转龙湾煤矿东立风井过风积砂含水层工程实践

倪礼强 卢晓磊 刘露生

（中鼎国际工程有限责任公司，江西 南昌 330096）

立井施工过程中常常会遇到流砂层，而流砂层的存在给立井的安全施工带来了严峻的挑战。目前针对立井过流砂含水层的施工方法主要有管井降水法、高压旋喷桩帷幕法、沉井法、置换注浆法及冻结法等[1]，而针对立井过风积砂含水层的研究相对较少。本文以转龙湾煤矿东立风井过第四系风积砂含水层的工程实践为例，对相关工艺及施工要点进行研究，旨在为今后类似工程项目施工提供借鉴。

1 概况

转龙湾煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇东胜区南东约30km，矿区地层从上至下依次是全新统第四系（Q4）、侏罗系中统直罗组(J2zh)、侏罗系中和下统延安组第五段（Jl-2y5）。其中全新统第四系为风积砂层，其表土由风积砂、粘土组成，松散，塑性差，渗水性较好。东风井施工区域含水层主要有第四系松散岩类孔隙潜水含水组、侏罗系碎屑岩类孔隙裂隙承压水含水岩组，各含水层之间基本没有水力联系。从第四系底板起至Ⅱ-3煤层之间的岩层主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及胶结好的砂岩，为较好的隔水层。根据转龙湾煤矿水文地质类型划分报告等资料综合分析，东风井施工时正常涌水量为10m3/h，最大涌水量为15m3/h。

转龙湾煤矿东回风立井井口标高+1283m，井筒位于矿井工业广场西侧。井筒设计荒径为5m，净直径4m，井筒设计深度106.5m，井筒结构采用单层井壁，配置双层钢筋，壁厚度500mm，混凝土强度C35。井筒最初采用普通凿井法施工，并辅以管井降水法改善工作面作业条件，但随开挖深度的不断增加，涌水量超过了预计的涌水量，亟须调整辅助降水方案。

2 风积砂含水层施工方案

2.1 施工方案选择

项目工期、现场条件、地质情况等因素是制约施工方案选择的重要因素，东立风井主要考虑井壁及工作面涌水对施工安全的影响，需进行方案对比。

（1）冻结方案。沿井筒外围冻结孔，使用制冷及散热设备利用循环盐水将井筒外壁形成一圈不透水的帷幕，即防止含水层的涌水进入工作面，又加固了井壁。但整个井筒的工程量只有106m，性价比不高，而且采用冻结方案，前期准备时间长，不能满足建设单位对工期的要求。

（2）注浆方案。通过打垂直孔注水泥/化学浆置换土中砂砾，使井筒外围也像冻结方案一样形成一圈不透水的帷幕，同时也加固了井壁围岩。但考虑到井筒外20m范围内有一口生活用水井，注浆势必会对水井水质造成污染，而且根据风积砂的特性，粒径小，孔隙密，浆液扩散半径小，止水加固效果难以保证。

（3）旋喷桩方案。在井筒外围施工一圈或两圈相互咬合的垂直旋喷桩，以达到止水、加固的目的，是一种备选方案。

（4）管井降水方案。在井筒外围施工若干降水井，用潜水泵不间断抽水，利用降水漏斗原理，使水位低于掘进工作面，方案简单，投入少，工期短。

通过方案对比，本次施工选用管井降水方案，即随着井筒掘进工作面的不断加深，先后布设19口直径800mm、深度45～60m管井。如图1所示。

图1 管井降水布置图

施工过程通过井外降水并辅以工作面抽水，安全通过了K0-K0+39风积砂含水层。但当掘进至K0+39m位置（还剩1.5m即将进入基岩段）时，井内外抽水总量已经达到170m3/h，同时工作面涌水、涌砂量增多，继续掘进已无法确保施工安全，需调整施工方案。

2.2 施工方案调整

项目组研究决定采取多圈径向管路截水辅以分区开挖和分区临时支护施工手段，方案如下：

（1）井内截水方案。截水施工之前，首先将井壁按永久支护的方式砌筑到工作面迎头。然后在井壁K0+38.5、K0+38两个里程位置沿掘进方向45°径向施工2排环形辅助孔截水，孔口间排距约0.5m，呈梅花状布置。截水孔平剖面示意图如图2所示。

图2 截水孔平剖面示意图

每个孔内埋入直径50mm、厚度5mm的PE管，其管底至风积砂层与基岩层交接面处。截水管上端1m为实管，下端为花管（滤水孔5mm），花管段外裹3层滤水土工布，底端封口处理。

每根管上端采用T型接头串联环形接通，并采用IS80-50-250型真空水泵负压抽水，将水抽至吊盘水箱后再排出井外。

（2）掘砌方案。通过外降内截措施，井筒工作面涌水、涌砂的情况基本上得到了有效遏制，为掘进施工创造了有利条件。工作面采用分区分层开挖（分区如图3所示）、先临时支护再永久支护的方案进行施工。

图3 分区分层开挖施工示意图

首先以井筒中心为中心将井筒断面划分为16个区域，按顺序开挖。每开挖完1个区域空间（深度0.25m）及时安装自制扇形铁盒子（扇形铁盒子示意图如图4所示）作为临时支护。开挖完一圈再继续开挖下一层（深度0.25m），自上而下开挖进入基岩中。掘进到位后，按设计要求绑扎钢筋（铁盒子侧面预留穿钢筋的孔，铁盒子超出井壁内轮廓线外的部分切除）后，浇筑C40抗渗混凝土。

3 结论

（1）将建筑工程富水软土基坑开挖工法应用于矿建工程，通过井外降水+井内截水+分区分层开挖措施的综合应用，有效解决立井穿越风积砂含水层的难题。实时评估施工风险，动态调整施工方案，确保井筒安全、顺利掘进。

（2）不足及展望。方案选择时未充分考虑管井降水的难度和效率，如果采用双层垂直旋喷桩帷幕止水方案，或许在作业条件、施工进度及工程质量等方面可以做得更好。

（3）施工中对地表沉降及潜水位动态观测、记录不到位，应通过单井和多井抽水试验取得含水层有关参数，作为降水方案设计的输入条件，使降水方案[2]更加合理。

（4）转龙湾煤矿东立风井工程较厚风积砂含水层施工，应用井外降水+井内截水+分区分层开挖综合技术措施是可行的，采用其他技术方案是否可行及更优还有待进一步研究、实践和综合评价。

图4 扇形铁盒子示意图