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赵石畔煤矿井筒施工方法的研究和探索

发表时间：2020/6/15 来源：《基层建设》2020年第6期作者：王辉

[导读] 摘要：榆横矿区（南部）赵石畔煤矿井筒最大深度达到557.3m，井筒依次穿越6个含水层，其中：白垩系洛河组最大涌水量154m3/h，侏罗系直罗组最大涌水量67m3/h，建井难度之大在榆横矿区是罕见的，为确保井筒设计和施工安全，井筒施工方法选择至关重要，本文根据井筒设计要求，结合井筒检查勘探地质报告对井筒施工方法选择进行分析。

        陕西能源小壕兔煤电有限公司陕西榆林 719000
        摘要：榆横矿区（南部）赵石畔煤矿井筒最大深度达到557.3m，井筒依次穿越6个含水层，其中：白垩系洛河组最大涌水量154m3/h，侏罗系直罗组最大涌水量67m3/h，建井难度之大在榆横矿区是罕见的，为确保井筒设计和施工安全，井筒施工方法选择至关重要，本文根据井筒设计要求，结合井筒检查勘探地质报告对井筒施工方法选择进行分析。
        关键词：全深冻结法；非全深冻结法；富水洛河砂岩；立井
        1.井筒设计概况
        赵石畔矿井采用立井单水平开拓全井田。主立井、副立井及中央回风立井（初期）均布置在工业场地内，初期拟开凿的三条井筒设计情况如下：
        主立井：井口标高+1212.3m，垂深557.3m，净直径6.5m，装备一对50t箕斗，承担矿井煤炭提升任务，兼作矿井辅助进风。
        副立井：井口标高+1209.9m，垂深524.9m，净直径10.0m，装备两套提升系统。其中一套为特大罐笼+平衡锤提升系统，另一套为交通罐+平衡锤提升系统。
        中央回风立井：井口标高+1212.45m，垂深502.6m，净直径7.5m，担负矿井回风任务，兼作安全出口。
        2.井筒穿越地层的工程地质、含水层及涌水情况
        （一）地层地质及含水层
        根据《井筒检查勘探地质报告》可知，主立井、副立井、中央回风立井三条井筒自上而下依次穿越的地层：第四系、白垩系下统洛河组、侏罗系中统安定组、侏罗系中统直罗组、侏罗系中统延安组。
        三条井筒自上而下穿越六个含水层，依次为：第四系松散岩类孔隙（裂隙）潜水、白垩系下统洛河组砂岩裂隙孔隙承压水、侏罗系中统安定组碎屑岩类裂隙承压水、侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙承压水、侏罗系中统延安组3号煤层顶板碎屑岩类裂隙承压水、延安组3号煤层下部碎屑岩类裂隙承压水。
        （1）、第四系
        该地层主要由风积沙及亚粘土、亚砂土组成，平均厚度60m。
        （2）、白垩系下统洛河组
        该地层主要由各粒级砂岩组成，主要为泥质弱胶结，结构疏松，岩体较破碎，天然状态抗压强度8.46～13.88MPa；为主含水层，富水性中等；平均厚度126.13m。
        （3）、侏罗系地层
        该地层由上至下依次为：安定组、直罗组、延安组，平均厚度分别为125.42m、107.68m、157.65m，详见表1。
        侏罗系地层主要由各粒级砂岩、泥岩、煤层等组成，砂岩多为泥质胶结，少量为钙或硅质胶结，天然状态抗压强度由上到下逐渐升高，最大强度为30 MPa 左右，大多岩层属于较软岩，3号煤层位于延安组三段（J2y3）上部。安定组除底部存在一个弱富水性含水层外，均为隔水层或相对隔水层；直罗组底部和延安组地层中除延安组3号煤顶底板砂岩为弱富水性含水层外，其他岩层基本为隔水层或相对隔水层。直罗组主要含水层位于直罗组下部的中～粗粒砂岩。
        表1 钻孔揭露地层厚度一览表   单位：m

        （二）井筒涌水量预测
        本次《井筒检查勘探地质报告》中采用“大井法”对井筒开凿期间各含水层涌水量情况进行预测，预测结果如下：
        第四系松散层涌水量1～6m3/h；白垩系洛河组涌水量114～154m3/h；侏罗系安定组涌水量16～19m3/h、直罗组涌水量32～67m3/h、延安组上部涌水量8～11m3/h、延安组下部涌水量1～28m3/h。
        井筒开凿到底时涌水量预测：主立井涌水量220m3/h；副立井涌水量263m3/h；中央回风立井涌水量208m3/h，详见表2。
        表2 井筒涌水量预算结果一览表

