綜合分析工程地質條件優化立井施工方案

王劍峻

（河北開灤集團蔚州礦業公司，河北 蔚縣 075700）

1 礦井概況

3號礦井位于河北蔚縣，為開灤集團規劃建設礦井。該礦井地質條件、水文條件、工程地質條件復雜。設計施工立井3個，即主井、副井、風井。 井檢1、井檢2、井檢3分別對應主井、副井、風井的井筒檢查孔，是確定3個井筒施工方案的主要依據。

2 地質條件

2.1 地層

(1) 第四系(Q)。

本地段第四系厚度154.70～171.55m，巖性以褐黃、黃色粉土、粉質粘土、粘土為主，夾粉砂、細砂、砂礫石、礫石層，其中砂礫石、礫石層厚度8.54～20.96m，粉、細砂厚度3.65～4.20m，最厚在井檢1孔56.44m。與下伏地層呈不整合接觸。

(2) 中侏羅統后城組(J2h)。

厚度200.81～206.81m，頂部巖性為凝灰巖，厚度11.57～21.17m，裂隙較發育。上部以礫巖夾粗砂巖為主，中下部以巨厚層礫巖為主，夾粗砂巖、砂礫巖。巖石結構成熟度較低，多呈半膠結，局部松散破碎，與下伏地層呈角度不整合接觸。

(3) 中—下侏羅統下花園組(J1-2x)。

厚度141.66～146.85m，上部以紫紅、灰綠色粉砂巖、細砂巖為主，夾礫巖，不含煤。下部以粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖為主，夾細砂巖、中砂巖及粗砂巖，含煤層5～8層，可采煤層主要為5號、1號煤。裂隙不發育，與基底古生界灰巖呈角度不整合接觸。

2.2 構造

礦井地質構造極其復雜。本地段井檢1至井檢2孔間構造較復雜，通過二維地震資料及鉆孔所揭露地層巖性及煤層資料分析研究認為井田內F201逆斷層在此處通過。斷層性質為逆斷層，位于北陽莊村北，總體走向E-NE，傾向N-NW，在本井田延展長度2400mm，在本地段斷層傾角15～40°斷距20～30m。

2.3 水文地質

(1) 含水層。

依據井檢孔揭露含水層情況及鉆孔抽水試驗、流量測井等資料綜合分析，含水層由上至下劃分如下：第四系含水層段(分為6個含水層)、基巖風化帶含水層(Ⅳ1)、 后城組礫巖含水層(Ⅳ2)、 煤系砂巖含水層(Ⅱ)。天然狀態下由于穩定隔水層的存在，使各含水層間水力聯系在垂向上不密切。通過高密度電法儀測量，本地段第四系與基巖風化帶含水層地下水流向157.5°方向，流速0.72m/d。

(2) 井筒涌水量計算。

井筒涌水量計算采用“大井法”、涌水量增大系數法和經驗公式法分別計算，結果見表1。

表1 井筒穿過各含水層涌水量計算

從表1中可以看出，副井井筒涌水量最大，風井井筒涌水量次之，主井井筒涌量較副井、風井小，通過井筒檢查鉆孔第四系含水層抽水試驗資料分析，單位涌水量井檢2孔為0.626 L/(s·m)，井檢3孔單位涌水量為0.597 L/(s·m)，井檢1孔單位涌水量為0.371 L/(s·m)，說明該地段富水性，副井＞風井＞主井。

3 工程地質

3.1 第四系工程地質評價

(1) 粉、細砂層流動性。

井檢1孔主要分布在孔深31.50～41.40m厚度9.90m，67.05～81.24m厚度14.19m，90.10～113.00m厚度22.90m，117.42～119.90m厚度2.48m，155.93～159.20m厚度4.07m，總厚度53.54m。井檢2孔主要分布在孔深22.25～23.55m厚度1.30m，144.72～147.62m厚度2.90m，總厚度4.20m。井檢3孔主要分布在孔深50.20～53.30m，厚度3.10m。以上這些較細的砂層存在且位于地下水位以下呈飽水狀態，井筒開挖疏排地下水水力坡度增大，極易引起砂體流動及坍塌，給井筒施工造成困難。如井檢1孔粉砂總厚度56.44m，單層最厚22.90m，這些較細的砂層存在極易產生砂體流動，對井筒開鑿將產生不利影響。

