萬(wàn)福礦井主井井筒施工方案及井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張彥奇，岳海鷗，譚花文

(1.煤炭工業(yè)濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250031； 2.濟(jì)南市科學(xué)技術(shù)信息研究所，山東 濟(jì)南 250001)

萬(wàn)福礦井主井井筒施工方案及井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張彥奇1，岳海鷗2，譚花文1

(1.煤炭工業(yè)濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250031； 2.濟(jì)南市科學(xué)技術(shù)信息研究所，山東 濟(jì)南 250001)

萬(wàn)福礦井主井井筒穿過(guò)特深厚不穩(wěn)定沖積層，必須采用特殊鑿井法施工。設(shè)計(jì)采用井筒全深凍結(jié)法施工方案，雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)，并在600m以深井壁結(jié)構(gòu)中使用高強(qiáng)度鋼纖維混凝土，確保井筒安全高效施工。

特深厚不穩(wěn)定沖積層； 凍結(jié)鑿井法； 雙層井壁； 鋼纖維混凝土

1 前言

萬(wàn)福礦井位于巨野礦區(qū)最南端，由兗礦菏澤能化有限公司籌建，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為每年180萬(wàn)t，采用立井開(kāi)拓。主井井筒凈直徑5.5m，井筒深度885m，穿過(guò)不穩(wěn)定沖積層厚度754m。在深厚含水不穩(wěn)定沖積地層中鑿井必須采用特殊鑿井法施工。萬(wàn)福礦井主井井筒穿過(guò)的不穩(wěn)定沖積層厚度和特殊鑿井深度在國(guó)內(nèi)均處首位，因此，其井筒施工方案及井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

2 井筒地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 井筒工程地質(zhì)

該井田為全隱蔽的華北型石炭、二疊系煤田，煤系以中、下奧陶統(tǒng)為基底，沉積了石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系山西組、石盒子組，其上被新近系和第四系所覆蓋。主要含煤地層為太原組和山西組。根據(jù)井筒檢查鉆孔資料，主井井筒穿過(guò)的地層由上到下簡(jiǎn)述為：第四系、上第三系、二疊系、石炭系，地層情況詳見(jiàn)表1。

2.2 井筒水文地質(zhì)

井筒深度范圍內(nèi)主要有4個(gè)含水層，自上而下分別為：上第三系含水層、下第三系底部含水層、風(fēng)氧化帶含水層和太原組三灰含水層。各含水層之間均有良好隔水層，無(wú)垂直水力聯(lián)系。風(fēng)氧化帶厚28.83m，底深781.52m，主要由粉細(xì)砂巖、泥巖組成，含水層正常涌水量0.295m3/h。太原組三灰位于孔深805.00～813.44m之間，厚8.44m，主要由淺灰色、灰色石灰?guī)r組成，該含水層在井田內(nèi)較穩(wěn)定，是一個(gè)半無(wú)限含水層，裂隙較發(fā)育，主要為裂隙水，正常涌水量120.24m3/h。

表1 主井檢查鉆地質(zhì)資料

3 井筒施工方案及井壁結(jié)構(gòu)

3.1 井筒施工方案

目前國(guó)內(nèi)外通過(guò)新生代深厚含水松軟地層的特殊鑿井方法主要有凍結(jié)法、鉆井法及注漿法。由于注漿法效果較差，僅對(duì)凍結(jié)法和鉆井法進(jìn)行比較[1]。

凍結(jié)法鑿井在煤礦建設(shè)實(shí)踐中顯示了明顯的優(yōu)勢(shì)，既能用于不穩(wěn)定的含水層，又可用于基巖含水層；既可以應(yīng)用于立井井筒，又可以應(yīng)用于斜井井筒、平巷及風(fēng)道口工程，適應(yīng)性強(qiáng)，安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，工期有保證。因此在井巷特殊施工方法中，凍結(jié)法所占比例最大[2]。凍結(jié)法施工的主要缺點(diǎn)是凍結(jié)壁的溫度低，現(xiàn)澆混凝土井壁的質(zhì)量很難得到保證，容易造成不同程度的質(zhì)量問(wèn)題，影響井筒的使用。

鉆井法鑿井的全部作業(yè)均在地面上進(jìn)行，是一種高度機(jī)械化的施工方法。具有用人少、施工安全、成井質(zhì)量高、在沖積層鑿井技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果好的優(yōu)點(diǎn)。鉆井法施工的主要缺點(diǎn)有：在堅(jiān)硬巖層中鉆進(jìn)時(shí)鉆速較低，經(jīng)濟(jì)效果差；工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜，占用施工工期；鉆井深度受設(shè)備能力的限制，不宜太大；鉆井施工過(guò)程中使用的大量泥漿難以處理。

充分比較凍結(jié)法和鉆井法的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮萬(wàn)福礦井主井井筒地質(zhì)條件、井筒直徑、設(shè)備能力、施工工藝及混凝土技術(shù)發(fā)展等多方面因素，設(shè)計(jì)決定采用凍結(jié)法作為萬(wàn)福礦井主井井筒的施工方案。凍結(jié)方案確定為井筒全深凍結(jié)，自原地坪算起，有效凍結(jié)深度為894m。

