何 剛

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

礦山工程建設(shè)中，施工立井時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到井筒涌水量很大的情況。由于井筒涌水量很大，許多礦井不得不采用特殊鑿井法。立井特殊鑿井法是指在松軟不穩(wěn)定的含水層或在穩(wěn)定的、但涌水量很大的裂隙巖層或破碎帶中，預(yù)先采取特殊的技術(shù)措施改善立井施工的地質(zhì)條件，再進(jìn)行井筒施工的方法稱為特殊鑿井法。例如凍結(jié)法[1-5]、注漿法、帷幕法、沉井法等都是特殊鑿井的施工方法，特殊鑿井法特點(diǎn)就是投資很大，不過(guò)風(fēng)險(xiǎn)很小。

注漿分為地面預(yù)注漿、工作面預(yù)注漿。由于很多地區(qū)含水層為孔隙水，施工時(shí)直接進(jìn)行注漿，無(wú)法保證注漿效果，而且容易出現(xiàn)漏漿、跑漿的情況。技術(shù)不可控，投資也大，有失敗的案例，在西部地區(qū)很少應(yīng)用[6-10]。

目前西部地區(qū)對(duì)于井筒涌水量很大的立井普遍采用施工方法為凍結(jié)法。凍結(jié)法施工技術(shù)可控，不過(guò)投資巨大[11-13]。另外立井井壁支護(hù)厚度大，有一些礦井的井壁厚度已經(jīng)達(dá)到2 m多。由于采用高標(biāo)號(hào)混凝土，水化熱問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決，具有內(nèi)層井壁厚度大、立井井壁需要綁扎鋼筋量大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、井壁施工工期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，井壁施工質(zhì)量不易保證。井壁重量增加后，容易造成井壁脫落、井壁發(fā)生斷裂等情況的發(fā)生[14-17]。

1 礦山滲井注漿型鑿井施工方法

為保證立井井筒施工的順利進(jìn)行，必須確保井筒涌水量要小，不影響井筒的施工質(zhì)量及安全。目前能實(shí)現(xiàn)該方法的特鑿主要是4種方法，分別是鉆井法、凍結(jié)法、帷幕法和沉井法。

鉆井法是用鉆頭破碎巖石，用泥漿洗井排砟和護(hù)壁，待井筒鉆至設(shè)計(jì)直徑和深度以后，在泥漿中下沉預(yù)制井壁的機(jī)械化鑿井方法。

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，把天然巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技術(shù)。

帷幕法是在設(shè)計(jì)井筒周圍形成一封閉圓筒狀、深度穿過(guò)含水不穩(wěn)定地層進(jìn)入穩(wěn)定基巖的混凝土帷幕，從而在其保護(hù)下安全進(jìn)行井筒掘砌作業(yè)。

沉井法是在土層開(kāi)挖前，把預(yù)先制好的一段6～7 m長(zhǎng)的整體井壁，靠自重局部沉入土中，然后在它的掩護(hù)下，邊掘進(jìn)邊下沉，相應(yīng)砌筑井壁。

礦山滲井注漿型鑿井施工方法是在井下巷道已建成的前提條件下，再施工新增井筒。該方法利用滲井原理將目標(biāo)含水層(井筒要穿過(guò)的涌水量很大的含水層)的水排至井下要疏泄的含水層。再通過(guò)井下巷道的疏水泄壓鉆或千米定向鉆對(duì)井筒周圍要疏泄的含水層進(jìn)行疏水降壓，這樣就形成了疏水漏斗，同時(shí)形成了環(huán)形的截水井，井筒可以采用普通鉆爆法進(jìn)行干井作業(yè)。待井筒通過(guò)目標(biāo)含水層一定距離后，采用滲井里面的注漿管對(duì)滲井及圍巖進(jìn)行注漿封堵，或通過(guò)工作面預(yù)注漿對(duì)周圍圍巖進(jìn)行注漿，也可待井筒施工完畢后再進(jìn)行注漿。

2 礦山滲井注漿型鑿井施工方法設(shè)計(jì)

根據(jù)井筒直徑大小、涌水量、含水層厚度，利用干擾井群的計(jì)算公式計(jì)算滲井的個(gè)數(shù)；在井筒周圍布置滲井(圖1)；利用滲井將目標(biāo)含水層排至井下要疏泄的含水層；通過(guò)井下巷道的疏水泄壓鉆或千米定向鉆對(duì)井筒周圍該含水層進(jìn)行疏水降壓(圖2)；鉆爆法開(kāi)挖井筒并施工井壁；待井筒施工過(guò)目標(biāo)含水層后，采用滲井里的注漿管對(duì)滲井及周邊圍巖進(jìn)行注漿封堵，也可以利用工作面預(yù)注漿[5-6]對(duì)滲井及周邊圍巖進(jìn)行注漿封堵。再通過(guò)埋設(shè)在滲井里的注漿管對(duì)滲井及圍巖進(jìn)行注漿形成帷幕[7](圖3、圖4)。其中1-滲井；2-圍巖；3-井筒；4-目標(biāo)含水層；5-隔水層；6-疏水泄壓含水層；7-隔水層；8-含水層；9-疏水泄壓鉆或千米定向鉆；10-立井井壁；11-注漿帷幕。

