上排下疏立井凿井新工艺

2005/10/23 13:59:51

　　摘　要　山西省轩岗矿务局焦家寨矿新建副立井，井深309m，冲积层厚52m。冲
积层含水丰富且流速大，用冻结法、帷幕法、注浆法、普通降水法施工都有困难。结合具体工程地质条件分析，冲积层段采用降水法施工，井筒中的残余水柱由井心的泄水孔泄到井下；基岩段采用反井钻机导扩孔刷大方法施工。实践证明，这种方法工期短、造价低、质量好，是一种崭新的立井凿井新工艺。
　　关键词　上排下疏　降水法　反井钻机　立井凿井新工艺

1　工程及地质概况
　　焦家寨矿新建副立井是老矿改扩建开凿的立井。设计井深309m，其中冲积层厚52m，基岩257m。设计井筒荒径φ7.5m，净径φ6.5m。井壁为厚0.5m单层素混凝土结构。
　　冲积层成分以砂砾石为主，岩性以灰岩为主，砂岩次之。在含水性较强的卵砾石层中充填有各粒级砂以及土质成分。卵砾石块径分布是上部较小，一般为20～40mm；中部(孔深26m左右)较大，钻孔取芯块径最大达300～320mm，最大块径可达1.0m以上；底部逐渐变小，一般在150～200mm左右。
　　在冲积层以下，有薄层泥岩和深灰色石英粗砂岩，层厚为0.45m；再下有厚6.69m的褐红色、杂色砂质泥岩，厚4.70m的褐红色粉砂岩；底部为厚2.72m的褐色泥岩。冲积层和基岩之间没有隔水层。
　　当时(1988年11月)静止水位为28.27m。根据以上地质资料分析可以认为，在静止水位以下的砾石层和砂砾层、砂土含砾层都是含水层，岩石风化带为另一个含水层。同时也可以认为，由静止水位以下到稳定基岩以上为1个含水层。
　　1988-11-20～1988-11-23，轩岗矿务局钻探队在副立井中检孔(布置在井筒荒径以内的井筒检查孔)进行两次降深的冲积层稳定流抽水试验，其成果见表1。
　　由表1计算出井筒冲积层段的涌水量为：Q₁=56.97m³/h，Q₂=54.60m³/h。

表1　焦矿副立井中检孔抽水试验成果

抽水前静止水位 /m	含水层厚　度 /m	水　柱高　度 /m	抽水后恢复水位 /m	潜水泵下入深度 /m	抽水稳定时间 /min	水　位降　深 /m	涌水量 /L^.(s^.m)^-1	渗　透系　数 /m^.d^-1	影　响半　径 /m
28.27	23.78	24.23	28.61	42.93 47.02	1150 650	11.63 15.79	0.345 0.293	1.46 1.40	25 25

2　冲积层段的施工
　　采用降水法凿井最大的难题是降水后期的残余水柱。能否消除残余水柱是十分关键的问题，过去曾采用过增加降水孔的方法。这种方法不但加大工程成本，而且只是减少残余水柱的高度，不能彻底消除。另外，也曾采取过增加降水孔深度的方法，这种方法也不奏效。
　　彻底消除残余水柱的唯一可行的方法是，在井下有巷道的前提下，通过井心钻孔将残余水泄到井下。泄水的方法很简单，用软管虹吸或者用小型潜水泵把工作面的涌水导入井筒中的泄水套管内，详见图1。

