1、神华宁夏煤业集团有限责任公司麦垛山煤矿副立井井筒及相关硐室掘砌工程施工组织设计(井深-250m -580m 段)1.前言麦垛山煤矿隶属神华宁夏煤业集团有限责任公司，由中煤国际工程集团北京华宇工程公司设计。位于宁夏回族自治区灵武市马家滩镇境内，鸳鸯湖矿区南端，井田南北长约4 公里，东西宽约 4.5 公里，井田面积约 75 平方公里。该矿区交通十分便利，在灵武市东南约70km 处，距银川市公路交通 82km。井田内地形为低缓丘陵，区内地势较为平坦。为了加快矿建进度，缩短建井工期采取地面预注浆与井筒施工平行作业的办法。副井地面预注浆于 2008 年 10 月 2 日结束。井筒于 2008 年 6 月
2、 26 日开挖，采用普通凿井法施工，成井 250m，在 2008 年 10 月 24 日伞钻凿眼时，用伞钻探出涌水，涌水量达到21m3/h。副立井在采用工作面预注浆方案效果不理想情况下，麦垛山煤矿筹建处请有关专家多次论证，决定由宁夏回族自治区煤田地质局采用井筒外降水方法来保证井筒施工通过第二含水层段，经过几个月的降水施工效果仍不理想，神华宁煤集团公司决定停止井外降疏水施工，采用冻结方案。2009 年 9 月 28 日，神华宁煤集团及麦垛山煤矿筹建处相关领导召开专题会议，对华宇公司提交的麦垛山煤矿副立井冻结方案进行了专题研究并确定了此方案,其冻结深度为250.000m 482.000m（相对标高
3、）,共 232m，井底标高为580m,冻结段壁座至井底基岩段还剩余 98m，合计 330m。在井筒冻结基岩段及基岩段施工中，为了加快工程进度、降低成本、提高工程质量,特编制冻结基岩段及基岩段施工组织设计。本施工组织设计编制依据：1）施工合同。2）北京华宇设计院编制的副立井井壁结构图及相关施工图纸。3）麦垛山煤矿副立井井筒检查孔资料。4） 煤矿安全规程 （ 2006年版） 。 5） 矿山井巷工程质量检验评定标准 （MT5009 94） 。 6） 矿山井巷工程施工及验收规范 （GBJ21390） 。 7） 煤矿建设安全规程 （试行） 。8）原神华宁煤集团有限责任公司麦垛山煤矿副立井井筒及相关硐室掘
4、砌工程施工组织设计 。2.工程概况2.1工程概况麦垛山煤矿采用主（斜）、副（立）、风（立）井开拓。全井田含煤 25-31 层，其中可采及局部可采煤层 15 层，平均总厚 26.3 米，主要可采煤层 6 层，总厚为 12.44 米，主要可采煤层平均厚度为 2.16米，全井田资源量为 11.2 亿吨。副立井井筒普通法凿井已施工 250m,第二含水层和第三含水层采用双层井壁冻结法施工，剩余基岩段施工采用普通凿井法施工，冻结基岩段 3 3 断面，净断面 69.4m2，掘进断面 98.5m2，基岩段 44断面，净断面 69.4m2，掘进断面 88.2m2。副立井井筒的主要技术特征见表 2.1，井壁结构图
5、见图 2-1。井筒-250m-580m 段主要技术特征表表 2.1序号 项目 副立井 单位X 4189059.000 m1 井口坐标Y 36387369.000 mZ +1416.000 m2 冻结段开始处标高 +1166.000 m3 冻结段结束处标高 +934.000 m4 井底标高 +836.000 m5 净直径 9.4 m6 净断面 69.4 m27 提升方位角 2370000 /8 井筒深度 580.0（已施工 250m） m外壁 500 mm井筒壁厚 内壁 900 mm 600 1600(四号壁座)9 井筒壁厚 号以下 600 mm外壁 双层钢筋砼 /内壁 素砼 /10 支护形式号
6、以下 钢筋砼 / C50 / C60 /11 砼标号号以下 C60 /2.2工程地质与水文地质特征2.2.1 工程地质 (一) 地层特征副立井井筒检查孔附近未见基岩出露，被广泛的第四系风积砂、黄土和古近系的浅红色粘土所覆盖。据检查孔揭露的基岩地层有侏罗系中统延安组、直罗组。井筒施工过程揭露各地层由老至新简述如下：1）侏罗系中统延安组(J2y)为一套内陆湖泊三角洲沉积，是井田的含煤地层。副立井检查孔揭露厚度 247.06m。岩性为灰、灰白色中、粗粒长石石英砂岩、细粒砂岩；深灰、灰黑色粉砂岩、泥岩及煤等组成。2）侏罗系中统直罗组(J2z)为一套干旱、半干旱气候条件下的河流-湖泊相沉积。副立井检查孔
