煤矿立井钻井法过松散含水砂层预加固技术研究

崔明远，王海波，鲁海涛，黄久源，聂华超

(平煤建工集团特殊凿井工程有限公司，河南 郑州 450000)

随着国内能源结构调整和西部大开发战略的实施，西部地区逐渐成为煤炭建设的重点，而西部地区地质条件的复杂性也给煤炭建设带来了新的挑战和课题。西部新建煤矿的进、回风井多设计为立井井筒，在井筒表土段施工中多遇到深厚含水砂层、淤泥层等松散不良地质条件，对工程安全施工造成较大影响[1，2]。目前立井施工多采用钻井法、冻结法和地面预注浆等特殊凿井工法来解决表土段施工难题，其中钻井法因采用泥浆护壁，对松散不稳定的含水复杂地层和流沙层及围岩稳定性差的地层都很适应；冻结法在复杂地层井筒施工中具有很大的优势，但也会给工程带来冻胀、融沉等灾害；地面预注浆适用于冲积层不厚、裂隙发育且潜水流速不大的弱含水地层，其应用性较窄[3-5]。特殊凿井工法中的钻井法在立井井筒松散层施工初期仍可能会出现井筒锁口承重失稳和造成钻井施工中井筒上部松散层扩径甚至塌帮[6]，针对此类问题，基坑工程中通常采用高压旋喷桩、钢板桩、咬合桩等加固措施来确保施工安全，但高压旋喷桩相较于以上几种加固措施具有施工灵活、造价较低、环保高效等优势，且对于井筒环形施工加固帷幕更容易施工和控制，并且目前MJS工法(全方位高压喷射)的出现使高压旋喷有效加固更深，效果更可靠[7，8]。本文针对可可盖煤矿中央进风立井井筒钻井法施工中遇到的地表第四系较厚松散含水砂层，根据实际情况，借鉴建筑、市政工程常用的MJS旋喷桩施工技术，对松散砂层采取MJS旋喷桩帷幕加固的施工方案，保证了立井锁口和钻进过程中的稳定性，为类似工程提供经验。虽然MJS旋喷桩在建筑、市政、道路等领域有较成功的应用案例，但应用到西部地区煤矿立井井筒尚属首次，本文也为复杂地质条件下矿山建井提供新的解决途径。

1 工程概况

榆横矿区可可盖煤矿位于陕西省陕北侏罗纪煤田榆横矿区(北区)北部，坐落于毛乌素沙漠南缘，设计年产量1000万t。井田地表全部被第四系松散层所覆盖，其中该煤矿中央进风立井井筒设计为钻井法施工，井筒钻井直径8.5m，深度538.5m。井筒表土段第四系松散砂层厚度61.1m，含水层为第四系全新统风积沙3.5m和第四系上更新统萨拉乌素组细砂层37.94m、亚砂土19.67m，井筒第四系松散砂层统计情况见表1。尤其是上部细砂层成松散状，地下水位埋深浅，涌水量大且渗水性能良好，临近矿井松散层涌水量能达到1365m3/h[9]，为井筒锁口的稳定性和井筒钻井法施工中上部稳定带来了巨大挑战。因此在钻井施工前需对松散砂层进行加固，以保证钻井过程中井筒锁口稳定不发生沉降、松散层不塌帮。

表1 井筒第四系松散砂层统计

2 咬合桩加固松散层遇到的问题

本工程前期因考虑加固体强度和深度，借鉴立井井筒过不稳定松散层超前临时支护经验，采用的松散层加固方案是咬合帷幕桩[10]，设计桩长30m，桩径1.2m，强度C25，素混凝土桩和钢筋混凝土桩相互咬合。先在桩位附近施工试验桩，使用全套管钻机配合冲抓斗钻进施工。试验桩钻进10m后冲抓斗便不能将细砂抓出孔内，其效率极其地下。经分析原因如下：一是地下水位埋深浅(地表以下3.73m)且地层全为细砂；二是冲抓斗封闭性差，抓取细砂上提过程中细砂被水冲出抓斗。考虑到旋挖钻机回转斗的封闭性，确定采用“全套管钻机+旋挖钻机”联合施工方法。

