水點(diǎn)持續(xù)出水，但出水量已大幅度下降，在出水點(diǎn)預(yù)埋導(dǎo)水管，將水引流到立井集中排出。將變形的鋼棚和穿楔進(jìn)行整形、擴(kuò)刷和返修，保證巷道的支護(hù)斷面滿足設(shè)計(jì)要求。

進(jìn)行噴漿，對(duì)鋼棚和穿楔進(jìn)行封閉，避免失水黃土通過(guò)空隙漏入巷道。

導(dǎo)硐開(kāi)掘10 天巷道狀態(tài)破壞如圖6 所示。

圖6 導(dǎo)硐開(kāi)掘10 天巷道狀態(tài)破壞圖

噴漿穩(wěn)定1 個(gè)月后，對(duì)巷道支設(shè)模板進(jìn)行澆注，完成永久支護(hù)。對(duì)個(gè)別出水點(diǎn)，注入水玻璃和水泥沙漿，進(jìn)行堵水。最后有5 個(gè)比較大的出水點(diǎn)，堵水效果不明顯，出水量穩(wěn)定，保留導(dǎo)水管，進(jìn)行放水、導(dǎo)水，避免水在混凝土巷幫后，大量存積，造成巷道黃土大范圍泥化，對(duì)井筒安全構(gòu)成威脅。

4 在深部帶壓黃土層施工斜井，完成永久支護(hù)

井口下180-220m 段，巷道頂部的黃土層深度達(dá)到了55-70m，地壓較大，進(jìn)入黃土深部帶壓區(qū)。在頂部黃土壓力下，深部黃土粒的塑性變形量和內(nèi)應(yīng)力明顯加大，由于黃土本身松散，膠結(jié)性差，掘進(jìn)時(shí)破壞了黃土顆粒間的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，黃土顆粒儲(chǔ)存的內(nèi)應(yīng)力彈性釋放，掘進(jìn)空間隨即垮塌，形成了隨掘隨塌的狀況，無(wú)法支設(shè)鋼棚。由于黃土持續(xù)不斷地垮塌和冒落，巷道頂部的冒落帶延展到地面，以至于地表形成明顯的冒落漏斗。

4.1 先支U 棚頂后支U 棚腿的具體做法

4.1.1 先支U 棚頂后支U 棚腿的施工方法

施工前準(zhǔn)備：迎臉采用三道腰梁進(jìn)行臨時(shí)維護(hù)，腰梁與迎臉間用大板、背板封閉，背板間接合緊密，減少黃土漏出，用大木楔將大板剎緊剎實(shí)。

U 棚配合大板支護(hù)：15 度上山施工，采用先上后下的方法支設(shè)U 棚，鋼棚間距500-600mm。先將巷道頂部棚頂區(qū)域（下部棚腿區(qū)域暫不擴(kuò)刷）擴(kuò)刷到設(shè)計(jì)斷面，通過(guò)前探梁將棚頂挑起，然后用4 組鋼帶將棚頂與后方鋼棚固定在一起，將棚頂與巷幫間，用背板、大板等嚴(yán)密背實(shí)剎緊，減少黃土漏出。在棚頂、背板掩護(hù)下，將一側(cè)棚腿空間挖出，將棚腿與棚頂固定在一起，新支設(shè)的棚腿與后方鋼棚腿之間，安設(shè)2 組鋼帶固定，棚腿用錨桿固定在巷幫，將棚腿與巷道間用背板、大板背實(shí)剎緊，背板之間接合嚴(yán)密，避免黃土漏出。用同樣的方法，安裝好另一側(cè)棚腿。最后，將棚腿與巷幫之間，打設(shè)密集背板噴漿封閉：采用一架棚一噴漿的方法，縮短黃土暴露的時(shí)間，減少黃土原始水份的損失。

底板處理：由于黃土層對(duì)水敏感，對(duì)水進(jìn)行嚴(yán)格管控。一是將巷道底板采用水泥沙漿進(jìn)行封閉，避免水對(duì)底板黃土的浸潤(rùn)和沖蝕；二是在巷道兩底角預(yù)留水溝，利于水的匯集和排放；三是對(duì)噴漿等生產(chǎn)用水，進(jìn)行嚴(yán)格管控，減輕水對(duì)底板的破壞；四是嚴(yán)禁非必要的生產(chǎn)用水。

4.1.2 先支棚頂后支棚腿的支護(hù)機(jī)理

采用先支頂梁再支棚腿的施工方法，一是明顯縮短了空頂、空幫時(shí)間，在自然拱破壞前完成了支護(hù)；二是在地壓強(qiáng)一定的情況下，減小了鋼棚間距，縮小空頂面積，壓力明顯減小，小斷面自然拱存在的時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，滿足一次支護(hù)的時(shí)間要求；三是支棚后就進(jìn)行噴漿，及時(shí)進(jìn)行封閉，減少黃土原始含水率的大幅度變化，對(duì)保持圍巖的穩(wěn)定起到一定促進(jìn)作用。

4.2 再次噴漿

巷道施工10m 后，對(duì)巷道進(jìn)行二次噴漿，對(duì)鋼棚和圍巖再次封閉。

4.3 澆注二次成巷支護(hù)

對(duì)巷道支設(shè)模板進(jìn)行澆注，完成永久支護(hù)。

5 結(jié)論

山西龍礦主斜井穿黃土層施工，針對(duì)富含水黃土層和深部帶壓黃土層的不同地質(zhì)條件，進(jìn)行了大量的探索和實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了黃土層條件下井筒的安全施工，確保了主斜井工程按期順利完成，對(duì)黃土層條件下工程地質(zhì)災(zāi)害防治工藝技術(shù)進(jìn)行了有益的創(chuàng)新和實(shí)踐。