摘要：我国在新矿区开发中，越来越多地遇到复杂地层，给新井建设带来了很大的困难。文章分析矿井在特殊地层条件下，井筒穿过含水砂土层、流砂层的基本原理及采取的技术措施与重要的现实意义。
关键词：抗压强；自然安息角；内摩擦角；地面静点降水法；降水疏干法
中图分类号：TD262 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）16-0128-03
1 特殊地层中井筒施工法概况
我国在新矿区开发中，越来越多地遇到复杂地层，给新井建设带来了很大的困难，如华东的两淮矿区、兖州矿区；华北的开滦矿区含有流砂和砾石层；邯邢矿区我省潞安、晋城、霍州、朔州矿区表土层从几十米到三百米不等，由于表土层地质和水文地质条件特殊，在设计和施工中必须采取针对性的施工技术措施。
井筒穿过的表土层按其是否有含水砂土层、流砂层、砂砾层及开挖后是否有流动性，通常分为稳定表土层和不稳定表土层。目前，在松散不稳定表土层中，一般均采用特殊凿井法：冻结法、化学注浆法和钻井法。这些方法施工技术成熟，可靠程度大，但施工工艺及技术管理工作复杂，造价高，在一定程度上制约了其推广应用。因此，根据不同的工程地质及水文地质条件，研究、探索造价较低的普通凿井法，对新井建设具有重要的现实意义。
长沟煤矿，主、副斜井表土层垂深段内共有含水砂土层12层，是山西地区少有的特殊复杂地层。主斜井井筒含水砂土层段垂深92米，斜长314.7米；副斜井井筒含水砂土层段垂深95米，斜长277.8米；设计采用全封闭双层复合井壁支护，但用普通凿井法顺利通过长距离含水砂土层和流砂层一举获得成功。
2 实施特殊地层普通凿井法的技术思路
我认为砂在井筒开挖中，由于地下水的渗流使砂层失去稳定性，施工排水而引起流动，当动水压力大于颗粒的悬浮重量时，使砂子悬浮失去平衡，随动水压而流动。砂、砾石层的渗透性大，其主要原因是砂层内含水，使其抗压强度降低。若能降低水位，砂层在同样条件下的抗压强度，自然安息角会大幅度增加。治水是最基本的技术措施。
井筒的开挖必然引起围岩的应力重新分布，继而发生弹塑粘性变形，形成塑性区和一定范围的破碎松动圈，并同时出现内空收敛位移，导致围岩变形失稳。井巷支护的过程，实质上是控制井巷围岩内应力应变的变化过程，即是通过改善围岩力学性质和提供支护约束反力，来控制松动圈扩展的过程。如何控制松动圈的发展，长期以来，一直以维护井巷围岩稳定为突破口，必须采取如下对策：
第一，对岩体内加固，即提高岩体的残余强度以及提高粘结力，内摩擦角度和模量以提高围岩的承载能力。常用的内加固方法是注浆，锚杆支护等方法。
第二，对围岩外支护，最适宜的方法是喷射混凝土或砂浆等加固结构。
第三，围岩变形是力学动态过程，支护既要控制围岩变形发展，又要允许围岩产生有限制的变形，使围岩支护体系在共同变形力学过程中达到稳定状态。因此，就要求支护结构要有一定的柔性，能自身产生一定的变形，又要有一定的刚性以限制变形发展。
第四，必须根据松动圈发展的时空效应，保证支护结构施工及时，控制围岩变形过程，不断调整开挖循环，掘进段长，支护时间和底拱闭合时间等。
第五，根据围岩变形特征，采用二次支护方法，早期支护作用，要迅速地控制井巷围岩变形过程，并作为永久支护的一部分。在围岩变形，松动圈发展得到有效的控制后，再进行后期支护。
表土层一般均属松散不稳定围岩，即使在疏水降压后，砂土层的强度也是很低的，不足以抵抗地应力。按照上述力学分析和围岩松动圈支护理论，表土层属于大松动圈范围的围岩，井巷支护除遵循上述对策原理外，尚需遵循以下四条基本原则:（1）及时封闭围岩；（2）必须具备足够的支护能力；（3）必须具备一定的可缩性；（4）必须实现全断面支护。
依上述原则作指导，在长沟矿主、副斜井井筒施工中，采用了全封闭双层复合井壁支护结构，外层为350mm厚料石碹，刚性支护，其整体性好，抗压强度大，实践证明：该支护方式结构合理、
正确。
3 井筒疏水降压方法与步骤
表土层中建井产生巨大困难的根源是水。砂层遇水则易流动，使井筒周邦很不稳定，因此必须想方设法疏水降压，这是表土层中建井的关键。冻结法的原理就是用人工制冷的方法，将井筒周围的岩层冻结成封闭的岩筒—冻结璧，以抵抗地压，隔绝地下水和井筒的联系；化学注浆法的实质为在松散的含水砂土层中，注入可凝结的浆液，固结砂土，减少涌水涌砂。长沟煤矿主、副斜井施工的疏水降压方法有以下三种：
