何 剛

(中煤西安設(shè)計工程有限責任公司，陜西 西安 710054）

1 概況

1.1 井筒概況

天云煤礦為資源整合礦井，原主立井需要改造為回風立井，施工改造期間可利用原有井筒、巷道及提升系統(tǒng)進行通風、運輸及提升。原主立井建設(shè)于20世紀七八十年代，施工粗糙，支護簡單，井筒表土為紅磚砌筑，厚度為240 mm，基巖段為裸巷，無支護，加之井筒支護年代久遠，已呈老化狀態(tài)，安全隱患較大。原有主立井井口標高+1 067.783 m，落底標高+880.000 m，井筒深度187.783 m，采用圓形斷面，凈直徑3.0 m，凈斷面積7.07 m2。改造后井凈直徑5.0 m，凈斷面積19.63 m2，擔負全礦井初期回風任務(wù)。井筒內(nèi)裝備玻璃鋼梯子間，兼作礦井安全出口。

1.2 井筒地質(zhì)概況

（1）井田穿越的地層由老至新依次為： 三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組(T3w)； 第四系更新統(tǒng)（Q2+3）；第四系全新統(tǒng)沖、洪積層（Q4al+pl）。

（2）井筒要穿越的含（隔）水層主要為：①第四系全新統(tǒng)沖、洪積層孔隙潛水含水層（Q4al+pl），為間接充水含水層，對井筒施工影響較??；② 中更新統(tǒng)黃土孔隙裂隙潛水含水層（Q2+3），厚度2.80～7.80 m，巖性為粉質(zhì)黃土，大孔隙和垂直裂隙較發(fā)育，垂向滲透性大于側(cè)向滲透性，黃土大部不含水或富水性弱，為間接充水含水層，對井筒施工影響較??；③ 風化基巖裂隙潛水含水層，厚度3.70～8.70 m，在風化基巖底界以下，為間接充水含水層，對井筒施工充水影響較?。虎?三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組基巖孔隙裂隙承壓水含水層（T3w），厚度33.73～224.67 m，含水層巖性主要為中、細粒砂巖，局部粗粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)或硅質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)致密，裂隙發(fā)育微弱。通過井筒檢查孔對該層抽水試驗：含水層厚度6.80～100.14 m，統(tǒng)降統(tǒng)徑單位涌水量q=0.000 46～0.907 07 L/s·m，含水巖段富水性均弱，滲透系數(shù)K=0.005 0～1.862 m/d，水質(zhì)由淺向深逐漸變差，水化學類型主要為SO4-Na型，為直接充水含水層，對井筒施工有直接的影響。各含水層對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕性甚微。

2 井筒擴井施工方法選擇

適合該礦井回風立井擴井的施工方法有普通鑿井法、鉆井鑿井法、豎井掘進機鑿井法（下排渣式）。

普通鑿井法：采用鉆眼爆破或其他常規(guī)手段（氣動鑿巖機等）鑿井的作業(yè)方法。普通鑿井法適用于穩(wěn)定的或含水較少的地層中。

鉆井鑿井法：采用大型鉆機鉆頭破碎巖土，用泥漿進行洗井、排碴和護壁，當井筒鉆至設(shè)計直徑和深度后，在泥漿中懸浮下沉預(yù)制井壁，然后壁后充填固井的一種機械化鑿井方法。鉆井鑿井法適用于各種含水的沖積地層及中等硬度以下的巖層[1]。

豎井掘進機鑿井法（下排渣式）：利用反井鉆機鉆孔為先導(dǎo)孔，采用豎井掘進機滾刀破巖，自上而下全斷面一次成井，破碎巖石通過導(dǎo)孔溜到井下已有巷道系統(tǒng)，利用吊盤吊掛整體模板澆筑支護的機械化、自動化、掘支一體化的智能化鑿井方法。豎井掘進機鑿井法適用于地質(zhì)條件穩(wěn)定、涌水較小或地層經(jīng)過加固處理后（如凍結(jié)）達到要求的地層[2-3]。

普通鑿井法、鉆井鑿井法、豎井掘進機鑿井法施工的優(yōu)、缺點比較見表1。

天云煤礦回風立井（原主立井）由于年久失修，加之最早施工工藝簡陋，支護不夠，基巖以下部分甚至無支護，經(jīng)過長年風氧化及井筒淋水侵蝕破壞，圍巖耐壓強度及穩(wěn)定性均較差。

普通鑿井法造價低，但施工采用爆破，人工作業(yè)，機械化程度低，人員保護措施有限，爆破不當極易造成井筒坍塌、人員傷亡，不推薦普通鑿井法。

鉆井鑿井法機械化程度較高，但地面占地大，鉆井設(shè)備重量大，對井幫影響破壞較大；且施工工藝復(fù)雜，環(huán)節(jié)較多，施工速度慢，工期長；預(yù)制井壁需要場地較大，材料消耗大，投資費用高。因此不推薦鉆井鑿井法。

