论文发表：浅谈西部新建矿井施工关键技术问题__墨水学术,论文发

所属栏目：矿业论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:284

副标题#e#摘要：本文通过西部几个矿井开发实例，通过对西部特殊的水文地质条件进行分析，阐述了西部矿井施工几点体会。
关键词：西部矿井 特殊地质条件 施工  关键技术问题
On the west key technical problems in construction of new coal mine
Zhao shi-bing  han wang-hai 
(in the Coal Hill Construction Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230000, China)
Abstract: In this paper, development of the Western a few examples of mine, through a special hydro-geological conditions in western analysis, described Some Experiences in construction of the West Mine.
Keywords: western mine geological conditions of the special key technical problems in construction
1  概述
最近几年来在国家开发大西北的政策引导和扶持下，煤炭产业作为一个基础产业在西部不断得到壮大，从浅部煤层逐步向深层开发，涌现出一大批新建矿区。但是西部地区海拔高，地质条件复杂，主要以软岩、砾石层为主，尤其要穿过厚达数百米的白垩系地层，含水层较多且富水性大，与中、东部地区矿井地质条件大不一样。如果我们仍采用原来两淮地区的施工工艺来施工西部矿井，就会出现一些以往不曾遇到的新问题，导致施工困难重重。因此，我们必须转变思路，进行技术创新和攻关，寻求一种适合西部新建矿区特殊地质条件的施工方案和工艺，来改变目前西部矿井建设的不利局面。下面就最近几年我单位施工西部几对在建矿井施工中遇到的一些关键技术问题进行探讨。
2  工程概况及设计特征
2.1  塔然高勒主井
神华乌达矿业有限公司塔然高勒煤矿，设计生产能力为10Mt/a，由中国国际工程集团北京华宇工程公司设计，该井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，行政区划属杭锦旗及达拉特旗。采用立井开拓方式，共布置主立井、副立井和中央回风立井三个井筒，均位于工业场地内。
主井设计井深643m，净直径8.2m，井壁厚度1000/650mm，采用普通法施工。
2.2  母杜柴登风井
内蒙古鄂尔多斯市伊化矿业资源有限公司母杜柴登矿井，设计产量为6.0Mt/a，该井田位于鄂尔多斯市境内，行政区划隶属鄂尔多斯市乌审旗图克镇管辖。采用立井开拓方式，共布置主井、副井和中央回风井三个井筒，均位于工业场地内。
风井设计井深665m，净直径6.5m，井壁厚度800/1600mm，采用全深冻结法施工。
2.3  灵东煤矿主、副、风井筒
