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　煤炭科学技术
COAL SCIENCE AND TECHNOLOGY
1999年 第27卷 第11期 Vol.27 No.11 1999

张集煤矿立井施工技术研究

袁　亮　　祝经康

　　摘　要　张集煤矿立井施工，采取强化冻结、合理确定掘砌段高和冻结管防断等技术措施，通过了深、厚钙质粘土层；采用地面预注浆、伞钻打泄压孔和远距离震动放炮等方法，快速、安全地揭穿有煤与瓦斯突出危险煤层，取得良好的效果。
　　关键词　立井　强化冻结　预注浆　揭煤

　　1　概　　述

　　淮南矿业(集团)有限责任公司张集煤矿，是潘谢矿区新建的年产400万t的特大型矿井。井田第四系地层厚度约为87～88 m，多为各种砂层；第三系地层厚度约为240 m，其中粘土层占厚度的60%，粘土含水率约28%，蒙脱石含量最大为38%，单层厚度最厚达34.9 m，自由膨胀率最高达129%，塑性指数最高达64.5。主井穿过6层钙质粘土层，累积厚度114.5 m；副井穿过7层钙质粘土层，累积厚度90.45 m；中央风井穿过7层钙质粘土层，累积厚度106.19 m。煤系地层为二叠系山西组和石盒子组，可采煤层12层，总厚度29.62m，其中主要可采煤层5层，总厚度21.08 m。经方案优化比较，采用“上冻下注”的特殊凿井法施工。
　　采用冻结法凿井，穿过深、厚钙质粘土层，冻土试验表明，其塑性指数大于28时，冻土强度降低。由于钙质粘土连续厚度大，膨胀率高，易发生冻结管断裂事故。潘谢矿区已施工的17个井筒中，就有11个井筒发生断管事故，共计断冻结管123根。由于冻结管断裂造成井筒冒砂、涌水，甚至淹井。
　　井筒穿过的煤层中，经煤样化验判断，13槽煤层有煤与瓦斯突出危险。据煤炭科学研究总院抚顺分院的测试结果，13槽煤层瓦斯涌出量大、压力高（最大瓦斯压力3.8 MPa）。而且，潘一、潘二、潘三矿和谢桥矿在基建和生产中，均发生过多次煤与瓦斯突出现象。
　　张集煤矿3个井筒施工，针对上述两个难题，进行了试验研究，并取得了良好的技术效益。主井、副井和中央风井，分别以14个月、12个月和15个月的工期竣工，其中冻结段井筒外壁平均月成井52.43 m，内壁滑模日进度为9.54 m，井筒综合单进达50.2 m/月，创潘谢矿区纪录。3个井筒揭穿13槽煤层实际工期只用15～23 d，多创施工产值400万元以上，节约成本20多万元。井筒及13槽煤层主要技术特征见表1。

表1　井筒及13槽煤层主要技术特征

项　目

 主井 副井 中央风井
井筒深度/m 629.5 663.5 631.5
井筒表土段厚度/m 327.5 324.2 327.2
井筒风化带厚度/m 33.4 36.0 35.6
冻结深度/m 374.0 371.0 376.5
基岩段深度/m 255.5 292.5 255
井筒净直经/m 6.0 8.0 7.0
井壁厚度
/ mm		 表土段 850～1 440 1 100～1 800 950～1 600
基岩段 400 500 450
掘进断面
/m2		 表土段 46.6～60.8 81.7～105.7 62.2～81.7
基岩段 36.3 63.6 49
13槽
煤层		 见煤深度/m 579.3 583.1 569.2
煤层倾角/(°) 2～5 2～5 2～5
煤层厚度/m 7.4 7.9 5.9
顶板岩性 细砂岩 粉砂岩 砂质泥岩
底板岩性 砂质泥岩 砂质泥岩 泥岩
开工日期 1996-08-15 1996-12-15 1996-07-01
竣工日期 1997-10-31 1997-12-22 1997-10-15
　　张集煤矿3个井筒设计，表土段井壁为双层钢筋混凝土复合井壁，内外层井壁之间铺设1层1.5 mm厚聚氯乙烯塑料板，井筒外壁与冻结壁之间铺设25 mm厚聚苯乙烯泡沫塑料板1～2层，井壁混凝土强度等级C30～C50。表土层与基岩段之间用20 mm厚软塑料板隔开，基岩段为素混凝土。主井井筒装备有钢井架、组合罐道、一对40 t箕斗；副井井筒装备有钢井架、钢罐道、梯子间、1.5 t双车双罐、1.5 t双车单罐带平衡锤；风井井筒装备有梯子间。