3.2 井壁結(jié)構(gòu)形式

凍結(jié)法施工的立井井筒支護(hù)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)、井筒直徑大小等條件及使用功能的要求，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式。沖積層厚度較大時(shí)，宜采用雙層鋼筋混凝土塑料夾層復(fù)合井壁。雙層混凝土塑料夾層復(fù)合井壁的內(nèi)、外層井壁應(yīng)分別按靜水壓力和凍土壓力作用計(jì)算。外層井壁應(yīng)驗(yàn)算穩(wěn)定性，并應(yīng)按吊掛力作結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。井壁整體應(yīng)按均勻水土壓力、不均勻水土壓力及三向應(yīng)力作用分別進(jìn)行承載力驗(yàn)算[3]。

根據(jù)計(jì)算并經(jīng)有限元分析，萬(wàn)福礦井主井井筒凍結(jié)段井壁采用雙層鋼筋混凝土井壁。其中300m深度以?xún)?nèi)井壁結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；300～600m之間井壁結(jié)構(gòu)借鑒近幾年龍固、趙樓、郭屯等礦井的成功經(jīng)驗(yàn)，采用雙層現(xiàn)澆高強(qiáng)高性能鋼筋混凝土井壁；600m以深井壁結(jié)構(gòu)采用雙層現(xiàn)澆鋼筋鋼纖維混凝土井壁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)CF80～CF90。外層井壁厚度450～1 100mm，內(nèi)層井壁厚度450～1 000mm。

為預(yù)防由于土層沉降或融沉附加力引起的井壁破裂災(zāi)害，沿井筒豎向在內(nèi)層井壁設(shè)置3道可縮結(jié)構(gòu)。

為提高混凝土早期強(qiáng)度和韌性，外層井壁混凝土施工時(shí)加入高效防凍早強(qiáng)劑；在凍結(jié)段內(nèi)壁中摻加混凝土防裂密實(shí)劑，以增加內(nèi)層井壁的防水性能。

在較厚、易膨脹變形的黏土層段和外層井壁之間，鋪設(shè)厚度為50～75mm的泡沫塑料板，以緩解凍土壓力對(duì)井壁的破壞，減少凍土低溫對(duì)井壁混凝土的影響，改善混凝土井壁的養(yǎng)護(hù)條件。

在內(nèi)外層井壁之間設(shè)置兩層厚度為1.5mm的聚乙烯高密度塑料薄板，以緩解內(nèi)層井壁混凝土入模時(shí)產(chǎn)生的水化熱對(duì)外層井壁的影響，并防止外層井壁受到豎向附加力作用下沉?xí)r對(duì)內(nèi)層井壁造成破壞。

3.3 井筒施工情況

萬(wàn)福礦井主井井筒已施工完畢，并順利通過(guò)單項(xiàng)工程驗(yàn)收。井筒施工順利，井壁質(zhì)量?jī)?yōu)良。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)穿過(guò)特深厚不穩(wěn)定沖積層的立井井筒采用凍結(jié)法施工，不但技術(shù)上可行，而且安全可靠。

(2)與高強(qiáng)混凝土井壁相比，鋼纖維高強(qiáng)混凝土井壁的韌性較大，一般不會(huì)突然破壞，因此在深部井壁中采用鋼纖維高強(qiáng)混凝土是可行的和必要的。

(3)在井壁混凝土中使用添加劑，可有效提高井壁結(jié)構(gòu)的初期承載力和極限承載力。

(4)萬(wàn)福礦井主井井筒凍結(jié)不穩(wěn)定沖積層厚度754m，創(chuàng)造了世界紀(jì)錄；最大凍結(jié)深度894m，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)紀(jì)錄。該井筒的順利施工，為相似地層條件下的井筒設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。

[1] 曾凡彪,譚國(guó)龍,郭魯川.斷層破碎帶及富水基巖井筒施工方案及井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建井技術(shù),2015,36(4):5-7.

[2] 崔云龍.簡(jiǎn)明建井工程手冊(cè)(下冊(cè))[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.1155-1170.

[3] MT/T 1124- 2011,煤礦凍結(jié)法開(kāi)鑿立井工程技術(shù)規(guī)范[S].

Construction plan and shaft lining structure design of main shaft in Wanfu mine

Special sinking method must be used in the construction of main shaft in Wanfu mine because the shaft passes through extraordinary deep unstable alluvium. The freeze sinking method and double-layer cast-in-place reinforced concrete shaft lining were used in this design. In addition, the steel fiber reinforced concrete was used in the shaft lining structure which below 600m to ensure the safety and high efficient construction of the mine shaft.

extraordinary deep unstable alluvium; freeze sinking method; double-layer lining; steel fiber reinforced concrete

TD262

B

2017-- 03-- 07

張彥奇(1982-)，男，山東聊城人，工程師，從事礦井設(shè)計(jì)工作。

1672-- 609X(2017)04-- 0038-- 03