論特殊地層普通鑿井法

摘要：我國在新礦區(qū)開發(fā)中，越來越多地遇到復雜地層，給新井建設(shè)帶來了很大的困難。文章分析礦井在特殊地層條件下，井筒穿過含水砂土層、流砂層的基本原理及采取的技術(shù)措施與重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：抗壓強；自然安息角；內(nèi)摩擦角；地面靜點降水法；降水疏干法

中圖分類號：TD262 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）16-0128-03

1 特殊地層中井筒施工法概況

我國在新礦區(qū)開發(fā)中，越來越多地遇到復雜地層，給新井建設(shè)帶來了很大的困難，如華東的兩淮礦區(qū)、兗州礦區(qū)；華北的開灤礦區(qū)含有流砂和礫石層；邯邢礦區(qū)我省潞安、晉城、霍州、朔州礦區(qū)表土層從幾十米到三百米不等，由于表土層地質(zhì)和水文地質(zhì)條件特殊，在設(shè)計和施工中必須采取針對性的施工技術(shù)措施。

井筒穿過的表土層按其是否有含水砂土層、流砂層、砂礫層及開挖后是否有流動性，通常分為穩(wěn)定表土層和不穩(wěn)定表土層。目前，在松散不穩(wěn)定表土層中，一般均采用特殊鑿井法：凍結(jié)法、化學注漿法和鉆井法。這些方法施工技術(shù)成熟，可靠程度大，但施工工藝及技術(shù)管理工作復雜，造價高，在一定程度上制約了其推廣應(yīng)用。因此，根據(jù)不同的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，研究、探索造價較低的普通鑿井法，對新井建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

長溝煤礦，主、副斜井表土層垂深段內(nèi)共有含水砂土層12層，是山西地區(qū)少有的特殊復雜地層。主斜井井筒含水砂土層段垂深92米，斜長314.7米；副斜井井筒含水砂土層段垂深95米，斜長277.8米；設(shè)計采用全封閉雙層復合井壁支護，但用普通鑿井法順利通過長距離含水砂土層和流砂層一舉獲得成功。

2 實施特殊地層普通鑿井法的技術(shù)思路

我認為砂在井筒開挖中，由于地下水的滲流使砂層失去穩(wěn)定性，施工排水而引起流動，當動水壓力大于顆粒的懸浮重量時，使砂子懸浮失去平衡，隨動水壓而流動。砂、礫石層的滲透性大，其主要原因是砂層內(nèi)含水，使其抗壓強度降低。若能降低水位，砂層在同樣條件下的抗壓強度，自然安息角會大幅度增加。治水是最基本的技術(shù)措施。

井筒的開挖必然引起圍巖的應(yīng)力重新分布，繼而發(fā)生彈塑粘性變形，形成塑性區(qū)和一定范圍的破碎松動圈，并同時出現(xiàn)內(nèi)空收斂位移，導致圍巖變形失穩(wěn)。井巷支護的過程，實質(zhì)上是控制井巷圍巖內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變的變化過程，即是通過改善圍巖力學性質(zhì)和提供支護約束反力，來控制松動圈擴展的過程。如何控制松動圈的發(fā)展，長期以來，一直以維護井巷圍巖穩(wěn)定為突破口，必須采取如下對策：

第一，對巖體內(nèi)加固，即提高巖體的殘余強度以及提高粘結(jié)力，內(nèi)摩擦角度和模量以提高圍巖的承載能力。常用的內(nèi)加固方法是注漿，錨桿支護等方法。

第二，對圍巖外支護，最適宜的方法是噴射混凝土或砂漿等加固結(jié)構(gòu)。

第三，圍巖變形是力學動態(tài)過程，支護既要控制圍巖變形發(fā)展，又要允許圍巖產(chǎn)生有限制的變形，使圍巖支護體系在共同變形力學過程中達到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，就要求支護結(jié)構(gòu)要有一定的柔性，能自身產(chǎn)生一定的變形，又要有一定的剛性以限制變形發(fā)展。

第四，必須根據(jù)松動圈發(fā)展的時空效應(yīng)，保證支護結(jié)構(gòu)施工及時，控制圍巖變形過程，不斷調(diào)整開挖循環(huán)，掘進段長，支護時間和底拱閉合時間等。

第五，根據(jù)圍巖變形特征，采用二次支護方法，早期支護作用，要迅速地控制井巷圍巖變形過程，并作為永久支護的一部分。在圍巖變形，松動圈發(fā)展得到有效的控制后，再進行后期支護。

表土層一般均屬松散不穩(wěn)定圍巖，即使在疏水降壓后，砂土層的強度也是很低的，不足以抵抗地應(yīng)力。按照上述力學分析和圍巖松動圈支護理論，表土層屬于大松動圈范圍的圍巖，井巷支護除遵循上述對策原理外，尚需遵循以下四條基本原則:（1）及時封閉圍巖；（2）必須具備足夠的支護能力；（3）必須具備一定的可縮性；（4）必須實現(xiàn)全斷面支護。

依上述原則作指導，在長溝礦主、副斜井井筒施工中，采用了全封閉雙層復合井壁支護結(jié)構(gòu)，外層為350mm厚料石碹，剛性支護，其整體性好，抗壓強度大，實踐證明：該支護方式結(jié)構(gòu)合理、

