山西龙矿主斜井黄土层施工技术的创新与实践

王延润WANG Yan-run；王子悦WANG Zi-yue；高兆利GAO Zhao-li；周心刚ZHOU Xin-gang；梁建林LIANG Jian-lin

（山西朔州龙矿能源投资股份有限公司，朔州 036800）

1 矿井整体环境简介

1.1 矿井概况

山西龙矿投资开发有限公司大恒矿井田位于管涔山脉东麓，呈中山丘陵地貌，地表大部为黄土覆盖，位于山西省朔州市平鲁区陶村乡，距朔州市14km，距神头电厂12km，交通运输极为便利。井田面积6.9km2，保有储量1.95 亿吨，矿井设计生产能力300 万t/a。

1.2 主斜井布置

主斜井：巷道宽度4.5m，净断面14.2m2，倾角15°，斜长860m，主井底部位于到11 号煤层底板。

主斜井设计断面图：如图1 所示。

图1 主斜井设计断面图

1.3 地质概况

地形地貌：井田位于管涔山脉东麓，呈中山丘陵地貌，地表大部为黄土覆盖。谷中有少量基岩出露，井田内黄土冲沟发育，相间分布有黄土梁峁，地形比较复杂。井田总的地势为北高，南低。地形最高点为东北部山梁上，标高1325.0m，地形最低点为井田西南部冲沟中，标高1165.0m，最大相对高差160.0m。

2 黄土的物理力学性质

黄土是一种特殊性土，对水极为敏感，当其含水量增大时，具有较大的液化势和流动破坏势，成为黄土地区的一大潜在的灾害。根据朔州地区建井及建筑物地基勘察资料看出，黄土的物理力学性质有如下特点：黄土的含水量（w）、天然密度（P）度（sr）、液性指数（I）等指标，由于水的浸湿，促使土粒的结合水膜增厚外，粒间也出现了重力水，最终导致土结构中充满水，必然使土的含水量（w）、天然密度（p）、度（Sr）小液性指数（I.）等指标值显著增大。黄土的抗剪强度一般较低，这是因为黄土中含有可溶盐，由于浸水使其内聚力（C）值降低以至消失，加上孔隙水的润滑作用，导致其抗剪强度降低。黄土的灵敏度和触变性高，黄土在水的作用下，原始结构遭到破坏，产生湿陷变形。

黄土的承载力情况，据载荷试验资料，朔州地区黄土承载力一般在70-l30kPa 之间，压缩系数（a。）一般介于0.3-0.8MPa 之间，属于高压缩性土，黄土对外部的影响敏感性较强。随着黄土深度的增加，黄土高度压缩，颗粒间的内应力明显增加，受到掘进施工的扰动时，黄土颗粒间的原始应力平衡被破坏，黄土颗粒间储存内应力快速释放，掘进形成的自然拱短时间就被破坏，随着施工断面的增加，原始应力平衡破坏往往呈多米诺骨牌效应。

3 在富含水黄土层施工斜井，完成二次支护

当主斜井施工到井口下90m 时，遇到含水层，松散的黄土泥化，粘结成团，大大增加了施工和运输难度，随着出水量的进一步加大，黄土泥化成浆状，不仅铲车作业效率大幅度下降，而且巷道帮部、顶部的泥化成浆状的黄土，与水混合成泥浆流，源源不断地涌入巷道，迎头坍塌，以致于下山施工的迎头无法前进。如图2、图3 所示。

图2 巷道顶部的泥化成浆状的黄土

图3 巷道帮部的泥化成浆状的黄土

3.1 U 棚一次支护的具体做法

3.1.1 U 棚配合穿楔进行一次支护

施工前准备：掘进施工前，在已支护U 棚顶穿楔护住顶部，在迎头安设3 组-4 组腰梁，再打设密集立柱顶住腰梁，腰梁与岩壁间再用大板封严，阻止迎脸的坍塌。

U 棚配合穿楔支护：15 度下山施工，采用先下后上的方法支设U 棚，钢棚间距400-600mm。在迎头一帮挖水窝，用泥浆泵排水，先挖出另一侧的巷帮，树棚腿，用帮部锚杆临时固定住；然后，将泥浆泵移支棚腿一帮，用同样的方法固定住另一棚棚；将维护下山迎脸的立柱、腰梁、大板、钢管再次进行加固，避免迎脸坍塌。在已支护钢棚、穿楔和密集立柱的掩护下，挖出棚顶的空间，快速将棚顶与棚腿固定在一起。将新支的钢棚与已支护好的钢棚用8 组钢带连在一起，在新支钢棚与巷帮、巷顶间，穿插2 寸钢管穿楔，钢管密排，彼此紧靠在一起，起到挡土滤水的作用，完成一架钢棚的支护。如图4。

图4 U 棚配合穿楔支护图

底板处理：底板的处理是保证巷道支护成功与否的另一关键因素。将底板的泥浆挖出后，迅速铺设一层碎石，块度200mm 左右，碎石上铺上厚度300mm 砼，拌料时加入5-10%左右的速凝剂。

钢棚加强支护：在新支设的钢棚下，打设单体支柱，对钢棚起到一定的加强支护的作用，可以减少钢棚下陷的速度和幅度。单体支柱下穿400mm*400mm*30mm（长度*宽度*厚度）的铁鞋。单体支柱与棚顶用防倒绳拴住，前后单体支柱间，用防崩钢管连在一起。