3.1 地面静点降水法
在距离井筒前进方向适当位置左或右一侧10米处，向下打一个∮219～377mm的疏水降压孔，下设带过滤网的花管，使砂层的水通过花管聚集在疏水降压孔中，放入水泵在较大范围、较长时间内将水排至地面。从而使斜井穿过的部位处于自然形成的降水漏斗中，以达到疏水降压，砂层固定的目的，为掘进创造宽松便利的条件。
3.2 井下掘进工作面迎头超前小井降水疏干法
当含水砂层或流砂层颗粒较大时采用此法。随着掘进工作面的前进每隔3～5m，放入水泵排水使掘进工作面迎头的水位始终低于掘进工作面迎头3米以下，使松软不稳定的含水砂土层变得相对
稳定。
3.3 大直径钻孔超前降水法
该方法的施工是在退后掘进工作面迎头2.5米处，沿井筒底板和两边侧墙内侧，以450角超前打直径∮325～377mm的降水钻孔（钻孔斜长12m）放入水泵，不断排水，控制水位在施工工作面以下。每个钻孔的底部在井筒轮廓线之外3～5m处，各孔底走向间距一般为4～8m。
4 井筒施工技术与步骤
在疏水降压的前提下，工作面迎头超前临时支护，短掘短砌，分部开挖，分部掘砌复合井璧
第一，当砂土层较密实，稳定时，在超前降水的情况下，施工按正常作业方式进行，即先墙后拱，分部开挖砌筑。
第二，当含水层位于拱基线以下时，墙部采用密集板桩控制，先拱后墙，短掘短砌。
第三，当含水砂土层升到拱基线以上，荒断面以下时，在超前降水的控制下，采用的钢筋混凝土底梁掩护，全断面封闭，先拱后墙，短掘短砌。
第四，当含水砂土层全部升到荒断面以上时，采用穿梁过顶，金属拱架支撑，密集板桩掩护，先拱后墙，短掘短砌施工方法。
第五，当井筒穿过厚含水砂土层时，在疏水降压前提下，采用钢结构组合移动临时支护，分部开挖短掘短砌。
总之，长沟煤矿主、副井筒采用普通凿井法获得成功的关键有两点：一是采用多种多样的疏水降压与灵活机动的掘砌方法；二是选择正确的支护设计方案。
5 经济和社会效益分析
随着市场经济的蓬勃发展，如何减少矿井建设资金总需求量与降低吨煤投资已成为企业发展与企业整体利益的大事。
就长沟煤矿主、副斜井井筒施工采用综合治理普通凿井法通过含水砂土层、流砂层而言，不仅为特厚冲积地层开凿斜井摸索和积累了丰富的实践经验，而且形成了一整套系统的经验总结。在我国斜井开拓史上过这么厚含水砂土层和流砂层也是一大创举。主斜井过冲积地层垂深141m，斜长314.7m，副斜井井筒过冲积地层垂深144m，斜长277.8m，两斜井井筒合计穿过特殊地层斜长为；592.4m。
按冻结法施工，平均每延米工程造价为9.5万元/米，则主、副井筒过含水砂土层和流砂层工程总费用为：5628万元。按照超前降水板桩法施工，主、副斜井井筒平均每延米工程造价为1.81万元/米，则主、副井筒过含水砂土层和流砂层段工程总费用为：1072.3万元万元。普通凿井法与冻结法相比节约投资4555.7万元。
6 结论
第一，实践证明：只要将水得到有效控制，砂的稳定性就好，抗压强度及自然安息角就大大增加，这是井筒顺利通过含水砂土层和流砂层的大
前提。
第二，通过前面的分析说明超前疏水降压，采用全封闭复合井璧支护，先拱后墙，短掘短砌，分部开挖、分部砌筑是特殊地层顺利通过的重要技术原理。利用普通凿井法穿过含水砂土层和流砂层在技术上是可行的，安全上是可靠的。
第三，特殊地层普通凿井法是一种十分有效的井筒施工法，具有特殊凿井法无法比拟的，投资少，工期短、质量好等优点，具有很实际的使用价值和推广前景。
参考文献
[1] 朱文林．立井开凿用降水法通过冲积层[J]．煤炭科学技术，1995，（1）．
[2] 中国矿业学院．特殊凿井[M]．中国矿业大学出版社，1985．
[3] 中国矿业学院水工教研室．水文地质及工程地质学[M]．1985．
[4] 余德绵，陆春元．矿井水灾防止技术[M]．中国经济出版社，1987．
作者简介：贾润田（1963-），男，太原煤炭气化（集团）有限责任公司高级工程师。
（责任编辑：叶小坚）
相关热词搜索： 凿井 地层
