袁 赟， 謝 劍 波， 林 偉 明

(中國水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

1 概 述

新疆KS9豎井設計井深為687 m，巖性為肉紅色花崗巖，中粗粒斑狀結構，塊狀構造，斑晶主要為鉀長石，基質(zhì)為石英、斜長石、角閃石等隱晶質(zhì)物質(zhì)，豎井Ⅲ類圍巖飽和抗壓強度為130 MPa，井筒總涌水量預計為5.6 m3/h。該工程豎井采用礦山正掘法施工，豎井施工所需的人、材、機及滲水外排均需利用布置于井口的主副提升系統(tǒng)進行垂直運輸。由于豎井正掘施工工藝必須完全利用提升系統(tǒng)組織施工，且設備布置后改裝困難，因此，施工前期提升設備的布置方案必須充分考慮豎井水文地質(zhì)條件、開挖尺寸、場地條件等因素，選擇最佳方案進行井口設備的布置。

根據(jù)該工程地勘及初期現(xiàn)場勘察的相關資料，KS9豎井主要采用2JKZ-3.6/12.96、JKZ-3.2×3兩臺提升絞車作為豎井的主要提升裝備；設計藍圖中該工程井筒巖體基本為Ⅱ、Ⅲ圍巖，其支護形式為錨網(wǎng)噴。為滿足施工要求，井內(nèi)布置D=7 m的雙層吊盤作為豎井施工期間工作及支護施工平臺，吊盤利用布置于井口四周的11臺穩(wěn)車系統(tǒng)作為吊盤起落裝置；井筒井壁主要布置兩趟φ159鋼管用于井下供水及供風。按照以上設備配置，井下出渣設備達到了“雙抓、雙提”的要求，在地質(zhì)條件不發(fā)生變化的情況下能最大限度地發(fā)揮出渣設備效率。

當KS9豎井開挖至井深66.2 m時，開挖揭示的圍巖經(jīng)現(xiàn)場確定為Ⅱ類，井壁開始出現(xiàn)滲水，工作面開挖后井壁圍巖濕潤，地下滲水呈滴狀分布；在豎井開挖至井深186 m時，井筒總體滲水量達到5 m3/h，井壁局部區(qū)域集中滲水明顯，豎井井壁多數(shù)區(qū)域滲水呈線狀分布；此后，豎井開挖至218 m井深時圍巖開始整體變差，西南側井壁開挖面初露糜棱巖，糜棱巖區(qū)域滲水大幅度增加，至227 m井深時豎井總滲水量達到8.2 m3/h，此后，井筒滲水隨工作面掘進持續(xù)增大，豎井落底前在采取相應的治理措施后總涌水量仍達到30 m3/h。

2 施工存在的主要問題

由于井筒水文地質(zhì)條件較地質(zhì)初勘資料變化較大，且井筒滲水隨開挖工作面持續(xù)增加，井下施工主要存在以下問題：

(1)實際開挖揭示井筒豎向裂隙發(fā)育，主要裂隙傾角接近80°，豎向裂隙上下相互貫通導致爆破氣密性差，且受裂隙發(fā)育影響，井筒滲水始終隨裂隙逐漸下移并在工作面上方30 m范圍內(nèi)匯集，井下施工條件惡劣；

(2)井筒滲水隨井壁下泄至工作面，噴混凝土施工中噴錨料附著性能降低，噴混凝土施工難以正常進行；

(3)井筒滲水的增加導致提升設備被長期占用用于井下排水，各工序不能正常進行施工；

(4)在豎井施工至218 m井深時，井筒圍巖初露糜棱巖破碎帶。由于糜棱巖遇水泥化、膨脹的特性，施工期間糜棱巖部分井壁受水長時間沖刷、浸泡影響，井壁多次出現(xiàn)塌方，安全風險極高。

3 所采取的主要應對技術措施

針對以上問題，為保證豎井施工在水文地質(zhì)條件變化的情況下仍能繼續(xù)進行，項目部在技術方案上主要進行了以下幾個方面內(nèi)容的調(diào)整。

3.1 爆破參數(shù)的調(diào)整

由于井筒豎向裂隙發(fā)育，爆破氣密性差，豎井爆破參數(shù)調(diào)整前單循環(huán)平均進尺僅為2.5 m，炮孔有效利用率僅為58%，爆破炸藥單耗達4.5 kg/m3以上，而且從爆破后的石渣看，其石渣粒徑大部分小于40 cm，經(jīng)分析，進尺不理想的主要原因為爆破掏槽效果差。

