采用疏干降壓法施工井筒表土層的應用分析

孫正禮 吳敬海

摘 要： 疏干降壓法是借助專門的工程（如疏水巷道、放水鉆孔、吸水鉆孔等）及相應的排水設備，使影響采掘安全的含水層降低水位水壓或造成不同規模的降落漏斗，使之局部疏干，使用疏干降壓法可邊疏壓，邊施工巷道，基本不需停止巷道施工。

關鍵詞： 疏水井；疏干降壓法；經濟實用

1引言

韓臺煤田為山前沖積平原，第四紀沖積物厚度約為28～30m，其下為二疊、石灰紀含煤地層，第四紀沖積物由黃、棕黃、黃褐色粘土、亞粘土組成，中上部具有較多鈣質結核（俗稱姜結石），下部含豆狀鐵錳質結核。從開挖明槽實際揭露情況可知，在無水情況下，粘土呈硬塑狀態，開挖后不垮落，在有水滲流情況下，粘土會不斷崩解，直至形成比較穩定的坡面。

第四紀沖擊層所含潛水主要補給源為大氣降水，地表水具有區域和季節性特征，井筒施工時遇雨水較多，土層中水量較大時增強2～3倍，施工區域潛水面基本為—平面，水的運動方式主要為層流，運動緩慢，與周圍河流的相互補給現象較少。

2井筒施工段工程地質條件

2.1表土層巖性及特征

施工段表土層根據其顏色劃分為四層：

最上層為約2.0m厚的黃色耕作層粘土，顆粒明顯，粘結性大，整體性較好。

其下為厚約5.7m的黃色粘土，含較多直徑2～5cm鈣質結核（姜結石），該層粘土較松散，整體性較差，滲水能力較強。

再往下為厚約13.8m的黃色粘土，含少量的鈣質結核，該層粘土整體性較好，但滲水后即行崩散，在該層粘土中下部夾有0.2～0.8m薄層直徑1～2mm的豆狀、媔粒狀鐵錳質結核（黑沙層），沙層透水性好，穩定性差。

表土層最下部為厚約8.0m的灰白色粘土，含大量直徑3～5cm鈣質結核，該層粘土粘結性好，但滲水后即行崩散。

表土層下為灰白色中砂巖，風化嚴重。

2.2表土層粘土力學性質

通過試驗及資料可知粘土的各項力學指標：含水量W=20%，天然密度p=1.7g/cm3，液限WL=28%，塑性指數IP=12.0，孔隙比e=0.95，壓縮系數為a1-22.5*10-7Pa-1，，承載力為3*105Pa，變形模量E0=20—28MPa，自由膨脹率Fs=20%。

2.3表土層水文地質特性

表土層以大氣降水為主要充水水源，隨著季節變化明顯，在施工期間，根據抽水試驗測得單位涌水量為0.017L/（s.m），在過量開采情況下，土層水位會因水量供給不足而下降。

2.4施工段工程地質評價

2.4.1土層穩定性：粘土層地應力值為15—25MPa，土層強度Rb<30MPa，，該粘土層穩定性差。土層粘聚力C50---80KPa，在自然條件下呈硬塑狀態，在較短時間（3—5d）內呈穩定狀態，開挖不垮落，但粘土水理性質極差，軟化系數僅為0.2—0.5左右，在浸水條件下發生崩解，喪失承載力，其自由膨脹率可達20%左右。

2.4.2土層滲透性：根據抽水試驗可得Q=160m3/d，w=164㎡在穩定平面條件下I=1，由于潛水以穩定層流的方式運動，符合達西定律，有Q=KWI，式中：Q—滲透流量，m3/d：K—滲透系數，m/d；w—過水斷面面積，㎡；I—水力坡度，I=1；由（1）式，可得K=0.98m/d所以該土層屬弱透水層。

3施工方案的選擇

3.1施工方法的比較

因表土層在無水情況下穩定性大幅度提高，因此，斜井表土段施工首先要解決的問題是消除水的影響，在現階段治水主要有以下三種：凍結法，注漿法、疏干降壓法。

3.1.1凍結法：是在井筒開挖之前，用人工制冷方法將井筒周圍的地層凍成一個封閉的不透水帷幕—凍結壁，以抵抗地壓和水壓，隔絕周圍地下水與井筒的聯系，并在其保護下，進行掘砌施工，凍結所用設備安裝及冷凍符合要求約需兩個月，在此期間井筒不能施工，本礦需凍結井筒長度120m，初步計算凍結費用100余萬元，凍結法可完全隔絕井筒與外界水丟的聯系，井筒施工方便。

