鹽井二礦水倉優(yōu)化設計與施工

陶金

【摘要】 本文以鹽井二礦-150m水平井底車場水倉為例，通過分析其圍巖層位、性質(zhì)，經(jīng)過技術經(jīng)濟比較，并結合現(xiàn)場實際，進行巷道優(yōu)化設計，調(diào)整設計方案，該方案在滿足規(guī)范要求及安全使用前提下，既加快了施工進度，又節(jié)約了投資，取得了較好的經(jīng)濟效益。

【關鍵詞】 水倉、優(yōu)化設計、灰?guī)r溶蝕帶。

1 引 言

水倉是礦井排水系統(tǒng)的重要工程，其布置方式的合理性、布置層位的穩(wěn)定性以及容量的大小嚴重影響著礦井的安全。鹽井二礦-150m水平井底水倉起初按照重慶一三六地質(zhì)隊提供的資料設計，但在內(nèi)水倉施工過程中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件發(fā)生變化，水倉所處層位圍巖破碎并夾雜黃泥，嚴重影響了巷道掘進及永久使用，為避免外水倉受此影響，需要對外水倉進行優(yōu)化設計。

2 礦井概況

鹽井二礦隸屬于重慶天弘礦業(yè)有限責任公司，位于瀝鼻峽煤田鹽井礦區(qū)南部，北與鹽井一礦相鄰，為合川市鹽井街道所轄，井田南北走向長約5.1km，東西平均寬約0.791km，面積約4.0453km2。

本礦采用主斜井-副立井的綜合開拓方式，共劃分兩個水平，一水平為-150m水平，二水平為-350m水平。鹽井二礦為煤與瓦斯突出礦井，水文地質(zhì)類型為中等，-150m水平正常涌水量為6556m3/d，最大涌水量21504m3/d，井底車場設內(nèi)、外水倉各1條。

3 水倉設計與施工情況

鹽井二礦為在建礦井，我公司于2010年10月對鹽井二礦-150m水平井底水倉進行了施工圖設計，設計采用內(nèi)外水倉的形式，內(nèi)外水倉各布置一條，位于嘉陵江茅口灰?guī)r中，水倉斷面設計為三心拱，支護方式為噴射混凝土，厚度50mm，斷面內(nèi)鋪設軌道，便于檢修。根據(jù)-150m水平的涌水量，設計水倉總長度590.2m，總容量4803m3，有效容量4000m3，礦井于2011年初開始施工。水倉布置平面圖見圖3-1，水倉主要參數(shù)見表3-1。

4 外水倉優(yōu)化設計

4.1優(yōu)化設計的必要性

根據(jù)施工安排，內(nèi)水倉先于外水倉施工。起初，內(nèi)水倉在施工過程中一切正常，巷道施工層位也符合預期，全部位于嘉陵江灰?guī)r中。但當內(nèi)水倉巷道施工至K0+86m時，巷道巖性發(fā)生變化，圍巖變得破碎，并夾雜黃泥，由于巖性的變化，內(nèi)水倉施工速度大大降低，巷道施工過程中頂板安全威脅加大。

為了準確的探明地質(zhì)構造，礦方利用現(xiàn)有地質(zhì)資料，根據(jù)施工中曾經(jīng)遇到過的構造情況，采用計算機分析軟件建立區(qū)域三維地質(zhì)模型、合成大量鉆孔參數(shù)的方法，基本推斷該構造為"灰?guī)r溶蝕帶"，并繪制出灰?guī)r溶蝕帶區(qū)域平面圖，見圖4-1-1。

從平面圖可以看出，"灰?guī)r溶蝕帶"對礦井-150m水平內(nèi)外水倉均有影響，但是對外水倉影響巨大。內(nèi)水倉從K0+86m進入"灰?guī)r溶蝕帶"地層后，直到巷道施工結束，將受"灰?guī)r溶蝕帶"破碎區(qū)域影響，考慮到內(nèi)水倉大部分已形成，若重新選擇位置施工，則浪費投資，若改變布置方案，水倉長度及容量也會減少，所以，經(jīng)研究決定，內(nèi)水倉加強支護方式，仍按原設計繼續(xù)施工。而對于外水倉，預計從K0+111m將進入"灰?guī)r溶蝕帶"破碎區(qū)域，從K0+127m將進入"灰?guī)r溶蝕帶"嚴重破碎區(qū)域，至整個巷道結束都將受到不同程度影響，影響長度240m。顯然，-150m水平外水倉若采用原設計繼續(xù)施工，則技術上不可行、經(jīng)濟上不合理、安全上不可靠，故有必要對-150m水平外水倉進行優(yōu)化設計。

圖4-1-1 灰?guī)r溶蝕帶區(qū)域平面圖

4.2可能布置區(qū)域分析

同樣，根據(jù)上述分析"灰?guī)r溶蝕帶"區(qū)域位置時建立的三維地質(zhì)模型，在合成-150m水平軌道石門及井底車場鉆孔參數(shù)后，礦方繪制了-150m水平外水倉可能布置的區(qū)域圖，見圖4-2-1，矩形陰影部分為合理布置區(qū)域，其全部位于嘉陵江灰?guī)r內(nèi)，長約250m，寬約119m，面積約29750㎡。

