上排下疏立井凿井新工艺

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1、上排下疏立井凿井新工艺 - 建筑技术1 工程及地质概况焦家寨矿新建副立井是老矿改扩建开凿的立井。设计井深 309m，其中冲积层厚 52m，基岩 257m 。设计井筒荒径7.5m ，净 径6.5m. 井壁为厚 0.5m 单层素混凝土结构。冲积层成分以砂砾石为主，岩性以灰岩为主，砂岩次之。在 含水性较强的卵砾石层中充填有各粒级砂以及土质成分。卵砾石块 径分布是上部较小，一般为 2040mm ；中部（孔深 26m 左右）较 大，钻孔取芯块径最大达 300320mm ，最大块径可达 1.0m 以上； 底部逐渐变小，一般在 150200mm 左右。在冲积层以下，有薄层泥岩和深灰色石英粗砂岩，层厚为 0.

2、45m；再下有厚 6.69m 的褐红色、杂色砂质泥岩，厚 4.70m 的褐红 色粉砂岩；底部为厚 2.72m 的褐色泥岩。冲积层和基岩之间没有隔 水层。当时（1988 年 11 月）静止水位为 28.27m.根据以上地质资料 分析可以认为，在静止水位以下的砾石层和砂砾层、砂土含砾层都 是含水层，岩石风化带为另一个含水层。同时也可以认为，由静止 水位以下到稳定基岩以上为 1 个含水层。1988-11-201988-11-23，轩岗矿务局钻探队在副立井中检孔 （布置在井筒荒径以内的井筒检查孔）进行两次降深的冲积层稳定 流抽水试验，其成果见表 1。由表 1 计算出井筒冲积层段的涌水量 为：Q1=56

3、.97m3/h，Q2=54.60m3/h。 表 1 焦矿副立井中检孔抽水试验成果2 冲积层段的施工采用降水法凿井最大的难题是降水后期的残余水柱。能否消 除残余水柱是十分关键的问题，过去曾采用过增加降水孔的方法。 这种方法不但加大工程成本，而且只是减少残余水柱的高度，不能 彻底消除。另外，也曾采取过增加降水孔深度的方法，这种方法也 不奏效。彻底消除残余水柱的唯一可行的方法是，在井下有巷道的前 提下，通过井心钻孔将残余水泄到井下。泄水的方法很简单，用软 管虹吸或者用小型潜水泵把工作面的涌水导入井筒中的泄水套管内， 详见图 1.图 1 井筒冲积层段掘砌示意这样，在冲积层段采用降水法开凿井筒，能够实现

4、打干井。 和其它特殊施工方法相比，具有工艺简单、设备少、投资省、工期 短、省工、省力等优点。2.1 降水法施工参数设计（1）降水孔数。根据井检孔水文资料进行计算，降水孔数为 3 个。（2）降水孔布置圈径。井筒荒径7.5m ，考虑到钻孔在抽 水时，地层中的部分细颗粒会随水流失，在钻孔周围会形成一定范围的空洞。在井筒掘砌过程中，如果遇到空洞，可能片帮。为了避 免空洞和荒径沟通，以便在凿井期间凿井井架和钻井井架之间互不 干扰，保证排水和凿井工作同时进行，降水孔布孔圈径确定为 27m ，以井筒中心为圆心。在此圆周上均匀布置 3 个降水孔，并 将其中的 1 个孔布置在水流上方，其余两孔分列两侧。（3）降

5、水孔直径。孔径主要考虑要满足使用216 254mm 的潜水泵抽水的需要，同时也要满足使用压风抽水的需要。降水孔 滤水管的直径确定为273mm. 降水孔直径定为 426mm 。（4）降水孔深度。根据井检孔资料，风化基岩底板为 66.61m。考虑到潜水泵的进水口高度和钻孔孔底岩粉的沉淀，降水 孔深度定为 75m.2.2 水文新资料 3 个降水孔在施工结束之后分别进行了降 1 孔、降 2 孔单孔抽水试验，同时也进行了 3 个孔的互相干扰抽水试 验，其结果见表 24。2.3 井筒涌水量的计算根据 3 个降水孔抽水试验新获得的水 文资料进行井筒涌水量的计算。2.3.1 排水量的计算降 1 孔和降 2 孔

