1 工程及地質(zhì)概況

　　焦家寨礦新建副立井是老礦改擴(kuò)建開鑿的立井。設(shè)計(jì)井深309m，其中沖積層厚52m，基巖257m。設(shè)計(jì)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(qiáng)的卵礫石層中充填有各粒級(jí)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(dá)300～320mm，最大塊徑可達(dá)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(shí)（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(rèn)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(gè)含水層。同時(shí)也可以認(rèn)為，由靜止水位以下到穩(wěn)定基巖以上為1個(gè)含水層。

　　1988-11-20～1988-11-23，軒崗礦務(wù)局鉆探隊(duì)在副立井中檢孔（布置在井筒荒徑以內(nèi)的井筒檢查孔）進(jìn)行兩次降深的沖積層穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，其成果見表1。由表1計(jì)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(yàn)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(diǎn)。

　　2.1 降水法施工參數(shù)設(shè)計(jì)

　　（1）降水孔數(shù)。根據(jù)井檢孔水文資料進(jìn)行計(jì)算，降水孔數(shù)為3個(gè)。

　�。�2）降水孔布置圈徑。井筒荒徑��φ7.5m，考慮到鉆孔在抽水時(shí)，地層中的部分細(xì)顆粒會(huì)隨水流失，在鉆孔周圍會(huì)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(shí)進(jìn)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(gè)降水孔，并將其中的1個(gè)孔布置在水流上方，其余兩孔分列兩側(cè)。

　　（3）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(shí)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(jìn)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(gè)降水孔在施工結(jié)束之后分別進(jìn)行了降1孔、降2孔單孔抽水試驗(yàn)，同時(shí)也進(jìn)行了3個(gè)孔的互相干擾抽水試驗(yàn)，其結(jié)果見表2～4。

　　2.3 井筒涌水量的計(jì)算根據(jù)3個(gè)降水孔抽水試驗(yàn)新獲得的水文資料進(jìn)行井筒涌水量的計(jì)算。

　　2.3.1 排水量的計(jì)算降1孔和降2孔抽水試驗(yàn)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(jì)依據(jù)q=0.293L/（s.m）大很多。又通過較長時(shí)間的3個(gè)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(shí)

表2 降1孔抽水試驗(yàn)成果

表3 降2孔抽水試驗(yàn)成果

表4 3個(gè)孔干擾抽水試驗(yàn)成果

　　的總排水量（相對(duì)穩(wěn)定時(shí)）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(jì)算井心水位降至含水層底板時(shí)的排水量。

　�。�1）q=f（S）（S為水位降，m）曲線呈斜直線下降時(shí)，排水量為

　�。�2）q=f（S）曲線呈斜直線下降時(shí)，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(shí)所要達(dá)到的排水量，m³/h；H為含水層厚度，H=10.95m；S1為打干井時(shí)水位降低值，S1=10.95m；S0為干擾抽水試驗(yàn)時(shí)的水位降低值，S0=3.6m；Q0為干擾抽水試驗(yàn)時(shí)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(jì)算結(jié)果表明，要達(dá)到?jīng)_積層段打干井的目的，3個(gè)降水孔總排水量要達(dá)到289.23m3/h.根據(jù)選用的潛水泵能力，3個(gè)孔排水量達(dá)不到上述要求。如果完全依靠降水孔排水，需要再增加3個(gè)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(gè)孔降水，剩余的殘余水量由井心泄水孔泄到井下，從而實(shí)現(xiàn)打干井的目的。

　　2.3.2 泄水量的計(jì)算在3個(gè)孔干擾抽水期間，中檢孔做了簡易抽水試驗(yàn)。當(dāng)抽水量為10m3/h時(shí)，水位降低1m.仍用上述兩種方法計(jì)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(gè)降水孔降水（118.98m³/h），井筒中泄水孔泄水量達(dá)到56.47m³/h時(shí)，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(gè)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(jìn)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(shí)，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(shí)，要特別注意保護(hù)井心泄水孔，不能堵塞。當(dāng)掘砌到75m時(shí)，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(xì)顆粒砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，約占60%；其次為細(xì)、中、粗粒砂巖，約占37.7%，夾有3層煤，其中2號(hào)煤厚達(dá)5.8m。砂巖成分以石英為主，多為泥質(zhì)膠結(jié)，堅(jiān)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(diǎn)，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(diǎn)，基巖段采用反井鉆機(jī)導(dǎo)擴(kuò)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(jī)導(dǎo)孔，鉆孔得以充分利用，使工程造價(jià)降低。

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

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

　　吊盤喇叭口能夠通過LM-200型反井鉆機(jī)的最大拆件。井筒工作面能夠布置全部反井鉆機(jī)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(jī)施工創(chuàng)造了有利條件。

　　3.2 基巖段掘砌施工將反井鉆機(jī)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(diǎn)，連接擴(kuò)孔鉆頭向上擴(kuò)孔。擴(kuò)孔完成后，拆除鉆機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)鉆頭；

7—反井鉆機(jī)鉆孔；8—已開鑿巷道

　　反井鉆機(jī)導(dǎo)擴(kuò)孔之后，在井心附近形成1個(gè)��φ1200mm的大鉆孔。由于大鉆孔的存在，增加了放炮時(shí)的自由面，爆破效率也大幅度提高。放炮之后，大部分矸石會(huì)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(jī)，將矸石裝入礦車，運(yùn)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(duì)井檢孔提供的地質(zhì)、水文資料的分析，對(duì)使用該法鑿井可行性進(jìn)行論證。

　�。�2）降水施工參數(shù)計(jì)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(yàn)結(jié)果計(jì)算出排水量，根據(jù)排水量進(jìn)行潛水泵選型。

　　（3）施工井心泄水孔（反井鉆機(jī)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(jī)施工，采用泥漿無芯方式鉆進(jìn)，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(jìn)。在鉆進(jìn)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(shí)糾斜。整個(gè)鉆孔偏斜率要小于5‰。當(dāng)鉆至深309m時(shí)，和井下巷道貫通。

　�。�4）施工降水孔。降水孔深75m，采用��φ426mm鉆頭無芯鉆進(jìn)，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(jìn)入濾水管內(nèi)。濾料填好后，強(qiáng)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(shí)為止。

　　（5）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(yàn)和多孔干擾抽水試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出泄水孔的泄水量。

　　（6）沖積層段掘砌（包括壁座）。

　　（7）基巖段掘砌。①反井鉆機(jī)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(kuò)建開鑿新立井時(shí)的一種新的施工工藝，它是傳統(tǒng)降水法的改進(jìn)。這種新工藝，方法簡單、造價(jià)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(gè)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(shí)現(xiàn)了井心泄水，徹底消除了殘余水柱，實(shí)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(fèi)用降低了，工期也提前了。

　　井筒基巖段掘砌采用反井鉆機(jī)導(dǎo)擴(kuò)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(shí)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(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步調(diào)整，老礦改擴(kuò)建項(xiàng)目會(huì)越來越多，因此，這種方法的推廣應(yīng)用會(huì)有廣闊的前景。