7、揭露厚度 338.40m。其岩性上部主要为灰白、浅灰、灰绿、灰色的细粒砂岩，灰色、褐色粉砂岩，夹粗、中粒砂岩。中下部以厚层状的灰白、黄褐或浅红色含砾粗粒石英长石砂岩( 七里镇砂岩) 为主，与其下含煤地层假整合接触。3）古近系 (E)副立井检查孔揭露厚度 45.40m。其岩性主要由浅紫红色粉质粘土及粘土组成，底部为砾岩层。不整合于下伏各地层之上。4）第四系(Q)为冲、洪积的黄沙土，底部见钙化结核。顶部为现代沉积的风成沙丘和黄土层。覆盖在各地层之上，厚 3.00m。（二）工程地质特征第四系、古近系地层岩性以粘性土为主，根据实验室检测结果均为高液限土体，抗风化能力较差，吸水后具有较强膨胀性能，为不良
8、工程土体。侏罗系直罗组、延安组地层岩性以粉砂岩和砂岩为主，检测结果岩石饱和抗压强度远小于自然状态或干燥状态下的抗压强度，软化系数普遍小于 0.75，为易软化的岩石，工程地质条件较差。在井筒掘进中，要采取可靠措施，防止不良工程岩土体给井筒造成危害。（三）岩土性质粘土:比重 2.76g/cm3；含水量 18.59%24.79%；液限（WL）41.1%73.9%，塑限（WP）19.9%40.0%；塑性指数（IP）20.6 33.9, 液性指数（ IL）0；天然稠度（Wc）0.81 1.64；含水比 0.320.59；自由膨胀率 42.7%84.6%。土体坚硬，抗外力和抗变形能力较好，但抗风化能力较差
9、，具有较强的吸水膨胀、失水收缩性能，为不良工程土体，井筒掘进中应采取可靠支护方法。粗粒砂岩:颗粒密度 2.502.70g/cm 3，块体密度 2.132. 35g/cm3，块体干密度 2.062.23g/cm 3；含水率 1.127.69%；孔隙率 16.17 23.33%；吸水率 4.9613.36%；抗压强度天然状态下4.8 22.80MPa，饱和状态下 2.715.50MPa，干燥状态下7.79 41.00MPa；软化系数 0.240.67；抗拉强度 0.332.45MPa；抗剪切强度 1.384.43MPa；变形模量 0.8098.429104MPa，弹性模量 0.3115.17610
10、4MPa，泊松比 0.040.48 ；内聚力0.31 4.16MPa；内摩擦角 29474045 。岩石孔隙发育中等，抗外力和抗变形能力一般，遇水易软化，为弱稳定性岩体，工程地质性质较差。中粒砂岩:颗粒密度 2.622.72g/cm 3，块体密度2.14 2.46g/cm3，块体干密度 2. 052.38g/cm 3；含水率 2.049.73% ；孔隙率 11.4522.35% ；吸水率 4.5635.81%；抗压强度天然状态下9.93 42.80MPa，饱和状态下 4.8834.90MPa，干燥状态下24.0058.50MPa ；软化系数 0.120.60；抗拉强度0.64 4.40MPa；
11、抗剪切强度 1.576.88MPa；变形模量0.6951045.585104MPa，弹性模量0.5231046.245104MPa，泊松比 0.100.37；内聚力1.06 7.97MPa；内摩擦角 30503907 。岩石孔隙中等发育，抗外力和抗变形能力一般，遇水易软化，为弱稳定中等稳定岩体，工程地质性质较差。细粒砂岩:颗粒密度 2.612.78g/cm 3，块体密度2.252.78g/cm 3，块体干密度 2.022.63g/cm 3；含水率 0.6111.48%；孔隙率 4.7124.06%；吸水率 4.3239.03%；抗压强度天然状态下1.4546.10MPa，饱和状态下 0.063
12、3.50MPa，干燥状态下3.7381.00MPa；软化系数 0.020.68；抗拉强度 0.143.87MPa；抗剪切强度 0.428.57MPa；变形模量 0.14712.590104MPa，弹性模量 0.12711.170104MPa ，泊松比 0.110.39；内聚力0.277.25MPa；内摩擦角 30084030。岩石孔隙中等发育，抗外力和抗变形能力一般，遇水易软化，局部具一定抗水浸能力，为弱稳定中等稳定岩体，工程地质性质较差。粉砂岩:颗粒密度 2.562.76g/cm 3，块体密度 2.212.56g/cm 3，块体干密度 2.042.47g/cm 3；含水率 1.9210.51
