常 青，張 磊，史 鑫

(1.山西高平科興趙莊煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400；2.中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100013；3.山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

小保當(dāng)一號(hào)礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15.0Mt/a，由陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司開(kāi)發(fā)建設(shè)，服務(wù)年限74a。礦井2017年4月通過(guò)國(guó)家發(fā)展改革委核準(zhǔn)，2020年6月正式投入生產(chǎn)，是榆神礦區(qū)三期規(guī)劃區(qū)第一個(gè)建成煤礦。礦井主斜井傾角12°，長(zhǎng)度1595m，凈寬5.8m，凈斷面20.2m2，井筒內(nèi)一側(cè)裝備2.0m鋼繩芯帶式輸送機(jī)，另一側(cè)安裝架空檢修裝置并敷設(shè)電纜、管路等。

主斜井井筒是煤礦核心工程，使用年限與礦井服務(wù)年限相同，安全可靠的井筒質(zhì)量是保證煤礦安全高效穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一[1-10]。在該區(qū)域地層中第四系薩拉烏蘇組和保德組巖層軟弱、破碎、涌水量大、易與地表水系溝通，主斜井井筒需長(zhǎng)距離穿過(guò)該地層。榆神礦區(qū)現(xiàn)有煤礦斜井井筒或采用凍結(jié)法施工，或建成后涌水量大，或未穿過(guò)第四系風(fēng)積沙層，可見(jiàn)，已建成礦井井壁質(zhì)量、施工工期、工程造價(jià)等均與該礦井建設(shè)要求有差距。因此，需要對(duì)井筒施工方法和井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[11-15]。

1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

1.1 井筒工程地質(zhì)

小保當(dāng)一號(hào)礦井井田范圍內(nèi)地表全部被第四系風(fēng)積沙及薩拉烏蘇組沙層所覆蓋，根據(jù)井筒檢查鉆孔揭露，井筒范圍內(nèi)地層由老至新共分為五層，具體見(jiàn)表1。

表1 井筒穿過(guò)地層情況表

分析主斜井井筒穿過(guò)的巖層，主要由層狀結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)的巖體組成，大致分為松散層組、極軟巖組、軟巖類(lèi)和較軟巖共4類(lèi)。松散層組主要為沙層組和土層組，沙層組為不良級(jí)配中、細(xì)沙，土體一般處于密實(shí)、濕、可塑狀態(tài)，不具濕陷性；極軟巖類(lèi)(風(fēng)化巖組)巖石膠結(jié)疏松，巖芯十分破碎、強(qiáng)度低，遇水易膨脹、崩解或沿裂隙離析；軟巖類(lèi)主要為粉砂巖、泥巖及互層巖組，飽和抗壓強(qiáng)度14.32MPa；較軟巖類(lèi)由地層中不同粒度的砂巖組成，飽和抗壓強(qiáng)度16.23MPa?？傮w看砂巖組為抗水、抗風(fēng)化和抗凍性較好的巖石，巖石質(zhì)量中等，是井筒區(qū)內(nèi)穩(wěn)定性較好的巖組。

1.2 水文地質(zhì)情況

小保當(dāng)一號(hào)礦井預(yù)測(cè)正常涌水量818m3/h，最大涌水量981m3/h，為水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井。井筒穿過(guò)的含水層由上至下劃分為5層：第一層為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙孔隙潛水含水層，厚度2.87～11.70m，疏松、透水性強(qiáng)、富水性弱；第二層為風(fēng)化基巖裂隙承壓水含水層，厚度7.82～37.48m，巖石疏松、易碎，水位降深9.45～15.13m，富水性較弱；第三層為侏羅系中統(tǒng)安定組基巖裂隙承壓水含水層，厚度4.84～113.00m，富水性弱；第四層為侏羅系中統(tǒng)直羅組基巖裂隙承壓水含水層，厚度59.64～129.10m，富水性弱；第五層為侏羅系中統(tǒng)延安組基巖裂隙承壓水含水層，厚度123.29m。

礦井隔水層主要為新近系保德組紅土和正常基巖中的泥巖和粉砂巖。保德組紅土全區(qū)不均衡分布，厚度6.60～82.27m，部分區(qū)段有“透水天窗”?；鶐r中各含水層段中的泥巖、粉砂巖粒度小、孔隙率小、膠結(jié)致密，是正常基巖含水層段之間相對(duì)隔水層。主斜井穿過(guò)各巖層涌水量情況見(jiàn)表2。

