轉龍灣煤礦東立風井過風積砂含水層工程實踐

倪禮強 盧曉磊 劉露生

（中鼎國際工程有限責任公司，江西 南昌 330096）

立井施工過程中常常會遇到流砂層，而流砂層的存在給立井的安全施工帶來了嚴峻的挑戰。目前針對立井過流砂含水層的施工方法主要有管井降水法、高壓旋噴樁帷幕法、沉井法、置換注漿法及凍結法等[1]，而針對立井過風積砂含水層的研究相對較少。本文以轉龍灣煤礦東立風井過第四系風積砂含水層的工程實踐為例，對相關工藝及施工要點進行研究，旨在為今后類似工程項目施工提供借鑒。

1 概況

轉龍灣煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮東勝區南東約30km，礦區地層從上至下依次是全新統第四系（Q4）、侏羅系中統直羅組(J2zh)、侏羅系中和下統延安組第五段（Jl-2y5）。其中全新統第四系為風積砂層，其表土由風積砂、粘土組成，松散，塑性差，滲水性較好。東風井施工區域含水層主要有第四系松散巖類孔隙潛水含水組、侏羅系碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水巖組，各含水層之間基本沒有水力聯系。從第四系底板起至Ⅱ-3煤層之間的巖層主要為泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及膠結好的砂巖，為較好的隔水層。根據轉龍灣煤礦水文地質類型劃分報告等資料綜合分析，東風井施工時正常涌水量為10m3/h，最大涌水量為15m3/h。

轉龍灣煤礦東回風立井井口標高+1283m，井筒位于礦井工業廣場西側。井筒設計荒徑為5m，凈直徑4m，井筒設計深度106.5m，井筒結構采用單層井壁，配置雙層鋼筋，壁厚度500mm，混凝土強度C35。井筒最初采用普通鑿井法施工，并輔以管井降水法改善工作面作業條件，但隨開挖深度的不斷增加，涌水量超過了預計的涌水量，亟須調整輔助降水方案。

2 風積砂含水層施工方案

2.1 施工方案選擇

項目工期、現場條件、地質情況等因素是制約施工方案選擇的重要因素，東立風井主要考慮井壁及工作面涌水對施工安全的影響，需進行方案對比。

（1）凍結方案。沿井筒外圍凍結孔，使用制冷及散熱設備利用循環鹽水將井筒外壁形成一圈不透水的帷幕，即防止含水層的涌水進入工作面，又加固了井壁。但整個井筒的工程量只有106m，性價比不高，而且采用凍結方案，前期準備時間長，不能滿足建設單位對工期的要求。

（2）注漿方案。通過打垂直孔注水泥/化學漿置換土中砂礫，使井筒外圍也像凍結方案一樣形成一圈不透水的帷幕，同時也加固了井壁圍巖。但考慮到井筒外20m范圍內有一口生活用水井，注漿勢必會對水井水質造成污染，而且根據風積砂的特性，粒徑小，孔隙密，漿液擴散半徑小，止水加固效果難以保證。

（3）旋噴樁方案。在井筒外圍施工一圈或兩圈相互咬合的垂直旋噴樁，以達到止水、加固的目的，是一種備選方案。

（4）管井降水方案。在井筒外圍施工若干降水井，用潛水泵不間斷抽水，利用降水漏斗原理，使水位低于掘進工作面，方案簡單，投入少，工期短。

通過方案對比，本次施工選用管井降水方案，即隨著井筒掘進工作面的不斷加深，先后布設19口直徑800mm、深度45～60m管井。如圖1所示。

圖1 管井降水布置圖

施工過程通過井外降水并輔以工作面抽水，安全通過了K0-K0+39風積砂含水層。但當掘進至K0+39m位置（還剩1.5m即將進入基巖段）時，井內外抽水總量已經達到170m3/h，同時工作面涌水、涌砂量增多，繼續掘進已無法確保施工安全，需調整施工方案。

2.2 施工方案調整

項目組研究決定采取多圈徑向管路截水輔以分區開挖和分區臨時支護施工手段，方案如下：

（1）井內截水方案。截水施工之前，首先將井壁按永久支護的方式砌筑到工作面迎頭。然后在井壁K0+38.5、K0+38兩個里程位置沿掘進方向45°徑向施工2排環形輔助孔截水，孔口間排距約0.5m，呈梅花狀布置。截水孔平剖面示意圖如圖2所示。

圖2 截水孔平剖面示意圖

每個孔內埋入直徑50mm、厚度5mm的PE管，其管底至風積砂層與基巖層交接面處。截水管上端1m為實管，下端為花管（濾水孔5mm），花管段外裹3層濾水土工布，底端封口處理。

每根管上端采用T型接頭串聯環形接通，并采用IS80-50-250型真空水泵負壓抽水，將水抽至吊盤水箱后再排出井外。

（2）掘砌方案。通過外降內截措施，井筒工作面涌水、涌砂的情況基本上得到了有效遏制，為掘進施工創造了有利條件。工作面采用分區分層開挖（分區如圖3所示）、先臨時支護再永久支護的方案進行施工。

圖3 分區分層開挖施工示意圖

首先以井筒中心為中心將井筒斷面劃分為16個區域，按順序開挖。每開挖完1個區域空間（深度0.25m）及時安裝自制扇形鐵盒子（扇形鐵盒子示意圖如圖4所示）作為臨時支護。開挖完一圈再繼續開挖下一層（深度0.25m），自上而下開挖進入基巖中。掘進到位后，按設計要求綁扎鋼筋（鐵盒子側面預留穿鋼筋的孔，鐵盒子超出井壁內輪廓線外的部分切除）后，澆筑C40抗滲混凝土。

3 結論

（1）將建筑工程富水軟土基坑開挖工法應用于礦建工程，通過井外降水+井內截水+分區分層開挖措施的綜合應用，有效解決立井穿越風積砂含水層的難題。實時評估施工風險，動態調整施工方案，確保井筒安全、順利掘進。

（2）不足及展望。方案選擇時未充分考慮管井降水的難度和效率，如果采用雙層垂直旋噴樁帷幕止水方案，或許在作業條件、施工進度及工程質量等方面可以做得更好。

（3）施工中對地表沉降及潛水位動態觀測、記錄不到位，應通過單井和多井抽水試驗取得含水層有關參數，作為降水方案設計的輸入條件，使降水方案[2]更加合理。

（4）轉龍灣煤礦東立風井工程較厚風積砂含水層施工，應用井外降水+井內截水+分區分層開挖綜合技術措施是可行的，采用其他技術方案是否可行及更優還有待進一步研究、實踐和綜合評價。

圖4 扇形鐵盒子示意圖