鹽井二礦水倉優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工

陶金

【摘要】 本文以鹽井二礦-150m水平井底車場(chǎng)水倉為例，通過分析其圍巖層位、性質(zhì)，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，進(jìn)行巷道優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整設(shè)計(jì)方案，該方案在滿足規(guī)范要求及安全使用前提下，既加快了施工進(jìn)度，又節(jié)約了投資，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】 水倉、優(yōu)化設(shè)計(jì)、灰?guī)r溶蝕帶。

1 引 言

水倉是礦井排水系統(tǒng)的重要工程，其布置方式的合理性、布置層位的穩(wěn)定性以及容量的大小嚴(yán)重影響著礦井的安全。鹽井二礦-150m水平井底水倉起初按照重慶一三六地質(zhì)隊(duì)提供的資料設(shè)計(jì)，但在內(nèi)水倉施工過程中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件發(fā)生變化，水倉所處層位圍巖破碎并夾雜黃泥，嚴(yán)重影響了巷道掘進(jìn)及永久使用，為避免外水倉受此影響，需要對(duì)外水倉進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 礦井概況

鹽井二礦隸屬于重慶天弘礦業(yè)有限責(zé)任公司，位于瀝鼻峽煤田鹽井礦區(qū)南部，北與鹽井一礦相鄰，為合川市鹽井街道所轄，井田南北走向長(zhǎng)約5.1km，東西平均寬約0.791km，面積約4.0453km2。

本礦采用主斜井-副立井的綜合開拓方式，共劃分兩個(gè)水平，一水平為-150m水平，二水平為-350m水平。鹽井二礦為煤與瓦斯突出礦井，水文地質(zhì)類型為中等，-150m水平正常涌水量為6556m3/d，最大涌水量21504m3/d，井底車場(chǎng)設(shè)內(nèi)、外水倉各1條。

3 水倉設(shè)計(jì)與施工情況

鹽井二礦為在建礦井，我公司于2010年10月對(duì)鹽井二礦-150m水平井底水倉進(jìn)行了施工圖設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用內(nèi)外水倉的形式，內(nèi)外水倉各布置一條，位于嘉陵江茅口灰?guī)r中，水倉斷面設(shè)計(jì)為三心拱，支護(hù)方式為噴射混凝土，厚度50mm，斷面內(nèi)鋪設(shè)軌道，便于檢修。根據(jù)-150m水平的涌水量，設(shè)計(jì)水倉總長(zhǎng)度590.2m，總?cè)萘?803m3，有效容量4000m3，礦井于2011年初開始施工。水倉布置平面圖見圖3-1，水倉主要參數(shù)見表3-1。

4 外水倉優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

根據(jù)施工安排，內(nèi)水倉先于外水倉施工。起初，內(nèi)水倉在施工過程中一切正常，巷道施工層位也符合預(yù)期，全部位于嘉陵江灰?guī)r中。但當(dāng)內(nèi)水倉巷道施工至K0+86m時(shí)，巷道巖性發(fā)生變化，圍巖變得破碎，并夾雜黃泥，由于巖性的變化，內(nèi)水倉施工速度大大降低，巷道施工過程中頂板安全威脅加大。

為了準(zhǔn)確的探明地質(zhì)構(gòu)造，礦方利用現(xiàn)有地質(zhì)資料，根據(jù)施工中曾經(jīng)遇到過的構(gòu)造情況，采用計(jì)算機(jī)分析軟件建立區(qū)域三維地質(zhì)模型、合成大量鉆孔參數(shù)的方法，基本推斷該構(gòu)造為"灰?guī)r溶蝕帶"，并繪制出灰?guī)r溶蝕帶區(qū)域平面圖，見圖4-1-1。