在使用该方案施工第二根素混凝土桩的过程中，钻进中出现了砂层抱管现象，全套管钻机压管困难，采用了加黏土调泥浆的措施最终钻进至终孔并浇筑混凝土；在施工第一根钢筋混凝土桩的过程中，套管钻进至18～20m时再次出现了压管困难，全套管钻机明显负荷过大且速度缓慢，只得靠套管提升再下放缓慢钻进，最终因全套管钻机能力达到极限且地面出现了局部塌陷而停止施工。经分析，该区域砂层含水且过度松散对咬合桩套管形成了强大的围抱力造成了套管钻进困难；不断上提套管，使旋挖面与套管下缘的保护砂层减少，造成流砂从钻孔底涌进套管内，外部砂层受到扰动从而使地面局部塌陷。同时也提出改进施工工艺：在套管钻头上钻孔、焊螺旋筋、用调制的泥浆增加润滑性，但通过试验，结果均收效甚微。

事实说明，在本区域松散砂层中采用咬合桩施工工艺会出现套管钻进困难，从而使施工进度缓慢，甚至造成塌孔、地陷而破坏地层结构，不但达不到松散层加固的目的，而且为后期钻井法施工埋下了无法预测的安全隐患。经研究论证，最终选定了采用MJS旋喷桩对本区域松散含水砂层进行帷幕加固的方案[11]。

3 MJS旋喷帷幕桩设计验算

3.1 MJS旋喷帷幕桩设计参数

MJS旋喷桩设计参数为：桩基环形布置，布置圈径为10700mm，桩径设计为1500mm，桩长30m，引孔31m，共34根桩，相邻桩基咬合513mm，咬合位置加固体宽度1129mm，如图1所示。考虑MJS旋喷帷幕桩对立井松散层加固是为了承受钻井法施工设备与基础对土体产生的载荷，因此对其进行承载能力计算和模拟分析。

3.2 MJS旋喷帷幕桩承载能力计算与模拟分析

3.2.1 MJS旋喷帷幕桩加固体应力计算

根据井筒设计参数及地质情况，可可盖中央进风立井锁口基础采用矩形锁口盘式结构形式，由上部的锁口盘和下部的扩大井壁组成，均为钢筋混凝土结构；锁口盘为矩形，外形尺寸宽26.5m，长30.5m，扩大井壁为环形，内径为12.2m，锁口自重约为24160kN；上部布置钻机、门式起重机轨道，下部布置封口平车轨道。钻井设备自重约为12630kN。按照《桩基手册》计算锁口基础向下的附加荷载[12]：

σ=(N+G)/F-σ1

式中，σ为锁口基础向下的附加荷载，kPa；N为作用在锁口基础上的竖直应力，即钻井设备自重，取12630kN；G为锁口基础自重，取24160kN；F为锁口基础的底面积，即锁口盘外部矩形面积减去内侧扩大井壁环形面积，F=691.35m2；σ1为锁口基底处土自重荷载，这里为0。

经计算，锁口基础向下的附加荷载σ=53.2kPa。

按照《煤矿立井井筒及硐室设计规范》，采用挡土墙地压公式计算加固体水平砂层地压：

加固体内侧承担的水平荷载，可以参考《采矿工程设计手册》中重液公式：σ3=γ泥浆×h=12h。式中，σ3为加固体内侧承担的水平荷载，kPa；γ泥浆为加固体内侧泥浆比重，取12kN/m3[15]。

3.2.2 MJS旋喷帷幕桩承载能力模拟分析

使用ANSYS软件solid185三维体单元建立有限元计算模型，计算参数见表2。

表2 有限元模型计算参数

1)根据对称性，选取旋喷桩加固体1/4建立有限元模型，采用solid185三维体单元进行有限元网格划分，计算范围内加固体模型共计划分23437个六面体单元，如图2所示，计算模型按三维线弹性模型进行计算[16]。

