转龙湾煤矿东立风井过风积砂含水层工程实践.pdf

142020 年第 8 期 收稿日期 2020-05-15 作者简介 倪礼强（1983-），男，2005 年毕业于安徽理工大学， 矿建高级工程师。 转龙湾煤矿东立风井过风积砂含水层工程实践 倪礼强 卢晓磊 刘露生 （中鼎国际工程有限责任公司，江西 南昌 330096） 摘 要 以转龙湾煤矿东立风井工程施工为案例，就立井施工过风积砂含水层展开研究，采用井外降水 井内截水 分 区分层开挖的施工工艺，并就施工过程进行了总结，对今后类似工程项目施工具有一定的指导借鉴意义。 关键词 立井 含水层 施工 中图分类号 TD262 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2020.08.005 Engineering Practice of Overwind Sand Aquifer in East Vertical Air Shaft of Zhuanlongwan Coal Mine Ni Li-qiang Lu Xiao-lei Liu Lu-sheng Zhongding International Engineering Limited, Jiangxi Nanchang 330096 Abstract In this paper, a case study is carried out on the construction of over-air sand aquifer in the east vertical air shaft of Zhuanlongwan Coal Mine. This paper adopts the construction technology of dewatering outside the shaft, intercepting water in the shaft and excavating in layers by zones, and summarizes the construction process, which has certain guiding significance for the construction of similar projects in the future. Key words shaft aquifer construction 立井施工过程中常常会遇到流砂层，而流砂层 的存在给立井的安全施工带来了严峻的挑战。目前 针对立井过流砂含水层的施工方法主要有管井降水 法、高压旋喷桩帷幕法、沉井法、置换注浆法及冻 结法等 [1]，而针对立井过风积砂含水层的研究相对 较少。本文以转龙湾煤矿东立风井过第四系风积砂 含水层的工程实践为例，对相关工艺及施工要点进 行研究，旨在为今后类似工程项目施工提供借鉴。 1 概况 转龙湾煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金 霍洛旗纳林陶亥镇东胜区南东约 30km，矿区地层 从上至下依次是全新统第四系（Q4）、侏罗系中统 直罗组 J2zh、侏罗系中和下统延安组第五段（Jl- 2y5）。其中全新统第四系为风积砂层，其表土由风 积砂、粘土组成，松散，塑性差，渗水性较好。东 风井施工区域含水层主要有第四系松散岩类孔隙潜 水含水组、侏罗系碎屑岩类孔隙裂隙承压水含水岩 组，各含水层之间基本没有水力联系。从第四系底 板起至Ⅱ -3 煤层之间的岩层主要为泥岩、粉砂质泥 岩、泥质粉砂岩及胶结好的砂岩，为较好的隔水层。 根据转龙湾煤矿水文地质类型划分报告等资料综合 分析，东风井施工时正常涌水量为 10m3/h，最大涌 水量为 15m3/h。 转龙湾煤矿东回风立井井口标高 1283m，井 筒位于矿井工业广场西侧。