扎赉诺尔煤业有限责任公司灵东煤矿，矿井生产能力为5.0 Mt/a，矿井服务年限为100.6年，由沈阳设计研究院设计。该位于扎赉诺尔煤田的南部，行政隶属满洲里市管辖。矿井开拓方式为立井开拓，工业场地设主、副、风井三个井筒，其中主井井筒内布置一对42t箕斗，担负提煤任务；副井井筒内布置双层双车一宽一窄一对罐笼，担负人员、设备、材料、矸石等提升任务，兼矿井入风口和安全出口；中央风井井筒内设有梯子间，担负矿井回风任务兼作安全出口。
主井设计井深449.9m，净直径6.5m，井壁厚度750/1100/1300mm；副井设计井深386.6m，净直径7.5m，井壁厚度850/1200mm；风井设计井深357.1m，净直径6.0m，井壁厚度750/1000mm；三个井筒均采用冻结法施工。冻结深度分别为：主井468.9m；副井391.9m；风井341.9m。
2.4  麻地#p#副标题#e#梁回风斜井
内蒙古智能煤炭股份有限责任公司麻地梁矿井，设计生产能力5.0 Mt/a ，该井田位于鄂尔多斯黄土高原，行政隶属于准格尔旗龙口镇。矿井开拓方式为斜井开拓，在工业场地布置二号副斜井、一号副斜井、主斜井、回风斜井四个斜井。 
回风斜井设计全长2497m，7°下山，断面16.04m2，采用普通法施工。
2.5  杨家村主斜井
内蒙古双欣矿业有限公司杨家村煤矿，矿井设计年生产能力为5.0 Mt/a ，列入“十一五规划”2008年开工项目。该井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区境内，行政区划隶属东胜区塔拉壕镇管辖。矿井采用在工业场地布置主、副斜井，在井田中央布置立风井的立、斜混合开拓方式。
主斜井设计全长349.2m，16°下山，断面26.7m2，采用普通法施工。
3  地质水文情况
3.1  塔然高勒主井
井田位于东胜煤田的北缘，区内地层由老至新发育有：三叠系上统延长组（T3y）、侏罗系中下统延安组（J1-2y）、侏罗系中统（J2）、白垩系下统志丹群（K1zh）和第四系（Q）。
第四系在井筒检查孔没有揭露，地表只有砂和砾石组成的冲积物，白垩系下统厚395.51m,岩性下部以灰绿、浅红色砾岩为主，上部为深红色泥岩、砂质泥岩夹细砂岩，多为泥质胶结遇水后崩解；侏罗系中及中下统厚度为145.4～267.1m为主要含煤地层，岩性主要由一套浅灰，浅黄，灰白色各粒级的砂岩，灰色，深灰色砂质泥岩，泥岩和煤层组成，抗压强度极低，泥岩及砂质泥岩遇水极易软化，其软化系数均小于0.75，最小为0.05，对三个含水层段进行计算白垩系下统井筒涌水量5.54 m3/h，侏罗系中统3.92 m3/h，侏罗系中下统延安组25.25 m3/h，合计34.71 m3/h。地质部门结论含水层的补给条件差，径流条件差，水文地质条件简单。
岩石的孔隙率0.76～10.35%，含水率0.81～13.65%，吸水率0.70～10.35%，抗压强度自然状态0.2～63.9Mpa，平均11.04 Mpa，吸水状态0.4～5.5Mpa，平均3.4 Mpa，普氏系数0.02～6.5，抗压强度0.21～5.04Mpa，抗剪强度0.34～34.79Mpa，软化系数0.05～0.51，遇水极易软化，属软弱岩类。
3.2  母杜柴登风井
区内地层系统由老至新依次为侏罗纪中统的延安组、直罗组、安定组，白垩纪的洛河组，第四系的萨拉乌苏组和地表的风积沙。
井筒可能穿过的比较重要的含水层有：
1）侏罗系中统直罗组碎屑岩类承压水含水层
侏罗系中统直罗组下部岩性为青灰色、浅黄色中粗粒砂岩，杂色粉砂岩及砂质泥岩；上部岩性为紫红色、灰绿色中粗粒砂岩、砂质泥岩夹粉砂岩及细粒砂岩，含水层厚度44.94m，地下水位标高1249.02m，水位埋深58.39m，钻孔涌水量Q=0.309L/S，单位涌水量q=0.00659L/s•m，渗透系数k=0.0168m/d，含水层为富水性弱，地下水的径流条件差。该含水层与上部潜水含水层有一定水力联系，与下部承压水含水层的水力联系较小。
