郭家滩风井过流砂层旋喷帷幕治理技术

高晓耕

(1.天地科技股份有限公司建井研究院；2.北京中煤矿山工程有限公司)



郭家滩风井过流砂层旋喷帷幕治理技术

高晓耕1,2

(1.天地科技股份有限公司建井研究院；2.北京中煤矿山工程有限公司)

摘要针对郭家滩风井表土层薄、流砂层结构松散、富水性强的问题，为有效治理流砂层，加快施工进度，采用旋喷工艺，形成井筒帷幕。井筒帷幕设计两圈旋喷桩，每圈桩数均为65个，内圈桩圈径9.8 m，桩径600 mm；外圈桩圈径为10.7 m，桩径为650 mm，引孔工程量1 768 m，消耗水泥506 t。结果表明，井筒旋喷帷幕能较好地加固与封堵流砂层，消除施工安全隐患、加快施工进度。

关键词立井流砂层旋喷帷幕

冲积层井筒施工时常遇到流砂层，流砂层对应力变化异常敏感，微小的应力变化就能导致流砂层黏性急剧降低。若控制不当，井筒开挖扰动时常导致片帮、井底冒砂、井壁掏空等问题[1]，严重时可造成井筒偏斜，甚至危及地面建筑物。由于井筒穿越流砂层施工难度大、风险高，一直是影响井筒施工工期和造价的关键因素[1]。目前井筒穿越流砂层的施工方法有普通施工方法，包括板桩法、降水法；特殊施工方法，有冻结法、 钻井法、 沉井法、帷幕法等。冻结法是目前井筒不稳定表土层施工的首选方法，冻结壁可有效防止水或流砂涌入井筒，施工安全性好，但投资较大[2-3]；钻井法利用泥浆洗井、护壁和排渣，井筒钻成后再预制井壁下沉，该技术实现了机械化作业，但存在设备昂贵和后期泥浆处理的问题；沉井法利用刃脚插入土层， 工作面不断破土排渣， 依靠井壁自重下沉，但不适用于地层存在孤石的情况，该法工艺简单、占用设备少、投入费用小，但井筒垂直度不好控制[4]；帷幕法一般通过旋喷桩，相互咬合，形成稳定隔水帷幕。普通施工法工期长，难度大，一般仅在流砂层较薄时采用[5-6]。近年来，常宏、徐继民等[1,7]介绍了金属井圈背板法在井筒穿越流砂层的应用情况，指出金属井圈背板法结合注浆技术可明显节省施工费用、缩短施工工期。

1　工程概况

郭家滩煤矿设计生产能力为10.0Mt/a，井田位于陕北侏罗纪煤田榆神矿区。该矿采用斜井开拓方案，布置有主斜井、副斜井、进风及回风立井4个井筒。回风井井筒垂深350m(含水窝)，井筒净径7.5m，荒径8.8m。井筒共穿越7层含水层，其中表土层萨拉乌苏组和风积沙含水层富水性强，预测涌水量33.62m3/h，且透水性强，结构松散，稳定性差，存在流砂现象，是井筒施工的难点[8]。另外，风积层及萨拉乌苏组充水强度受大气降水等因素影响强烈，雨季会明显增大。考虑井筒表土层薄，采用冻结法等特殊工法投资大，普通法降水困难且可能引起地面不均匀沉降等问题，为保证凿井顺利通过，在井筒外围施工高压旋喷桩帷幕，起到封堵外围涌水及侧向加固的目的。

2　表土层地质条件

2.1工程地质条件

回风立井自上而下穿越地层有第四系、新近系上新统保德组、白垩系下统洛河组、侏罗系中统安定组、直罗组、延安组地层。表土层与旋喷施工有关的地层情况见表1。①风积层主要为细砂，分选中等，上部稍湿，下部潮湿含水，初见水位1.10m；②第四系上更新统萨拉乌苏组，粉细砂层，含植物腐殖质，局部颗粒稍粗，富水性强，结构松散，稳定性差，存在流砂现象;③第四系中更新统离石组，为黄土，具可塑性，含少量粉细砂颗粒，上部见少量钙质结核，下部黏土含量稍多,以柱状及长柱状为主(场区内部分位置见粉砂土，位于黄土下，呈灰黄色，成分以亚黏土为主，含少量粉砂，饱含水);④新近系上新统保德组(红土)，可塑性强，含钙质结核，局部富集成层，少量呈透镜状。

2.2水文地质条件

根据地下水的赋存条件、水力特征及含水层的纵向分布结构，表土层含隔水层组划分为：①第四系上更新统萨拉乌苏组及全新统风积砂孔隙潜水含水层(Q3s+Q4eol)；②第四系中更新统离石黄土弱含水层(Q2l)；③新近系上新统保德组红土隔水层(N2b)。抽水试验表明，第四系松散砂层透水性强，富水性弱～中等；土层富水性弱，但上部黄土层局部含砂量较大，并伴有砂层透镜体，储水条件较好。井筒位置处于低洼处，自然水位为1.85m，原始地坪接近水位线。回风立井采用“大井法”，表土段含水层预计井筒涌水量见表2。