6、抽水试验结果表明，单位 涌水量 q=1.522 1.293L/（s.m） ，较原井检孔提供的设计依据 q=0.293L/（s.m ）大很多。又通过较长时间的 3 个孔干扰抽水，发现 降水孔水位均降至含水层底板附近时表 2 降 1 孔抽水试验成果表 3 降 2 孔抽水试验成果表 4 3 个孔干扰抽水试验成果的总排水量（相对稳定时）为 33.05L/s（118.98m3/h） ，井筒 中心静水位降低了 3.60m，井筒中心含水层厚度为 10.95m 。采用如 下两种不同的方法计算井心水位降至含水层底板时的排水量。（1）q=f（S） （S 为水位降，m）曲线呈斜直线下降时，排水 量为（2）q=f（S

7、）曲线呈斜直线下降时，排水量为Q=Q0S1/S0361.90m3/h式中：Q 为井筒中心静水位降到含水层底板时所要达到的排 水量，m3/h；H 为含水层厚度，H=10.95m；S1 为打干井时水位降低 值，S1=10.95m；S0 为干扰抽水试验时的水位降低值， S0=3.6m；Q0 为干扰抽水试验时总的排水量，Q0=118.98m3/h。取 两种方法的算术平均值，即 Q=289.23m3/h。计算结果表明，要达到 冲积层段打干井的目的，3 个降水孔总排水量要达到 289.23m3/h.根 据选用的潜水泵能力，3 个孔排水量达不到上述要求。如果完全依 靠降水孔排水，需要再增加 3 个降水孔，这

8、也就是普通降水法施工 的内容。但是，上排下疏降水法就不同了，依靠上述 3 个孔降水， 剩余的残余水量由井心泄水孔泄到井下，从而实现打干井的目的。 2.3.2 泄水量的计算在 3 个孔干扰抽水期间，中检孔做了简易 抽水试验。当抽水量为 10m3/h 时，水位降低 1m.仍用上述两种方法 计算，排水量的算术平均值为 56.47m3/h 。也就是说，井筒周围的 3 个降水孔降水（118.98m3/h ） ，井筒中泄水孔泄水量达到 56.47m3/h 时，就能够实现冲积层段打干井。2.4 冲积层段的掘砌施工 3 个降水孔施工结束之后，井筒开 始试挖。当井筒内 3 盘吊挂结束之后，降水孔开泵抽水。随着地

9、下 水水位的下降，井筒不断向下掘砌。掘进使用风镐，不可放炮。边 掘砌边割断井心的套管。当掘至残余水柱时，在工作面挖一水窝， 设小型潜水泵，把工作面涌水导入井心套管中泄到井下。在下掘时， 要特别注意保护井心泄水孔，不能堵塞。当掘砌到 75m 时，砌筑壁 座。冲积层段和风化基岩掘砌工作结束。3 基岩段施工焦家寨矿副立井揭露的基岩为二叠系上下石盒子组地层，其 顶部和冲积层之卵石层直接不整合接触。取芯证明，基岩倾角平缓， 一般在 715之间。岩性以细颗粒砂质泥岩、泥岩为主，约占 60%；其次为细、中、粗粒砂岩，约占 37.7% ，夹有 3 层煤，其中 2 号煤厚达 5.8m 。砂岩成分以石英为主，多为

10、泥质胶结，坚硬致密。根据已建成的主斜井揭露的基岩情况来看，从稳定基岩到井 下透巷点，共长 234m 基岩段不含水。3.1 基岩段掘砌方式根据焦家寨矿的特点，基岩段采用反井钻机导扩孔和普通钻爆法刷大是最好的掘砌方式。这种方式不仅速 度快、质量好，而且安全。冲积层段掘砌用过的泄水孔又可做为反 井钻机导孔，钻孔得以充分利用，使工程造价降低。反井钻机使用和其它工程不一样的地方就是把反井钻机安装 在井筒工作面。工作面的施工条件满足反井钻机安装的要求。焦家寨矿副立井基岩段为 234m，LM-200 型反井钻机的导扩 孔能力是 250m ，反井钻机满足施工需要。吊盘喇叭口能够通过 LM-200 型反井钻机的

