二石磕煤礦緩坡副斜井施工方法探討

黃小平

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

橫山縣波羅鎮二石磕煤礦(以下簡稱“二石磕煤礦”)位于橫山縣北部，屬于地方民營煤礦。設計生產能力為0.60 Mt/a。采用斜井開拓方式，擔負礦井材料和人員等輔助提升的副斜井，斜長1 460 m，傾角5.5°。初步設計副斜井松散層段斷面如圖1所示，基巖段斷面如圖2所示。由于該區域第四系沙層較厚，風化基巖段富水性較強。參照臨近礦井施工經驗，采用普通施工方法在松散層和風化基巖段施工過程中容易出現潰水潰沙等安全隱患，嚴重影響井筒施工安全。因此，為了確保二石磕煤礦緩坡副斜井施工安全和進度，需要對副斜井井筒施工方法進行探討。

圖1 副斜井松散層段斷面

圖2 副斜井基巖段斷面

1 副斜井工程及水文地質

1.1 副斜井工程地質

副斜井穿過的地層，由老至新依次為三疊系上統延安組、侏羅系中下統延安組、侏羅系中統直羅組和第四系上更新統薩拉烏素組和風積砂層。

井筒圍巖特征，上部為第四系松散層，厚度約為25 m；其下為土層，厚度約為17 m；土層之下主要是風化基巖，厚度約為15.2 m；風化基巖之下為正常基巖，正常基巖主要為粉砂巖和細粒砂巖，厚度約為49.80 m。其中副斜井穿過的各地層中，第四系松散層和風化巖組均為不穩定地層；正常基巖段為中等穩定地層。

1.2 副斜井水文地質

第四系松散巖類孔隙裂隙潛水：第四系全新統沙層含水層，其巖性為黃褐色中細沙。厚度35.50～42.80 m，單位涌水量0.065 7 L/(s·m)，該含水層為弱富水性；第四系上更新統薩拉烏蘇組黃土孔隙裂隙潛水分布于全區，厚度8.00～20.05 m，巖性為棕黃色砂質黃土，單位涌水量0.025 1 L/(s·m)，該含水層為弱富水性。

侏羅系中統碎屑巖類風化裂隙潛水：分布于區內基巖的頂部，厚度12.15～17.50 m，單位涌水量0.052 81 L/(s·m)，該含水層為弱富水性。

中侏羅統碎屑巖類孔隙裂隙承壓水：分布于基巖風化裂隙帶以下，含水層以中、細粒砂巖為主，厚度為58.90～69.10 m。單位涌水量0.002 8 L/(s·m)，該含水層為弱富水性。副斜井井筒預計涌水量見表1。

表1 副斜井井筒預計涌水量計算參數及計算結果參數

2 副斜井施工方法選擇

二石磕煤礦煤層埋深在120 m左右，相對較淺，根據礦井開拓布局，副斜井采用5.5°的緩坡斜井，輔助運輸系統較為簡單。但是副斜井穿過的地層，工程地質條件較差，水文地質條件較為復雜；特別是在風化基巖段井筒涌水量達89.5 m3/h。副斜井穿過的地層約60%為松散層及風化基巖，圍巖穩固性較差，井筒涌水量與神府礦區相比，該區域井筒涌水量相對較大，井筒施工難度大。該區域無緩坡斜井施工先例，暫無可參考的經驗數據。因此，針對本礦井緩坡副斜井提出地面預降水法、凍結法和注漿法施工。接下來對上述幾種可行的井筒施工方法進行分析比選[1-4]。

2.1 地面預降水法

地面預降水法，是指在井筒周圍一定范圍內，施工若干降水井，由排水設備抽取地下水，形成降水漏斗，使地下水位一直低于掘進工作面，這是掘進工作面順利施工的一種施工方法。該施工方法多用于立井施工中。二石磕煤礦副斜井在沙土層之上可采用地面預降水法，在沙層段先進行明槽開挖，待穩定后進硐施工。在風化基巖段和正常基巖段，如井筒深部采用降水措施，因垂深大、布孔多，且降水效果也存在一定的不確定性，故不適合全長施工采用地面預降水法[5]。

2.2 凍結法

凍結法施工在煤礦建設中，特別是針對井筒涌水量大、沙層厚，易形成潰水潰沙的井筒施工比較常用的并且具有明顯優勢的一種施工方法。既可用于沙土層中不穩定的含水層，又可用于穩定基巖含水層；既可應用于立井井筒施工，也可以應用于斜井井筒施工、平巷及風道口工程，適應性強，安全可靠，工期有保證。因此在礦井井巷工程特殊施工方法中，特別是在立井施工中所占比例最大。目前，我國凍結法施工技術已達到世界領先水平，已成為煤礦井筒穿越流砂層、松軟巖層、含水巖層最可靠和最安全的施工方法[6-8]。