(2) 粘性土膨脹性。

井檢2孔第22層粘土層，孔深123.80～129.11m厚度5.31m，此層膨脹性試驗自由膨脹率45%。井檢3孔第21粘土層128.60～131.60m厚3.00m，膨脹性試驗自由膨脹率40%，為膨脹性粘土,對井筒開鑿不利。

3.2 基巖工程地質評價

(1) 基巖風化帶。

本地段基巖風化帶厚度11.75～21.17m，巖性為凝灰巖，抗壓強度低1.4～10.0MPa，巖石RQD指標10%～38%，堅硬程度屬軟巖—極軟巖，為不穩定巖層。

(2) 后城組礫巖段。

該地段上部夾粗砂巖，中下部為巨厚層礫巖，巖石結構成熟度較低，礫石膠結(泥沙質膠結)極其松散，粒徑0.5～110mm，厚度177～189m，抗壓強度5～13MPa，堅硬程度屬軟巖，為不穩定巖層。

(3) 井底車場頂板以上巖石。

礦井設計井底車場標高為+540m，主要井下建筑物為井底車場、煤倉、水平運輸大巷等。巖性為粉砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖及中砂巖、粗砂巖，巖石RQD指標60%～90%，抗壓強度粗、中、細砂巖為11.6～12.2MPa，粉砂巖、泥巖14.8～18.1MPa，巖石堅硬程度屬軟巖—較軟巖，為較穩定至不穩定巖層。

(4) 斷層帶。

根據井田二維地震資料及井筒檢查鉆孔地層分析對比，在主、副井筒之間存在兩個逆斷層即F201和F201-1。井檢1孔在6號頂板以上見擠壓破碎帶，斷層的存在破壞了巖層的穩定性，容易發生片幫。

3.3 施工條件綜合分析

井筒所穿過的第四系含水層(含基巖風化帶)由于涌水量較大，通過強含水層防治水具有相當難度。第四系夾有較厚的粉、細砂層，井筒開挖易產生流動，第四系下部局部粘土層為膨脹性土。據附近鉆孔資料，本地段第四系黃土中多處發育黃土喀斯特現象(土洞、溶洞)。副井東側井檢2孔沖積層段沒有封孔，很有可能將第四系各含水層導通，使水文條件更加復雜。風化帶巖石屬軟-極軟巖，后城組礫巖為軟巖，固結程度較差及受構造影響，部分巖層松散破碎，為不穩定巖層，工程地質條件不良。井底車場頂板以上巖石屬軟—較軟巖，為較穩定至不穩定性巖。對于井筒施工影響較大的是第四系含水層和后城組不穩定礫巖。

4 井筒設計

4.1 主井

凈直徑5.0m，布置一對14t非標多繩箕斗，180mm×180mm×8mm方形鋼罐道及罐道梁，并敷設通訊、信號電纜。該井承擔礦井煤炭提升任務。

4.2 副井

凈直徑7.0m，布置一對1.5t雙層四車多繩罐籠(一寬一窄)，方形鋼罐道，設置玻璃鋼復合材料梯子間，并敷設排水、壓風，供水管路及動力、通訊、信號、安全監測電纜。該井主要擔負全礦井人員、設備材料與矸石等輔助提升任務，兼作礦井主要進風及安全出口。

4.3 風井

凈直徑6.0m，內設玻璃鋼復合材料梯子間，并敷設灌漿管路。該井擔負全礦井回風兼作安全出口。井筒特征見表2。

5 施工方案優化

5.1 井筒施工方案

(1) 基本方案。

主、副、風井的均要穿過約154～171m左右厚的表土段，該地層主要由粘土、砂礫石、卵礫石及砂質粘土層等組成。基巖段多由中、粗砂巖、細砂巖、粉砂巖、粘土巖組成。表土段賦存第四系含水層六層，其中富水性弱含水層3層，富水性弱－中等含水層1層，富水性中等含水層2層，計算主、副、風井井筒涌水量分別為165、365、320m3/h。基巖段含水層富水性弱—中等。計算涌水量分別為84、91、34m3/h，第四系沖積層不僅厚度大且涌水量大，故表土段和基巖風化帶采用凍結法施工，基巖段采用普通法施工，對于基巖富水性較強段采用工作面注漿。

