上排下疏立井鑿井新工藝

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　　1 工程及地質(zhì)概況

　　焦家寨礦新建副立井是老礦改擴建開鑿的立井。設(shè)計井深309m，其中沖積層厚52m，基巖257m。設(shè)計井筒荒徑?φ7.5m，凈徑?φ6.5m.井壁為厚0.5m單層素混凝土結(jié)構(gòu)。

　　沖積層成分以砂礫石為主，巖性以灰?guī)r為主，砂巖次之。在含水性較強的卵礫石層中充填有各粒級砂以及土質(zhì)成分。卵礫石塊徑分布是上部較小，一般為20～40mm；中部（孔深26m左右）較大，鉆孔取芯塊徑最大達300～320mm，最大塊徑可達1.0m以上；底部逐漸變小，一般在150～200mm左右。

　　在沖積層以下，有薄層泥巖和深灰色石英粗砂巖，層厚為0.45m；再下有厚6.69m的褐紅色、雜色砂質(zhì)泥巖，厚4.70m的褐紅色粉砂巖；底部為厚2.72m的褐色泥巖。沖積層和基巖之間沒有隔水層。

　　當(dāng)時（1988年11月）靜止水位為28.27m.根據(jù)以上地質(zhì)資料分析可以認為，在靜止水位以下的礫石層和砂礫層、砂土含礫層都是含水層，巖石風(fēng)化帶為另一個含水層。同時也可以認為，由靜止水位以下到穩(wěn)定基巖以上為1個含水層。

　　1988-11-20～1988-11-23，軒崗礦務(wù)局鉆探隊在副立井中檢孔（布置在井筒荒徑以內(nèi)的井筒檢查孔）進行兩次降深的沖積層穩(wěn)定流抽水試驗，其成果見表1。由表1計算出井筒沖積層段的涌水量為：Q1=56.97m³/h，Q2=54.60m³/h。

表1 焦礦副立井中檢孔抽水試驗成果

　　2 沖積層段的施工

　　采用降水法鑿井最大的難題是降水后期的殘余水柱。能否消除殘余水柱是十分關(guān)鍵的問題，過去曾采用過增加降水孔的方法。這種方法不但加大工程成本，而且只是減少殘余水柱的高度，不能徹底消除。另外，也曾采取過增加降水孔深度的方法，這種方法也不奏效。

　　徹底消除殘余水柱的唯一可行的方法是，在井下有巷道的前提下，通過井心鉆孔將殘余水泄到井下。泄水的方法很簡單，用軟管虹吸或者用小型潛水泵把工作面的涌水導(dǎo)入井筒中的泄水套管內(nèi)，詳見圖1.

圖1 井筒沖積層段掘砌示意

　　這樣，在沖積層段采用降水法開鑿井筒，能夠?qū)崿F(xiàn)打干井。和其它特殊施工方法相比，具有工藝簡單、設(shè)備少、投資省、工期短、省工、省力等優(yōu)點。

　　2.1 降水法施工參數(shù)設(shè)計

　?。?）降水孔數(shù)。根據(jù)井檢孔水文資料進行計算，降水孔數(shù)為3個。

　?。?）降水孔布置圈徑。井筒荒徑?φ7.5m，考慮到鉆孔在抽水時，地層中的部分細顆粒會隨水流失，在鉆孔周圍會形成一定范圍的空洞。在井筒掘砌過程中，如果遇到空洞，可能片幫。為了避免空洞和荒徑溝通，以便在鑿井期間鑿井井架和鉆井井架之間互不干擾，保證排水和鑿井工作同時進行，降水孔布孔圈徑確定為?φ27m，以井筒中心為圓心。在此圓周上均勻布置3個降水孔，并將其中的1個孔布置在水流上方，其余兩孔分列兩側(cè)。

　?。?）降水孔直徑。孔徑主要考慮要滿足使用?φ216～254mm的潛水泵抽水的需要，同時也要滿足使用壓風(fēng)抽水的需要。降水孔濾水管的直徑確定為?φ273mm.降水孔直徑定為426mm。

　　（4）降水孔深度。根據(jù)井檢孔資料，風(fēng)化基巖底板為66.61m。考慮到潛水泵的進水口高度和鉆孔孔底巖粉的沉淀，降水孔深度定為75m.

