小保当一号矿井主斜井施工方法选择及井壁结构设计

常 青，张 磊，史 鑫

(1.山西高平科兴赵庄煤业有限公司，山西 高平 048400；2.中国煤炭工业协会，北京 100013；3.山西焦煤霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400)

小保当一号矿井设计生产能力15.0Mt/a，由陕西小保当矿业有限公司开发建设，服务年限74a。矿井2017年4月通过国家发展改革委核准，2020年6月正式投入生产，是榆神矿区三期规划区第一个建成煤矿。矿井主斜井倾角12°，长度1595m，净宽5.8m，净断面20.2m2，井筒内一侧装备2.0m钢绳芯带式输送机，另一侧安装架空检修装置并敷设电缆、管路等。

主斜井井筒是煤矿核心工程，使用年限与矿井服务年限相同，安全可靠的井筒质量是保证煤矿安全高效稳产的关键因素之一[1-10]。在该区域地层中第四系萨拉乌苏组和保德组岩层软弱、破碎、涌水量大、易与地表水系沟通，主斜井井筒需长距离穿过该地层。榆神矿区现有煤矿斜井井筒或采用冻结法施工，或建成后涌水量大，或未穿过第四系风积沙层，可见，已建成矿井井壁质量、施工工期、工程造价等均与该矿井建设要求有差距。因此，需要对井筒施工方法和井壁结构进行研究[11-15]。

1 工程地质和水文地质

1.1 井筒工程地质

小保当一号矿井井田范围内地表全部被第四系风积沙及萨拉乌苏组沙层所覆盖，根据井筒检查钻孔揭露，井筒范围内地层由老至新共分为五层，具体见表1。

表1 井筒穿过地层情况表

分析主斜井井筒穿过的岩层，主要由层状结构和块状结构的岩体组成，大致分为松散层组、极软岩组、软岩类和较软岩共4类。松散层组主要为沙层组和土层组，沙层组为不良级配中、细沙，土体一般处于密实、湿、可塑状态，不具湿陷性；极软岩类(风化岩组)岩石胶结疏松，岩芯十分破碎、强度低，遇水易膨胀、崩解或沿裂隙离析；软岩类主要为粉砂岩、泥岩及互层岩组，饱和抗压强度14.32MPa；较软岩类由地层中不同粒度的砂岩组成，饱和抗压强度16.23MPa。总体看砂岩组为抗水、抗风化和抗冻性较好的岩石，岩石质量中等，是井筒区内稳定性较好的岩组。

1.2 水文地质情况

小保当一号矿井预测正常涌水量818m3/h，最大涌水量981m3/h，为水文地质条件复杂矿井。井筒穿过的含水层由上至下划分为5层：第一层为第四系全新统风积沙孔隙潜水含水层，厚度2.87～11.70m，疏松、透水性强、富水性弱；第二层为风化基岩裂隙承压水含水层，厚度7.82～37.48m，岩石疏松、易碎，水位降深9.45～15.13m，富水性较弱；第三层为侏罗系中统安定组基岩裂隙承压水含水层，厚度4.84～113.00m，富水性弱；第四层为侏罗系中统直罗组基岩裂隙承压水含水层，厚度59.64～129.10m，富水性弱；第五层为侏罗系中统延安组基岩裂隙承压水含水层，厚度123.29m。

矿井隔水层主要为新近系保德组红土和正常基岩中的泥岩和粉砂岩。保德组红土全区不均衡分布，厚度6.60～82.27m，部分区段有“透水天窗”。基岩中各含水层段中的泥岩、粉砂岩粒度小、孔隙率小、胶结致密，是正常基岩含水层段之间相对隔水层。主斜井穿过各岩层涌水量情况见表2。

表2 主斜井穿过各岩层涌水量情况表

2 主斜井施工方法选择

2.1 影响施工方法的因素

在水文地质条件方面，井田内地表水系丰富，存在一些季节性“海子”，部分区段保德组红土有“透水天窗”，地表潜水可经红土“天窗”补给风化岩裂隙含水层，井筒穿过该地层时安全施工和井筒质量会受到影响。选择井筒位置时已考虑避开井田中等富水区，以减少井筒涌水量、降低施工难度、防范安全隐患。

在工程地质条件方面，对井筒施工影响较大的岩组主要是第四系萨拉乌苏组及风积沙、新近系保德组，两个岩层主要为松散层组和极软岩组。松散层组主要为沙层和土层，极软岩类饱和抗压强度平均4.00MPa，软化系数0.28，风化状态下RQD平均值39%。软弱松散的岩层对井筒施工方法、井壁支护、井壁质量提出了较高的要求。

2.2 周边矿井施工情况

设计前对周边矿井进行了调研，杭来湾矿井(8.0Mt/a，主斜井14°，斜长1047m)采用普通法施工，施工期最大涌水量为来自萨拉乌苏组含水层的70m3/h；榆树湾矿井(10.0Mt/a，主斜井14°，斜长1267m)采用普通法施工，施工期间最大涌水量80m3/h，保德组红土厚度约80m，井筒建成后主副斜井总涌水量100m3/h左右；金鸡滩矿井(15.0Mt/a)主、副斜井在通过沙层和土层时采用冻结法施工，立风井采用全深冻结法施工；隆德矿井(5.0Mt/a)第四系风积沙未覆盖，立风井表土及风化基岩段采用冻结法施工。分析调研情况，井筒穿过松散软弱岩层时或采用冻结法施工，或成井质量不高，选择合理的施工方法和可靠的井壁结构是井筒长期安全稳定运行的重要保障。

