普通凿井法穿过第三系强含水层

摘要:采用普通凿井法强排硬过,张屯矿副立井在10 d内顺利通过第三系砾石强含水层(涌水量Q≥130 m3 /h) ,较冻结法施工缩短建井工期6个月,节约投资800万元。
关键词:普通凿井法;强排硬过;第三系砾石强含水层
中图分类号: TD26211　文献标识码: B　文章编号: 1003 - 0506 (2005) 05 - 0037 - 02
1　主、副井井筒概况
张屯煤矿位于河南省辉县境内,于2003年开始筹建,矿井采用1对立井开拓。主、副井筒上段采用冻结法施工,两井筒深度均为340 m,冻结深度为180 m,井径分别为3.5, 4.5 m。井筒穿过的第三、四系冲积层厚度为225.65 m,风化带厚度为30.9m,基岩段为84.25 m。依照建设单位提供的井检孔地质柱状图,结合井检孔电测资料及主井井筒所揭露该段地质概况,副井井筒- 218～ - 240 m段由上而下岩层组成依次为: 2.3 m厚的粘土(包括上部0.7 m已掘未砌部
分) 、6.7 m厚的砾石层、13 m厚的基岩风化带。其中粘土,含有钙质结核,较硬,呈胶结状态,深黄—黄褐色,具滑感。砾石层上部2 m左右为砾石夹粘土,下部4.7 m左右呈不胶结松散状态的砾石层,由不同粒径的砂及粒径为20～100 mm砾石组成,砾石的粒径由上到下由小变大,砾石成分以石英砂岩为主,分选差,次棱角状。该段为主要含水层,涌水量Q = 83.2 m3 /h左右。风化基岩以泥岩为主,厚度为30.59 m。
副井- 210～ - 230 m段井壁结构如图1所示,
第三系砾石含水层段钻孔柱状图和该段实际揭露柱状图如图2、图3所示。

2　主、副井施工及工程事故情况
主井于2003年4月1日开挖, 6月10日180 m冻结段外壁掘砌结束, 7月3日内壁套砌结束。7月
8日,当井筒施工至井深196 m表土位置时,底部砾石层出水约50 m3 /h,通过工作面预注浆的方法解决。至2003年10月底,井筒施工至深215 m处,探明在- 222.4～ - 225.5 m段有3 m多厚的流沙层。经多方论证,认为注浆难以通过该段地层,最终确定采用二次冻结法通过,冻结层位- 215～ - 250 m,包括表土和基岩风化带。该次冻结时间达200 d,冻结总费用达820万元。

    副井于2003年6月10日开挖, 8月15日180m冻结段外壁掘砌结束, 9 月3 日内壁套砌结束。
当井筒施工到井深200 m处时,采用工作面超前预注浆法通过下部含水层,该段井筒直径411 m,在其圈径上均匀布置了44个注浆孔,孔间距为300 mm,共注入水泥量1 200 t,平均单孔注入量超过27 t,注浆孔终孔位置进入风化岩石5 m。截至2004 年4月27日井筒已掘砌至- 218 m,由此下掘1.1 m时揭露的全部为粘土,呈钙质胶结状态,工作面开始出现底鼓、裂缝,底鼓量为0.4 m,即空帮距离由1.1 m变为0.7 m,同时井筒荒径周围出现10个集中出水点,测得井筒涌水量约为50 m3 /h, 2 h后,测得井筒涌水量达83.2 m3 /h。当时二次冻结的主井井筒已施工至- 205.7 m,而- 205.7～ - 240 m段正处在二次冻结的维护冻结期和该段井筒的试开挖阶段,
为了确保主井井筒施工安全,只得迅速将副井井筒注水至静水位,进行淹没。

3　事故处理方案
经过专家多方案论证认为,有2个可行方案,即注浆或者二次冻结。前者已证明效果欠佳,而二次冻结较可靠,但是投资过大,工期又长,且井壁需重新设计,矿建施工队伍与冻结队伍大交替,矿井凿井设施又要移开,易造成管理混乱。面对工程进展两难选择,认真分析了豫西与华东地质水文地质条件的差异,认为豫西的沙层溃井的可能性要小得多,普通法凿井通过含水层的手段也不仅仅只有注浆法那么单一,采取综合措施排注结合,快速通过不失为一种合理的施工方法。经报甲方,同意了这种方法。

4　方案的实施
4.1　排水系统的布设
在井筒内布置3台水泵: 1台潜水泵、2台吊泵。其中:潜水泵排量达150 m3 /h,单台吊泵排量超过80 m3 /h。排水系统配备性能为: 2台吊泵适合排污水,不易损坏,能紧跟工作面,满足掘进期间的排水需要;潜水泵排量大,适宜排清水,能在吊泵损坏的情况下,为换泵提供一个良好的工作条件。另外,还要配备足够的备用水泵和强有力的水泵维修队伍。
4.2　方案实施过程
方案实施分3个阶段。第一阶段为上部粘土层施工,即上部3个段高,出水较集中,施工时,先在工作面挖出笼头坑(直径3 m,坑深1.2 m) ,笼头坑周围挖出径向水沟,水沟内放置一端焊有法兰盘的á108 mm 或á 159 mm 导水管(以备将来封水注浆用) ,直接将周边集中涌水通过径向水沟内导水管全部引至笼头坑,径向水沟上面用宽木板覆盖好,即可顺利地实现立模和混凝土浇灌。第二阶段为中部4个段高的砾石强含水层的施工,施工时,一面开帮,一面沿井壁荒径周边砌料石,遇到有零星出水现象时,在井帮和料石之间铺塑料板,使零星出水通过塑料板将水引至底板,再通过径向水沟内的导水管将水引至笼头坑。对于段高中间集中出水,采取先架设导水管,并用钢筋楔固定牢靠,导水畅通后,用粘土将导水管周围渗水处糊严堵实,后砌料石封闭。料石底部绑扎径向联系钢筋用来支撑料石,以防开挖下一段高时,料石发生垮落,而后绑扎钢筋、立模、砌壁。第三阶段为下部3个段高的施工,最后一个段高基本为砾石层与基岩风化带的过渡段高,各段高出水情况较集中,导水工艺简单,掘砌较快。待最后一个段高砌壁完成后,采取壁后注浆的方式处理了上部所有导水管,至此安全通过砾石含水层。
5　结语
(1)方案制定合理。在冲积层段,特定条件下采用普通凿井法安全顺利通过砾石含水层,在豫西井筒施工中突破了单一思维模式,具有现实意义。
(2)排水系统的合理设计,充分发挥了吊泵和潜水泵的优点,确保排水系统完好,这是强排通过的保证。设专人维护吊泵笼头,挖足够大的笼头坑是保证强排硬过的重要环节。
(3)整个施工过程,所有导水管一律保持畅通,减少井壁淋水,改善了作业环境。
(4)为确保井壁质量,井壁混凝土标号较设计提高一级配比,并适当加入外加剂,确保了井壁质量和混凝土井壁强度。
(5)强化管理,专项培训突击队伍是快速通过含水层的有效保证。
由于采用了该施工方法,矿井建设工期较冻结法施工缩短了6个月,减少各项投资达800万元以上,实现了业主和施工单位双赢,取得了较好的经济效益和社会效益。(责任编辑:郭海霞)