井筒设计荒径为 5m， 净直径 4m，井筒设计深度 106.5m，井筒结构采用 单层井壁，配置双层钢筋，壁厚度 500mm，混凝土 强度 C35。井筒最初采用普通凿井法施工，并辅以 管井降水法改善工作面作业条件，但随开挖深度的 不断增加，涌水量超过了预计的涌水量，亟须调整 辅助降水方案。 2 风积砂含水层施工方案 2.1 施工方案选择 项目工期、现场条件、地质情况等因素是制约 施工方案选择的重要因素，东立风井主要考虑井壁 及工作面涌水对施工安全的影响，需进行方案对比。 （1）冻结方案。沿井筒外围冻结孔，使用制 冷及散热设备利用循环盐水将井筒外壁形成一圈不 透水的帷幕，即防止含水层的涌水进入工作面，又 152020 年第 8 期 加固了井壁。但整个井筒的工程量只有 106m，性 价比不高，而且采用冻结方案，前期准备时间长， 不能满足建设单位对工期的要求。 （2）注浆方案。通过打垂直孔注水泥 / 化学浆 置换土中砂砾，使井筒外围也像冻结方案一样形成 一圈不透水的帷幕，同时也加固了井壁围岩。但考 虑到井筒外 20m 范围内有一口生活用水井，注浆势 必会对水井水质造成污染，而且根据风积砂的特性， 粒径小，孔隙密，浆液扩散半径小，止水加固效果 难以保证。 （3）旋喷桩方案。在井筒外围施工一圈或两 圈相互咬合的垂直旋喷桩，以达到止水、加固的目 的，是一种备选方案。 （4）管井降水方案。在井筒外围施工若干降 水井，用潜水泵不间断抽水，利用降水漏斗原理， 使水位低于掘进工作面， 方案简单， 投入少， 工期短。 通过方案对比，本次施工选用管井降水方案， 即随着井筒掘进工作面的不断加深，先后布设 19 口直径 800mm、深度 4560m 管井。如图 1 所示。 图 1 管井降水布置图 施工过程通过井外降水并辅以工作面抽水， 安全通过了 K0-K039 风积砂含水层。但当掘进至 K039m 位置（还剩 1.5m 即将进入基岩段）时，井 内外抽水总量已经达到 170m3/h，同时工作面涌水、 涌砂量增多，继续掘进已无法确保施工安全，需调 整施工方案。 2.2 施工方案调整 项目组研究决定采取多圈径向管路截水辅以分 区开挖和分区临时支护施工手段，方案如下 （1）井内截水方案。截水施工之前，首先将 井壁按永久支护的方式砌筑到工作面迎头。然后 在井壁 K038.5、K038 两个里程位置沿掘进方向 45径向施工 2 排环形辅助孔截水，孔口间排距约 0.5m，呈梅花状布置。截水孔平剖面示意图如图 2 所示。 图 2 截水孔平剖面示意图 每个孔内埋入直径 50mm、厚度 5mm 的 PE 管， 其管底至风积砂层与基岩层交接面处。截水管上端 1m 为实管，下端为花管（滤水孔 5mm），花管段 外裹 3 层滤水土工布，底端封口处理。 每根管上端采用 T 型接头串联环形接通，并采 用 IS80-50-250 型真空水泵负压抽水，将水抽至吊 盘水箱后再排出井外。 （2）掘砌方案。通过外降内截措施，井筒工 作面涌水、涌砂的情况基本上得到了有效遏制，为 掘进施工创造了有利条件。工作面采用分区分层开 挖（分区如图 3 所示）、先临时支护再永久支护的 方案进行施工。 图 3 分区分层开挖施工示意图 首先以井筒中心为中心将井筒断面划分为 16 个区域，按顺序开挖。每开挖完 1 个区域空间（深 度 0.25m）及时安装自制扇形铁盒子（扇形铁盒子 示意图如图 4 所示）作为临时支护。开挖完一圈再 继续开挖下一层（深度 0.25m），自上而下开挖进 入基岩中。掘进到位后，按设计要求绑扎钢筋（铁 盒子侧面预留穿钢筋的孔，铁盒子超出井壁内轮廓 线外的部分切除）后，浇筑 C40 抗渗混凝土。 3 结论 （1）将建筑工程富水软土基坑开挖工法应用 于矿建工程，通过井外降水 井内截水 分区分层 开挖措施的综合应用，有效解决立井穿越风积砂含 水层的难题。