正確。

3 井筒疏水降壓方法與步驟

表土層中建井產(chǎn)生巨大困難的根源是水。砂層遇水則易流動，使井筒周邦很不穩(wěn)定，因此必須想方設(shè)法疏水降壓，這是表土層中建井的關(guān)鍵。凍結(jié)法的原理就是用人工制冷的方法，將井筒周圍的巖層凍結(jié)成封閉的巖筒—凍結(jié)璧，以抵抗地壓，隔絕地下水和井筒的聯(lián)系；化學注漿法的實質(zhì)為在松散的含水砂土層中，注入可凝結(jié)的漿液，固結(jié)砂土，減少涌水涌砂。長溝煤礦主、副斜井施工的疏水降壓方法有以下三種：

3.1 地面靜點降水法

在距離井筒前進方向適當位置左或右一側(cè)10米處，向下打一個∮219～377mm的疏水降壓孔，下設(shè)帶過濾網(wǎng)的花管，使砂層的水通過花管聚集在疏水降壓孔中，放入水泵在較大范圍、較長時間內(nèi)將水排至地面。從而使斜井穿過的部位處于自然形成的降水漏斗中，以達到疏水降壓，砂層固定的目的，為掘進創(chuàng)造寬松便利的條件。

3.2 井下掘進工作面迎頭超前小井降水疏干法

當含水砂層或流砂層顆粒較大時采用此法。隨著掘進工作面的前進每隔3～5m，放入水泵排水使掘進工作面迎頭的水位始終低于掘進工作面迎頭3米以下，使松軟不穩(wěn)定的含水砂土層變得相對

穩(wěn)定。

3.3 大直徑鉆孔超前降水法

該方法的施工是在退后掘進工作面迎頭2.5米處，沿井筒底板和兩邊側(cè)墻內(nèi)側(cè)，以450角超前打直徑∮325～377mm的降水鉆孔（鉆孔斜長12m）放入水泵，不斷排水，控制水位在施工工作面以下。每個鉆孔的底部在井筒輪廓線之外3～5m處，各孔底走向間距一般為4～8m。

4 井筒施工技術(shù)與步驟

在疏水降壓的前提下，工作面迎頭超前臨時支護，短掘短砌，分部開挖，分部掘砌復合井璧

第一，當砂土層較密實，穩(wěn)定時，在超前降水的情況下，施工按正常作業(yè)方式進行，即先墻后拱，分部開挖砌筑。

第二，當含水層位于拱基線以下時，墻部采用密集板樁控制，先拱后墻，短掘短砌。

第三，當含水砂土層升到拱基線以上，荒斷面以下時，在超前降水的控制下，采用的鋼筋混凝土底梁掩護，全斷面封閉，先拱后墻，短掘短砌。

第四，當含水砂土層全部升到荒斷面以上時，采用穿梁過頂，金屬拱架支撐，密集板樁掩護，先拱后墻，短掘短砌施工方法。

第五，當井筒穿過厚含水砂土層時，在疏水降壓前提下，采用鋼結(jié)構(gòu)組合移動臨時支護，分部開挖短掘短砌。

總之，長溝煤礦主、副井筒采用普通鑿井法獲得成功的關(guān)鍵有兩點：一是采用多種多樣的疏水降壓與靈活機動的掘砌方法；二是選擇正確的支護設(shè)計方案。

5 經(jīng)濟和社會效益分析

隨著市場經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，如何減少礦井建設(shè)資金總需求量與降低噸煤投資已成為企業(yè)發(fā)展與企業(yè)整體利益的大事。

就長溝煤礦主、副斜井井筒施工采用綜合治理普通鑿井法通過含水砂土層、流砂層而言，不僅為特厚沖積地層開鑿斜井摸索和積累了豐富的實踐經(jīng)驗，而且形成了一整套系統(tǒng)的經(jīng)驗總結(jié)。在我國斜井開拓史上過這么厚含水砂土層和流砂層也是一大創(chuàng)舉。主斜井過沖積地層垂深141m，斜長314.7m，副斜井井筒過沖積地層垂深144m，斜長277.8m，兩斜井井筒合計穿過特殊地層斜長為；592.4m。

按凍結(jié)法施工，平均每延米工程造價為9.5萬元/米，則主、副井筒過含水砂土層和流砂層工程總費用為：5628萬元。按照超前降水板樁法施工，主、副斜井井筒平均每延米工程造價為1.81萬元/米，則主、副井筒過含水砂土層和流砂層段工程總費用為：1072.3萬元萬元。普通鑿井法與凍結(jié)法相比節(jié)約投資4555.7萬元。

6 結(jié)論

第一，實踐證明：只要將水得到有效控制，砂的穩(wěn)定性就好，抗壓強度及自然安息角就大大增加，這是井筒順利通過含水砂土層和流砂層的大

前提。

第二，通過前面的分析說明超前疏水降壓，采用全封閉復合井璧支護，先拱后墻，短掘短砌，分部開挖、分部砌筑是特殊地層順利通過的重要技術(shù)原理。利用普通鑿井法穿過含水砂土層和流砂層在技術(shù)上是可行的，安全上是可靠的。

第三，特殊地層普通鑿井法是一種十分有效的井筒施工法，具有特殊鑿井法無法比擬的，投資少，工期短、質(zhì)量好等優(yōu)點，具有很實際的使用價值和推廣前景。

參考文獻

[1] 朱文林．立井開鑿用降水法通過沖積層[J]．煤炭科學技術(shù)，1995，（1）．

[2] 中國礦業(yè)學院．特殊鑿井[M]．中國礦業(yè)大學出版社，1985．

[3] 中國礦業(yè)學院水工教研室．水文地質(zhì)及工程地質(zhì)學[M]．1985．

[4] 余德綿，陸春元．礦井水災防止技術(shù)[M]．中國經(jīng)濟出版社，1987．

作者簡介：賈潤田（1963-），男，太原煤炭氣化（集團）有限責任公司高級工程師。

（責任編輯：葉小堅）