山西龍礦主斜井黃土層施工技術的創新與實踐

王延潤WANG Yan-run；王子悅WANG Zi-yue；高兆利GAO Zhao-li；周心剛ZHOU Xin-gang；梁建林LIANG Jian-lin

（山西朔州龍礦能源投資股份有限公司，朔州 036800）

1 礦井整體環境簡介

1.1 礦井概況

山西龍礦投資開發有限公司大恒礦井田位于管涔山脈東麓，呈中山丘陵地貌，地表大部為黃土覆蓋，位于山西省朔州市平魯區陶村鄉，距朔州市14km，距神頭電廠12km，交通運輸極為便利。井田面積6.9km2，保有儲量1.95 億噸，礦井設計生產能力300 萬t/a。

1.2 主斜井布置

主斜井：巷道寬度4.5m，凈斷面14.2m2，傾角15°，斜長860m，主井底部位于到11 號煤層底板。

主斜井設計斷面圖：如圖1 所示。

圖1 主斜井設計斷面圖

1.3 地質概況

地形地貌：井田位于管涔山脈東麓，呈中山丘陵地貌，地表大部為黃土覆蓋。谷中有少量基巖出露，井田內黃土沖溝發育，相間分布有黃土梁峁，地形比較復雜。井田總的地勢為北高，南低。地形最高點為東北部山梁上，標高1325.0m，地形最低點為井田西南部沖溝中，標高1165.0m，最大相對高差160.0m。

2 黃土的物理力學性質

黃土是一種特殊性土，對水極為敏感，當其含水量增大時，具有較大的液化勢和流動破壞勢，成為黃土地區的一大潛在的災害。根據朔州地區建井及建筑物地基勘察資料看出，黃土的物理力學性質有如下特點：黃土的含水量（w）、天然密度（P）度（sr）、液性指數（I）等指標，由于水的浸濕，促使土粒的結合水膜增厚外，粒間也出現了重力水，最終導致土結構中充滿水，必然使土的含水量（w）、天然密度（p）、度（Sr）小液性指數（I.）等指標值顯著增大。黃土的抗剪強度一般較低，這是因為黃土中含有可溶鹽，由于浸水使其內聚力（C）值降低以至消失，加上孔隙水的潤滑作用，導致其抗剪強度降低。黃土的靈敏度和觸變性高，黃土在水的作用下，原始結構遭到破壞，產生濕陷變形。

黃土的承載力情況，據載荷試驗資料，朔州地區黃土承載力一般在70-l30kPa 之間，壓縮系數（a。）一般介于0.3-0.8MPa 之間，屬于高壓縮性土，黃土對外部的影響敏感性較強。隨著黃土深度的增加，黃土高度壓縮，顆粒間的內應力明顯增加，受到掘進施工的擾動時，黃土顆粒間的原始應力平衡被破壞，黃土顆粒間儲存內應力快速釋放，掘進形成的自然拱短時間就被破壞，隨著施工斷面的增加，原始應力平衡破壞往往呈多米諾骨牌效應。

3 在富含水黃土層施工斜井，完成二次支護

當主斜井施工到井口下90m 時，遇到含水層，松散的黃土泥化，粘結成團，大大增加了施工和運輸難度，隨著出水量的進一步加大，黃土泥化成漿狀，不僅鏟車作業效率大幅度下降，而且巷道幫部、頂部的泥化成漿狀的黃土，與水混合成泥漿流，源源不斷地涌入巷道，迎頭坍塌，以致于下山施工的迎頭無法前進。如圖2、圖3 所示。

圖2 巷道頂部的泥化成漿狀的黃土

圖3 巷道幫部的泥化成漿狀的黃土

3.1 U 棚一次支護的具體做法

3.1.1 U 棚配合穿楔進行一次支護

施工前準備：掘進施工前，在已支護U 棚頂穿楔護住頂部，在迎頭安設3 組-4 組腰梁，再打設密集立柱頂住腰梁，腰梁與巖壁間再用大板封嚴，阻止迎臉的坍塌。

U 棚配合穿楔支護：15 度下山施工，采用先下后上的方法支設U 棚，鋼棚間距400-600mm。在迎頭一幫挖水窩，用泥漿泵排水，先挖出另一側的巷幫，樹棚腿，用幫部錨桿臨時固定住；然后，將泥漿泵移支棚腿一幫，用同樣的方法固定住另一棚棚；將維護下山迎臉的立柱、腰梁、大板、鋼管再次進行加固，避免迎臉坍塌。在已支護鋼棚、穿楔和密集立柱的掩護下，挖出棚頂的空間，快速將棚頂與棚腿固定在一起。將新支的鋼棚與已支護好的鋼棚用8 組鋼帶連在一起，在新支鋼棚與巷幫、巷頂間，穿插2 寸鋼管穿楔，鋼管密排，彼此緊靠在一起，起到擋土濾水的作用，完成一架鋼棚的支護。如圖4。

圖4 U 棚配合穿楔支護圖

底板處理：底板的處理是保證巷道支護成功與否的另一關鍵因素。將底板的泥漿挖出后，迅速鋪設一層碎石，塊度200mm 左右，碎石上鋪上厚度300mm 砼，拌料時加入5-10%左右的速凝劑。

鋼棚加強支護：在新支設的鋼棚下，打設單體支柱，對鋼棚起到一定的加強支護的作用，可以減少鋼棚下陷的速度和幅度。單體支柱下穿400mm*400mm*30mm（長度*寬度*厚度）的鐵鞋。單體支柱與棚頂用防倒繩拴住，前后單體支柱間，用防崩鋼管連在一起。

