綜合分析工程地質(zhì)條件優(yōu)化立井施工方案

王劍峻

（河北開灤集團(tuán)蔚州礦業(yè)公司，河北 蔚縣 075700）

1 礦井概況

3號礦井位于河北蔚縣，為開灤集團(tuán)規(guī)劃建設(shè)礦井。該礦井地質(zhì)條件、水文條件、工程地質(zhì)條件復(fù)雜。設(shè)計施工立井3個，即主井、副井、風(fēng)井。 井檢1、井檢2、井檢3分別對應(yīng)主井、副井、風(fēng)井的井筒檢查孔，是確定3個井筒施工方案的主要依據(jù)。

2 地質(zhì)條件

2.1 地層

(1) 第四系(Q)。

本地段第四系厚度154.70～171.55m，巖性以褐黃、黃色粉土、粉質(zhì)粘土、粘土為主，夾粉砂、細(xì)砂、砂礫石、礫石層，其中砂礫石、礫石層厚度8.54～20.96m，粉、細(xì)砂厚度3.65～4.20m，最厚在井檢1孔56.44m。與下伏地層呈不整合接觸。

(2) 中侏羅統(tǒng)后城組(J2h)。

厚度200.81～206.81m，頂部巖性為凝灰?guī)r，厚度11.57～21.17m，裂隙較發(fā)育。上部以礫巖夾粗砂巖為主，中下部以巨厚層礫巖為主，夾粗砂巖、砂礫巖。巖石結(jié)構(gòu)成熟度較低，多呈半膠結(jié)，局部松散破碎，與下伏地層呈角度不整合接觸。

(3) 中—下侏羅統(tǒng)下花園組(J1-2x)。

厚度141.66～146.85m，上部以紫紅、灰綠色粉砂巖、細(xì)砂巖為主，夾礫巖，不含煤。下部以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，夾細(xì)砂巖、中砂巖及粗砂巖，含煤層5～8層，可采煤層主要為5號、1號煤。裂隙不發(fā)育，與基底古生界灰?guī)r呈角度不整合接觸。

2.2 構(gòu)造

礦井地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜。本地段井檢1至井檢2孔間構(gòu)造較復(fù)雜，通過二維地震資料及鉆孔所揭露地層巖性及煤層資料分析研究認(rèn)為井田內(nèi)F201逆斷層在此處通過。斷層性質(zhì)為逆斷層，位于北陽莊村北，總體走向E-NE，傾向N-NW，在本井田延展長度2400mm，在本地段斷層傾角15～40°斷距20～30m。

2.3 水文地質(zhì)

(1) 含水層。

依據(jù)井檢孔揭露含水層情況及鉆孔抽水試驗、流量測井等資料綜合分析，含水層由上至下劃分如下：第四系含水層段(分為6個含水層)、基巖風(fēng)化帶含水層(Ⅳ1)、 后城組礫巖含水層(Ⅳ2)、 煤系砂巖含水層(Ⅱ)。天然狀態(tài)下由于穩(wěn)定隔水層的存在，使各含水層間水力聯(lián)系在垂向上不密切。通過高密度電法儀測量，本地段第四系與基巖風(fēng)化帶含水層地下水流向157.5°方向，流速0.72m/d。

(2) 井筒涌水量計算。

井筒涌水量計算采用“大井法”、涌水量增大系數(shù)法和經(jīng)驗公式法分別計算，結(jié)果見表1。

表1 井筒穿過各含水層涌水量計算

從表1中可以看出，副井井筒涌水量最大，風(fēng)井井筒涌水量次之，主井井筒涌量較副井、風(fēng)井小，通過井筒檢查鉆孔第四系含水層抽水試驗資料分析，單位涌水量井檢2孔為0.626 L/(s·m)，井檢3孔單位涌水量為0.597 L/(s·m)，井檢1孔單位涌水量為0.371 L/(s·m)，說明該地段富水性，副井＞風(fēng)井＞主井。

3 工程地質(zhì)

3.1 第四系工程地質(zhì)評價

(1) 粉、細(xì)砂層流動性。

井檢1孔主要分布在孔深31.50～41.40m厚度9.90m，67.05～81.24m厚度14.19m，90.10～113.00m厚度22.90m，117.42～119.90m厚度2.48m，155.93～159.20m厚度4.07m，總厚度53.54m。井檢2孔主要分布在孔深22.25～23.55m厚度1.30m，144.72～147.62m厚度2.90m，總厚度4.20m。井檢3孔主要分布在孔深50.20～53.30m，厚度3.10m。以上這些較細(xì)的砂層存在且位于地下水位以下呈飽水狀態(tài)，井筒開挖疏排地下水水力坡度增大，極易引起砂體流動及坍塌，給井筒施工造成困難。如井檢1孔粉砂總厚度56.44m，單層最厚22.90m，這些較細(xì)的砂層存在極易產(chǎn)生砂體流動，對井筒開鑿將產(chǎn)生不利影響。