        3.井筒施工
        3.1井筒施工方法的选择
        井筒施工方法从世界煤矿开采建设技术的发展一般可分为：沉井法、帷幕法、注浆法、冻结法。沉井法施工对沉井的位置标高控制有严格要求，由于赵石畔矿井所在地区特殊的水文地质条件，井筒需穿越数百米的基岩含水层，沉井过程中容易使沉井井身倾斜且不易纠正，随着沉井深度的增加，井壁与井帮的摩擦阻力增加，下沉深度受到限制，世界上最深沉井深度为192.5m。帷幕法为我国独创的特殊施工方法，适用于冲积层中有流沙、淤泥、卵石、砂砾等含水的不稳定岩层，深度不宜超过60m。根据目前国内建井经验，当井筒最大涌水量超过40m3/h时，不能直接开挖要采取一定的注浆封堵措施后才能凿井。根据赵石畔矿井井检孔资料可知，赵石畔井田主要含水层为白垩系下统洛河组，其中：矿井主、副、风井，洛河砂岩组涌水量分别为114m3/h、154m3/h、146m3/h，各含水层涌水量详见表2。洛河砂岩由各粒级砂岩组成，泥质弱胶结，结构疏松，岩体较破碎，天然状态抗压强度8.46～13.88MPa，富水性中等。采用常规的水泥注浆方法解决其渗漏问题效果不好，因为水泥浆是一种悬浮液，而孔隙-微细裂隙双层介质呈散体状结构一般，裂隙网络细微而密集，水泥砂浆的颗粒悬浊特征使其在破碎的岩体中的渗透扩散性及其弱。因此，水量过大时，采用注浆法很难达到预期的堵水效果。冻结法适用性广泛，特别适用于地质条件复杂的富水地层，在富水地层中冻结壁能有效封闭和避免承压水顺井壁上下流通，且相邻的袁大滩煤矿、巴拉素煤矿采用冻结法顺利通过了富水地层，因此赵石畔煤矿主、副、风井井筒施工宜采用冻结法施工。
        3.2井筒冻结深度及层位确定
        井筒冻结法施工又分为全深冻结法和非全深冻结法：
        1、全深冻结法：优点为能有效避免含水层中承压水的涌入，保证井筒安全、快速、一次性到底。缺点为冻结管要穿硐室，解冻后冻结孔环形空间存在导水隐患；若处理不当，存在淹井的可能性。
        2、非全深冻结法：优点为冻结管不穿过马头门和箕斗装载硐室等井筒相关硐室，无需处理穿过硐室的冻结管，工艺相对简单；井筒施工中不存在冻结孔环形空间的导水隐患。缺点为延安组下部含水地层涌水量较大时，难以保证冻结段以下井筒安全、快速到达井筒底部，特别是含有大型硐室（马头门、箕斗装载硐室）的主井、副井井筒。
        赵石畔煤矿主、副、风三条井筒采用全深冻结法方案和非全深冻结方案施工，两者的差异主要体现在基岩段的施工方法上。在非全深冻结法中，未冻段的基岩含水层可能会出水，采取的措施为注浆，而全深冻结中，基岩含水层不会出水，基岩段不用注浆。
        根据《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ213-90）第4.2.2条规定：立井井筒冻结深度必须穿越基岩风化带，深入不透水的稳定基岩10m以上。结合井筒检查孔地质和水文地质资料，白垩系洛河组和侏罗系直罗组涌水量较大，对井筒涌水治理施工影响大，采取的处理措施为冻结。延安四段为弱含水层，单位涌水量q：0.005844（L/s.m），渗透系数K：0.008061（m/d）。该含水层水量小，渗透系数小，易于疏干，对井筒涌水治理施工影响不大，采取的措施为注浆。若对该段基岩进行冻结（目前国内大口径立井延米冻结价格大致在7.5万元上下），三条井筒冻结深度至少共增加240m，相应冻结费用增加1800万元（不包括因政策调整及社会因素造成维护冻结期周期延长造成费用增加）。非全深冻结法施工冻结管和测温管的终孔位置在延安组四段上部，避免出现全深冻结井筒解冻后在施工马头门时容易导致的地下水随着冻结管和测温管形成的环形导水通道损坏马头门及有关硐室岩体引起的水灾，减少了水害，节约了涌水治理费用，保证了马头门及有关硐室快速、安全施工。由此可见非全深冻结法施工是安全、优质、快速、高效、经济的，与全深冻结相比有明显优势。
        最终确定赵石畔煤矿井筒施工采用非全深冻结法施工，井筒冻结深度为穿过侏罗系直罗组进入延安组约30m的稳定基岩，即主立井冻结深度为440m，副立井冻结深度为460m，中央回风立井冻结深度为445m。
        4.结语
        正是由于科学技术的快速发展，使得井筒施工技术水平不断提高。为现场安全管理提升和工作效率提供了较好的保障，同时还促进了相关产业的发展和进步。如何尽可能的避免井筒施工过程中承压水带来的安全隐患，如何有效避免冻结环形空间的导水隐患，如何有效更好的提高施工效率、降低施工成本并确保工程质量，是井筒施工技术研究和发展的方向，同时也希望通过对赵石畔井筒施工方法的研究对榆横矿区（南部）同类矿井井筒施工方法提供普遍的参考价值和指导意义。
        参考文献：
        [1]叶湘.冻结法凿井的若干问题研究[J].中国煤炭，2000，26（1）：23-25；
        [2]杨更社.煤矿立井冻结设计理论的研究现状与展望分析.地下空间与工程学报，201016（3）：627-635；
        [3]彭苏萍，王金安.承压水体上安全采煤[M].北京煤炭出版社，2001。