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图1　井筒冲积层段掘砌示意

　　这样，在冲积层段采用降水法开凿井筒，能够实现打干井。和其它特殊施工方法相比，具有工艺简单、设备少、投资省、工期短、省工、省力等优点。
2.1　降水法施工参数设计
　　(1)降水孔数。根据井检孔水文资料进行计算，降水孔数为3个。
　　(2)降水孔布置圈径。井筒荒径φ7.5m，考虑到钻孔在抽水时，地层中的部分细颗粒会随水流失，在钻孔周围会形成一定范围的空洞。在井筒掘砌过程中，如果遇到空洞，可能片帮。为了避免空洞和荒径沟通，以便在凿井期间凿井井架和钻井井架之间互不干扰，保证排水和凿井工作同时进行，降水孔布孔圈径确定为φ27m，以井筒中心为圆心。在此圆周上均匀布置3个降水孔，并将其中的1个孔布置在水流上方，其余两孔分列两侧。
　　(3)降水孔直径。孔径主要考虑要满足使用φ216～254mm的潜水泵抽水的需要，同时也要满足使用压风抽水的需要。降水孔滤水管的直径确定为φ273mm。降水孔直径定为426mm。
　　(4)降水孔深度。根据井检孔资料，风化基岩底板为66.61m。考虑到潜水泵的进水口高度和钻孔孔底岩粉的沉淀，降水孔深度定为75m。
2.2　水文新资料
　　3个降水孔在施工结束之后分别进行了降1孔、降2孔单孔抽水试验，同时也进行了3个孔的互相干扰抽水试验，其结果见表2～4。
2.3　井筒涌水量的计算
　　根据3个降水孔抽水试验新获得的水文资料进行井筒涌水量的计算。
2.3.1　排水量的计算
　　降1孔和降2孔抽水试验结果表明，单位涌水量q=1.522～1.293L/(s^.m)，较原井检孔提供的设计依据q=0.293L/(s^.m)大很多。又通过较长时间的3个孔干扰抽水，发现降水孔水位均降至含水层底板附近时

表2　降1孔抽水试验成果

含水层		静水位深度/m		抽水结果			观测孔情况
厚度 /m	埋深 /m	抽水前	抽水后	水位降低/m	涌水量 /L^.s^-1	单位涌水量 /L^.(s^.m)^-1	孔号	抽水前静水位/m	水位降 /m	与抽水孔距离/m
14.84	38.16～53.00	38.16	39.10	14.84	22.58	1.522	降2 中检孔	38.44 38.46	1.43 1.54	24.219 13.850

　　注：抽水前水位观测日期为1989-09-14。

表3　降2孔抽水试验成果

含水层		静水位深度/m		抽水结果			观测孔情况
厚度 /m	埋深 /m	抽水前	抽水后	水位降低/m	涌水量 /L^.s^-1	单位涌水量 /L^.(s^.m)^-1	孔号	抽水前静水位/m	水位降 /m	与抽水孔距离/m
12.16	39.42～51.58	39.42	40.16	12.16	15.72	1.293	降1 中检孔	39.23 39.48	0.50 0.57	24.219 13.586

　　注：抽水前水位观测日期为1989-10-04。

表4　3个孔干扰抽水试验成果

孔号	含水层		抽水前静水位深度/m	抽水结果				抽水孔与中检孔距离/m
孔号	厚度 /m	埋深 /m	抽水前静水位深度/m	水位降低 /m	涌水量 /L^.s^-1	单位涌水量 /L^.(s^.m)^-1	3孔单位涌水量平均值/L^.(s^.m)^-1	抽水孔与中检孔距离/m
降1	12.27	40.73～53.00	40.73	12.27	11.24	0.916		13.850
降2	10.60	40.98～51.58	40.98	10.60	5.13	0.484	0.954	13.586
降3	11.42	40.01～52.43	41.01	11.42	16.68	1.461		14.062
中检孔	10.95	41.10～52.05	41.10	3.60

　　注：抽水前水位观测日期为1989-12-13。
的总排水量(相对稳定时)为33.05L/s(118.98m³/h)，井筒中心静水位降低了3.60m，井筒中心含水层厚度为10.95m。
　　采用如下两种不同的方法计算井心水位降至含水层底板时的排水量。
　　(1) q=f(S)(S为水位降，m)曲线呈斜直线下降时，排水量为