二石磕煤礦鄰近的大海則煤礦、門克慶礦井等立井井筒，均采用凍結法施工，已經取得了較好的施工效果，確保了礦井項目的整體建設要求。斜井凍結法目前在國內已完成施工的有內蒙古新街礦區馬泰壕煤礦主斜井、山西呂梁龐塔煤礦主斜井、峰峰礦業集團查干淖爾煤礦主斜井和潞安古城煤礦主斜井工程。其中凍結斜長最長的是古城煤礦主斜井，斜長505.5 m，垂深147 m。

二石磕煤礦緩坡副斜井若采用凍結法施工，通過對國內已施工井筒的實際費用調研，斜井凍結綜合平均費用約30萬元/m，井筒凍結段掘進速度相對較慢(約40 m/月)，施工工期長。整個緩坡副斜井采用凍結法，總施工費用大約為4.38億元，工期大約為36個月。

2.3 注漿+普通施工法

注漿治水技術是井巷工程施工和礦井采掘過程中預防和消除水害影響的重要手段之一。近年來，特別是在我國陜北地區榆橫礦區，多個礦井在井筒施工中采用該技術。該區域井筒穿過地層的普遍特征均為厚沙層、涌水量相對較大、風化基巖破碎含水。該區域在二石磕煤礦附近的小紀汗煤礦井筒，采用德國巴斯夫公司生產的美固MP325注漿材料進行壁后注漿，濕噴混凝土，取得了良好的施工效果。

井筒預注漿分為地面預注漿和工作面預注漿兩種施工方法。地面預注漿在立井施工中，由于其注漿工藝具有高效、可靠的特點，得到了廣泛應用；但同時其存在鉆孔深度大，鉆孔偏斜率控制要求高，對注漿設備能力和注漿技術要求比較高，工程費用高等特點。二石磕煤礦穿過的地層與小紀汗煤礦和大海則煤礦斜井穿過的地層條件相比較為簡單，井筒深度淺、井筒涌水量也相對較小。在施工過程中，借鑒小紀汗煤礦和大海則煤礦的注漿施工經驗，可優先選用德國巴斯夫公司生產的美固MP325注漿材料，采用工作面預注漿技術[9-13]。

二石磕煤礦緩坡副斜井充水層位主要為松散沙層段、黃土層段、風化基巖段和3#煤層上部的正常基巖段。井筒的主要充水途徑為松散砂層孔隙和巖層中發育的風化裂隙及構造節理裂隙和粗顆粒巖層的孔隙。以圍巖孔隙涌水和裂隙滲水為主要充水方式。

通過分析二石磕煤礦緩坡副斜井工程地質及水文地質資料，該副斜井具備采用普通法施工的條件。在松散層和風化基巖段涌水量相對較大，圍巖穩定性差。在此段可先采用工作面預注漿，之后采用普通法施工井筒。綜上所述，我們認為，只要采取合理的施工方案及施工組織形式，二石磕煤礦緩坡副斜井松散層及風化基巖等破碎圍巖段含水層推薦采用工作面預注漿+普通法掘進+壁后注漿封水的施工方法。二石磕煤礦緩坡副斜井普通法+注漿技術主要經濟技術指標如下。

2.4 工期與造價

施工總工期：為15.6個月，其中松散層及風化基巖段長約415.0 m，月進度按60 m考慮，工期6.9個月。土層及基巖段長694 m，月進度按80 m考慮，工期8.7個月。

井筒造價：松散層段4.60萬元/m，基巖段4.50萬元/m。每米井筒排水電費0.50萬元，松散層及風化基巖段壁后注漿造價6.5萬元/m。注漿段長約415.0 m，井筒總造價合計約為8 459.5萬元。

3 結論

(1)二石磕煤礦緩坡副斜井采用普通法+注漿施工方案，工程總投資較凍結法施工方案節省3億元左右；由于普通法+注漿施工方案所用的施工機械簡單，設備制造、回撤工期短，雖然井筒施工速度相比傳統的普通施工法慢，但總工期仍然少于凍結法施工方案約20個月；普通法+注漿施工方案，施工方式及支護方式靈活，風險小，可隨時調整，施工技術可靠性更高一些。

(2)二石磕煤礦緩坡副斜井采用注漿+普通施工方法，施工工藝簡單，井筒工程造價較低，施工速度有保證；預計二石磕煤礦在松散層和風化基巖段采用注漿工藝后，再加上配套的排水措施，可以達到預期的施工效果。

(3)通過對二石磕煤礦緩坡副斜井施工方法選擇的分析探討，提出了在該區域緩坡副斜井穿過松散層和風化基巖等破圍巖破碎段時，宜采用注漿+普通施工方法，也為本礦井其他斜井和鄰近相似地質條件的礦井斜井施工提供了借鑒和參考。