(2) 粘性土膨脹性。

井檢2孔第22層粘土層，孔深123.80～129.11m厚度5.31m，此層膨脹性試驗自由膨脹率45%。井檢3孔第21粘土層128.60～131.60m厚3.00m，膨脹性試驗自由膨脹率40%，為膨脹性粘土,對井筒開鑿不利。

3.2 基巖工程地質(zhì)評價

(1) 基巖風(fēng)化帶。

本地段基巖風(fēng)化帶厚度11.75～21.17m，巖性為凝灰?guī)r，抗壓強度低1.4～10.0MPa，巖石RQD指標(biāo)10%～38%，堅硬程度屬軟巖—極軟巖，為不穩(wěn)定巖層。

(2) 后城組礫巖段。

該地段上部夾粗砂巖，中下部為巨厚層礫巖，巖石結(jié)構(gòu)成熟度較低，礫石膠結(jié)(泥沙質(zhì)膠結(jié))極其松散，粒徑0.5～110mm，厚度177～189m，抗壓強度5～13MPa，堅硬程度屬軟巖，為不穩(wěn)定巖層。

(3) 井底車場頂板以上巖石。

礦井設(shè)計井底車場標(biāo)高為+540m，主要井下建筑物為井底車場、煤倉、水平運輸大巷等。巖性為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及中砂巖、粗砂巖，巖石RQD指標(biāo)60%～90%，抗壓強度粗、中、細(xì)砂巖為11.6～12.2MPa，粉砂巖、泥巖14.8～18.1MPa，巖石堅硬程度屬軟巖—較軟巖，為較穩(wěn)定至不穩(wěn)定巖層。

(4) 斷層帶。

根據(jù)井田二維地震資料及井筒檢查鉆孔地層分析對比，在主、副井筒之間存在兩個逆斷層即F201和F201-1。井檢1孔在6號頂板以上見擠壓破碎帶，斷層的存在破壞了巖層的穩(wěn)定性，容易發(fā)生片幫。

3.3 施工條件綜合分析

井筒所穿過的第四系含水層(含基巖風(fēng)化帶)由于涌水量較大，通過強含水層防治水具有相當(dāng)難度。第四系夾有較厚的粉、細(xì)砂層，井筒開挖易產(chǎn)生流動，第四系下部局部粘土層為膨脹性土。據(jù)附近鉆孔資料，本地段第四系黃土中多處發(fā)育黃土喀斯特現(xiàn)象(土洞、溶洞)。副井東側(cè)井檢2孔沖積層段沒有封孔，很有可能將第四系各含水層導(dǎo)通，使水文條件更加復(fù)雜。風(fēng)化帶巖石屬軟-極軟巖，后城組礫巖為軟巖，固結(jié)程度較差及受構(gòu)造影響，部分巖層松散破碎，為不穩(wěn)定巖層，工程地質(zhì)條件不良。井底車場頂板以上巖石屬軟—較軟巖，為較穩(wěn)定至不穩(wěn)定性巖。對于井筒施工影響較大的是第四系含水層和后城組不穩(wěn)定礫巖。

4 井筒設(shè)計

4.1 主井

凈直徑5.0m，布置一對14t非標(biāo)多繩箕斗，180mm×180mm×8mm方形鋼罐道及罐道梁，并敷設(shè)通訊、信號電纜。該井承擔(dān)礦井煤炭提升任務(wù)。

4.2 副井

凈直徑7.0m，布置一對1.5t雙層四車多繩罐籠(一寬一窄)，方形鋼罐道，設(shè)置玻璃鋼復(fù)合材料梯子間，并敷設(shè)排水、壓風(fēng)，供水管路及動力、通訊、信號、安全監(jiān)測電纜。該井主要擔(dān)負(fù)全礦井人員、設(shè)備材料與矸石等輔助提升任務(wù)，兼作礦井主要進(jìn)風(fēng)及安全出口。

4.3 風(fēng)井

凈直徑6.0m，內(nèi)設(shè)玻璃鋼復(fù)合材料梯子間，并敷設(shè)灌漿管路。該井擔(dān)負(fù)全礦井回風(fēng)兼作安全出口。井筒特征見表2。

5 施工方案優(yōu)化

5.1 井筒施工方案

(1) 基本方案。

主、副、風(fēng)井的均要穿過約154～171m左右厚的表土段，該地層主要由粘土、砂礫石、卵礫石及砂質(zhì)粘土層等組成?；鶐r段多由中、粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粘土巖組成。表土段賦存第四系含水層六層，其中富水性弱含水層3層，富水性弱－中等含水層1層，富水性中等含水層2層，計算主、副、風(fēng)井井筒涌水量分別為165、365、320m3/h。基巖段含水層富水性弱—中等。計算涌水量分別為84、91、34m3/h，第四系沖積層不僅厚度大且涌水量大，故表土段和基巖風(fēng)化帶采用凍結(jié)法施工，基巖段采用普通法施工，對于基巖富水性較強段采用工作面注漿。

