内蒙古白家海子矿井井壁结构及施工方法论证

田昌富 齐宝健

(中煤科工集团南京设计研究院有限公司，江苏 南京 210031)

内蒙古白家海子矿井井壁结构及施工方法论证

田昌富 齐宝健

(中煤科工集团南京设计研究院有限公司，江苏 南京 210031)

以内蒙古白家海子煤矿为工程背景，根据矿井井筒穿过地层的地质及水文地质情况，确定了井筒的施工方法及井壁的结构设计技巧，并对其进行了详细的阐述，以获得最佳的施工效果。

井筒，地质，井壁，结构

随着西部大开发战略的实施和不断深入，我国迎来了有史以来最大规模的煤矿新井建设期。由于东、西部岩层岩性差异较大，在西部地区，特殊凿井法施工有较大规模的应用。目前，我国较常用且较为成熟的特殊凿井方法有冻结法、钻井法、预注浆法(含地面预注浆和工作面预注浆法)等施工方法。

1 工程概况

白家海子煤矿是内蒙古鄂尔多斯联海煤业有限公司正在兴建的15 Mt/年特大型矿井，位于鄂尔多斯市乌审旗南部，隶属鄂尔多斯市乌审旗管辖。根据矿井开拓部署和通风安全要求，本矿井共设主井、副井、中央回风井和中央进风井四个立井井筒；其设计净直径分别为9.5 m，10.5 m，7.0 m，6.8 m；井筒深度分别为765 m，755 m，704 m，679 m。根据白家海子矿井提供的井筒检查钻孔资料，白家海子矿井主井、副井、中央回风井、中央进风井井筒自上而下依次穿过的地层为:第四系、白垩系志丹群、侏罗系(安定组、直罗组和延安组)地层。

2 井筒穿过地层的地质及水文地质情况

1)第四系为风积沙层，岩性主要为粉细沙，松散，颗粒级均匀，分选好，沙层厚度大，结构松散；白垩系地层多为紫红色砂岩组成，泥质胶结，弱固结～半固结状，胶结松软；岩石平均抗压强度均小于30 MPa，属软弱岩类岩石；侏罗系地层由砂岩、粉砂岩、泥岩及砂质泥岩和煤层组成，其中安定组、直罗组以泥岩、砂岩为主；延安组以砂岩为主。砂岩多为泥质胶结，少量钙、硅质胶结。侏罗系地层岩石强度一般大于30 MPa，大多为半坚硬类岩石。2)随着深度增加各类岩石强度值也随之增高；岩体完整性中等～较完整，总体中等完整；岩体质量差～中等，总体中等。局部岩石由于受应力作用，岩芯破碎，尤其是泥岩、砂质泥岩类，岩石质量较差。3)井检孔所穿过地层划分四个含水层，其中第四系含水层富水性中等；白垩系含水层富水性中等；侏罗系安定组、直罗组含水层富水性弱；侏罗系延安组含水层富水性弱。4)各井检孔所预计井筒涌水量有较大差异，说明地层富水性不均一，其中白垩系含水层井筒预计涌水量(主井257 m3/h、副井240 m3/h、回风井252 m3/h、进风井257 m3/h)较大，侏罗系地层虽然富水性弱，但井筒涌水量(主井369 m3/h、副井358 m3/h、回风井241 m3/h、进风井235 m3/h)也较大。

3 井筒施工方法及井壁结构设计

3.1 本矿井及相邻矿井地质情况

1)白垩系地层不仅含水较丰富，地层多为紫红色砂岩和粉砂岩组成，弱固结～半固结状，胶结松软。岩石固结程度较低，且胶结物多为泥质，岩层可注(注浆)性较差。虽然岩石完整程度较高，但岩石的抗压强度较低，岩体质量差。2)侏罗系地层多为半坚硬岩层，有三个主要含水层组水量较大。3)井筒开凿后，实际揭露的含水层涌水量与井筒检查钻孔预计涌水量相比，均有一定差异(大多偏大)。4)井筒设计直径大，掘砌速度慢，空帮时间长，围岩涌水较大且岩性差时不仅容易发生片帮等事故，井壁质量也难保证。