图2 有限元三维荷载模型

2)有限元模型边界条件。根据对称性，约束加固体模型对称面法向位移，底部向上位移。外表面承担净水压力荷载、土体侧向主动土压力、锁口及钻井设备附加应力、加固体内表面承担钻井期间泥浆平衡压力、锁口盘顶部向下附加压力、加固体自身重力、桩端向上承载力和桩外侧摩擦阻力[17]。

3)有限元模型应力及位移分部云图如图3所示。根据有限元计算，旋喷加固体最大压应力为1.24MPa，设计高压旋喷加固体单轴抗压强度1.5MPa，大于模拟计算旋喷加固体最大压应力，满足要求。

图3 有限元模型应力及位移分部云图

4 MJS旋喷帷幕桩施工工艺与质量控制

4.1 设备选型

MJS工法是在原来高压旋喷法的基础上采用独特的多孔管和前端强制吸浆装置，实现了孔内强制排浆和地内压力监测，并通过调整强制排浆量来控制地内压力，保持地内压力稳定[18]。针对此工程，地表及MJS旋喷桩施工深度范围内均为第四系松散砂层，地下水位埋深浅，且现场桩基施工垂直度要求比较高，选用安曼180型引孔机，此机型可自动调整施工水平和垂直度，满足现场施工要求。采用YBM50型MJS旋喷主机(5t)，设备轻便且施工效率高，YBM50型喷浆机可承受60MPa压强，可以满足成桩桩径及施工质量要求。

4.2 施工参数

针对松散含水砂层的特殊地质条件，MJS旋喷桩施工采用普通硅酸盐水泥P.O42.5，水灰比1∶1，水泥浆液压力40±2MPa，空气压力0.8～1MPa；空气流量1.0～2.0m3/min；浆液流量85～100L/min，水流量50～75L/min，水泥掺入比按50%，提升速度按-30m至-15m不大于41mm/min，-15m至0m不大于48mm/min，全圆喷射[19，20]。桩身垂直度偏差不得超过1%[21]；MJS旋喷桩施工完成后要进行表土开挖观测和取芯检测，无侧限抗压强度应达到1.5MPa以上。

4.3 施工工艺

4.3.1 测量放线

施工前用全站仪测定旋喷桩施工的控制点，即井筒中心，并校对设计院移交的井筒十字中心线；根据桩位布置图，用钢尺和测线实地布设桩位，并用方木配合红漆标定位置，一桩一标识，保证桩孔中心位置偏差小于50mm。

4.3.2 导墙施工

根据现场施工及布置，旋喷桩施工前进行导墙施工，导墙设计为混凝土结构，混凝土强度为C30，浇筑厚度0.3m，外圈直径17.1m，内圈直径4.3m。MJS旋喷桩圈直径10.7m。中心位置预留1.5m的导向槽，导墙面高出地面0.3m。

4.3.3 试桩施工

根据相关规定，MJS旋喷桩要施工试桩3根；试桩的施工方法与MJS旋喷桩施工方法相同。试桩施工时通过带压力传感器的前端总成密切监测地内压力，压力不正常时，根据情况调整排浆阀大小控制地内压力在安全范围以内。试桩完成后，对试桩进行开挖检验，开挖深度地面以下2～3m，观察检验旋喷桩桩径及相邻桩之间的搭接效果，根据试桩情况来调整施工参数。

4.3.4 引孔施工

1)引孔施工前，应首先在现场配置泥浆(泥浆比重1.15～1.25g/cm3)，在引孔时进行泥浆护壁；校验钻杆长度，并用红油漆在钻杆旁标注深度线，保证孔底标高满足设计深度。

2)引孔钻机就位后，对钻机进行调平、对中，调整桩机的垂直度，保证钻杆应与桩位一致，偏差在50mm以内，钻孔垂直度误差不大于1%，引孔直径300mm。钻进过程中随时注意地层变化，对孔深、塌孔、漏浆等情况，要详细记录。

3)引孔终孔深度要大于旋喷深度1m，以满足少量沉淀和喷嘴前端距离。终孔后将孔内残留物清理干净，使用测斜仪器进行终孔测斜，保证成孔垂直度偏斜不大于1%[21]，如偏斜过大要重新引孔。