　　2.2 水文新資料3個降水孔在施工結(jié)束之后分別進行了降1孔、降2孔單孔抽水試驗，同時也進行了3個孔的互相干擾抽水試驗，其結(jié)果見表2～4。

　　2.3 井筒涌水量的計算根據(jù)3個降水孔抽水試驗新獲得的水文資料進行井筒涌水量的計算。

　　2.3.1 排水量的計算降1孔和降2孔抽水試驗結(jié)果表明，單位涌水量q=1.522～1.293L/（s.m），較原井檢孔提供的設(shè)計依據(jù)q=0.293L/（s.m）大很多。又通過較長時間的3個孔干擾抽水，發(fā)現(xiàn)降水孔水位均降至含水層底板附近時

表2 降1孔抽水試驗成果

表3 降2孔抽水試驗成果

表4 3個孔干擾抽水試驗成果

　　的總排水量（相對穩(wěn)定時）為33.05L/s（118.98m³/h），井筒中心靜水位降低了3.60m，井筒中心含水層厚度為10.95m。采用如下兩種不同的方法計算井心水位降至含水層底板時的排水量。

　?。?）q=f（S）（S為水位降，m）曲線呈斜直線下降時，排水量為

　?。?）q=f（S）曲線呈斜直線下降時，排水量為

Q=Q0S1/S0≈361.90m³/h

　　式中：Q為井筒中心靜水位降到含水層底板時所要達到的排水量，m³/h；H為含水層厚度，H=10.95m；S1為打干井時水位降低值，S1=10.95m；S0為干擾抽水試驗時的水位降低值，S0=3.6m；Q0為干擾抽水試驗時總的排水量，Q0=118.98m3/h。取兩種方法的算術(shù)平均值，即Q=289.23m3/h。計算結(jié)果表明，要達到?jīng)_積層段打干井的目的，3個降水孔總排水量要達到289.23m3/h.根據(jù)選用的潛水泵能力，3個孔排水量達不到上述要求。如果完全依靠降水孔排水，需要再增加3個降水孔，這也就是普通降水法施工的內(nèi)容。但是，上排下疏降水法就不同了，依靠上述3個孔降水，剩余的殘余水量由井心泄水孔泄到井下，從而實現(xiàn)打干井的目的。

　　2.3.2 泄水量的計算在3個孔干擾抽水期間，中檢孔做了簡易抽水試驗。當(dāng)抽水量為10m3/h時，水位降低1m.仍用上述兩種方法計算，排水量的算術(shù)平均值為56.47m³/h。也就是說，井筒周圍的3個降水孔降水（118.98m³/h），井筒中泄水孔泄水量達到56.47m³/h時，就能夠?qū)崿F(xiàn)沖積層段打干井。

　　2.4 沖積層段的掘砌施工3個降水孔施工結(jié)束之后，井筒開始試挖。當(dāng)井筒內(nèi)3盤吊掛結(jié)束之后，降水孔開泵抽水。隨著地下水水位的下降，井筒不斷向下掘砌。掘進使用風(fēng)鎬，不可放炮。邊掘砌邊割斷井心的套管。當(dāng)掘至殘余水柱時，在工作面挖一水窩，設(shè)小型潛水泵，把工作面涌水導(dǎo)入井心套管中泄到井下。在下掘時，要特別注意保護井心泄水孔，不能堵塞。當(dāng)掘砌到75m時，砌筑壁座。沖積層段和風(fēng)化基巖掘砌工作結(jié)束。

　　3 基巖段施工

　　焦家寨礦副立井揭露的基巖為二疊系上下石盒子組地層，其頂部和沖積層之卵石層直接不整合接觸。取芯證明，基巖傾角平緩，一般在7～15°之間。巖性以細顆粒砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，約占60%；其次為細、中、粗粒砂巖，約占37.7%，夾有3層煤，其中2號煤厚達5.8m。砂巖成分以石英為主，多為泥質(zhì)膠結(jié)，堅硬致密。

　　根據(jù)已建成的主斜井揭露的基巖情況來看，從穩(wěn)定基巖到井下透巷點，共長234m基巖段不含水。

　　3.1 基巖段掘砌方式根據(jù)焦家寨礦的特點，基巖段采用反井鉆機導(dǎo)擴孔和普通鉆爆法刷大是最好的掘砌方式。這種方式不僅速度快、質(zhì)量好，而且安全。沖積層段掘砌用過的泄水孔又可做為反井鉆機導(dǎo)孔，鉆孔得以充分利用，使工程造價降低。

　　反井鉆機使用和其它工程不一樣的地方就是把反井鉆機安裝在井筒工作面。工作面的施工條件滿足反井鉆機安裝的要求。

　　焦家寨礦副立井基巖段為234m，LM-200型反井鉆機的導(dǎo)擴孔能力是250m，反井鉆機滿足施工需要。

　　吊盤喇叭口能夠通過LM-200型反井鉆機的最大拆件。井筒工作面能夠布置全部反井鉆機設(shè)備，且不影響人員的正常操作。

　　地層平緩且不破碎，也沒有大段膨脹性泥巖，基巖不含水。這些都給使用反井鉆機施工創(chuàng)造了有利條件。

　　3.2 基巖段掘砌施工將反井鉆機拆件下放到井筒工作面組裝就位，調(diào)試。把鉆桿沿原泄水孔下放到井下透巷點，連接擴孔鉆頭向上擴孔。擴孔完成后，拆除鉆機運至地面。施工示意見圖2。