2.3 施工方案比选

根据该本矿井主斜井穿过的地层和含水层，结合周边类似矿井施工情况，设计认为井田内安定组、直罗组、延安组岩层岩石强度基本达到20MPa且隔水层较丰富，在明槽开挖段、安定组、直罗组和延安组正常基岩采用普通法施工是可行的。对保德组岩层和风化基岩段提出3种施工方案进行比选。

1)方案一：普通法加注浆法施工。注浆技术是井巷工程施工中预防和消除水害的重要手段，所注浆液以充填或渗透等方式驱走岩石裂隙或孔隙中的水，并将松散岩层胶结成不透水的具有整体性的岩体，起到封堵裂隙、隔绝水源、加固岩体的作用，然后采用普通法正常掘砌井巷。

2)方案二：冻结法施工。我国冻结施工技术处于世界领先水平，冻结法凿井在煤矿建设实践中广泛应用、适应性强、安全可靠、工期有保证，在特殊凿井施工方法中占比最大，是煤矿井筒穿越流沙层、松软岩层、含水层最可靠、最安全的施工方法。

3)方案三：盾构法施工。盾构法通过盾构外壳和管片支撑四周围岩防止发生坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械出渣，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片或混凝土衬砌块形成井壁结构。该方法常用于隧道和地铁等地下工程，在煤矿中应用较少，目前在塔山、同忻等煤矿已有成功经验。

以上三种方案中，冻结法施工技术成熟、安全可靠、井壁质量好，但井筒在表土及风化基岩段长度约330m，冻结孔工程量达17万m，冻结费用高昂，加之冻结斜井掘进速度相对较慢，施工工期无法满足施工组织设计要求，调研中矿井也均以立井冻结为主，故排除方案二。

比较方案一和方案三，盾构法比普通法工程投资增加约1.5亿元，由于井筒表土段相对较短，不能完全发挥盾构机施工速度快、全过程自动化、劳动强度低等特点，同时施工设备研制、安装、施工后回撤周期长，总工期与普通法施工相比没有明显优势。而普通法施工，施工方式及支护方式灵活，可根据施工情况灵活调整工程方案，施工技术成熟可靠，调研的杭来湾矿井采取普通法施工取得了良好的施工效果，为避免施工中井壁涌水量较大等问题，在通过岩层破碎、涌水量大的地段时可采用工作面预注浆方法封堵涌水和分段排水，增加施工岩层的稳定性。综合考虑开拓方式、地层情况、施工费用等因素，最终选择方案一，即普通法加注浆法的施工方案。

3 井壁结构设计

考虑井筒围岩破碎、易变形的特点，设计表土段和风化基岩段井壁采用二次支护方案，一次支护使用初撑力高、支护强度大、具有可缩性的U型钢棚以适应松软围岩的载荷和变形，待围岩稳定后再施工永久支护结构。

矿井主斜井井壁支护结构按穿过地层地质条件划分为4段：①地表风积沙较浅，采用明槽开挖即可穿过，即主斜井井口部分采用明槽开挖，钢筋混凝土砌碹支护，支护厚度500mm，井筒底部铺500mm浆砌毛石以防止井筒下沉、变形；②保德组岩层和风化基岩段先采用“U29钢棚+喷射混凝土”作为一次支护，支护厚度150mm，待围岩变形稳定后再采用单层钢筋混凝土砌碹作为二次支护，支护厚度350mm；③安定组砂岩段采用锚网索喷加29U型钢棚联合支护，支护厚度150mm，采用∅17.8mm×7500mm锚索，锚索排距3000m；④直罗组砂岩段及延安组地层采用普通锚网索喷支护，支护厚度150mm，采用∅17.8mm×7500mm锚索，锚索排距3000m。砌喧混凝土强度等级为C40，铺底和喷射混凝土强度为C30，为防止井筒漏水，施工混凝土添加防水剂。主斜井井筒各地层施工及井壁结构如图1所示。

4 结 论

矿井主斜井井筒作为主运输系统的核心工程，施工质量关系到矿井长期安全稳定运行。本次施工方法选择和井壁结构方案借鉴周边矿井施工经验、避免了井筒完工后涌水量大等问题，特别是根据隧道施工新奥法理论经验将柔性支护和刚性支护相结合应用于围岩破碎的风化基岩段、安定组砂岩段，保证了施工进度和质量，为类似地质条件下软弱岩层井筒施工和支护提供了经验。

1)在软弱松散岩层斜井施工中采用二次支护方案效果良好，一次支护应借鉴新奥法施工及时性、封闭性、柔性支护的特点，防止围岩松动破坏，增强岩层的稳定性。

2)U型钢棚作为临时支护在松软岩层支护中具有稳定可靠的承载能力，能适应松软围岩的载荷和适当变形，为二次支护施工提供有利条件，完工后的井筒变形得到有效控制。

3)井筒掘砌过程中遇到围岩破碎、涌水量增大等情况，通过工作面预注浆、增设钢棚、架设管棚、减少围岩暴露时间、在混凝土中添加防水剂、加密锚杆等方式加强支护保障施工安全和质量。

4)建成后井筒各分部工程质量、工程造价得到有效控制，施工工期满足施工组织要求，保证了矿井二期工程临时运输、通风系统的顺利形成，目前运行状况良好。