实时评估施工风险，动态调整施工方 （下转第 18 页） 182020 年第 8 期 案，确保井筒安全、顺利掘进。 （2）不足及展望。方案选择时未充分考虑管 井降水的难度和效率，如果采用双层垂直旋喷桩帷 幕止水方案，或许在作业条件、施工进度及工程质 量等方面可以做得更好。 （3）施工中对地表沉降及潜水位动态观测、 记录不到位，应通过单井和多井抽水试验取得含水 层有关参数，作为降水方案设计的输入条件，使降 水方案 [2] 更加合理。 （4）转龙湾煤矿东立风井工程较厚风积砂含 水层施工，应用井外降水 井内截水 分区分层开 挖综合技术措施是可行的，采用其他技术方案是否 可行及更优还有待进一步研究、实践和综合评价。 图 4 扇形铁盒子示意图 【参考文献】 ［1］ 高晓耕 . 郭家滩风井过流砂层旋喷帷幕治理技术 [J]. 现代矿业，2016，32（07）68-70. ［2］ 叱清俊 . 超深管井降水技术浅析 [J]. 山西建筑， 2020，46（03）54-57. （上接第 15 页） 前期吊盘上布置 DG85-8012 卧泵排水，后期 施工时在井筒中下部 -700m 中段马头门处设置中间 转水站，安设 2 台 DG85-8012 型卧泵接力排水。 该项目为金属矿山井筒，考虑到井筒深、水 平多、地温高等因素，施工期间采用 FBD-NO8.0 型 245kW 对旋风机配 Φ800mm 铁质风筒供风， 另配 Φ800mm 铁质风筒备用。深部施工时，开启 FBD-NO7.1 型 330kW 三级对旋风机进行加强供 风。为确保供风稳定，备齐同等能力的备用风机或 电机。 4 主要技术措施与经验 （1）工程应选择大型专业矿建施工企业承建， 并应要求施工单位自身具有矿建、土建、安装等较 全面的施工资质范畴，有较丰富的全阶段连续施工 组织能力，尽可能减少对外协作需要，具有全面的、 系统性的组织和管理能力。 （2）工程施工应选择科研能力强、对口科研 成果丰富并且成果可直接用于本工程的施工企业承 建。针对本工程的特点，能够有足够的大型装备可 选用，能合理配套布置大型凿井施工装备并进行井 筒内布置，能针对性地解决超深井施工中的独特问 题，能确保深井掘砌、提升、悬吊、运行安全。 （3）竖井井筒较深，施工中应对吊桶快速运 行中的稳绳摆动现象进行深入研究，从多方面采取 有效措施解决提升吊桶在稳绳中间位置高速通过时 水平摆动幅度过大问题，确保吊桶提升的安全。 （4）井筒地处海边，针对地下水矿物质含量 较高的特性，应对井筒水质进行及时检测，加强与 设计院沟通，必要时优化冻结站冻结方案，调整混 凝土井壁结构和混凝土添加剂配比，确保井壁质量， 严格按照规范及设计图纸进行施工。 （5）竖井工程靠海较近，应对施工单位提出 较高的防风、防汛、冬季防冻及设备防腐性要求。 工广场地为沙滩，凿井施工的稳绞基础布置时要采 取加固措施。 （6）在与临时建筑不冲突的前提下，矿方的 永久建筑和永久设备应尽快建设，缩短矿井建设工 期，降低建井成本。 5 结论 滨海超深竖井工程在施工工序的安排上，考虑 利用永久混凝土井塔凿井，实现了施工中冻结、土 建、凿井的平行交叉作业，改变了传统的施工工艺， 建井工期节省半年以上。尤其是在北方冬季寒冷土 建无法施工的地区，此种工艺可避免工程冬季停工 的影响，有着较高的推广应用价值。 在滨海竖井冻结段盐水冻结中，采取了针对性 的冻结孔布置、调整盐水流量、加大设备配备等措 施，工程施工中创新使用了高强度三层凿井吊盘、 新型大直径 5m 凿井变频提升机，研制了国内最大 容积的 8m3矸石吊桶和 4m3混凝土吊桶、新型抓岩 机、液压伞钻、40t 凿井稳车等一系列配套的新型 凿井装备，实现了超深孔大循环的凿井爆破工艺， 大大提升了施工效率，确保了超深竖井的顺利施工。