富水软岩斜井井筒涌水防治与围岩稳定研究

任冬冬

摘要：为了解决西部地区第四系、新近系富水软岩斜井施工中出现的岩石塑性变形、承载能力差、机械设备下沉、底板泥泞等问题，以伊犁一矿三个斜井井筒为工程背景，提出了井点降水、倾斜地层小巷截水、井内导水、井上下相向掘进放水等方法;对影响井筒围岩稳定的新近系黏土层进行了分析，采取钢棚支架加固、及时进行混凝土浇注、开展变形量监测等措施，取得了良好的效果。结果表明，井筒涌水量防治是解决岩层失稳问题的关键，新近系黏土层是井筒稳定性管理的重点，通过有效治水+关键部位加固的方式，可有效解决制约井筒施工的技术难题，保障井筒安全施工。

Abstract： In order to solve the problems of rock plastic deformation， poor bearing capacity， mechanical equipment sinking， and muddy floor in inclined shaft construction of Quaternary and Neogene water rich soft rock in Western China， in the engineering background of 3 inclined shafts in Yili No.1 Coal Mine， this paper puts forward the method of well-points dewatering， water interception in inclined stratum， water diversion in the well， tunnelling in the opposite direction. This paper analyzes Neogene clay layer which affect the wellbore stability， the measures of steel shed reinforcement， cast concrete in time and deformation monitoring， all these methods have produced good results. The results show that shaft water prevention is key method to solve the problem of rock instability， Neogene clay is the key point of wellbore stability management. Effective water control and reinforcement of key parts will solve the technical problems of the shaft construction and ensure the safe construction.

關键词：伊犁一矿;富水软岩;斜井施工;涌水防治;围岩稳定

Key words： Yili No.1 Coal Mine;water rich soft rock;inclined shaft construction;water prevention;rock stability

中图分类号：TD3                                          文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）19-0145-03

0  引言

目前，我国正在实施“一带一路”战略。新疆是丝绸之路经济带核心区，也是丝绸之路商贸物流和文化科教中心，该地区拥有丰富的煤炭资源，是我国重要的煤炭、煤化工生产基地之一。新汶矿业集团伊犁一号井是新疆伊犁地区开发的第一对千万吨级矿井[1]。

矿井采用斜井开拓，建设的主斜井、缓坡副斜井、进风斜井在施工过程中，均穿越第四系砾石层、新近系黏土层以及侏罗系地层。其中进风斜井为2007年施工，主斜井及缓坡副斜井为2018年施工。根据三条井筒的施工经验，第四系砾石层具有较好的稳定性，在无水砾石层施工难度较低，采用25U型棚作为临时支护即可满足安全施工要求;含水砾石层及新近系黏土层较为松散，特别是新近系黏土层含蒙皂石及高岭石等膨胀性矿物，遇水易膨胀，岩层无承载能力，含水较少时发生塑性变形，含水较多时会发生流动，易造成井筒大面积漏顶坍塌;同时现场因软岩及井筒涌水问题，机械设备下沉，底板泥泞沉陷，施工条件困难。因此矿井水是影响井筒稳定性的决定性因素，井筒涌水防治是井筒安全施工的主要保障[2-4]。

1  工程背景

1.1 井筒简介

矿井投产时布置有位于南工业场地（南工广）的主斜井、缓坡副斜井、进风斜井、东回风立井，以及位于风井场地（北工广）的进风立井，共计5个井筒。本文主要针对3个斜井井筒进行研究。

1.1.1 主斜井

主斜井井口标高+1278.5m，倾角16°，净宽5200mm，斜长636.6m，装备一部B=1600mm胶带输送机担负矿井煤炭提升任务。井筒采用普通法施工，表土段采用25U型棚+钢筋混凝土支护，支护厚度400mm，基岩段采用二次锚网索喷支护，支护厚度300mm。

1.1.2 缓坡副斜井

井口标高+1271.8m，倾角5.5°，净宽5200mm，长度440.5m，由地面沿5.5°的角度进入5煤隐伏露头附近，与5煤绕道向南延伸的辅运巷道相连。承担矿井辅助运输任务兼进风。井筒采用普通法施工，表土段采用25U型棚+钢筋混凝土支护，支护厚度400mm，基岩段采用二次锚网索喷支护，支护厚度300mm。

1.1.3 进风斜井

该井筒原为矿井的材料斜井，后由于设计变更，改为进风斜井，不再进行物料提升。净宽4500mm，斜长537m，倾角16°。表土段采用25U型棚+钢筋混凝土支护，支护厚度450mm，基岩段采用锚网索喷联合支护，支护厚度150mm。

1.2 水文地质概况

影响井筒施工的地下水含水层组主要有第四系松散砂砾层、新近系砂岩含水层及侏罗系裂隙-孔隙承压含水层。自上至下分述为：

1.2.1 第四系孔隙含水层（Ⅰ1）

覆盖于新近系之上，岩性为砂砾石层，砂泥质充填，局部夹有黏性土透镜体或薄层，表层常有0.2～2m的黄土状粉质黏土。总厚度14.10～102.20m，平均67.25m。砂砾石层含孔隙潜水。含水层单位涌水量平均0.061L/s·m;渗透系数平均0.2644m/d。矿化度0.218g/L，水化学类型为HCO3-Ca·Na型。