從平面圖可以看出，"灰?guī)r溶蝕帶"對(duì)礦井-150m水平內(nèi)外水倉均有影響，但是對(duì)外水倉影響巨大。內(nèi)水倉從K0+86m進(jìn)入"灰?guī)r溶蝕帶"地層后，直到巷道施工結(jié)束，將受"灰?guī)r溶蝕帶"破碎區(qū)域影響，考慮到內(nèi)水倉大部分已形成，若重新選擇位置施工，則浪費(fèi)投資，若改變布置方案，水倉長(zhǎng)度及容量也會(huì)減少，所以，經(jīng)研究決定，內(nèi)水倉加強(qiáng)支護(hù)方式，仍按原設(shè)計(jì)繼續(xù)施工。而對(duì)于外水倉，預(yù)計(jì)從K0+111m將進(jìn)入"灰?guī)r溶蝕帶"破碎區(qū)域，從K0+127m將進(jìn)入"灰?guī)r溶蝕帶"嚴(yán)重破碎區(qū)域，至整個(gè)巷道結(jié)束都將受到不同程度影響，影響長(zhǎng)度240m。顯然，-150m水平外水倉若采用原設(shè)計(jì)繼續(xù)施工，則技術(shù)上不可行、經(jīng)濟(jì)上不合理、安全上不可靠，故有必要對(duì)-150m水平外水倉進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4-1-1 灰?guī)r溶蝕帶區(qū)域平面圖

4.2可能布置區(qū)域分析

同樣，根據(jù)上述分析"灰?guī)r溶蝕帶"區(qū)域位置時(shí)建立的三維地質(zhì)模型，在合成-150m水平軌道石門及井底車場(chǎng)鉆孔參數(shù)后，礦方繪制了-150m水平外水倉可能布置的區(qū)域圖，見圖4-2-1，矩形陰影部分為合理布置區(qū)域，其全部位于嘉陵江灰?guī)r內(nèi)，長(zhǎng)約250m，寬約119m，面積約29750㎡。

圖4-2-1 可能布置的區(qū)域

4.3 方案比選

從圖4-2-1可知，可布置區(qū)域范圍相對(duì)較小，由于-150m水平水泵房已形成，換言之，即外水倉的一端位置已固定，同時(shí)，考慮到水倉的長(zhǎng)度、容量、可放炮施工位置以及鋪軌等因素，綜合分析，設(shè)計(jì)提出了兩個(gè)方案進(jìn)行比選：

方案一：外水倉仍按原設(shè)計(jì)施工，過破碎帶采用"錨網(wǎng)+鋼拱架+噴射混凝土"的方式加強(qiáng)支護(hù)。

方案二：外水倉重新選址，優(yōu)化設(shè)計(jì)，擬在井底車場(chǎng)左側(cè)-150m水平軌道石門KO+94m處開口施工外水倉，水倉入口通道與軌道石門夾角50°，聯(lián)絡(luò)巷施工20m后經(jīng)29°轉(zhuǎn)彎施工清理斜巷，再經(jīng)過兩次90°轉(zhuǎn)彎最終與配水井連接。設(shè)計(jì)注意到，由于可布置區(qū)域范圍較小，水倉長(zhǎng)度受限，如果外水倉沿用原設(shè)計(jì)斷面，將達(dá)不到設(shè)計(jì)容積，故考慮采取減小水倉長(zhǎng)度，增大水倉斷面的方式保證水倉容積。調(diào)整后，斷面由三心拱變更為半圓拱，凈面積由7.3㎡變更為9.1㎡。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，外水倉布置位置詳見圖4-3-1，外水倉主要設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表4-3-1。

5 綜合效果對(duì)比分析

5.1施工成本對(duì)比分析

施工成本主要包括掘進(jìn)成本和支護(hù)成本，兩個(gè)方案外水倉參數(shù)對(duì)比見下表。

從表中可以看出，方案二外水倉優(yōu)化設(shè)計(jì)后，長(zhǎng)度減少了62.2m，但掘進(jìn)斷面積增加了2.1㎡，參考施工單位工程報(bào)價(jià)，方案一原設(shè)計(jì)斷面綜合掘進(jìn)單價(jià)按5500元/m計(jì)算，方案二優(yōu)化后斷面綜合掘進(jìn)單價(jià)按6000元/m計(jì)算。