鑒于以上情況，爆破參數(shù)的調(diào)整主要采取在原爆破參數(shù)的基礎上增加一階掏槽孔，一階掏槽孔采用YT-28手風鉆造孔，一階掏槽孔為環(huán)向布置，半徑為0.3 m，孔深L=2.5 m，一階掏槽采用集中裝藥，單孔裝藥長度為1.6 m，爆破孔封堵長度為0.9 m，采用與掏槽孔同段位非電毫秒雷管起爆，單孔裝藥量為2.8 kg，其它參數(shù)調(diào)整情況見表1，優(yōu)化后的爆破孔布置情況見圖1。

表1 KS9豎井調(diào)整后的爆破參數(shù)表

圖1 爆破孔優(yōu)化平面布孔圖

爆破參數(shù)調(diào)整后，豎井單循環(huán)有效進尺基本維持在3.5 m左右，爆破孔利用率達到87.5%，實際炸藥單耗則由4.5 kg/m3降低至3 kg/m3，豎井施工火工產(chǎn)品成本節(jié)約33%，且在施工過程中鉆爆孔總數(shù)也由最初的150個孔降低至110個孔，施工成本及效率得到明顯提高。

3.2 豎井素混凝土整體襯砌

原設計方案中對井筒Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用錨網(wǎng)噴支護，但滲水量增加后，噴混凝土施工難以正常進行，為保證下階段豎井施工過程中質(zhì)量、安全滿足相關要求，同時為改善井下惡劣的施工環(huán)境，提高豎井施工進度，豎井施工自227 m開始對Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用C30素混凝土δ=30 cm整體澆筑方案代替原方案錨噴支護方案進行施工。豎井支護方案調(diào)整后，設備改裝因井架天輪平臺布置的相當緊湊，設備僅能進行局部改裝以滿足YJM-4.8定型模板的懸掛要求，常規(guī)澆筑所需的溜管等附屬設備由于天輪布置受限局部無法改裝到位，混凝土澆筑只能利用提升絞車吊運3 m3吊罐入倉。

井筒采用素混凝土整體襯砌方案后，從實際實施效果看，雖然設備改裝無法一次改裝到位，施工中仍存在諸多制約因素，但支護時間卻由原錨噴每循環(huán)12 h縮短至每循環(huán)7 h，單工序循環(huán)時間得到明顯提高。

3.3 工作面預注漿堵水

由于豎井吊桶排水能力有限，施工中為防止工作面突然涌水超過豎井排水能力而造成淹井事故，豎井自272 m井深開始采用“先探后掘”的方式進行豎井開挖，該方案包括：

(1)豎井掘進之前，在豎井開挖掌子面進行工作面預注漿。工作面預注漿孔設計深度L=25 m，施工前首先利用SKQ100型潛孔鉆機施工φ130，L=3 m鉆孔，內(nèi)套φ108，L=3 m一端帶有法蘭盤焊管作為灌漿前的預埋孔口管，孔口管安裝完成后，繼續(xù)采用SKQ100型潛孔鉆機在孔口管內(nèi)鉆設φ95灌漿孔，鉆孔完成后，采用2ZBQ70/7型煤礦用氣動注漿泵對滲水孔進行灌漿封堵，灌漿封堵采用水泥漿+水玻璃作為灌注材料施工；

(2)工作面施工完成后，以豎井中心為圓心布置L=25 m深的垂直檢查孔4個，檢查孔的布置有針對性地選擇在出水量較大的位置鉆探，當檢查孔單孔涌水量小于0.5 m3/h時，單輪工作面預注漿堵水施工結束。