3.1.2注漿法注漿法：是注入可凝結的水泥、水玻璃混合液，充填土層縫隙，以達到減小井筒通水，為掘砌創造良好工作條件的施工方法。從地面注漿需一個月，工程費用40余萬元。粘土孔隙較小，裂隙少，水泥、水玻璃分子粒度大，不能有效充填期間，井筒周圍土層涌水減小有限，且因水泥與粘土的親合性弱，不能使土層成為比較堅固的整體，不能達到施工要求。

3.1.3疏干降壓法：疏干降壓法是借助專門的工程（如疏水巷道、放水鉆孔、吸水鉆孔等）及相應的排水設備，使影響巷道施工安全的含水層降低水位水壓或造成不同規模的降落漏斗，使之局部疏干，使用疏干降壓發可邊疏壓邊施工巷道，基本不需停止巷道施工。從礦井生產建設實際出發，適于使用抽水大鉆孔，即疏水井。預計投入10萬元即可基本控制住水，實現施工目的。

通過比較，我們認為疏干降壓法經濟實用，比較適合我礦情況，決定施工抽水大鉆孔—疏水井來防治表土層中的水。

3.2疏水井工作原理

為了最大限度的發揮疏水井的功效，在井筒兩側打疏水井進行疏干表土層水，若井筒標高h小于水位降深S1，則井筒處于土層中的水會被疏干，達到施工要求。井筒兩側兩個疏水井同時工作時，符合干擾井群條件，得干擾井群流量公式：

Q總= 式中：Q總—干擾井群總流量，m3/d；K—滲透系數，m/d；H0—靜止水位，m；S0—疏水井中水位降深，m；R—干擾井群區域影響半徑，m；r0—疏水井半徑，m；x1-2—兩疏水井間距離，m；

因井的分布比較集中，降落漏斗接近圓形，其范圍大于井群所占的地段，所以可認為各井的影響半徑相等，并等于區域影響半徑R，且兩井深度、流量相等，由于干擾群基本方程得A點動水位HA=

式中：HA---A點的動水位，m；Q總-----干擾井群總流量，m3/d；其余參數意義同前。選定參數r0=0.3m，H0=28m，S0=28m，X1=X2=5m，X1---2=10m。由（1）可知，單個疏水井工作時流量Q=51.7m3/d在保持水位降深不變情況下，Q總《2Q（4），由（2）（3）（4）可得，HA《5.97m即在S1≤H0--HA≤22.03m范圍內，土層被疏干，隨著疏水井的增多，在保持S0不變的情況下，S1會增大。

在實際布置中，為了最大限度地達到疏水的功效，沿井筒縱向布置成兩組直線排列的疏水井，井間距10m，疏水井與巷道中心間距5m（如圖1所示），疏水直徑600mm，用直徑500mm水泥花管做支護，過濾材料，在水泥花管與井壁與井壁充填直徑10—20mm石子作充填料，由（1）可知各井流量Q≤51.7m3/d，使用10m3/h潛水泵定時排水即可。

4施工效果及經濟效益

4.1疏水井使用后，上部井筒周圍土層中水被疏干，土層在開挖后3—5d內呈穩定狀態，自撐時間大幅度提高，為井筒的支護提供了充足的時間，使掘砌工作順利進行，達到了施工疏水井的目的。

4.2經濟效益

采用疏水井費用低廉，平均每口井花費四千元，主、副斜井兩側施工17口疏水井，總計花費約七萬元，比凍結法和注漿法費用低很多，且不影響井筒施工，工程造價低，工期短，經濟實用。

5結語

疏干降壓對提高巖土層自身穩定性，增大巖土層自撐時間具有明顯效果，尤其是對于粘土巖層，效果更明顯，因粘土層粘著力較大，但水理性質較差，減少了水對粘土的影響，相應就提高了粘土的穩定性。在實際應用中，應注意土層與巖層接觸水的疏干，因疏水井只能是一個個孤立的點，疏水間距不能無限縮小，所以HA不可能為零，即土層與巖層分界處會有動水位。在實際巷道施工時，在土層與巖層分界處涌水量增多，可考慮在巷道的巖、土分界周圍加密布置疏水井，使之呈環形排列，使巷道處于環形排列干擾井群之中，效果會更好。

參考文獻

[1]崔云龍.簡明建井工程手冊（上、下冊）.北京：煤炭工業出版社，2003.

[2]中國礦業大學.井巷工程.第3版.北京：煤炭工業出版社，1991.

[3]陳兆炎等，煤田水文地質學[M].北京：煤炭工業出版社，1989.