3.1.2 U 棚配合穿楔支护机理

钢棚与钢管穿楔配合是刚性支护，有一定的强度和刚度，能有效阻挡住泥化的黄土涌入巷道，同时钢管与钢管间隙，是岩层水泄出的通道，保证水和少量黄泥通过穿楔间隙渗流到巷道，起到疏水挡土的作用。

3.1.3 施工泄水立井加快泄水速度

为了改善迎头的施工条件，在迎头外施工泄水立井。

①立井布置：在井筒巷底距第四系底界3.1m 时，迎头后方4m 巷中，施工1 个深4.5m 的小井，小井井底位于基岩以下1.4m。如图5 所示。

图5 泄水立井布置图

②立井结构：疏放降水井净孔径为1000mm，井深4.5m，井壁采用方石砌垒，方石与井壁间填充粒径为0.5-1Omm 的砾石。

③排水疏干：井内安装10m3/h 泥浆潜水泵，接通电源，保证水泵正常运行。

④施工之初泄水效果不理想，主要是泥水中泥浆较多，加上施工的其它材料混合在泥浆中，造成水泵排水效率低，水泵发热故障率高。后期采取了泥浆和杂物阻挡过滤，避免其它材料混合在泥浆中，事故率大幅度下降，水泵逐步进入了稳定工作状态，排水效率明显提高，现场施工环境得到了一定的改善。

3.2 扩刷、喷浆、浇注二次成巷支护

巷道施工40m 后，迎头穿过了含水层，经过一段时间的疏水，只有几个集中的出水点持续出水，但出水量已大幅度下降，在出水点预埋导水管，将水引流到立井集中排出。将变形的钢棚和穿楔进行整形、扩刷和返修，保证巷道的支护断面满足设计要求。

进行喷浆，对钢棚和穿楔进行封闭，避免失水黄土通过空隙漏入巷道。

导硐开掘10 天巷道状态破坏如图6 所示。

图6 导硐开掘10 天巷道状态破坏图

喷浆稳定1 个月后，对巷道支设模板进行浇注，完成永久支护。对个别出水点，注入水玻璃和水泥沙浆，进行堵水。最后有5 个比较大的出水点，堵水效果不明显，出水量稳定，保留导水管，进行放水、导水，避免水在混凝土巷帮后，大量存积，造成巷道黄土大范围泥化，对井筒安全构成威胁。

4 在深部带压黄土层施工斜井，完成永久支护

井口下180-220m 段，巷道顶部的黄土层深度达到了55-70m，地压较大，进入黄土深部带压区。在顶部黄土压力下，深部黄土粒的塑性变形量和内应力明显加大，由于黄土本身松散，胶结性差，掘进时破坏了黄土颗粒间的原始应力平衡状态，黄土颗粒储存的内应力弹性释放，掘进空间随即垮塌，形成了随掘随塌的状况，无法支设钢棚。由于黄土持续不断地垮塌和冒落，巷道顶部的冒落带延展到地面，以至于地表形成明显的冒落漏斗。

4.1 先支U 棚顶后支U 棚腿的具体做法

4.1.1 先支U 棚顶后支U 棚腿的施工方法

施工前准备：迎脸采用三道腰梁进行临时维护，腰梁与迎脸间用大板、背板封闭，背板间接合紧密，减少黄土漏出，用大木楔将大板刹紧刹实。

U 棚配合大板支护：15 度上山施工，采用先上后下的方法支设U 棚，钢棚间距500-600mm。先将巷道顶部棚顶区域（下部棚腿区域暂不扩刷）扩刷到设计断面，通过前探梁将棚顶挑起，然后用4 组钢带将棚顶与后方钢棚固定在一起，将棚顶与巷帮间，用背板、大板等严密背实刹紧，减少黄土漏出。在棚顶、背板掩护下，将一侧棚腿空间挖出，将棚腿与棚顶固定在一起，新支设的棚腿与后方钢棚腿之间，安设2 组钢带固定，棚腿用锚杆固定在巷帮，将棚腿与巷道间用背板、大板背实刹紧，背板之间接合严密，避免黄土漏出。用同样的方法，安装好另一侧棚腿。最后，将棚腿与巷帮之间，打设密集背板喷浆封闭：采用一架棚一喷浆的方法，缩短黄土暴露的时间，减少黄土原始水份的损失。

底板处理：由于黄土层对水敏感，对水进行严格管控。一是将巷道底板采用水泥沙浆进行封闭，避免水对底板黄土的浸润和冲蚀；二是在巷道两底角预留水沟，利于水的汇集和排放；三是对喷浆等生产用水，进行严格管控，减轻水对底板的破坏；四是严禁非必要的生产用水。

4.1.2 先支棚顶后支棚腿的支护机理

采用先支顶梁再支棚腿的施工方法，一是明显缩短了空顶、空帮时间，在自然拱破坏前完成了支护；二是在地压强一定的情况下，减小了钢棚间距，缩小空顶面积，压力明显减小，小断面自然拱存在的时间相对延长，满足一次支护的时间要求；三是支棚后就进行喷浆，及时进行封闭，减少黄土原始含水率的大幅度变化，对保持围岩的稳定起到一定促进作用。

4.2 再次喷浆

巷道施工10m 后，对巷道进行二次喷浆，对钢棚和围岩再次封闭。

4.3 浇注二次成巷支护

对巷道支设模板进行浇注，完成永久支护。

5 结论

山西龙矿主斜井穿黄土层施工，针对富含水黄土层和深部带压黄土层的不同地质条件，进行了大量的探索和实践，实现了黄土层条件下井筒的安全施工，确保了主斜井工程按期顺利完成，对黄土层条件下工程地质灾害防治工艺技术进行了有益的创新和实践。