1.2.2 新近系孔隙含水层（Ⅰ2）

隐伏于第四系之下，岩性为含砾粗砂岩、细砂岩，平均厚度5m左右。含孔隙潜水或微承压水，主要受第四系孔隙水补给，由于第四系底砾岩胶结较为致密，透水性差，该含水层补给条件较差，富水性弱。

2  井筒涌水防治方法

2.1 井点降水

井点降水就是在井筒开挖之前，在一定的区域内埋设一定的滤水管井，利用抽水设备从中抽水，使地下水位降低到斜井底板以下，直至施工完毕为止的一种治水方法。井点降低地下水位的方法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点等。斜井井筒井点降水的原理图如图1所示。

对于斜井井筒施工来说，开挖点的集水井受施工条件限制，集水井的容量及排水泵的能力一般都比较小。随着井筒的延深，迎头位置会不断下移，最后深度会超过水泵的扬程，因此在施工过程中还需要在适当位置施工容量更大的水仓，采用接力排水方式，安装排水能力更大的水泵（图2）。

2.2 倾斜地层小巷截水

针对和伊犁一矿南部斜井类似的地质条件和井筒条件，含水层倾斜且厚度较小时，可以采用掘进小巷的方式集水和排水。当掘进到含水层下方适当位置，开掘两条垂直于斜井井筒的小巷，让含水层位于小巷的腰线以上。小巷的长度根据含水层以下地层的渗透性来确定，应尽量增加水流长度和水流阻力保证小巷截水后，上层流水和侧面流水绕道进入下方井筒。

小巷的淋水帮应设置滤水材料，可以用草袋或者其他透水材料防止在背板后面。小巷里面设置水沟，将上游渗水截住。设置水坑，将水用水泵排走。

小巷或注浆截水区域如图3所示。在井帮注浆或者掘进小巷截水时候，将会形成一个虚线围成的无水区域，下部斜井井筒施工將不会受到涌水的威胁，在无水区域边界线上，任意点P和井筒中心线正上方的M点相比，M点离斜井顶板距离最近。通过计算可以得出M点到顶板的距离h，从而可以通过计算得出h和图中L的关系式。进而得到注浆管长度或小巷的长度。

2.3 井内导水和截水

2.3.1 井帮导水

当井壁出现集中出水点或者成片出水点的时候，采用导管导水。如图4所示，在出水点做出一个喇叭口，放置钢管，周围用大块砾石将钢管固定，并用快硬水泥将喇叭口封住，迫使涌水从钢管中流出。因为管子周围水压很低，而其他地方的水压较高，所以流水只有从管子中涌出。在井帮上再喷射混凝土，将水导出。导水管外口可以接上塑料软管，流水引到积水坑。

2.3.2 井内截水

为了防止斜井上部井筒的淋水或涌水影响下部井筒的施工，可以采用井内截水的治水方法。

在斜井井筒底板上布置截水槽，截水槽横跨井筒。槽的长度略小于井筒的净宽度，深度和宽度根据现在的涌水量和水泵的排水能力而定。排水槽用混凝土材料建造，上面铺上钢筋混凝土盖板，盖板的厚度和强度要能满足施工机械的行走需要。截水槽的下面设置集水坑或者临时水仓，集水坑的容积要和涌水量和水泵的工作效率相适应。

2.4 井上下相向掘进放水

进风斜井于2007年施工，由于该井筒为矿井建设的第一个井筒，无法采取由井下向地面反掘的施工方法。主斜井和缓坡副斜井于2018年施工，此时已具备井上下相向掘进条件，因此两井筒在井上下分别布置了一个掘进工作面，采用相向掘进施工。井下掘进的工作面由于施工坡度为正坡度，迎头不存在积水，且可以在巷道贯通前提前施工放水钻孔为对掘的工作面放水，既缩短施工周期，又可以从整体上减少涌水对掘进工作面的影响。

3  井筒稳定性保障措施

3.1 新近系黏土层

根据施工现场揭露的资料，进风斜井自236m位置揭露了新近系黏土层，厚度为1.6m，巷道总长度约35m，该段巷道施工过程中因围岩松软，造成巷道失稳，部分顶板发生了冒落，井筒两帮发生局部垮塌。

对于新近系的黏土层，其土层固结尚未形成，力学性质表现为强度低，渗透性差，高含水率、触变性、结构性等特点，受载荷作用后，易发生结构破坏。

新近系位于第四系的底部，该地层的容水度较小，渗透性差，受第四系含水层影响较大，含水量容易达到饱和，黏土结构易遭到破坏，造成土层基质吸力快速下降，抗剪能力降低，造成巷道失稳。因此解决新近系黏土层失稳问题，是保证安全施工与井筒稳定的重点。

3.2 采取措施