豎井掘進機鑿井法（下排渣式）需要先導(dǎo)孔和利用井下已有巷道排渣，天云煤礦回風立井為擴刷斷面，因此可省去先導(dǎo)開孔，井下巷道也可直接利用，井筒由原來的凈直徑3.0 m擴刷至凈直徑5.0 m，具備豎井掘進機鑿井法的適用條件。且豎井掘進機鑿井工藝為機械化、控制自動化、掘支一體化的智能化成套工藝，避免了傳統(tǒng)鉆爆法對圍巖的擾動破壞，將人員從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來，從根本上解決了鑿井安全問題，破巖、鉆進和支護平行作業(yè)，大大提高了鑿井成井速度。其采用智能鉆進、智能糾偏、智能檢測、智能保護顯著地提高了鑿井成井質(zhì)量。根據(jù)天云煤礦回風立井的特點和實際情況，經(jīng)過比較采用豎井掘進機鑿井法（下排渣式）。

3 豎井掘進機施工方案

豎井掘進機技術(shù)源于全斷面巖石掘進機（TBM），豎井掘進機最早在美國起源，在德國發(fā)展應(yīng)用的較好。國家863項目研制的國內(nèi)首臺豎井掘進機在云南以禮河四級電站復(fù)建工程出線兼交通豎井順利貫通。該井筒掘進直徑5.8 m，深282.5 m，采用MSJ5.8/1000/1000型豎井掘進機施工，從開工鉆進到順利貫通，總計施工用時90 d，除去外部因素影響，純鉆進時間為36 d，平均進尺達到7 m/d，最大日進尺達到10.9 m。

3.1 掘進機設(shè)備選擇

根據(jù)回風立井穿越地層的地質(zhì)構(gòu)造、地層分布、巖層走向、傾角、完整程度、堅硬程度、地下水水文地質(zhì)條件、回風立井設(shè)計井徑、井深等技術(shù)參數(shù)，同時考慮現(xiàn)有豎井掘進機設(shè)備技術(shù)性能和使用情況，選用MSJ5.8/1000/1000型豎井掘進機施工，其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

3.2 豎井掘進機鑿井工藝

豎井掘進機鑿井工藝采用反井鉆機鉆進形成導(dǎo)井[4-6]，豎井掘進機一次擴大成井，利用新型井架和專用吊盤輔助作業(yè)，形成鑿井破巖、排渣、臨時支護、永久支護一體化平行作業(yè)的鑿井工藝。其主要工藝如圖1。

圖1 豎井掘進機鑿井工藝示意圖

（1）導(dǎo)井：采用反井鉆機鉆進先導(dǎo)孔，導(dǎo)通井下巷道，再進行擴孔，形成直徑1.6 m的導(dǎo)井，為豎井掘進機排渣做好溜渣準備。天云煤礦回風立井是在原主立井的基礎(chǔ)上改造，因此可省去導(dǎo)井環(huán)節(jié)。

（2）破巖：使用豎井掘進機進行破巖。安裝在豎井掘進機鉆頭上的滾刀旋轉(zhuǎn)推進以擠壓、剪切和刮削等綜合作用力將巖體破碎。

（3）排渣：巖體在鉆頭滾刀的旋轉(zhuǎn)推進下破碎，沿著導(dǎo)井，下溜至井下巷道，在井下巷道裝運，通過井下已有的軌道巷運輸至井下廢棄巷，實現(xiàn)廢渣不出井。

（4）臨時支護：豎井掘進機支撐結(jié)構(gòu)在工作時，對井壁圍巖施加一定的壓力，防止井壁圍巖破壞坍塌。同時豎井掘進機和吊盤上設(shè)置有錨桿鉆機和混凝土噴射機，可根據(jù)圍巖實際情況進行臨時支護。

（5）永久支護：利用吊盤吊掛整體模板進行澆筑。

（6）通風：豎井掘進機為機械破巖，產(chǎn)生的有害氣體和粉塵較少，同時井筒內(nèi)作業(yè)人員很少，導(dǎo)井和井下通風系統(tǒng)能夠形成全負壓通風系統(tǒng)，一般情況可以滿足通風需求。為了安全起見，另配一套局部通風機備用。

（7）排水：本礦井回風立井穿越的含水地層富水性弱，預(yù)測井筒涌水量較小，可直接通過導(dǎo)井流至井下，匯入礦井原有排水系統(tǒng)。為了安全起見，另配2套排水泵備用。

4 井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)回風立井穿越地層的水文地質(zhì)情況，井筒采用單層井壁結(jié)構(gòu)，表土段采用鋼筋混凝土砌碹支護，支護厚度為400 mm，環(huán)向鋼筋為Φ20，縱向鋼筋為Φ16，連接鋼筋為Φ10，砌碹混凝土強度等級為C30；基巖段采用素混凝土砌碹支護，支護厚度為400 mm，砌碹混凝土強度等級為C30。井壁結(jié)構(gòu)形式如圖2。

圖2 井壁結(jié)構(gòu)形式圖

5 結(jié)束語

天云煤礦回風立井擴井方案設(shè)計采用豎井掘進機鑿井法，利用原井筒為導(dǎo)井，采用豎井掘進機破巖，廢渣經(jīng)導(dǎo)井下溜排至井下廢棄巷道，形成鑿井破巖、排渣、臨時支護、永久支護一體化平行作業(yè)的鑿井工藝，實現(xiàn)機械化破巖、自動化遠程控制、掘支一體的智能化掘進。該方案施工速度快，機械化、自動化、智能化程度高，能夠從根本上保證工人安全，能夠?qū)崿F(xiàn)高效智能、安全環(huán)保的先進要求。