13、%；孔隙率7.14 24.72%；吸水率 5.1538.61% ；抗压强度天然状态下2.77 45.9MPa，饱和状态下 0.0234.5MPa，干燥状态下5.86 68.10MPa；软化系数 0.000.70；抗拉强度 0.183.77MPa；抗剪切强度 0.579.40MPa；变形模量0.3391048.918104MPa，弹性模量0.128104MPa6.711104MPa，泊松比 0.040.46 ；内聚力0.61 11.11MPa；内摩擦角 30044106。岩石孔隙中等发育，抗外力和抗变形能力一般，遇水易软化，局部具一定抗水浸能力，为弱稳定中等稳定岩体，工程地质性质较差。泥岩:颗粒
14、密度 2.552.70g/cm 3，块体密度 2.242.47g/cm 3，块体干密度 1.822.27g/cm 3；含水率 8.6926.30%；孔隙率15.9332.34%；吸水率 34.2743.73%；抗压强度天然状态下0.95 3.53MPa，饱和状态下 0.020.16MPa，干燥状态下2.33 7.69MPa；软化系数 0.000.02；抗拉强度 0.060.31MPa；抗剪切强度 0.190.64MPa；变形模量0.0251040.237104MPa，弹性模量0.0111040.433104MPa，泊松比 0.040.32；内聚力0.090.59MPa；内摩擦角 3141392
15、3。岩石孔隙中等发育，抗水浸能力较差，抗外力和抗变形能力较差，为不稳定弱稳定岩体。2.2.2 水文地质特征（一）影响副立井井筒施工的主要含水层水文地质特征目前副立井施工深度为 250m，侏罗系中统直罗组上段裂隙孔隙含水层，揭露厚度 207.90m，其中含水层厚 60.80m。为富水性弱的含水层。通过井田勘探地质报告结合本次井筒检查孔施工资料分析，影响井筒施工的主要含水层为侏罗系中统直罗组裂隙孔隙水含水层及 2煤6 煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层。所以确定副立井冻结段为250 482m。侏罗系中统直罗组下段裂隙孔隙含水层（组）影响副立井井筒施工的主要直接充水含水层之一，含水层厚130.10 m。岩性
16、主要为灰白、灰褐、浅红色夹紫斑的细、中、粗粒砂岩，局部夹薄层粉砂岩和泥岩，局部含砾；砂岩的成熟度较低，分选性差，接触式胶结为主。底部为一厚层灰白、浅红色含砾石英长石粗砂岩，俗称“ 七里镇” 砂岩，砂岩底部含石英小砾石，泥质胶结、颗粒支撑，胶结程度较差。根据副立井直罗组下段裂隙孔隙含水层抽水试验结果，地下水静水位埋深 105.00m，标高 1312.38m，水温 12。当水位降深S 11.07m 时，涌水量 Q2.534 L/s，单位涌水量 0.2289L/sm，渗透系数 K=0.1576m/d。据水质分析资料，地下水矿化度 12635mg/L,为盐水；PH=7.89,为弱碱性水；总硬度 193
17、.66，为极硬水；地下水化学类型为 CLSO4-NaMg 型。2 煤6 煤间砂岩裂隙孔隙承压含水层（组）本含水层（组）岩性由灰白色不同粒级的砂岩组成，粉砂岩和煤层呈互层状夹于含水层之中。含水层厚度 109.27 m，地下水水位水头标高 1310.21m，水温 14。含水层富水性属弱含水层。根据副立井检查孔抽水试验结果，当水位降深 S37.14m 时，涌水量 Q0.863 L/s，单位涌水量 0.0232L/sm，渗透系数K=0.0183m/d。据水质分析资料，地下水矿化度 11921mg/L,为盐水；PH=7.43,为弱碱性水；总硬度 130.92，为极硬水；地下水化学类型为CLSO4-CaM