　　(2) q=f(S)曲线呈斜直线下降时，排水量为

Q=Q₀S₁/S₀≈361.90 m³/h

式中：Q为井筒中心静水位降到含水层底板时所要达到的排水量，m³/h；H为含水层厚度，H=10.95m；S₁为打干井时水位降低值，S₁=10.95m；S₀为干扰抽水试验时的水位降低值，S₀=3.6m；Q₀为干扰抽水试验时总的排水量，Q₀=118.98m³/h。
　　取两种方法的算术平均值，即Q=289.23m³/h。
　　计算结果表明，要达到冲积层段打干井的目的，3个降水孔总排水量要达到289.23m³/h。根据选用的潜水泵能力，3个孔排水量达不到上述要求。如果完全依靠降水孔排水，需要再增加3个降水孔，这也就是普通降水法施工的内容。但是，上排下疏降水法就不同了，依靠上述3个孔降水，剩余的残余水量由井心泄水孔泄到井下，从而实现打干井的目的。
2.3.2　泄水量的计算
　　在3个孔干扰抽水期间，中检孔做了简易抽水试验。当抽水量为10m³/h时，水位降低1m。仍用上述两种方法计算，排水量的算术平均值为56.47m³/h。也就是说，井筒周围的3个降水孔降水(118.98m³/h)，井筒中泄水孔泄水量达到56.47m³/h时，就能够实现冲积层段打干井。
2.4　冲积层段的掘砌施工
　　3个降水孔施工结束之后，井筒开始试挖。当井筒内3盘吊挂结束之后，降水孔开泵抽水。随着地下水水位的下降，井筒不断向下掘砌。掘进使用风镐，不可放炮。边掘砌边割断井心的套管。当掘至残余水柱时，在工作面挖一水窝，设小型潜水泵，把工作面涌水导入井心套管中泄到井下。在下掘时，要特别注意保护井心泄水孔，不能堵塞。当掘砌到75m时，砌筑壁座。冲积层段和风化基岩掘砌工作结束。

3　基岩段施工
　　焦家寨矿副立井揭露的基岩为二叠系上下石盒子组地层，其顶部和冲积层之卵石层直接不整合接触。取芯证明，基岩倾角平缓，一般在7～15°之间。岩性以细颗粒砂质泥岩、泥岩为主，约占60%；其次为细、中、粗粒砂岩，约占37.7%，夹有3层煤，其中2号煤厚达5.8m。砂岩成分以石英为主，多为泥质胶结，坚硬致密。
　　根据已建成的主斜井揭露的基岩情况来看，从稳定基岩到井下透巷点，共长234m基岩段不含水。
3.1　基岩段掘砌方式
　　根据焦家寨矿的特点，基岩段采用反井钻机导扩孔和普通钻爆法刷大是最好的掘砌方式。这种方式不仅速度快、质量好，而且安全。冲积层段掘砌用过的泄水孔又可做为反井钻机导孔，钻孔得以充分利用，使工程造价降低。
　　反井钻机使用和其它工程不一样的地方就是把反井钻机安装在井筒工作面。工作面的施工条件满足反井钻机安装的要求。
　　焦家寨矿副立井基岩段为234m，LM-200型反井钻机的导扩孔能力是250m，反井钻机满足施工需要。
　　吊盘喇叭口能够通过LM-200型反井钻机的最大拆件。井筒工作面能够布置全部反井钻机设备，且不影响人员的正常操作。
　　地层平缓且不破碎，也没有大段膨胀性泥岩，基岩不含水。这些都给使用反井钻机施工创造了有利条件。
3.2　基岩段掘砌施工
　　将反井钻机拆件下放到井筒工作面组装就位，调试。把钻杆沿原泄水孔下放到井下透巷点，连接扩孔钻头向上扩孔。扩孔完成后，拆除钻机运至地面。施工示意见图2。