3.1.2 U 棚配合穿楔支護機理

鋼棚與鋼管穿楔配合是剛性支護，有一定的強度和剛度，能有效阻擋住泥化的黃土涌入巷道，同時鋼管與鋼管間隙，是巖層水泄出的通道，保證水和少量黃泥通過穿楔間隙滲流到巷道，起到疏水擋土的作用。

3.1.3 施工泄水立井加快泄水速度

為了改善迎頭的施工條件，在迎頭外施工泄水立井。

①立井布置：在井筒巷底距第四系底界3.1m 時，迎頭后方4m 巷中，施工1 個深4.5m 的小井，小井井底位于基巖以下1.4m。如圖5 所示。

圖5 泄水立井布置圖

②立井結構：疏放降水井凈孔徑為1000mm，井深4.5m，井壁采用方石砌壘，方石與井壁間填充粒徑為0.5-1Omm 的礫石。

③排水疏干：井內安裝10m3/h 泥漿潛水泵，接通電源，保證水泵正常運行。

④施工之初泄水效果不理想，主要是泥水中泥漿較多，加上施工的其它材料混合在泥漿中，造成水泵排水效率低，水泵發熱故障率高。后期采取了泥漿和雜物阻擋過濾，避免其它材料混合在泥漿中，事故率大幅度下降，水泵逐步進入了穩定工作狀態，排水效率明顯提高，現場施工環境得到了一定的改善。

3.2 擴刷、噴漿、澆注二次成巷支護

巷道施工40m 后，迎頭穿過了含水層，經過一段時間的疏水，只有幾個集中的出水點持續出水，但出水量已大幅度下降，在出水點預埋導水管，將水引流到立井集中排出。將變形的鋼棚和穿楔進行整形、擴刷和返修，保證巷道的支護斷面滿足設計要求。

進行噴漿，對鋼棚和穿楔進行封閉，避免失水黃土通過空隙漏入巷道。

導硐開掘10 天巷道狀態破壞如圖6 所示。

圖6 導硐開掘10 天巷道狀態破壞圖

噴漿穩定1 個月后，對巷道支設模板進行澆注，完成永久支護。對個別出水點，注入水玻璃和水泥沙漿，進行堵水。最后有5 個比較大的出水點，堵水效果不明顯，出水量穩定，保留導水管，進行放水、導水，避免水在混凝土巷幫后，大量存積，造成巷道黃土大范圍泥化，對井筒安全構成威脅。

4 在深部帶壓黃土層施工斜井，完成永久支護

井口下180-220m 段，巷道頂部的黃土層深度達到了55-70m，地壓較大，進入黃土深部帶壓區。在頂部黃土壓力下，深部黃土粒的塑性變形量和內應力明顯加大，由于黃土本身松散，膠結性差，掘進時破壞了黃土顆粒間的原始應力平衡狀態，黃土顆粒儲存的內應力彈性釋放，掘進空間隨即垮塌，形成了隨掘隨塌的狀況，無法支設鋼棚。由于黃土持續不斷地垮塌和冒落，巷道頂部的冒落帶延展到地面，以至于地表形成明顯的冒落漏斗。

4.1 先支U 棚頂后支U 棚腿的具體做法

4.1.1 先支U 棚頂后支U 棚腿的施工方法

施工前準備：迎臉采用三道腰梁進行臨時維護，腰梁與迎臉間用大板、背板封閉，背板間接合緊密，減少黃土漏出，用大木楔將大板剎緊剎實。

U 棚配合大板支護：15 度上山施工，采用先上后下的方法支設U 棚，鋼棚間距500-600mm。先將巷道頂部棚頂區域（下部棚腿區域暫不擴刷）擴刷到設計斷面，通過前探梁將棚頂挑起，然后用4 組鋼帶將棚頂與后方鋼棚固定在一起，將棚頂與巷幫間，用背板、大板等嚴密背實剎緊，減少黃土漏出。在棚頂、背板掩護下，將一側棚腿空間挖出，將棚腿與棚頂固定在一起，新支設的棚腿與后方鋼棚腿之間，安設2 組鋼帶固定，棚腿用錨桿固定在巷幫，將棚腿與巷道間用背板、大板背實剎緊，背板之間接合嚴密，避免黃土漏出。用同樣的方法，安裝好另一側棚腿。最后，將棚腿與巷幫之間，打設密集背板噴漿封閉：采用一架棚一噴漿的方法，縮短黃土暴露的時間，減少黃土原始水份的損失。

底板處理：由于黃土層對水敏感，對水進行嚴格管控。一是將巷道底板采用水泥沙漿進行封閉，避免水對底板黃土的浸潤和沖蝕；二是在巷道兩底角預留水溝，利于水的匯集和排放；三是對噴漿等生產用水，進行嚴格管控，減輕水對底板的破壞；四是嚴禁非必要的生產用水。

4.1.2 先支棚頂后支棚腿的支護機理

采用先支頂梁再支棚腿的施工方法，一是明顯縮短了空頂、空幫時間，在自然拱破壞前完成了支護；二是在地壓強一定的情況下，減小了鋼棚間距，縮小空頂面積，壓力明顯減小，小斷面自然拱存在的時間相對延長，滿足一次支護的時間要求；三是支棚后就進行噴漿，及時進行封閉，減少黃土原始含水率的大幅度變化，對保持圍巖的穩定起到一定促進作用。

4.2 再次噴漿

巷道施工10m 后，對巷道進行二次噴漿，對鋼棚和圍巖再次封閉。

4.3 澆注二次成巷支護

對巷道支設模板進行澆注，完成永久支護。

5 結論

山西龍礦主斜井穿黃土層施工，針對富含水黃土層和深部帶壓黃土層的不同地質條件，進行了大量的探索和實踐，實現了黃土層條件下井筒的安全施工，確保了主斜井工程按期順利完成，對黃土層條件下工程地質災害防治工藝技術進行了有益的創新和實踐。