圖1 滲井平面布置Fig.1 Plane layout of seepage well

圖2 滲井疏排目標(biāo)含水層剖面Fig.2 Profile of drainage target aquifer of seepage well

圖3 注漿形成帷幕平面Fig.3 Plane of curtain formed by grouting

圖4 注漿形成帷幕剖面Fig.4 Profile of curtain formed by grouting

舉例說(shuō)明：據(jù)某礦井筒要穿過(guò)地層有第四系(Q)，白堊系洛河組(K1l)、宜君組(K1y)，侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)、直羅組(J2z)、延安組(J2y)和侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f1)，其中第四系、白堊系洛河組、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)為主要含水層，其它為相對(duì)隔水層。

根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件，K1l及J2y含水層為無(wú)限承壓含水層，隨著井筒開(kāi)拓及井筒排水，承壓水頭降至含水層以下時(shí)，則由承壓轉(zhuǎn)為無(wú)壓。故選用承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓公式計(jì)算。井筒涌水量計(jì)算公式如下

式中，Q為井筒涌水量，m3/d；k為滲透系數(shù)，m/d；H為水頭(柱)高度，m；h為剩余水頭高度，m；M為含水層厚度，m；R為影響半徑，m；r0為大井引用半徑，m；R0為引用影響半徑，m。

設(shè)計(jì)采用滲水井的直徑為600 mm，注漿管直徑為150 mm。滲井深度580 m。由于K1l、J2y的2層含水層涌水量很大，因此2層為目標(biāo)疏水含水層。根據(jù)布置鉆孔個(gè)數(shù)，確定干擾井[8-9]的涌水量，使得干擾井的涌水量小于等于井筒涌水量。

計(jì)算公式如下

式中，K為滲透系數(shù)，從表1中可知，目標(biāo)含水層4的滲透系數(shù)為0.179 44 m/d，注水的含水層6的滲透系數(shù)為0.239 47 m/d；M為含水層厚度，從表1中可知，目標(biāo)含水層4的厚度為99.69 m，注水的含水層6的厚度為42.91 m；RO為影響半徑，K1l含水層影響半徑為1 417.86 m，J2y含水層影響半徑為2 711.83 m；n為滲井個(gè)數(shù)，35個(gè)；sw為抽水井中水位降深，K1l含水層為334 m，J2y含水層為554 m；Q為井筒涌水量，K1l含水層為5 164.45 m3/d，J2y含水層為5 028.21 m3/d；r為設(shè)計(jì)井筒凈半徑2.5 m。

井筒涌水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 井筒涌水量計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of shaft water inflow

3 礦山滲井注漿型鑿井施工優(yōu)點(diǎn)

與注漿法相比，由于采用滲井原理，將目標(biāo)含水層的水排至可疏泄的含水層，鑿井時(shí)可實(shí)現(xiàn)打干井，且在疏水過(guò)程中滲井周圍含水層中的孔隙會(huì)不斷增大，后期進(jìn)行注漿時(shí)則更容易形成環(huán)形封閉空間(帷幕)。

與凍結(jié)法相比，由于施工時(shí)通過(guò)注漿管對(duì)滲井及圍巖進(jìn)行注漿加固，形成帷幕，相當(dāng)于增大了井壁厚度，大大增強(qiáng)了抵抗水壓的能力。立井井壁仍然為普通鉆爆法[18-22]施工的設(shè)計(jì)，井壁支護(hù)厚度小，混凝土標(biāo)號(hào)低，具有質(zhì)量可控，投資少的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)滲井注漿型鑿井施工方法，可降低立井井筒施工期間的井筒涌水量，再采用普通法進(jìn)行井筒施工，由于帷幕的形成，直接封閉了外部水源，相當(dāng)于增大了立井井壁的厚度，井筒施工具有質(zhì)量可控、工人勞動(dòng)強(qiáng)度小、工期可控、投資少等優(yōu)點(diǎn)。

(2)滲井注漿型鑿井法適用于井筒比較淺，或者井筒深度較大，井下有排水巷道或可施工定向鉆對(duì)注水含水層進(jìn)行疏降水的礦井，尤其適用于已建成礦井后期新增井筒的施工。