表1　回风井井筒表土层地层

3　旋喷帷幕设计

3.1旋喷深度

由检查孔资料可知，富水流砂层底界为11.60m，下部为黄土层。考虑施工安全，设计旋喷>帷幕进入隔水黄土层2.0m，旋喷桩底部深度13.60m。同时由于上部均为风积砂，且自然水位深度较高，设计旋喷桩顶部深度为自然地表(场平标高)以下0.5m，由此确定旋喷桩长度为13.10m。

表2　回风立井井筒涌水量预测

3.2旋喷桩布置

井壁为钢筋混凝土结构，净径7.50m，壁厚650mm，理论开挖荒径8.8m。本工程井筒帷幕采用二重管旋喷法施工，根据地层条件和高压旋喷技术特点，考虑井筒开挖断面，为保证流砂层治理效果，井筒帷幕旋喷桩布置如图1所示。井筒帷幕共设计两圈旋喷桩，插花布置，桩与桩之间相互咬合，以保证帷幕封堵效果。内圈桩圈径9.8m，单桩桩径600mm，桩间距473mm，数量65个；外圈桩圈径10.7m，单桩桩径650mm，桩间距517mm，数量65个；两圈桩间距为450mm。施工时，根据实际桩体位置、成桩质量等，可在特殊位置增设桩。

图1　井筒帷幕旋喷桩布置(单位：mm)

4　施工工艺及保障措施

4.1施工工艺

旋喷浆液采用水灰比1∶1的水泥浆，选用P.O42.5硅酸盐水泥，大规模施工之前，在场地内选择合适位置进行2～3根旋喷桩试喷，以确定施工初始参数(表3)。井筒帷幕旋喷施工工艺流程如图2所示，主要施工程序包括：定位及倒空孔施工、制浆与旋喷作业、特殊部位复喷、冲洗及桩顶回灌等。

表3　回风立井井筒旋喷参数

4.2质量保障措施

旋喷桩施工过程应严密控制，确保帷幕交圈和帷幕厚度：①先平整场地，钻杆应垂直，确保实际桩位与设计孔位的偏差不大于50mm，钻孔垂直度偏差小于1%。防治钻孔坍塌，必要时可采用泥浆循环护壁；②喷射过程中，旋喷压力必须满足设计要求，当压力出现骤然下降、上升或冒浆异常时，必须停机检查原因，待排除故障后方可恢复工作，防止出现桩径不够或者断桩现象，确保桩径容许偏差小于50mm;③喷射结束后，及时利用冒浆充填，直到孔口浆液不再下沉为止;④对于旋喷桩底部深入黄土层部分，采取降低上提速度和复喷措施,即底部0.5m上提速度降低5cm/min，50cm后旋喷管下放至孔底，以设计速度复喷，提升100cm后再下放50cm进行复喷，如此往复，直至上部细砂层位。

图2　井筒帷幕旋喷桩施工工艺流程

5　结　语

针对郭家滩表土层薄，存在富水流砂层的特殊条件，通过布置两圈相互咬合的旋喷桩，在井筒开挖

荒径外形成封闭的井筒帷幕，成功解决了风井过流砂层的施工难题。施工成桩130根，总引孔工程量1 768m，消耗水泥506t。工程前后施工时间不到一个月，施工速速快，不影响建井工期，消除了井筒施工安全隐患，对类似工程流砂层处理有一定的参考价值。

参考文献

[1]常宏.竖井掘进过流沙层的关键技术及其应用[J].现代矿业,2014(7):187-188.

[2]朱明诚.立井工作面承压水流沙层保浆旋喷注浆帷幕支护技术[J].煤田地质与勘探,2009,37(4):47-49.

[3]李永忠,撖宇靖,张磊.低温大断面立井冻结法施工技术[J].现代矿业,2014(7):182-184.

[4]茹新华.立井井筒过第四系流沙层沉井技术应用[J].北京工业职业技术学院学报,2015,14(2):1-3,8.

[5]魏军贤,梁国栋.立井过流砂层施工技术[J].建井技术,2005,26(3):26-28.

[6]陈志文,王广彬.立井过流砂层板桩法施工技术[C]//2009全国矿山建设学术会议论文集.合肥：中国煤炭学会煤矿建设与岩土工程专业委员会，2009:408-414.

[7]徐继民.金属井圈法过流沙层井筒施工技术[J].煤炭工程,2007(9):42-43.

[8]田亚飞.郭家滩煤矿含(隔)水层特征及井筒充水因素[J].陕西煤炭,2015,34(1):103-105.

(收稿日期2016-04-26)

高晓耕(1981—)，男，副研究员，硕士，100013北京朝阳青年沟东路5号天地大厦402室。