此外，方案一中，外水倉有240m受"灰?guī)r溶蝕帶"影響，需要加強(qiáng)支護(hù)，參考內(nèi)水倉過"灰?guī)r溶蝕帶"的支護(hù)方式，設(shè)計(jì)采用"錨網(wǎng)+鋼拱架+噴射混凝土"加強(qiáng)支護(hù)，方案一還需計(jì)算這240m巷道的加強(qiáng)支護(hù)成本。加強(qiáng)支護(hù)成本如下：

根據(jù)上述分析，方案一外水倉施工費(fèi)用=348.2×5500+8661.9×240=399.4萬，方案二外水倉施工費(fèi)用=286.0×6000=171.6萬，方案二比方案一節(jié)省投資227.8萬，方案二優(yōu)勢(shì)明顯，且水倉作為特殊功用巷道，布置在堅(jiān)硬的灰?guī)r中減少了后期巷道維護(hù)費(fèi)用。

5.2 掘進(jìn)速度對(duì)比分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，內(nèi)水倉在"灰?guī)r溶蝕帶"掘進(jìn)過程中，由于既要兼顧安全，還要采取加強(qiáng)支護(hù)措施，巷道只能采取"一掘一支"，巷道施工進(jìn)度極其緩慢，綜合進(jìn)度只有40m/月；如果巷道在全灰?guī)r中掘進(jìn)，月進(jìn)度能達(dá)到80m/月。

從表中我們可以清楚的看到，方案二，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，巷道有效避開"灰?guī)r溶蝕帶"影響，巷道掘進(jìn)時(shí)間比方案一縮短了3.8個(gè)月。

5.3 安全效果對(duì)比分析

方案一，若按原設(shè)計(jì)施工，水倉放炮后，受"灰?guī)r溶蝕帶"地質(zhì)構(gòu)造影響，巷道自穩(wěn)能力極差，巷道變形較快，且"灰?guī)r溶蝕帶"中富含黃泥等遇水膨脹物，容易發(fā)生局部垮塌，頂板安全威脅極大，現(xiàn)場(chǎng)施工工人心理負(fù)擔(dān)極大。

方案二，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，外水倉全部布置在普式系數(shù)f=7～10的堅(jiān)硬灰?guī)r中，圍巖完整，頂板安全威脅較小，安全效果更好。

因此，方案二比方案一安全效果更好。

5.4 施工難度對(duì)比分析

"灰?guī)r溶蝕帶"由于富含裂隙水，現(xiàn)場(chǎng)積水嚴(yán)重，且無法砌筑水溝，磧頭積水不能排除，現(xiàn)場(chǎng)施工工人小腿以下均泡入泥漿中施工，施工環(huán)境極差；而且受黃泥影響，部分地段無法使用耙渣機(jī)出矸，完全靠人工出矸，工人勞動(dòng)強(qiáng)度極大，工作效率極低。水倉巷道設(shè)計(jì)采用C15混凝土鋪底。在實(shí)際施工過程中，由于底板受水浸泡變得松軟，無法進(jìn)行鋪底。

而方案二，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，巷道全部進(jìn)入灰?guī)r內(nèi)施工，底板基本無積水，工人作業(yè)條件得到了極大的改善，而且可全部使用爬渣機(jī)出矸，提高了工作效率，底板鋪底作業(yè)也更容易，施工難度大大減低。

因此，方案二比方案一更容易施工。

6 結(jié)論

通過上述幾個(gè)方面的分析對(duì)比，最終選擇方案二作為外水倉的布置方式。

鹽井二礦-150m水平水倉工程于2013年6月全部完成，至今已使用2年多，從現(xiàn)場(chǎng)使用效果來看，外水倉的優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的，避免了潛在的安全威脅，降低了施工難度，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了施工成本，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)利益。

7 結(jié)束語

對(duì)于采礦專業(yè)井巷工程設(shè)計(jì)，由于礦井地質(zhì)條件復(fù)雜多變，所以，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該多思考，充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，靈活設(shè)計(jì)，并且不斷優(yōu)化方案，為煤礦創(chuàng)造效益。