11、最大拆件。井筒 工作面能够布置全部反井钻机设备，且不影响人员的正常操作。地层平缓且不破碎，也没有大段膨胀性泥岩，基岩不含水。 这些都给使用反井钻机施工创造了有利条件。3.2 基岩段掘砌施工将反井钻机拆件下放到井筒工作面组装 就位，调试。把钻杆沿原泄水孔下放到井下透巷点，连接扩孔钻头 向上扩孔。扩孔完成后，拆除钻机运至地面。施工示意见图 2。图 2 焦家寨矿副立井基岩段施工示意1反井钻机钻杆；2已开凿井筒；3已封堵的抽水钻孔；4井筒工作面；5未开凿井筒；6反井钻机钻头；7反井钻机钻孔；8已开凿巷道 反井钻机导扩孔之后，在井心附近形成 1 个1200mm 的大 钻孔。由于大钻孔的存在，增加了放炮时

12、的自由面，爆破效率也大 幅度提高。放炮之后，大部分矸石会沿钻孔溜到井下，其余由人工 攉入钻孔。井下巷道安装耙斗机，将矸石装入矿车，运到井上排矸 场地。4 上排下疏凿井法施工工艺顺序（1）准备工作。包括对井检孔提供的地质、水文资料的分析， 对使用该法凿井可行性进行论证。（2）降水施工参数计算。根据水文资料确定降水孔数、布孔 圈径、降水孔位置、降水孔深和孔径等参数。根据抽水试验结果计 算出排水量，根据排水量进行潜水泵选型。（3）施工井心泄水孔（反井钻机导孔） 。泄水孔在井筒中心 开孔，冲积层段孔径为325mm ，使用 DZJ-500/1000 型冻注钻机 施工，采用泥浆无芯方式钻进，钻至 65m

13、下入273mm 套管，并 且使用水泥浆固管。65m 以下基岩段钻孔直径为 216mm，采用无芯 泥浆方式钻进。在钻进过程中，为了保证钻孔铅直精度，每钻 20m 深，使用陀螺测斜仪测斜 1 次；如有偏斜，需及时纠斜。整个钻孔 偏斜率要小于 5。当钻至深 309m 时，和井下巷道贯通。（4）施工降水孔。降水孔深 75m，采用426mm 钻头无芯 钻进，安装273mm 滤水管。在滤水管周围，填入5 10mm 的 河床砾石作为滤水的滤料，保证地下水能够顺畅地进入滤水管内。 滤料填好后，强力洗井，直到水变清、含水层畅通、水中含砂量减少、水量增大时为止。（5）安泵降水。降水孔施工结束后，安装潜水泵试排水。

14、之 后，做两次降深的简易单孔稳定流抽水试验和多孔干扰抽水试验。 根据试验结果，计算出泄水孔的泄水量。（6）冲积层段掘砌（包括壁座） 。（7）基岩段掘砌。反井钻机安装及施工；钻爆法刷大井 筒。5 结 语上排下疏立井凿井新工艺是老矿改扩建开凿新立井时的一种 新的施工工艺，它是传统降水法的改进。这种新工艺，方法简单、 造价低、工期短、井壁质量好、安全，在国内外属首创。传统的降水法施工立井一般要布置 812 个降水孔，但仍不 能消除降水后期的残余水柱。残余水柱的存在严重影响后期的成井 速度和井壁质量，也可能导致降水法施工的失败。而上排下疏立井 凿井新工艺实现了井心泄水，彻底消除了残余水柱，实现了打干井， 成井速度、井壁质量都有可靠的保障。井心泄水，不论水量大小都 能泄干（以不超过井下排水能力为准） 。和传统的降水法比较，降水 孔数减少了，工程量减少了，费用降低了，工期也提前了。井筒基岩段掘砌采用反井钻机导扩孔技术，省掉井筒中的排 水系统和通风系统，大大简化了井筒中的悬吊设施。而且，矸石不 用装桶上提，省掉了抓岩设备，也节省了装岩时间，提高了工效， 加快了建井速度。 上排下疏立井凿井新工艺是一种新的立井施工方法，在一定 条件下适用。随着国民经济的进一步发展和煤炭产业结构的进一步 调整，老矿改扩建项目会越来越多，因此，这种方法的推广应用会 有广阔的前景。