表2 主斜井穿過(guò)各巖層涌水量情況表

2 主斜井施工方法選擇

2.1 影響施工方法的因素

在水文地質(zhì)條件方面，井田內(nèi)地表水系豐富，存在一些季節(jié)性“海子”，部分區(qū)段保德組紅土有“透水天窗”，地表潛水可經(jīng)紅土“天窗”補(bǔ)給風(fēng)化巖裂隙含水層，井筒穿過(guò)該地層時(shí)安全施工和井筒質(zhì)量會(huì)受到影響。選擇井筒位置時(shí)已考慮避開(kāi)井田中等富水區(qū)，以減少井筒涌水量、降低施工難度、防范安全隱患。

在工程地質(zhì)條件方面，對(duì)井筒施工影響較大的巖組主要是第四系薩拉烏蘇組及風(fēng)積沙、新近系保德組，兩個(gè)巖層主要為松散層組和極軟巖組。松散層組主要為沙層和土層，極軟巖類(lèi)飽和抗壓強(qiáng)度平均4.00MPa，軟化系數(shù)0.28，風(fēng)化狀態(tài)下RQD平均值39%。軟弱松散的巖層對(duì)井筒施工方法、井壁支護(hù)、井壁質(zhì)量提出了較高的要求。

2.2 周邊礦井施工情況

設(shè)計(jì)前對(duì)周邊礦井進(jìn)行了調(diào)研，杭來(lái)灣礦井(8.0Mt/a，主斜井14°，斜長(zhǎng)1047m)采用普通法施工，施工期最大涌水量為來(lái)自薩拉烏蘇組含水層的70m3/h；榆樹(shù)灣礦井(10.0Mt/a，主斜井14°，斜長(zhǎng)1267m)采用普通法施工，施工期間最大涌水量80m3/h，保德組紅土厚度約80m，井筒建成后主副斜井總涌水量100m3/h左右；金雞灘礦井(15.0Mt/a)主、副斜井在通過(guò)沙層和土層時(shí)采用凍結(jié)法施工，立風(fēng)井采用全深凍結(jié)法施工；隆德礦井(5.0Mt/a)第四系風(fēng)積沙未覆蓋，立風(fēng)井表土及風(fēng)化基巖段采用凍結(jié)法施工。分析調(diào)研情況，井筒穿過(guò)松散軟弱巖層時(shí)或采用凍結(jié)法施工，或成井質(zhì)量不高，選擇合理的施工方法和可靠的井壁結(jié)構(gòu)是井筒長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

2.3 施工方案比選

根據(jù)該本礦井主斜井穿過(guò)的地層和含水層，結(jié)合周邊類(lèi)似礦井施工情況，設(shè)計(jì)認(rèn)為井田內(nèi)安定組、直羅組、延安組巖層巖石強(qiáng)度基本達(dá)到20MPa且隔水層較豐富，在明槽開(kāi)挖段、安定組、直羅組和延安組正常基巖采用普通法施工是可行的。對(duì)保德組巖層和風(fēng)化基巖段提出3種施工方案進(jìn)行比選。

1)方案一：普通法加注漿法施工。注漿技術(shù)是井巷工程施工中預(yù)防和消除水害的重要手段，所注漿液以充填或滲透等方式驅(qū)走巖石裂隙或孔隙中的水，并將松散巖層膠結(jié)成不透水的具有整體性的巖體，起到封堵裂隙、隔絕水源、加固巖體的作用，然后采用普通法正常掘砌井巷。

2)方案二：凍結(jié)法施工。我國(guó)凍結(jié)施工技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，凍結(jié)法鑿井在煤礦建設(shè)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用、適應(yīng)性強(qiáng)、安全可靠、工期有保證，在特殊鑿井施工方法中占比最大，是煤礦井筒穿越流沙層、松軟巖層、含水層最可靠、最安全的施工方法。

3)方案三：盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法通過(guò)盾構(gòu)外殼和管片支撐四周?chē)鷰r防止發(fā)生坍塌，同時(shí)在開(kāi)挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開(kāi)挖，通過(guò)出土機(jī)械出渣，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片或混凝土襯砌塊形成井壁結(jié)構(gòu)。該方法常用于隧道和地鐵等地下工程，在煤礦中應(yīng)用較少，目前在塔山、同忻等煤礦已有成功經(jīng)驗(yàn)。

以上三種方案中，凍結(jié)法施工技術(shù)成熟、安全可靠、井壁質(zhì)量好，但井筒在表土及風(fēng)化基巖段長(zhǎng)度約330m，凍結(jié)孔工程量達(dá)17萬(wàn)m，凍結(jié)費(fèi)用高昂，加之凍結(jié)斜井掘進(jìn)速度相對(duì)較慢，施工工期無(wú)法滿(mǎn)足施工組織設(shè)計(jì)要求，調(diào)研中礦井也均以立井凍結(jié)為主，故排除方案二。