　　2　立井冻结施工

　　2.1　强化冻结技术
　　施工前，委托煤炭科学研究总院北京建井研究所进行了冻土特性测定，取得了单轴抗压强度、三轴剪切强度、冻土蠕变导热系数及冻胀试验等数据。经研究确定3个井筒的冻结方案以防片帮、防底鼓、防断管和防井壁破坏为前提，采用强化冻结技术。其要点：
　　(1) 主孔与防片、加强孔相结合布置，加大井筒冻结圈直径，以增大冻结壁内侧有效厚度。防止浅部冻结壁未扩展到荒径以内，在主孔圈内增设防片、加强孔，提高冻结壁强度。
　　(2) 主孔采用长、短管相结合冻结，长、短管冻结深度相差39～43 m，短管有利于冻结壁的形成；长管为深部冻结提供条件。
　　(3) 根据中央风井的具体条件，在主孔圈外增设加强孔，以增大冻结壁厚度和强度，防止井壁破坏。
　　(4) 采用优质管材和内套管坡口对焊低碳钢柔性冻结管，外箍箍接和焊接的管接头，提高冻结管强度和低温性能，增强管接头的密封性。
　　(5) 采用低温盐水(去路盐水温度低于-32℃，流量大于12 m3/h)制冷，加速冻结壁扩展速度。施工到井深150 m以下，去路盐水温度为-32～-34.8℃，去回路温差保持在2 ℃。
　　此外，施工中还根据进度、地质情况、冻结壁扩展速度，适时调整冷冻机台数、盐水温度和流量，改善冻结管与冻土间热交换速度，加快冻结壁降温和扩展，为安全施工创造条件。3个井筒的冻结技术参数见表2。

表2　井筒冻结技术参数

项目 主井 副井 中央风井
冻结深度
/m		 主孔 374～335 378～335 376.5～335
防片孔 291 315 200
外排加强孔 　 　 312～330
冻结圈孔
直径/m		 主孔 16.2 19.6 17.4
防片孔 13.0 15.7 14.0
外排加强孔 　 　 19.4
孔数
/个		 主孔 42 50 46
防片孔 19 16 9
外排加强孔 　 　 8
测温孔 4 4 4
水文孔 2 2 1
孔间距/m 主孔 1.212 1.282 1.188
冻结壁计算厚度/m 6.8 6.85 6.357
冻结壁平均温度(粘土层)/℃ -15 -15.1 -15
　　2.2　掘砌段高的确定
　　采用前苏联学者维亚洛夫建立的力学模型提出的公式计算掘砌段高，并考虑到井帮暴露时间，施工时的合理段高确定为：
　　(1)井口试挖段，累深20～25 m，段高1.3 m。
　　(2)开挖后冻结壁未进入荒径时，段高1.3 m。
　　(3)冻结壁进入荒径，但井帮温度未达到冻结设计要求时，段高1.5～2.5 m。
　　2.3　冻结管断裂对冻结壁的影响分析
　　当冻结壁形成后，冻结体内的游离水已冻结，冻结壁不具备发生膨胀的条件。但如果冻结管断裂，CaCl2盐水就会进入冻结壁，特别是钙质粘土层冻结壁被融蚀后，由于富含蒙脱石矿物，在蒙脱石的晶格里，硅氧四面体层中的部分Si＋4被Al＋3取代，铝氧八面体层中的Al＋3被Mg＋2、Ca＋2等取代，使蒙脱石矿物带负电荷，以静电吸引极性水分子。另一方面，蒙脱石晶体，在其片状构造中，两面都是氧，层与层之间由较弱的分子间力联结，水和其他极性分子较易沿硅氧层面进入结构中，使相邻的片状体分开，层间距离增大，从而引起钙质粘土体积膨胀，冻土蠕变变形，将会造成严重的后果。
　　冻结壁由于受到地压作用，压力由外向内传递，使冻结壁形成2个环带，即塑性区(环带内压应力超过冻土屈服极限)和弹性区。塑性区内的冻结管有断管的危险，弹性区内侧靠近塑性区附近的部分，由于弹性变形量超过了冻结管许可变形量，冻结管也有断管危险。为保证冻结管的安全，冻结管布置在这两个部分区域以外。
　　张集矿3个井筒冻结壁厚度设计，采用德国学者O*多姆克公式计算。实践证明，冻结壁厚度较大，冻结壁强度能满足要求，未发生脆性破坏。
　　从3个井筒危险区半径RL验算发现，主井井深272.75 m时，RL=6.513 m，内圈冻结孔布孔半径为6.5 m。副井井深232 m时，RL=8.018 m，内圈冻结孔布孔半径为7.85 m, 都进入到冻结壁危险区。中央风井也有这种情况。为了避免冻结管断裂造成盐水泄漏融蚀破坏冻结壁，考虑到内圈冻结孔进入危险状态前，冻结壁在内外圈孔共同施冻下，已具备抵抗地压的强度，只要处于弹性区的外圈孔继续供冷维护冻结壁，将内圈孔中的盐水用清水置换，停止内圈孔工作，即使内圈孔断裂也无盐水泄漏，可保持冻结壁的稳定。为此，及时地把处于危险区的内圈孔换成清水令其停止工作，防止了盐水泄漏后融蚀冻结壁的现象，取得了良好的效果。

