轉(zhuǎn)龍灣煤礦東立風(fēng)井過風(fēng)積砂含水層工程實(shí)踐

倪禮強(qiáng) 盧曉磊 劉露生

（中鼎國(guó)際工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330096）

立井施工過程中常常會(huì)遇到流砂層，而流砂層的存在給立井的安全施工帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前針對(duì)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(jié)法等[1]，而針對(duì)立井過風(fēng)積砂含水層的研究相對(duì)較少。本文以轉(zhuǎn)龍灣煤礦東立風(fēng)井過第四系風(fēng)積砂含水層的工程實(shí)踐為例，對(duì)相關(guān)工藝及施工要點(diǎn)進(jìn)行研究，旨在為今后類似工程項(xiàng)目施工提供借鑒。

1 概況

轉(zhuǎn)龍灣煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮(zhèn)東勝區(qū)南東約30km，礦區(qū)地層從上至下依次是全新統(tǒng)第四系（Q4）、侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2zh)、侏羅系中和下統(tǒng)延安組第五段（Jl-2y5）。其中全新統(tǒng)第四系為風(fēng)積砂層，其表土由風(fēng)積砂、粘土組成，松散，塑性差，滲水性較好。東風(fēng)井施工區(qū)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(lián)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(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及膠結(jié)好的砂巖，為較好的隔水層。根據(jù)轉(zhuǎn)龍灣煤礦水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告等資料綜合分析，東風(fēng)井施工時(shí)正常涌水量為10m3/h，最大涌水量為15m3/h。

轉(zhuǎn)龍灣煤礦東回風(fēng)立井井口標(biāo)高+1283m，井筒位于礦井工業(yè)廣場(chǎng)西側(cè)。井筒設(shè)計(jì)荒徑為5m，凈直徑4m，井筒設(shè)計(jì)深度106.5m，井筒結(jié)構(gòu)采用單層井壁，配置雙層鋼筋，壁厚度500mm，混凝土強(qiáng)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(yè)條件，但隨開挖深度的不斷增加，涌水量超過了預(yù)計(jì)的涌水量，亟須調(diào)整輔助降水方案。

2 風(fēng)積砂含水層施工方案

2.1 施工方案選擇

項(xiàng)目工期、現(xiàn)場(chǎng)條件、地質(zhì)情況等因素是制約施工方案選擇的重要因素，東立風(fēng)井主要考慮井壁及工作面涌水對(duì)施工安全的影響，需進(jìn)行方案對(duì)比。

（1）凍結(jié)方案。沿井筒外圍凍結(jié)孔，使用制冷及散熱設(shè)備利用循環(huán)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(jìn)入工作面，又加固了井壁。但整個(gè)井筒的工程量只有106m，性價(jià)比不高，而且采用凍結(jié)方案，前期準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，不能滿足建設(shè)單位對(duì)工期的要求。

（2）注漿方案。通過打垂直孔注水泥/化學(xué)漿置換土中砂礫，使井筒外圍也像凍結(jié)方案一樣形成一圈不透水的帷幕，同時(shí)也加固了井壁圍巖。但考慮到井筒外20m范圍內(nèi)有一口生活用水井，注漿勢(shì)必會(huì)對(duì)水井水質(zhì)造成污染，而且根據(jù)風(fēng)積砂的特性，粒徑小，孔隙密，漿液擴(kuò)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(dá)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(jìn)工作面，方案簡(jiǎn)單，投入少，工期短。

通過方案對(duì)比，本次施工選用管井降水方案，即隨著井筒掘進(jìn)工作面的不斷加深，先后布設(shè)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(fēng)積砂含水層。但當(dāng)掘進(jìn)至K0+39m位置（還剩1.5m即將進(jìn)入基巖段）時(shí)，井內(nèi)外抽水總量已經(jīng)達(dá)到170m3/h，同時(shí)工作面涌水、涌砂量增多，繼續(xù)掘進(jìn)已無法確保施工安全，需調(diào)整施工方案。

2.2 施工方案調(diào)整

項(xiàng)目組研究決定采取多圈徑向管路截水輔以分區(qū)開挖和分區(qū)臨時(shí)支護(hù)施工手段，方案如下：

（1）井內(nèi)截水方案。截水施工之前，首先將井壁按永久支護(hù)的方式砌筑到工作面迎頭。然后在井壁K0+38.5、K0+38兩個(gè)里程位置沿掘進(jìn)方向45°徑向施工2排環(huán)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(gè)孔內(nèi)埋入直徑50mm、厚度5mm的PE管，其管底至風(fēng)積砂層與基巖層交接面處。截水管上端1m為實(shí)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(lián)環(huán)形接通，并采用IS80-50-250型真空水泵負(fù)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(nèi)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(jìn)施工創(chuàng)造了有利條件。工作面采用分區(qū)分層開挖（分區(qū)如圖3所示）、先臨時(shí)支護(hù)再永久支護(hù)的方案進(jìn)行施工。

圖3 分區(qū)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(gè)區(qū)域，按順序開挖。每開挖完1個(gè)區(qū)域空間（深度0.25m）及時(shí)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(shí)支護(hù)。開挖完一圈再繼續(xù)開挖下一層（深度0.25m），自上而下開挖進(jìn)入基巖中。掘進(jìn)到位后，按設(shè)計(jì)要求綁扎鋼筋（鐵盒子側(cè)面預(yù)留穿鋼筋的孔，鐵盒子超出井壁內(nèi)輪廓線外的部分切除）后，澆筑C40抗?jié)B混凝土。

3 結(jié)論

（1）將建筑工程富水軟土基坑開挖工法應(yīng)用于礦建工程，通過井外降水+井內(nèi)截水+分區(qū)分層開挖措施的綜合應(yīng)用，有效解決立井穿越風(fēng)積砂含水層的難題。實(shí)時(shí)評(píng)估施工風(fēng)險(xiǎn)，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方案，確保井筒安全、順利掘進(jìn)。

（2）不足及展望。方案選擇時(shí)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(yè)條件、施工進(jìn)度及工程質(zhì)量等方面可以做得更好。

（3）施工中對(duì)地表沉降及潛水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)、記錄不到位，應(yīng)通過單井和多井抽水試驗(yàn)取得含水層有關(guān)參數(shù)，作為降水方案設(shè)計(jì)的輸入條件，使降水方案[2]更加合理。

（4）轉(zhuǎn)龍灣煤礦東立風(fēng)井工程較厚風(fēng)積砂含水層施工，應(yīng)用井外降水+井內(nèi)截水+分區(qū)分層開挖綜合技術(shù)措施是可行的，采用其他技術(shù)方案是否可行及更優(yōu)還有待進(jìn)一步研究、實(shí)踐和綜合評(píng)價(jià)。

圖4 扇形鐵盒子示意圖