比較方案一和方案三，盾構(gòu)法比普通法工程投資增加約1.5億元，由于井筒表土段相對(duì)較短，不能完全發(fā)揮盾構(gòu)機(jī)施工速度快、全過(guò)程自動(dòng)化、勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)，同時(shí)施工設(shè)備研制、安裝、施工后回撤周期長(zhǎng)，總工期與普通法施工相比沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。而普通法施工，施工方式及支護(hù)方式靈活，可根據(jù)施工情況靈活調(diào)整工程方案，施工技術(shù)成熟可靠，調(diào)研的杭來(lái)灣礦井采取普通法施工取得了良好的施工效果，為避免施工中井壁涌水量較大等問(wèn)題，在通過(guò)巖層破碎、涌水量大的地段時(shí)可采用工作面預(yù)注漿方法封堵涌水和分段排水，增加施工巖層的穩(wěn)定性。綜合考慮開(kāi)拓方式、地層情況、施工費(fèi)用等因素，最終選擇方案一，即普通法加注漿法的施工方案。

3 井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮井筒圍巖破碎、易變形的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)表土段和風(fēng)化基巖段井壁采用二次支護(hù)方案，一次支護(hù)使用初撐力高、支護(hù)強(qiáng)度大、具有可縮性的U型鋼棚以適應(yīng)松軟圍巖的載荷和變形，待圍巖穩(wěn)定后再施工永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。

礦井主斜井井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)按穿過(guò)地層地質(zhì)條件劃分為4段：①地表風(fēng)積沙較淺，采用明槽開(kāi)挖即可穿過(guò)，即主斜井井口部分采用明槽開(kāi)挖，鋼筋混凝土砌碹支護(hù)，支護(hù)厚度500mm，井筒底部鋪500mm漿砌毛石以防止井筒下沉、變形；②保德組巖層和風(fēng)化基巖段先采用“U29鋼棚+噴射混凝土”作為一次支護(hù)，支護(hù)厚度150mm，待圍巖變形穩(wěn)定后再采用單層鋼筋混凝土砌碹作為二次支護(hù)，支護(hù)厚度350mm；③安定組砂巖段采用錨網(wǎng)索噴加29U型鋼棚聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)厚度150mm，采用?17.8mm×7500mm錨索，錨索排距3000m；④直羅組砂巖段及延安組地層采用普通錨網(wǎng)索噴支護(hù)，支護(hù)厚度150mm，采用?17.8mm×7500mm錨索，錨索排距3000m。砌喧混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋪底和噴射混凝土強(qiáng)度為C30，為防止井筒漏水，施工混凝土添加防水劑。主斜井井筒各地層施工及井壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4 結(jié) 論

礦井主斜井井筒作為主運(yùn)輸系統(tǒng)的核心工程，施工質(zhì)量關(guān)系到礦井長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。本次施工方法選擇和井壁結(jié)構(gòu)方案借鑒周邊礦井施工經(jīng)驗(yàn)、避免了井筒完工后涌水量大等問(wèn)題，特別是根據(jù)隧道施工新奧法理論經(jīng)驗(yàn)將柔性支護(hù)和剛性支護(hù)相結(jié)合應(yīng)用于圍巖破碎的風(fēng)化基巖段、安定組砂巖段，保證了施工進(jìn)度和質(zhì)量，為類(lèi)似地質(zhì)條件下軟弱巖層井筒施工和支護(hù)提供了經(jīng)驗(yàn)。

1)在軟弱松散巖層斜井施工中采用二次支護(hù)方案效果良好，一次支護(hù)應(yīng)借鑒新奧法施工及時(shí)性、封閉性、柔性支護(hù)的特點(diǎn)，防止圍巖松動(dòng)破壞，增強(qiáng)巖層的穩(wěn)定性。

2)U型鋼棚作為臨時(shí)支護(hù)在松軟巖層支護(hù)中具有穩(wěn)定可靠的承載能力，能適應(yīng)松軟圍巖的載荷和適當(dāng)變形，為二次支護(hù)施工提供有利條件，完工后的井筒變形得到有效控制。

3)井筒掘砌過(guò)程中遇到圍巖破碎、涌水量增大等情況，通過(guò)工作面預(yù)注漿、增設(shè)鋼棚、架設(shè)管棚、減少?lài)鷰r暴露時(shí)間、在混凝土中添加防水劑、加密錨桿等方式加強(qiáng)支護(hù)保障施工安全和質(zhì)量。

4)建成后井筒各分部工程質(zhì)量、工程造價(jià)得到有效控制，施工工期滿(mǎn)足施工組織要求，保證了礦井二期工程臨時(shí)運(yùn)輸、通風(fēng)系統(tǒng)的順利形成，目前運(yùn)行狀況良好。