3.2 几种特殊凿井施工方法

根据对白家海子矿井井筒将穿过地层的地质及水文地质情况分析，认为白家海子各井筒应采用特殊凿井法施工。

1)冻结法。人工地层冻结法(简称“冻结法”)，是利用人工制冷技术使地层中的水结冰,把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下工程的联系,以便在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以加固地层。冻结法施工适用于各种不稳定的冲积地层、含水岩层和溶洞、断层等复杂地层；目前，冻结法凿井技术已成为东、西部地区煤矿井筒穿过冲击层、软弱地层含水层时的主要特殊施工方法。冻结法施工主要优点为：适应性强；施工速度快，井筒施工工期相对较短；成井垂直度好，断面利用率高，有利于井筒装备的安装和使用；井筒施工期对环境无污染，噪声小。存在的主要缺点：井筒施工时存在冻结管断裂破坏隐患；受井筒施工方法限制，井内工作条件、混凝土养护条件差等。2)钻井法。钻井法是用大型井筒钻机钻头破碎岩土，用泥浆进行洗井、排碴和护壁，当井筒钻至设计直径和深度后，在泥浆中悬浮下沉预制井壁，然后壁后充填固井的一种机械化凿井方法。钻井法施工适用于各种含水的冲积地层及中等硬度以下的岩层。钻井法施工具有机械化程度高、投资省(与冻结法相比)、井壁在地面预制，质量好等优点；主要缺点为施工速度慢、工期长，有提升设备的井筒需考虑井筒偏斜的影响。3)注浆法。注浆法是利用泵压，通过注浆孔将配置好的、具有充塞胶结性能的浆液灌注到地层的裂隙、空隙和空洞中，浆液经扩散、凝固硬化后，使地层具有更高的强度、密实性和不透水性。注浆法，可分为地面预注浆和工作面预注浆两种注浆方式，其适用条件及优缺点比较如表1所示。

表1 注浆法分类、适用条件及优缺点比较表

3.3 白家海子矿井井筒施工方法

冻结法和钻井法是目前我国煤矿立井井筒穿过冲积地层及不稳定岩层采用较多、较为成熟有效的两种特殊凿井施工方法。

冻结法、钻井法施工的优、缺点比较如表2所示。

表2 冻结法及钻井法施工的优、缺点比较表

白家海子矿井井筒将穿过的地层中，除上部第四系地层为细砂外，其他均为岩层，除上部白垩系地层为软弱岩层外，侏罗系地层大多为半坚硬类岩石，少量为坚硬岩层；采用钻井法施工坚硬岩层时，施工速度慢、刀具磨损快，成本高；中煤科工集团南京设计研究院、煤科总院建井所、安徽理工大学以及中煤第三建设(集团)有限责任公司四家单位联合对内蒙古鄂尔多斯地区采用钻井法施工立井井筒进行研究论证，结果表明：在本地区，较小直径的井筒采用钻井法施工从理论上、技术上都是可行的，目前正在进一步的研讨、准备实施之中；但对于较大直径的主、副井井筒，在厚度较大的半坚硬(少量为坚硬)岩层的侏罗系地层中钻进，目前钻机性能尚不能完全满足要求。因此，设计认为本矿井井筒尚不适合采用钻井法施工。

所以，对于岩层岩性很差且富水性不均一的白垩系及以下地层，只有采用冻结法或预注浆法进行治理。

白家海子矿井采用注浆法或冻结法施工比较如表3所示。

表3 白家海子矿井井筒采用注浆法或冻结法施工比较表

冻结法封水效果可靠。但由于基岩冻结时间长，费用高，并且在冻结基岩段井壁设计中需考虑由于冻结孔导水等问题，因此冻结基岩段井壁需采用双层井壁结构，不仅增加冻结费用，也增加井筒掘砌费用。所以，基岩段井筒一般宜采用注浆法治水。

但是当岩石为泥质或砂泥质胶结、节理裂隙不发育时，注浆效果一般较差。例如，塔然高勒矿井，采用普通法施工的主、副、风三个立井井筒施工到垂深250 m的白垩系砾岩、中粒或粗粒砂岩地层时，工作面出水达到20 m3/h以上，停工4个月进行工作面注浆，重新开挖后工作面涌水量并没有减少，而且施工到垂深270 m时，涌水量达到60 m3/h以上。由此可见，在白垩系地层采用注浆封水效果较差。

