杜均莉

井筒是礦井的咽喉，井筒開鑿的工程量雖然僅占全礦井建設(shè)開拓工程量的3%～5%，但井筒施工期卻占礦井建設(shè)總工期的30%～50%。隨著開拓深度的增加，地質(zhì)和水文地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，井筒施工工期占礦井建設(shè)工期的比例也將相應(yīng)增加。國內(nèi)外大量井筒施工實踐表明，在眾多影響建井快速施工的因素當(dāng)中，水害及其防治技術(shù)是最關(guān)鍵的因素。平頂山砂巖，節(jié)理與細(xì)微裂隙極其發(fā)育，含水量大、水壓高，是本地區(qū)建井施工的重大水患，為保證工程的順利進(jìn)行必須治水。研究掌握平頂山砂巖治水方法，關(guān)系到工程成本及進(jìn)度，直接影響井筒工程的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，同時也希望對和平頂山砂巖類似地層治水提供參考。

一、工程概況與研究意義

平煤股份十礦通風(fēng)系統(tǒng)補套北二進(jìn)風(fēng)井井筒掘砌工程是進(jìn)風(fēng)井工程施工過程中的一個重要組成部分，由平頂山平煤設(shè)計院有限公司設(shè)計，該井筒主要擔(dān)任十礦三水平二期開采時期內(nèi)的進(jìn)風(fēng)任務(wù)，設(shè)計井筒凈直徑8m，井口標(biāo)高+223.000m，井底標(biāo)高-896.572m，井深1119.572m

平煤股份十礦北二進(jìn)風(fēng)井位于平頂山市衛(wèi)東區(qū)東高皇鄉(xiāng)土寨溝村，與十礦三水平進(jìn)風(fēng)井相距59m。

參照十礦三水平進(jìn)風(fēng)井施工中的水文報告，預(yù)測北二進(jìn)風(fēng)井井筒兩個含水層最大涌水量為191m3/h，防治水工作是該井筒掘進(jìn)施工過程中的重點。

基于對十礦三水平井筒注漿法鑿井和八礦二井冷凍法鑿井的技術(shù)對比，對二者經(jīng)濟效益的分析進(jìn)行比較，找出最佳的鑿井方法，并在施工中運用這些理論進(jìn)行分析。

對于在含水層多且厚的平頂山地區(qū)進(jìn)行豎井作業(yè)，采用注漿和冷凍都是有效的方法，本文對比分析上述兩種方法施工工藝，找出最適合本地區(qū)的井筒治水方法。

二、技術(shù)方案

目前井筒常用的治水方法為注漿治水和冷凍治水，本成果以平頂山砂巖段（-322-422m）為例。根據(jù)實測地質(zhì)資料和井筒涌水情況，綜合考慮水效果、成本和工期，決定采用工作面預(yù)注漿和壁厚注漿相結(jié)合的綜合防治水方法，使十礦北二進(jìn)風(fēng)井安全通過平頂山砂巖段，通過測水，井筒綜合涌水量2m3/h，達(dá)到設(shè)計要求，即節(jié)約了工期，又節(jié)省了費用。

1.注漿工藝。注漿法（grouting method）是將某些能固化的漿液注入巖土地基的裂縫或孔隙中，以改善其物理力學(xué)性質(zhì)的方法。注漿的目的是防滲、堵漏、加固和糾正建筑物偏斜。目前主要的注漿工藝有：填充注漿、滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿。注漿材料有粒狀漿材和化學(xué)漿材，粒狀漿材主要是水泥漿，化學(xué)漿材包括硅酸鹽（水玻璃）和高分子漿材。

本工程采用的是擠壓注漿，水泥漿與化學(xué)漿并用的施工工藝。

壓密注漿是利用較高的壓力灌入濃度較大的水泥漿或化學(xué)漿液，注漿開始時漿液總是先充填較大的空隙，然后在較大的壓力下滲入土體孔隙。隨著土層孔隙水壓力升高擠壓土體，直至出現(xiàn)剪切裂縫，產(chǎn)生劈裂，漿液隨之充填裂縫，形成漿脈，使得土體內(nèi)形成新的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)。漿脈在形成過程中由于占據(jù)了土體中一部分空間，加上土層內(nèi)孔隙被漿液所滲透，從而將土體擠密，構(gòu)成了新的漿脈復(fù)合地基，改善了土體的強度和防滲性能，同時也改變了土體物理力學(xué)性質(zhì)，提高了軟土地基的承載力。

水泥注漿法適用于砂礫層和巖石裂隙灌漿。一般使用普通硅酸鹽水泥，水灰比采用1比1，可摻入2%～5%水玻璃作速凝劑。注漿使用普通擠壓式灰漿泵，注漿壓力最大不超過1MPa。對滲透系數(shù)小于10.4cm/s的粉細(xì)砂和粘性土，可采用劈裂注漿。劈裂注漿所用水泥漿的稠度較大，水灰比為0.45～0.60。注漿采用花管法和單向閥管法。注漿的最大壓力一般大于4 MPa?；瘜W(xué)注漿法：一般用泵通過注漿管將漿液注入土中。注漿壓力、力、加固半徑等注漿參數(shù)，可根據(jù)地質(zhì)情況、工程要求，通過現(xiàn)場試驗確定。注漿孔在平面上一般按等邊三角形或矩形布置。濕陷性黃土加固半徑一般為0.5～0.7m，加固深度一般為3～8m。根據(jù)地質(zhì)條件，十礦三水平北二進(jìn)風(fēng)井在進(jìn)入含水層時，提前進(jìn)行工作面預(yù)注漿，含水層采用打止?jié){墊進(jìn)行工作面預(yù)注漿。