18、g 型。（二）隔水层及其特征根据物探资料、岩性分析及岩石鉴定资料，隔水层以低阻、高密度的粉砂岩、泥岩为主。副立井检查孔揭露的隔水层有：直罗组粉砂岩、泥岩为主的隔水层；各主要煤层及其顶底板泥岩、粉砂岩组成的隔水层。现将主要隔水层分述如下： 直罗组粉砂岩、泥岩隔水层岩性以粉砂岩、泥岩为主，夹有少量薄层细粒砂岩，层厚 147.40 m。据宁东煤田煤矿井巷施工调查，结合麦垛山井田水文地质资料分析，隔水层的隔水性与泥质含量高低成正相关、与沉积环境、地下水赋存状态及构造性质、裂隙发育程度有关；当隔水层为岩性较细且致密的粉砂岩，或泥质含量较高的细砂岩，或砂岩与泥岩类呈互层状，岩性分布较稳定时，隔水效果较好。
19、在清水营煤矿井巷施工过程中，亦发现涌水段多发生在中、粗砂岩层；泥岩或砂岩与泥岩类呈互层状时涌水量极为微弱，粉砂岩中裂隙发育时，涌水量略有增大，在粗砂岩与泥质细砂岩层面间呈现明显渗水界面；泥岩类厚度大于 2.0m 时，则具有一定的隔水效果。本井田简易水文观测表明，在该隔水层粉砂岩中钻进时，泥浆基本不消耗；中、粗砂岩层，泥浆消耗则有增大；说明粉砂岩隔水效果良好。2 煤6 煤之间隔水层2 煤6 煤之间隔水层包括煤层本身及顶底板粉砂岩、泥岩隔水层。岩性主要为煤、粉砂岩、裂隙不发育的细砂岩，局部夹炭泥岩，结构致密。其中上段 2 煤、 3 煤组本身及顶底板粉砂岩隔水层，隔水层分布稳定，原始状态下煤层未开采
20、时，上下含水层之间联系程度低。（三）井筒充水因素 大气降水多以地表迳流的形式汇入沟谷再流向井田之外，加之古近系巨厚的粘土和粉质粘土的隔水层的作用，使大气降水对井筒充水的影响很小。麦垛山井田内无常年性地表水体，分析认为地表水对井筒的充水影响不大。地下水对井筒充水影响的有侏罗系中统直罗组砂岩含水层、延安组砂岩含水层。其中侏罗系中统直罗组砂岩含水层、延安组砂岩含水层对井筒充水影响较大。井筒开拓过程中，井筒充水含水层及充水方式，主要取决于岩层裂隙发育程度、上下含水层之间的水力联系以及掘进采动所形成的导水裂隙带能否波及上覆含水层。副立井井筒位于于家梁周家沟背斜东翼（距离轴部约 300 米） 、F10 逆
21、断层下盘，基岩裂隙较为发育，充水、导水性较好，对井筒充水影响较大。据现场岩芯描述，基岩裂隙多为高角度裂隙，结合钻孔抽水试验，四个含水层（组）水头标高相差不大，但单位涌水量相差较大，说明钻孔上下含水层之间有一定的水力联系，但联系较弱。井筒开拓过程中，掘进采动所形成的导水裂隙带可能使上下含水层之间水力联系加强，造成掘进工作面涌水量增大，在掘进中要加以防范。（四）地下水补给、迳流、排泄条件井田地下水补给来源，主要为大气降水，其次为含水层之间的越流补给。松散层潜水主要接受大气降水的补给，次为少量沙漠凝结水补给。潜水面起伏与现代地形起伏基本一致，径流方向主要受地形控制，由高至低自北而南流动，局部受地形影
22、响流向略有改变。潜水多以渗流形式径流排泄于沟谷或地形低洼地区，通过蒸发作用排泄。部分沿断层破碎带补给下伏基岩含水层。通过鸳鸯湖矿区矿井涌水量调查，矿井涌水量与大气降水的数量、性质及延续时间无关，说明基岩承压含水层主要通过含水层之间越流及断层破碎带补给，极少量大气降水补给；直罗组砂岩含水层接受松散层潜水间接补给。侏罗系含煤地层各含水层，由于埋藏深，上覆有较厚的隔水层，同时含水层砂岩与泥岩、粉砂岩等隔水岩层呈互层状，径流方向受褶皱构造的影响，基本沿背斜轴部岩层倾向岩层层面运移。基岩含水层径流条件较差，地下水有利于储存不利于排泄，储水空间相对封闭，承压水补给微弱，水力坡度小，径流极为缓慢，各含水层在横向上具不连续性，垂向上具分段性。含水层深部由于水的交替能力差，迳流极为缓慢，甚至几乎不动，加之地层的非均一性，因而含水层地下水矿化度较高，水量小，富水性微弱（五）涌水量预计预计冻结后该井筒冻结段内无涌水，根据井检孔报告流量测井资料，冻结段以下基岩段含水层分析如下：.496m497m，岩性为细砂岩，井筒涌水量约 25m 3/h。.535m545m，岩性为细砂岩，井筒涌水量约 58m 3/h。.556m561m，岩性为中砂岩，井筒涌水量约 35m 3/h。.572m577m，岩性为中砂岩，井筒涌水量约 58m 3/h。