2）侏罗系中下统延安组碎屑岩类承压水含水层
岩性主要为浅灰色、灰白色的各粒级砂岩，灰色、深灰色砂质泥岩、泥岩及煤层。根据抽水试验成果：含水层厚度81.50～198.60m，平均140.05m。地下水位埋深85.23～19.60m，水位标高1208.37～1273.68m，钻孔涌水量Q=0.195～1.519L/s，单位涌水量q=0.00511～0.0508L/s.m，渗透系数K=0.00526～0.0232m/d，该含水层的富水性弱，透水性与导水性能差，地下水的补给条件与径流条件均较差，含水层与上覆含水层及大气降水的水力联系均较小，该含水层为井田的直接充水含水层和主要充水含水层。
3.3  灵东煤矿主、副、风井筒
灵东矿井井检孔揭露第四系厚21.5m，由一些未胶结松散沉积物组成，白垩系下统伊敏组为主要含煤地层，上部（＜122m）岩性以浅灰色粉砂岩及灰白～浅灰色的中砂岩为主，夹粗砂岩及#p#副标题#e#泥岩薄层；中部砂泥岩段（122～269m）以浅灰及灰绿色粉砂岩，泥岩及灰白色的砂岩为主；下部（269～517.3m）灰色，深灰色泥岩，细砂岩，灰色粉砂岩为主，局部夹粗砂岩，炭质泥岩和煤。据岩石物理试验结果本区岩石抗压强度普遍＜10Mpa，属于软岩类，相当一部分小于5 Mpa，属于极软岩类，而泥岩抗压强度普遍高于砂岩，在浅部泥岩含水率高于砂岩，而深部则低于砂岩，本区每层含水率低，抗压强度大多小于10 Mpa。井检孔抽水资料显示含水层主要在Ⅰ3、Ⅰ2、Ⅱ2-1、Ⅱ3煤顶底板粗中砂岩，上部煤层顶板因裂隙发育与第四系沙砾含水层有水力联系，是矿井最大涌水地段，中部煤层上下的砂岩富水性，导水性由中等到强地下水的侧向补给和储存量较丰富，主要含水地段在73～263m。
3.4  麻地梁回风斜井
井田大部分被第四系黄土和风积沙覆盖，只有局部的冲沟中才有基岩出露，根据地表出露及钻孔揭露，本区地层层序自下而上为：下奥陶统亮甲山组、中奥陶统马家沟组、中石炭统本溪组、上石炭统太原组、下二叠统山西组、下石盒子组、上二叠统上石盒子组、第三系上新统、第四系上新统、第四系上更新统及全新统的近代沉积。
本区煤层自上而下有3煤、4煤、5煤、6上煤、6煤、8煤、9煤、10煤等8个煤层，其中可采煤层为4煤、5煤、6上煤、6煤、8煤五个煤层。
区内构造属简单类型，煤层直接含水层为砂岩裂隙充水，且易于疏干的的简单矿藏，地质类型为二类一型。
3.5  杨家村主斜井
区内构造属简单类型，水文地质类型为第二类第一型。本矿井为低瓦斯矿井，煤尘有爆炸危险性，属自燃煤层。根据井筒检查钻孔资料，矿井涌水量约2m3/h。
地质条件为砂质泥岩，不胶结并含有砾石。
4  工程实施情况
4.1  塔然高勒主井
塔然高勒矿井主井于2007年6月18日开工，采用普通凿井法施工，该井在施工过程中实际水文地质情况与地质报告提供的资料相差甚大。2007年9月30日施工至245m时，遇到较弱的砂质泥岩及流砂并含水；含水层涌水量为32.5m3/h，支护极其困难，10月份由于其它原因停工。2008年3月15日复工，开始排水，4月份利用1.2m小段高掘砌,采用板桩法施工，超前小井降水，当时月进度26.5m。2008年9月份施工至488m，估计有含水层,经打钻探孔当时单孔涌水量83m3/h，工作面停止掘进，进行浇筑止浆垫。施工时先采用水泥单液浆，后使用双液浆，最后用化学浆马丽散E注浆。治水效果仍不明显。后经专家多次论证，采用特殊凿井冻结法施工。2009年1月打钻，5月开始冻结。至8月份试排水，排水后水的上涨速率较快，预计冻结还没有完全交圈，继续冻结至9月20日，进行排水。扣除停工5个月和正常打钻冻结9个月，平均月成井48m/月，预计工期比原计划延期达一年之久。