　　3　揭穿煤与瓦斯突出煤层方法

　　3.1　地面预注浆封闭瓦斯和加固煤层
　　对基岩段进行地面预注浆，形成的注浆帷幕封闭了瓦斯补给源，改变了煤与瓦斯的原生状态，降低了煤与瓦斯的突出可能性，为安全揭穿有煤与瓦斯突出危险煤层创造了条件。同时，注浆加固了煤体，增强了稳定性，减少了片帮，加快了施工速度。
　　由于井筒已有3个全取芯的检查钻孔，3个井筒又各打了6～8个注浆孔(基岩段取芯)，均有综合地质柱状图，所以井筒穿煤层的层位控制得比较准确，因此，在井筒工作面距煤层垂距5 m处打3个前探钻孔兼测压孔，按岩层倾向布置1个孔，走向布置2个孔，孔径为91 mm，孔口距荒径1 m左右，终孔深度进入煤层底板0.5 m。注浆前后13槽煤层突出危险性指标见表3。

表3　注浆前后13槽煤层突出危险性指标

项　目

 ΔP f K Pmax/MPa D
注浆前井筒检查钻 11 0.54 20.37
主井注浆后 4 0.36 11.11 3.6 26.27
副井注浆后 4 0.83 4.82 0.25 1.15
中央风井注浆后 4 0.54 7.41 3.8 15.21
　　注：ΔP—瓦斯释出时压力差值；f—煤层硬度系数；Pmax—实测瓦斯最大压力；K和D—煤层突出危险综合指标。

　　按《防治煤与瓦斯突出细则》规定，临界值D＞0.25和K＞15判断突出危险性。从表3中看出，注浆后ΔP下降63%，K平均下降60%，虽然K＜15，但D＞0.25，因此，注浆后的13槽煤层仍有突出危险，须采用排放瓦斯措施。
　　3.2　伞钻泄压排放瓦斯
　　采用FJD-6型伞钻打直径65 mm排放孔，孔间距为600 mm×600 mm，一钻穿透煤层，钻孔布置见图1。

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图1　泄压钻孔布置图

　　通过泄压使煤层内残存瓦斯压力很快降低，主井压力降到0.3 MPa以下，副井压力为0，中央风井压力降到0.74 MPa以下，均达到预期泄压效果。随后采用远距离震动放炮方法揭穿煤层，3个井筒快速、安全地通过了有煤与瓦斯突出危险的13槽煤层。

　　4　结　　语

　　张集煤矿主井、副井和中央风井，分别以14个月、12个月和15个月的工期，实现了高速、安全施工。其主要经验：
　　(1) 采用防片帮、防底鼓、防断管和防井壁破坏的强化冻结技术是行之有效的。它为立井过深、厚钙质粘土层，提供了安全、可靠的保证。
　　(2) 按照维亚洛夫和查列斯基提出的安全段高计算公式进行计算，并严格控制井帮暴露时间，外井壁掘砌段高的确定是科学、合理的，实现了冻结段井筒快速施工。
　　(3) 在冻结壁强度满足要求、冻结壁未发生脆性破坏的条件下，采用清水置换盐水，停止内圈孔工作，保持冻结壁稳定的措施，避免了位于危险区的内圈孔冻结管断裂造成盐水泄漏融蚀破坏冻结壁。
　　(4) 采用地面预注浆，在煤层中形成注浆帷幕，加固了煤层，封闭了瓦斯源，减少了井筒内瓦斯释放量，改善了瓦斯抽排泄压的条件。
　　(5) 采用FJD-6型伞钻施工泄压钻孔，解决了打钻设备防爆问题，确保了安全施工。

作者简介：袁　亮　1960年生，高级工程师，1982年毕业于淮南矿业学院采矿系，工学学士，现在淮南矿业(集团)有限责任公司从事采矿工程研究和煤矿企业技术管理工作。地址：安徽省淮南市，邮码：232001。

作者单位：淮南矿业(集团)有限责任公司

参　考　文　献

　　1　路耀华，崔增祁主编.中国煤矿建井技术.徐州：中国矿业大学出版社，1995
　　2　蒲加力.立井地面预注浆与揭穿突出煤层.淮煤科技，1998(3)

(收稿日期：1999-06-10；责任编辑：王承源)