工作面預注漿堵水后，豎井工作面的滲水始終控制在5 m3/h，基本達到了預期效果。

3.4 井壁注漿封水

豎井掘進過程中，根據(jù)混凝土襯砌后的表面出水情況，有針對性地對井壁局部滲水點進行了井壁注漿封水。

井壁注漿主要利用井內(nèi)雙層施工吊盤作為灌漿平臺，注漿孔采用YT-28手風鉆造孔，成孔直徑為42 mm，注漿孔深度L=1.5～3 m；井壁注漿前，首先將φ25×4 mm，L=700 mm的鋼管作為孔口管埋入灌漿孔內(nèi)，然后采用氣動灌漿泵進行灌注，井壁封水灌漿采用“水泥漿+水玻璃”雙液漿灌注，其體積比為1∶0.5。灌漿孔布孔的環(huán)向間距為1 m，在滲水點上、下50 cm范圍內(nèi)分別布置一排孔，灌漿設計壓力不超過2.5 MPa。

采用以上方案處理井壁滲水后效果明顯，混凝土表面基本無明顯滲水點，井下作業(yè)環(huán)境得到了大幅度改善。

3.5 腰泵房截排水

在采取以上灌漿封水措施的基礎上，分別在豎井290 m、371 m、436 m、570 m井深井壁處設置“腰泵房+截水槽”用于井壁滲水截排，以增加豎井的整體排水能力。井下腰泵房截排水受井壁排水管路限制，只有1根φ159供水鋼管可改裝后用于排水，因此，井內(nèi)的滲水采取分級截水后最終通過井深290 m處的一級腰泵房排水管路排出井外。

腰泵房及截水槽位置根據(jù)豎井開挖揭示的地質(zhì)情況在現(xiàn)場選定，所選位置必須位于井筒圍巖相對完整區(qū)域。腰泵房的開挖采用YT-28手風鉆鉆爆開挖成形，開挖過程中采用錨噴支護封閉巖面以確保安全。腰泵房開挖完成后，首先進行水池部分的防滲處理，水池部分的鋪底及水池四周采用C30、δ=20 cm的混凝土進行封閉，然后進行腰泵房水泵安裝、線路架設、臨時排水管安裝等工作的施工，以上工作全部完成后，腰泵房即開始正常運行。腰泵房利用截水槽將順井壁下泄的地下滲水集中收集，同時采用布置于井壁的高壓軟管將水引入腰泵房內(nèi)、最后采用水泵進行集中抽排。

腰泵房排水系統(tǒng)投入運行后，井內(nèi)的大部分滲水均采用水泵抽排，該方案有效地減輕了豎井提升系統(tǒng)的排水負荷，豎井總排水能力得到了顯著提高。

4 超深豎井施工的相關建議

該工程實際揭示的水文地質(zhì)情況與初勘資料變化巨大，受其影響，工程前期的設備配置、施工方案選擇均不足以應對地質(zhì)條件變化后實際施工的需求，豎井施工一度陷入停滯狀態(tài)。因此，為降低不利地質(zhì)條件對施工的影響，筆者建議：在類似豎井施工前應做好以下幾方面工作：

(1)豎井施工前，必須首先施工井筒檢查孔，將井筒檢查孔布置于井筒范圍之外，距井筒中心不超過25 m，單豎井建議布置勘探孔4個。將井筒檢查孔獲取的地質(zhì)與水文資料與原地質(zhì)勘察資料進行深入的對比分析，以便更準確地掌握地層沿主洞走向的變化規(guī)律，同時準確掌握豎井所在地的水文地質(zhì)資料，以利于豎井施工的組織安排；

(2)對于豎井支護，建議采取素混凝土整體支護，該方案除能大幅提高井筒閉水效果外，對于井筒圍巖破碎帶，其支護方式更為及時、方便、安全。

5 結 語

新疆KS9豎井設計井深687 m，施工過程中水文地質(zhì)條件變化大、地質(zhì)條件復雜、井筒圍巖飽和抗壓強度超過130 MPa，圍巖豎向裂隙發(fā)育、滲水量大，豎井深度及獨特的地質(zhì)條件在水利工程及礦井建設過程中均屬罕見。在該工程實施過程中，面對復雜的地質(zhì)情況，在無類似工程經(jīng)驗可借鑒的條件下，以項目為依托，通過現(xiàn)場實踐，逐步總結出一套適合于該工程的豎井施工技術。根據(jù)現(xiàn)場實施效果并通過方案調(diào)整，KS9豎井施工月平均進尺達到60 m/月，遠遠超過目前國內(nèi)滲水豎井30 m/月的平均強度，豎井施工在方案調(diào)整后較計劃工期提前兩個月完成，取得了較好的效果，值得在類似工程中推廣應用。