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图2　焦家寨矿副立井基岩段施工示意

1—反井钻机钻杆；2—已开凿井筒；3—已封堵的抽水钻孔；
4—井筒工作面；5—未开凿井筒；6—反井钻机钻头；
7—反井钻机钻孔；8—已开凿巷道

　　反井钻机导扩孔之后，在井心附近形成1个φ1 200mm的大钻孔。由于大钻孔的存在，增加了放炮时的自由面，爆破效率也大幅度提高。放炮之后，大部分矸石会沿钻孔溜到井下，其余由人工攉入钻孔。井下巷道安装耙斗机，将矸石装入矿车，运到井上排矸场地。

4　上排下疏凿井法施工工艺顺序
　　(1)准备工作。包括对井检孔提供的地质、水文资料的分析，对使用该法凿井可行性进行论证。
　　(2)降水施工参数计算。根据水文资料确定降水孔数、布孔圈径、降水孔位置、降水孔深和孔径等参数。根据抽水试验结果计算出排水量，根据排水量进行潜水泵选型。
　　(3)施工井心泄水孔(反井钻机导孔)。泄水孔在井筒中心开孔，冲积层段孔径为φ325mm，使用DZJ-500/1000型冻注钻机施工，采用泥浆无芯方式钻进，钻至65m下入φ273mm套管，并且使用水泥浆固管。65m以下基岩段钻孔直径为216mm，采用无芯泥浆方式钻进。在钻进过程中，为了保证钻孔铅直精度，每钻20m深，使用陀螺测斜仪测斜1次；如有偏斜，需及时纠斜。整个钻孔偏斜率要小于5‰。当钻至深309m时，和井下巷道贯通。
　　(4)施工降水孔。降水孔深75m，采用φ426mm钻头无芯钻进，安装φ273mm滤水管。在滤水管周围，填入φ5～10mm的河床砾石作为滤水的滤料，保证地下水能够顺畅地进入滤水管内。滤料填好后，强力洗井，直到水变清、含水层畅通、水中含砂量减少、水量增大时为止。
　　(5)安泵降水。降水孔施工结束后，安装潜水泵试排水。之后，做两次降深的简易单孔稳定流抽水试验和多孔干扰抽水试验。根据试验结果，计算出泄水孔的泄水量。
　　(6)冲积层段掘砌(包括壁座)。
　　(7)基岩段掘砌。①反井钻机安装及施工；②钻爆法刷大井筒。

5　结　语
　　上排下疏立井凿井新工艺是老矿改扩建开凿新立井时的一种新的施工工艺，它是传统降水法的改进。这种新工艺，方法简单、造价低、工期短、井壁质量好、安全，在国内外属首创。
　　传统的降水法施工立井一般要布置8～12个降水孔，但仍不能消除降水后期的残余水柱。残余水柱的存在严重影响后期的成井速度和井壁质量，也可能导致降水法施工的失败。而上排下疏立井凿井新工艺实现了井心泄水，彻底消除了残余水柱，实现了打干井，成井速度、井壁质量都有可靠的保障。井心泄水，不论水量大小都能泄干(以不超过井下排水能力为准)。和传统的降水法比较，降水孔数减少了，工程量减少了，费用降低了，工期也提前了。
　　井筒基岩段掘砌采用反井钻机导扩孔技术，省掉井筒中的排水系统和通风系统，大大简化了井筒中的悬吊设施。而且，矸石不用装桶上提，省掉了抓岩设备，也节省了装岩时间，提高了工效，加快了建井速度。
　　上排下疏立井凿井新工艺是一种新的立井施工方法，在一定条件下适用。随着国民经济的进一步发展和煤炭产业结构的进一步调整，老矿改扩建项目会越来越多，因此，这种方法的推广应用会有广阔的前景。

①获1998年煤炭工业第16次科技进步三等奖
作者单位：煤炭科学研究总院北京建井研究所，100013

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