4.2  母杜柴登风井
采用特殊凿井冻结法施工，2008年10月份开始打钻，打钻时间历时150天，2009年3月9日冻结，5月6日试挖，采用冻结基岩中深孔全断面一次爆破法施工工艺，月进尺120m左右。8月6日施工至381m，在伞钻打眼时从部分炮眼内冒水，当时涌水量为8m3/h，立即采取了止浆垫封水、强化冻结，9月6日打探孔11m时单孔涌水量为35m3/h，此时关注阀门继续冻结，至11月6日打钻12m时，单孔涌水量为21.27m3/h，至今仍在加强冻结中。经初步分析，由于含水层冻结壁虽已交圈，但此时才交圈不久，冻结壁厚仅有0.5m左右,强度还很底,当其上部粉砂岩破坏后,冻胀水被释放后,冻结壁在围岩压力和放炮震动的共同作用下而受损,导致外围水被引入井内。预计工期将延迟6个月以上，给建设单位和井筒掘砌施工单位都造成一定的损失。
4.3  灵东煤矿主、副、风井筒
灵东矿井采用冻结法进行施工。风井挖到22.5m，副井24.7m，两井均在软泥岩中，当时由于深浅水文孔均未冒水，后#p#副标题#e#经各种方法验证后确定80m、120m及335m煤层上下未交圈，因此又停了35天后再进行开挖，二井在开挖过程中除遇煤线外其他岩层之间井帮基本无水，由于下部冻结未交圈，水从水文管及管壁外冒出，水量约10m3/h，当时由于水无法排干，工作面全是水，而且有加大趋势，经分析除个别煤层未交圈外其他层位都已交圈而且温度较低，，确定用液氮将水文孔封闭，在停工15天后开挖，各岩层井帮温度都在-3～-6℃之间，但当接近煤层时井帮温度立即由负温变成正温，开始时煤层上下有渗水，水量逐渐增大到4m3/h，为保证掘进安全，确定打止水垫先探水，探水后发现砂岩水量不大，破除止水垫下挖，砌壁时用导水管将壁后的水引出在施工下一模时水又顺井帮下流，后再采取措施将水截住，用壁后注浆才将水彻底解决后二井顺利到底。主井筒在接受风、副井经验教训后，修改设计增加补孔等措施后，安全快速顺利施工到底。
4.4  麻地梁回风斜井
回风斜井明槽开挖段采用挖掘机挖掘装载、风镐及风铲修边，自卸汽车排土为主体的机械化作业线进行施工；基岩段采用综掘机掘进，大皮带、刮板运输机联合运输，小型防爆汽车进行运输下料。设计工程量2472.8m，在六月份完成593m，七月份完成480m，计划工期8个月，实际施工6个半月，现井筒已提前施工到底，平均月进度达345m/月，工程质量优良。
4.5  杨家村主斜井
主斜井表土及风化基岩采用高效风镐及风铲开挖，表土段砼支护使用整体活动式金属模板双稳车悬吊下放，砼输送泵输送混凝土；基岩段采用综掘机掘进，配合皮带运输施工，采用JD-55KW绞车提升1.5T矿车向工作面供料，现已施工到底，工程质量优良。
5  施工关键技术问题探讨
5.1  开拓方式
近几年，随着我国西部大开发倡议的实施，西部煤炭资源正在陆续的开发，在陕西北部、宁夏、内蒙鄂尔多斯、新疆等地区，已开工建设了多对矿井。与中、东部地区新矿井相比，这些新建煤矿具有井型大、新生界地层薄、矿井穿越地层以白垩系、侏罗系为主，开拓方式立井和斜井并重。当遇到白垩系、侏罗系地层较厚，其厚度超过200m，富水性强，其开拓方式应采用立井开拓方式。
5.2  施工方法