圖4-2-1 可能布置的區(qū)域

4.3 方案比選

從圖4-2-1可知，可布置區(qū)域范圍相對較小，由于-150m水平水泵房已形成，換言之，即外水倉的一端位置已固定，同時，考慮到水倉的長度、容量、可放炮施工位置以及鋪軌等因素，綜合分析，設計提出了兩個方案進行比選：

方案一：外水倉仍按原設計施工，過破碎帶采用"錨網(wǎng)+鋼拱架+噴射混凝土"的方式加強支護。

方案二：外水倉重新選址，優(yōu)化設計，擬在井底車場左側-150m水平軌道石門KO+94m處開口施工外水倉，水倉入口通道與軌道石門夾角50°，聯(lián)絡巷施工20m后經(jīng)29°轉彎施工清理斜巷，再經(jīng)過兩次90°轉彎最終與配水井連接。設計注意到，由于可布置區(qū)域范圍較小，水倉長度受限，如果外水倉沿用原設計斷面，將達不到設計容積，故考慮采取減小水倉長度，增大水倉斷面的方式保證水倉容積。調(diào)整后，斷面由三心拱變更為半圓拱，凈面積由7.3㎡變更為9.1㎡。

優(yōu)化設計后，外水倉布置位置詳見圖4-3-1，外水倉主要設計參數(shù)詳見表4-3-1。

5 綜合效果對比分析

5.1施工成本對比分析

施工成本主要包括掘進成本和支護成本，兩個方案外水倉參數(shù)對比見下表。

從表中可以看出，方案二外水倉優(yōu)化設計后，長度減少了62.2m，但掘進斷面積增加了2.1㎡，參考施工單位工程報價，方案一原設計斷面綜合掘進單價按5500元/m計算，方案二優(yōu)化后斷面綜合掘進單價按6000元/m計算。

此外，方案一中，外水倉有240m受"灰?guī)r溶蝕帶"影響，需要加強支護，參考內(nèi)水倉過"灰?guī)r溶蝕帶"的支護方式，設計采用"錨網(wǎng)+鋼拱架+噴射混凝土"加強支護，方案一還需計算這240m巷道的加強支護成本。加強支護成本如下：

根據(jù)上述分析，方案一外水倉施工費用=348.2×5500+8661.9×240=399.4萬，方案二外水倉施工費用=286.0×6000=171.6萬，方案二比方案一節(jié)省投資227.8萬，方案二優(yōu)勢明顯，且水倉作為特殊功用巷道，布置在堅硬的灰?guī)r中減少了后期巷道維護費用。

5.2 掘進速度對比分析

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，內(nèi)水倉在"灰?guī)r溶蝕帶"掘進過程中，由于既要兼顧安全，還要采取加強支護措施，巷道只能采取"一掘一支"，巷道施工進度極其緩慢，綜合進度只有40m/月；如果巷道在全灰?guī)r中掘進，月進度能達到80m/月。

從表中我們可以清楚的看到，方案二，優(yōu)化設計后，巷道有效避開"灰?guī)r溶蝕帶"影響，巷道掘進時間比方案一縮短了3.8個月。

5.3 安全效果對比分析

方案一，若按原設計施工，水倉放炮后，受"灰?guī)r溶蝕帶"地質(zhì)構造影響，巷道自穩(wěn)能力極差，巷道變形較快，且"灰?guī)r溶蝕帶"中富含黃泥等遇水膨脹物，容易發(fā)生局部垮塌，頂板安全威脅極大，現(xiàn)場施工工人心理負擔極大。

方案二，優(yōu)化設計后，外水倉全部布置在普式系數(shù)f=7～10的堅硬灰?guī)r中，圍巖完整，頂板安全威脅較小，安全效果更好。

因此，方案二比方案一安全效果更好。

5.4 施工難度對比分析

"灰?guī)r溶蝕帶"由于富含裂隙水，現(xiàn)場積水嚴重，且無法砌筑水溝，磧頭積水不能排除，現(xiàn)場施工工人小腿以下均泡入泥漿中施工，施工環(huán)境極差；而且受黃泥影響，部分地段無法使用耙渣機出矸，完全靠人工出矸，工人勞動強度極大，工作效率極低。水倉巷道設計采用C15混凝土鋪底。在實際施工過程中，由于底板受水浸泡變得松軟，無法進行鋪底。

而方案二，優(yōu)化設計后，巷道全部進入灰?guī)r內(nèi)施工，底板基本無積水，工人作業(yè)條件得到了極大的改善，而且可全部使用爬渣機出矸，提高了工作效率，底板鋪底作業(yè)也更容易，施工難度大大減低。

因此，方案二比方案一更容易施工。

6 結論

通過上述幾個方面的分析對比，最終選擇方案二作為外水倉的布置方式。

鹽井二礦-150m水平水倉工程于2013年6月全部完成，至今已使用2年多，從現(xiàn)場使用效果來看，外水倉的優(yōu)化設計是成功的，避免了潛在的安全威脅，降低了施工難度，加快了施工進度，節(jié)約了施工成本，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟利益。

7 結束語

對于采礦專業(yè)井巷工程設計，由于礦井地質(zhì)條件復雜多變，所以，設計人員應該多思考，充分結合現(xiàn)場條件，靈活設計，并且不斷優(yōu)化方案，為煤礦創(chuàng)造效益。