4.3.5 MJS旋喷桩施工

1)MJS旋喷桩主机就位，连接电源、数据线、各路管线、钻头和地内压力监测显示器，确认在钻头无荷载的情况下清零，管线连接确保密封，使管内没有空气。检查设备的运行情况，确保主机、高压泵、空压机、泥浆搅拌系统、MJS管理装置等都能正常工作，主机机架放置平稳后开始校零。

2)钻杆下放，校正钻杆垂直度，在引孔内将钻杆下放至设计深度30m，如果在钻杆下放过程中下放困难，打开削孔水进行正常削孔钻进。对接钻杆和钻头，对接时对接螺栓一定要对称拧紧，保证钻杆垂直度；钻头到达预定深度后，开始校零，使动力头“0”刻度、喷嘴、钻杆上白线处于同一条直线，然后设定各工艺参数，包括摆喷角度、提升速度、回转数等等，设定好之后，开始旋喷施工。

3)旋喷之前先开倒吸水流和倒吸空气，在确认排浆正常时，打开排泥阀门，开启高压水泥泵和主空气空压机。为保证桩底端的施工质量，首先用水向上喷射100cm，压力为20MPa，喷射时间5min，然后把水切换成水泥浆；开启高压水泥泵时，压力不可太高，应逐步增压，直到达到指定压力，在水泥浆达到指定压力并确认地内压力正常后，钻杆重新下放到位后开始提升并旋喷施工。

4)施工时密切监测地内压力，压力不正常时，必须及时调整排浆阀大小控制地内压力在安全范围以内；当提升一根钻杆后，对钻杆进行拆卸，需把水泥浆切换成水后方可拆卸，当水泥浆泵压力有下降趋势，说明水流已经到达喷嘴位置，此时关闭水泥浆泵、主空气、倒吸空气和倒吸水流。旋喷提升到设计桩顶标高时停止旋喷，提升钻头出孔口，清洗设备、注浆泵及输送管路，然后使用吊车将钻机移位[22]。

4.4 质量控制要点

1)MJS旋喷桩必须具有强制排泥功能，相邻桩体在强制排泥的时候，上一根桩水泥需满足终凝时间条件，以防止对桩体的破坏；为保证MJS高压旋喷桩施工质量，采取跳桩施工方案，连续施工间距大于3个桩位，相邻桩位施工间隔大于3d。

2)引孔施工时每钻进5m用水平尺测量机身水平和立轴垂直1次，以保证钻孔垂直，终孔时使用测斜仪进行终孔测斜，保证引孔垂直度偏斜小于1%。旋喷过程中也要注意测量钻杆垂直度，确保旋喷桩帷幕加固体符合设计要求。

3)在旋喷施工过程中，旋喷均应自下而上连续进行。当旋喷钻杆不能一次提升完成，两次旋喷注浆的搭接长度至少要有50cm，以保证固结体的整体性和连接质量要求，防止断桩；如旋喷过程中出现塌孔，要重新引孔并旋喷。

4)MJS旋喷桩施工完成后，立井井筒要进行锁口开挖，开挖深度4m，在这个过程中，要充分观察旋喷施工效果，并留下影像资料，同时对桩体取芯送实验室检测，确保加固体强度和质量。

5 结 论

通过对立井井筒松散含水砂层采用MJS旋喷桩进行预加固处理，使立井井筒上部松散层形成了环形帷幕加固体，保证了井筒锁口不发生不均匀沉降和大直径井筒钻进过程中的上部稳定。井筒锁口在开挖过程中，测量MJS旋喷加固体的桩径、咬合宽度、水泥旋喷质量均达到了预期要求，同时取芯检测强度达到了2MPa，这也验证了MJS旋喷桩在松散含水砂层中施工具有很强的适应性。目前，该井筒已安全、顺利钻过了松散含水砂层，由此可见，MJS旋喷帷幕桩预加固技术可作为松散含水砂层预加固处理技术体系中的一种，对于西部地区煤矿立井建设意义重大，可在类似条件下煤矿立井建设中推广应用。