表2 井筒特征

(2) 第四系注漿+凍結。

對于井筒施工危害較大的是第四系④、⑤、⑥三個含水層和基巖風化帶含水層。在凍結孔造孔施工中，選取一定數量的凍結孔作為注漿孔，對上述強含水層段先行預注漿，充填洞隙，帷幕截流堵水，使注漿和冷凍產生疊加效應，避免古河床式卵礫石含水層(動水)凍結失敗而突水。在蔚州礦區類似條件已經發生過井筒凍結一年沖積層含水層尚沒有交圈井筒無法通過含水層的先例，不得不采取在維持凍結的情況下，地面施工4個注漿孔累計注漿1476m3才得以交圈。也就是說，在極復雜的水文地質和工程地質條件下，單純的冷凍和單純的注漿方案均無把握取得成功，采取注漿+凍結的復合方式是最合理的方案。在第四系沖積層水文條件復雜區域，采取注漿+凍結的方案已經取得成功的經驗。

(3) 后城組圍巖加固。

對于后城組礫巖，由于壓實度較差、呈松散體結構，澆筑砼后，圍巖與砼井壁磨擦力很小，形不成有效的抱合力，井壁極易出現下沉和不均衡受力，對井壁造成破壞。因此設計在井筒通過凍結段后，在井筒底施工鉆孔對對不穩定松散巖層進行注漿加固改造，增強井壁圍巖的承載力。

(4) 巖土錨固。

從沖積層-后城組礫巖段井壁，每間隔30m，水平方向打入一組φ108mm鋼管錨固樁(至少3根，每根3～5m，水平平均排列)并進行注漿加固，使井壁與圍巖之間連鎖，防止井壁因圍巖條件不良而不均衡受力導致對井壁的破壞。在沒有采取巖土錨固措施的其他相似條件礦井已經出現井壁環形裂縫出水、井壁變形導致罐道梁彎曲等影響井筒正常使用的問題。井筒是煤礦使用期限最長的永久性工程，百年大計質量為本。對于特殊的地層條件采取預防性防治措施比出現問題后再治理投資要小，而且不影響正常生產。

5.2 井壁結構

(1) 表土段。

根據井筒穿過地層的水文地質條件，確定主、副、風井表土段采用凍結法施工。主井井筒的內外井壁總厚度為900mm，副井井筒的內外井壁總厚度為1100mm，風井井筒內外壁的總厚度為950mm。

(2) 基巖段。

基巖段的主井、副井和風井井筒均采用普通法施工，素混凝土井壁。主井井壁厚度為450mm，副井、風井井壁厚度為500mm。在風化基巖帶下較穩定巖層中砌筑壁座，后城組礫巖極不穩定層段井壁采用鋸齒結構，以增加井壁穩定性，相應增加鋼筋并提高砼強度等級至C30。

5.3 施工方法

(1) 凍結段施工方法。

凍結表土層掘進采用中心回轉抓巖機直接破土裝罐和人工風鎬、鐵鍬掘進刷幫，井筒內全部凍實或進入風化基巖段后采用鉆爆法施工。外壁砌筑采用3.0～4.0m高單縫伸縮式整體移動金屬模板，采用TDX-1.6底卸式吊桶輸送混凝土。井筒外壁全部掘砌完畢后，進行內壁套筑，采用1m高度組合式金屬模板自下而上一次連續砌筑至永久鎖口標高。

5.3.2 基巖段施工方法

采用機械化施工作業線，短段掘砌混合作業方式。傘鉆打眼，深孔光面光底爆破，中心回轉抓巖機裝巖，兩套單鉤吊桶提升，座鉤式自動翻矸，鏟車配合自卸式汽車排矸，3.0～4.0m高液壓伸縮整體下移式金屬模板砌筑，兩臺JS-500型強制式攪拌機攪拌混凝土，φ159mm溜灰管下砼。