2.冷凍工藝。凍結(jié)法施工的基本原理為利用土體凍結(jié)后其強度、穩(wěn)定性以及隔水能力大大優(yōu)于天然土的性質(zhì)。在巖土工程開挖之前，在開挖的工程周圍，鉆造鉆孔（凍結(jié)孔），利用人工制冷技術(shù)，通過冷凍孔對地層進(jìn)行制冷，形成一個封閉的凍土結(jié)構(gòu)，隔絕地下水的聯(lián)系，同時抗抵周圍巖土的壓力，確保工程開挖的安全。

冷凍法施工的工藝原理是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，將松散含水巖土變成凍土，增加其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水，以便在凍結(jié)壁的保護下，進(jìn)行地下工程掘砌作業(yè)。它是土層的物理加固方法，是一種臨時加固技術(shù)，當(dāng)工程需要時凍土可具有巖石般的強度，如不需要加固強度時，又可采取強制解凍技術(shù)使其融化。

巖土工程凍結(jié)制冷技術(shù)通常是利用物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，即氣化過程的吸熱現(xiàn)象來完成的。其制冷系統(tǒng)多以氨作為制冷工質(zhì)。使氨由液態(tài)變成氣態(tài)，由氣態(tài)又變?yōu)橐簯B(tài)，如此循環(huán)進(jìn)行，整個制冷系統(tǒng)由三大循環(huán)構(gòu)成：氨循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。這種制冷系統(tǒng)可獲得-35℃左右的低溫鹽水。

立井冷凍鑿井是利用傳統(tǒng)的氨循環(huán)制冷技術(shù)來完成的。它是在井筒開挖之前，用人工制冷的方法，將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個封閉的不透水的帷幕——凍結(jié)壁，用于抵抗地壓、水壓，隔絕地下水與井筒之間的聯(lián)系。而后，在其保護下進(jìn)行掘砌施工。為形成凍結(jié)壁，首先在欲開挖井筒的周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝凍結(jié)器。低溫鹽水在凍結(jié)器中流動，吸收其周圍地層之熱量，形成凍結(jié)圓柱。凍結(jié)圓柱逐漸擴大并連接成封閉的凍結(jié)壁，直至達(dá)到其設(shè)計厚度和強度為止。然后在其保護下進(jìn)行掘砌施工，以便安全穿過含水地層。

三、經(jīng)濟效益分析

1.注漿法鑿井。注漿治水費用：鑿井通過平頂山砂巖段（-322m到-422m），注漿集中在6～9月份，累計施工59天16小時，累計孔深7275m。6月份注漿費用為224.3萬元（平頂山砂巖段注漿費用為112萬元），7月份注漿費用為126萬元，8月份注漿費用為216.7萬元，9月份注漿費用費274.2萬元。共計728.9萬元。endprint

鑿井費用：平頂山砂巖段（-322m到-422m），鑿井從6月25日至10月13日，6月25日～6月30日共施工10米，本月過平頂山砂巖段費用（25～30日）為1788027.12/30*5+488，590.42/25*10=493484元。

7月份共施工25m，本月鑿井費用2245481元。

8月份共施工30m，本月鑿井費用1381523.27+403，855.47=1785378元。

9月份共施工15m，本月鑿井費用1486398.98+604，791.49=2091190元。

10月1日～10月13日共施工20m，本月鑿井費用1317081.82/31*13+ 440，578.83/45*20=748137元。

鑿井通過平頂山砂巖段從2013年6月25日施工至10月13日，共施工100m，鑿井費用=493484+2245481+1785378+2091190+748137=736.367萬元。

注漿費用728.9萬元；鑿井費用736.367萬元。

施工總費用736.367+729.9=1466.267萬元。

延米=1466.267/100=14.66萬元。

總結(jié)：十礦北二進(jìn)風(fēng)井通過平頂山砂巖段累計工期110天，其中注漿59天16小時，費用1466.267萬元，其中729.9萬元注漿費用，736.367萬元鑿井費用。14.66萬元延米費用。

2.冷凍法鑿井。冷凍治水費用：根據(jù)八礦二井凍結(jié)工期，凍結(jié)深度453m，造孔、建立冷凍站泥漿泵站、泥漿池93天，鹽水溝槽及安裝7天，開機至開挖60天，維護凍結(jié)期195天，在維護凍結(jié)期施工30天后可同時進(jìn)行鑿井施工，及冷凍前期準(zhǔn)備工作總工期=93+7+60+30=190天。

參照八礦二井（冷凍法施工），按井筒深度492m計算，凍結(jié)段井筒施工費用3956萬元（含壁間注漿費用），平均8.04萬元/m。

鑿井費用：井筒共施工8個月，每月鑿井費用分別為第一個月施工60m，鑿井費用450萬元；第二個月施工120m，費用825萬元；第三個月施工90m，費用675萬元；第四個月施工40m，費用300萬元；第五個月施工32m，費用243萬元；第六個月施工57m，費用620萬元；第七個月施工44m，費用330萬元；第八個月施工49m，費用480萬元。即施工492m，累計費用3923萬元。延米費用=3923/429=7.97萬元/m

3.總結(jié)。八礦北二風(fēng)井井深492m，工期240天，前期冷凍準(zhǔn)備工作190天，共430天，費用7879萬，其中冷凍費用3956萬元，鑿井費用3923萬元，延米費用=7879/492=16.01萬元。

注漿鑿井工期—冷凍鑿井前期準(zhǔn)備時間=130天8小時。

注漿鑿井延米費—冷凍鑿井延米費=1.35萬元。

即注漿法鑿井比冷凍法鑿井過平頂山砂巖段節(jié)約工期130天8小時，延米節(jié)約費用1.35萬元。

（作者單位：中國平煤神馬集團技術(shù)中心）endprint