表2 井筒特征

(2) 第四系注漿+凍結(jié)。

對于井筒施工危害較大的是第四系④、⑤、⑥三個含水層和基巖風(fēng)化帶含水層。在凍結(jié)孔造孔施工中，選取一定數(shù)量的凍結(jié)孔作為注漿孔，對上述強含水層段先行預(yù)注漿，充填洞隙，帷幕截流堵水，使注漿和冷凍產(chǎn)生疊加效應(yīng)，避免古河床式卵礫石含水層(動水)凍結(jié)失敗而突水。在蔚州礦區(qū)類似條件已經(jīng)發(fā)生過井筒凍結(jié)一年沖積層含水層尚沒有交圈井筒無法通過含水層的先例，不得不采取在維持凍結(jié)的情況下，地面施工4個注漿孔累計注漿1476m3才得以交圈。也就是說，在極復(fù)雜的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件下，單純的冷凍和單純的注漿方案均無把握取得成功，采取注漿+凍結(jié)的復(fù)合方式是最合理的方案。在第四系沖積層水文條件復(fù)雜區(qū)域，采取注漿+凍結(jié)的方案已經(jīng)取得成功的經(jīng)驗。

(3) 后城組圍巖加固。

對于后城組礫巖，由于壓實度較差、呈松散體結(jié)構(gòu)，澆筑砼后，圍巖與砼井壁磨擦力很小，形不成有效的抱合力，井壁極易出現(xiàn)下沉和不均衡受力，對井壁造成破壞。因此設(shè)計在井筒通過凍結(jié)段后，在井筒底施工鉆孔對對不穩(wěn)定松散巖層進(jìn)行注漿加固改造，增強井壁圍巖的承載力。

(4) 巖土錨固。

從沖積層-后城組礫巖段井壁，每間隔30m，水平方向打入一組φ108mm鋼管錨固樁(至少3根，每根3～5m，水平平均排列)并進(jìn)行注漿加固，使井壁與圍巖之間連鎖，防止井壁因圍巖條件不良而不均衡受力導(dǎo)致對井壁的破壞。在沒有采取巖土錨固措施的其他相似條件礦井已經(jīng)出現(xiàn)井壁環(huán)形裂縫出水、井壁變形導(dǎo)致罐道梁彎曲等影響井筒正常使用的問題。井筒是煤礦使用期限最長的永久性工程，百年大計質(zhì)量為本。對于特殊的地層條件采取預(yù)防性防治措施比出現(xiàn)問題后再治理投資要小，而且不影響正常生產(chǎn)。

5.2 井壁結(jié)構(gòu)

(1) 表土段。

根據(jù)井筒穿過地層的水文地質(zhì)條件，確定主、副、風(fēng)井表土段采用凍結(jié)法施工。主井井筒的內(nèi)外井壁總厚度為900mm，副井井筒的內(nèi)外井壁總厚度為1100mm，風(fēng)井井筒內(nèi)外壁的總厚度為950mm。

(2) 基巖段。

基巖段的主井、副井和風(fēng)井井筒均采用普通法施工，素混凝土井壁。主井井壁厚度為450mm，副井、風(fēng)井井壁厚度為500mm。在風(fēng)化基巖帶下較穩(wěn)定巖層中砌筑壁座，后城組礫巖極不穩(wěn)定層段井壁采用鋸齒結(jié)構(gòu)，以增加井壁穩(wěn)定性，相應(yīng)增加鋼筋并提高砼強度等級至C30。

5.3 施工方法

(1) 凍結(jié)段施工方法。

凍結(jié)表土層掘進(jìn)采用中心回轉(zhuǎn)抓巖機直接破土裝罐和人工風(fēng)鎬、鐵鍬掘進(jìn)刷幫，井筒內(nèi)全部凍實或進(jìn)入風(fēng)化基巖段后采用鉆爆法施工。外壁砌筑采用3.0～4.0m高單縫伸縮式整體移動金屬模板，采用TDX-1.6底卸式吊桶輸送混凝土。井筒外壁全部掘砌完畢后，進(jìn)行內(nèi)壁套筑，采用1m高度組合式金屬模板自下而上一次連續(xù)砌筑至永久鎖口標(biāo)高。

5.3.2 基巖段施工方法

采用機械化施工作業(yè)線，短段掘砌混合作業(yè)方式。傘鉆打眼，深孔光面光底爆破，中心回轉(zhuǎn)抓巖機裝巖，兩套單鉤吊桶提升，座鉤式自動翻矸，鏟車配合自卸式汽車排矸，3.0～4.0m高液壓伸縮整體下移式金屬模板砌筑，兩臺JS-500型強制式攪拌機攪拌混凝土，φ159mm溜灰管下砼。