本矿井井筒检查钻孔资料表明井筒将穿过白垩系地层的岩性以砂岩为主，砂岩多为泥质胶结，胶结松软，弱固结～半固结状，岩石抗压强度较低，且该层富水性中等，井筒预计涌水量(主井257 m3/h，副井240 m3/h，回风井252 m3/h，进风井257 m3/h)较大；侏罗系地层，其岩性多为砂岩、泥岩，砂岩多为泥质胶结，胶结松软，仅延安组中有少量钙、硅质胶结。虽然岩石完整性较好，但是由于固结程度一般较低，岩石抗压强度也较低，虽然侏罗系地层的富水性弱，但井筒涌水量(主井369 m3/h、副井358 m3/h、回风井241 m3/h、进风井235 m3/h)较大；因此，井筒若采用注浆法施工，岩层注浆效果较差，存在不确定因素；同时，井筒设计直径大，掘砌速度慢，空帮时间较长，围岩涌水较大且岩性差时不仅容易发生片帮等事故，井壁质量也难以保证。陕西亭南矿井、内蒙塔然高勒矿井等初期采用注浆封堵涌水，但效果较差，后改为冻结法施工；门克庆、葫芦素矿井、察哈素矿井、红庆河矿井、陶忽图矿井、营盘壕矿井等井筒均采用或即将采用冻结法穿过白垩系、侏罗系地层(或部分侏罗系地层)。因此，设计推荐采用冻结法施工本矿井各井筒，以确保井筒顺利施工到底。

即：设计推荐主井、副井、中央回风井、中央进风井井筒采用冻结法施工。

3.4 井壁结构设计

对于硐室以上段井壁，四个立井井筒均采用“双层钢筋混凝土及HDPE塑料夹层”复合井壁，该种形式井壁与地层的相互作用机理为：采用短段掘砌的外层井壁首先要承受冻结压力的作用；井壁浇筑后，井帮的冻结压力作用在外层井壁上；冻结段井筒及外层井壁掘砌完成后，内层井壁自下而上一次砌筑，并在内外壁之间铺设一定厚度的HDPE塑料板(在冻结井筒中，由于内层井壁相对较厚，内层井壁砌筑后，内、外层井壁间将产生一定温度应力，由于外层井壁对内层井壁的约束，使内壁外缘不能自由收缩而造成井壁横向裂缝。因此内、外层井壁间铺设塑料板可减少内、外井壁之间的约束力，防止内层井壁出现横向裂缝)；井帮解冻后，在内、外层井壁间进行内、外层井壁间注浆，内层井壁承受内、外层井壁之间的水压，内、外层井壁共同承受永久地压。对于硐室以下段井壁，外层井壁采用锚网喷临时支护，喷层厚度100 mm。井筒施工过程中，由锚网喷临时支护承受井筒冻结压力；井帮解冻后，内层井壁承受内、外层井壁之间的水压。硐室以上内、外层井壁结构形式如图1所示；硐室以下外层锚网喷临时支护、内层井壁结构形式如图2所示。

该井筒井壁结构计算原则如下：

1)内、外层井壁之间塑料夹层设置在硐室以上；2)硐室及硐室以下井壁，外层井壁采用锚网喷临时支护；3)内层井壁计算时，白垩系与侏罗系的相邻地层段，水压折减系数取1.00；硐室以下水压折减系数取0.95；硐室以下至井壁底水压折减系数取0.90；4)根据现行《混凝土结构设计规范》，取混凝土强度提高系数为1.2；井筒底部控制截面处混凝土强度等级最高采用C70。

根据以上计算原则，选用GB 50384-2007煤矿立井井筒及硐室设计规范“6.29条”计算公式：

钢筋混凝土井壁：

fs=0.9(mfc+ρminfy′)。

其中，t为井壁厚度，m；rn为计算处井壁内半径，m；fs为井壁材料强度设计值，MN/m2；ρmin为井壁圆环截面的最小配筋率；vk为结构安全系数，取1.35；m为混凝土强度提高系数；P为计算处作用在井壁上的设计荷载计算值，MPa。

4 结语

白家海子矿井主、副井井壁结构中，井筒底部井壁厚度分别为1.65 m，1.8 m，属于“大体积混凝土”；大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，产生的温度和收缩应力可能导致混凝土出现裂缝；建议开展对高强高性能混凝土方面的研究。

Discussion on Mongolian Baijiazi Mine casing structure and construction methods

TIAN Chang-fu QI Bao-jian

(NanjingDesignInstituteCo.,Ltd,ChinaMineScienceandTechnologyGroup,Nanjing210031,China)

Taking Mongolian Baijiazi mine as the engineering background, according to the geological and hydraulic conditions of mine shaft crossing stratum, the paper determines the shaft construction methods and casing structure design techniques, and makes specific description, with a view to achieve optimal construction effect.

shaft, geology, casing, structure

1009-6825(2014)03-0098-03

2013-11-19

田昌富(1984- )，男，助理工程师； 齐宝健(1983- )，男，工程师

TU941

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