我国西部地区以基岩为主的矿井，多为白垩系、侏罗系岩层。在白垩系地层中，因其地层大都为砂，泥质胶结，结构松散，空隙不发育，裂隙沟通性差，加之岩石具有强度低、遇水软化的特点，在注浆时岩层裂隙在水及浆液的作用下易被软化的岩粉阻塞，极大地限制了浆液的扩散范围，使注浆帷幕不能很好形成，从而使注浆不能起到很好的作用，达不到封水的目的。
鉴于西部地区新建矿井特殊的地质特征，对白垩系及侏罗系煤系地层，岩石松软、含水大的特点，选择施工方案时应优先考虑冻结法施工。
5.3  井壁结构
冻结井井壁结构最主要的设计依据是井筒水文与工程地质条件、冻结压力、井筒深度及其几何尺寸等。对西部地区以冻结白垩系、侏罗系为主的立井，其井壁设计主要问题是冻结压力的确定。
通过上述几对矿井的施工，根据西部地区的特殊地层，建议采用双层钢筋混凝土复合井壁结构形式。内、外层井壁壁厚的设计参数应充分考虑该地区的岩性特点，针对其特殊性选择符合该地区合理的技术参数。
5.5  防治水
近几年，陕西、内蒙、新疆等西部省份新建矿井煤层深度不断加大，尽管新建矿井以穿越白垩系、侏罗系含煤岩层为主，但深度大幅度增加，多在400m以上，由于对白垩系、侏罗系地层岩性及水文地质认识不足，缺乏相应的研究，认为西部地区大面积缺水，按东、中部施工惯例，对白垩系及侏罗系含水岩层采用地面预注浆，工作面预注浆及壁后注浆等施工方法，结果因无法有效封堵岩层涌水，出现岩石泥化，片帮严重，加之排水能力有限，井壁质量低劣#p#副标题#e#，发生个别井壁垮裂及淹井等一系列事故，无法继续施工，最终改用冻结法进行施工。
6  体会
通过上述几对西部矿井施工中遇到的实际情况，我们付出了艰辛的努力，也获得了一些宝贵的施工经验，主要体会有以下几点：
6.1  西部白垩系地层含水量较大时，采用冻结法施工是确保工程安全顺利进行的可靠方案。
6.2  建议地质勘探队在施工井筒地质检查孔时，应尽量设计在施工的井筒内，否则有可能造成与实际井筒地质发生偏差，施工前难以确定最佳的施工方案，特别是对普通法施工的矿井可能会带来不可预料的后果。
6.3  勘探单位提供的地质资料，特别是水文地质资料与实际揭露情况出入较大，因此对含水层和涌水量的预测手段要提高，确保资料的准确可靠，为设计和施工提供可靠依据。
6.4  由于西部在软岩冻结与中、东部地区风化基岩冻结大不一样，在冻结设计中不宜采取差异冻结，冻结管直径应适当加大，而冻结孔布置圈径要适当减小，应和中、东部地区的冻结一样重视，以保证冻结壁厚度和强度满足掘砌施工要求，防止出现中下部冻结满足不了掘砌施工需要而停工再冻结的情况。
6.5  冻结设计的思路要针对白垩系及侏罗系地层岩石特性和水文地质条件来考虑，最好应按最不利的条件来考虑。
6.6  在采用普通法施工软岩时，使用伞钻打眼易出现夹钎现象，可考虑采用高效风铲配合小型挖掘机进行施工；掘砌段高不宜过大，大模板可以由两段组合而成，以便及时调整段高，预防片帮事故发生。
6.7  冻结井施工时，要提前考虑井筒局部出水的施工应急预案。
6.8  在平硐和斜井施工中遇到软岩时，可以采用小型挖掘机、综掘机掘进机械化作业，减少传统的放炮掘进方式作业，并减少了对围岩的破坏力；运输作业可打破常规的使用耙矸机、矿车、汽车运输方式；而采用大皮带大链板机出矸和改制的小型防爆汽车下料运输方式，不仅安全可靠，运输能力大、速度快，且成本较低。
7  结束语
工程实践证明，在西部白垩系地层施工时，应特别关注水文地质情况，如地层含水量较小，也应引起高度重视。因此施工前，应认真选择施工方法和施工方案，施工方法和施工方案的选择是工程能否顺利施工的关键。