圖2 焦家寨礦副立井基巖段施工示意

1—反井鉆機鉆桿；2—已開鑿井筒；3—已封堵的抽水鉆孔；

4—井筒工作面；5—未開鑿井筒；6—反井鉆機鉆頭；

7—反井鉆機鉆孔；8—已開鑿巷道

　　反井鉆機導(dǎo)擴孔之后，在井心附近形成1個?φ1200mm的大鉆孔。由于大鉆孔的存在，增加了放炮時的自由面，爆破效率也大幅度提高。放炮之后，大部分矸石會沿鉆孔溜到井下，其余由人工攉入鉆孔。井下巷道安裝耙斗機，將矸石裝入礦車，運到井上排矸場地。

　　4 上排下疏鑿井法施工工藝順序

　　（1）準(zhǔn)備工作。包括對井檢孔提供的地質(zhì)、水文資料的分析，對使用該法鑿井可行性進行論證。

　?。?）降水施工參數(shù)計算。根據(jù)水文資料確定降水孔數(shù)、布孔圈徑、降水孔位置、降水孔深和孔徑等參數(shù)。根據(jù)抽水試驗結(jié)果計算出排水量，根據(jù)排水量進行潛水泵選型。

　?。?）施工井心泄水孔（反井鉆機導(dǎo)孔）。泄水孔在井筒中心開孔，沖積層段孔徑為?φ325mm，使用DZJ-500/1000型凍注鉆機施工，采用泥漿無芯方式鉆進，鉆至65m下入?φ273mm套管，并且使用水泥漿固管。65m以下基巖段鉆孔直徑為216mm，采用無芯泥漿方式鉆進。在鉆進過程中，為了保證鉆孔鉛直精度，每鉆20m深，使用陀螺測斜儀測斜1次；如有偏斜，需及時糾斜。整個鉆孔偏斜率要小于5‰。當(dāng)鉆至深309m時，和井下巷道貫通。

　?。?）施工降水孔。降水孔深75m，采用?φ426mm鉆頭無芯鉆進，安裝?φ273mm濾水管。在濾水管周圍，填入?φ5～10mm的河床礫石作為濾水的濾料，保證地下水能夠順暢地進入濾水管內(nèi)。濾料填好后，強力洗井，直到水變清、含水層暢通、水中含砂量減少、水量增大時為止。

　?。?）安泵降水。降水孔施工結(jié)束后，安裝潛水泵試排水。之后，做兩次降深的簡易單孔穩(wěn)定流抽水試驗和多孔干擾抽水試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，計算出泄水孔的泄水量。

　?。?）沖積層段掘砌（包括壁座）。

　?。?）基巖段掘砌。①反井鉆機安裝及施工；②鉆爆法刷大井筒。

　　5 結(jié) 語

　　上排下疏立井鑿井新工藝是老礦改擴建開鑿新立井時的一種新的施工工藝，它是傳統(tǒng)降水法的改進。這種新工藝，方法簡單、造價低、工期短、井壁質(zhì)量好、安全，在國內(nèi)外屬首創(chuàng)。

　　傳統(tǒng)的降水法施工立井一般要布置8～12個降水孔，但仍不能消除降水后期的殘余水柱。殘余水柱的存在嚴(yán)重影響后期的成井速度和井壁質(zhì)量，也可能導(dǎo)致降水法施工的失敗。而上排下疏立井鑿井新工藝實現(xiàn)了井心泄水，徹底消除了殘余水柱，實現(xiàn)了打干井，成井速度、井壁質(zhì)量都有可靠的保障。井心泄水，不論水量大小都能泄干（以不超過井下排水能力為準(zhǔn)）。和傳統(tǒng)的降水法比較，降水孔數(shù)減少了，工程量減少了，費用降低了，工期也提前了。

　　井筒基巖段掘砌采用反井鉆機導(dǎo)擴孔技術(shù)，省掉井筒中的排水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，大大簡化了井筒中的懸吊設(shè)施。而且，矸石不用裝桶上提，省掉了抓巖設(shè)備，也節(jié)省了裝巖時間，提高了工效，加快了建井速度。

　　上排下疏立井鑿井新工藝是一種新的立井施工方法，在一定條件下適用。隨著國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展和煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的進一步調(diào)整，老礦改擴建項目會越來越多，因此，這種方法的推廣應(yīng)用會有廣闊的前景。