袁克闊，李雄偉，徐拴海，李建文，邢龍龍，吳 璋

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

巨厚富水松散砂層潰砂災(zāi)害現(xiàn)狀與注漿固沙技術(shù)研究及應(yīng)用

袁克闊，李雄偉，徐拴海，李建文，邢龍龍，吳 璋

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

富水砂層是工程建設(shè)常遇見的不良地層，在含水或動(dòng)力擾動(dòng)下具有自流性，處理不當(dāng)常會(huì)引起向臨空面潰涌并充填人類有用空間和地表大面積塌陷，形成涌水潰砂災(zāi)害。通過總結(jié)富水砂層地下工程和煤礦開采中的突水潰砂機(jī)理及防治研究現(xiàn)狀，針對(duì)富水巨厚砂層下的隧道和采礦工程中出現(xiàn)的涌水潰砂災(zāi)害，結(jié)合已有研究總結(jié)了涌水潰沙產(chǎn)生機(jī)理及主要因素，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了巨厚富水砂層注漿固沙施工方法，形成了專利技術(shù)。通過兩個(gè)工程實(shí)例分別介紹了淺埋煤層薄基巖頂板上覆厚松散層井下注漿改造工藝和巨厚富水砂層斜井地面注漿固沙工藝，在實(shí)踐應(yīng)用中驗(yàn)證了所提技術(shù)的有效性。

砂層；涌水；潰沙；注漿

隨著活動(dòng)空間的不斷拓展，人類無可避免的遭遇著日漸復(fù)雜的地質(zhì)和巖土工程問題，尤以幅員遼闊、資源開采量大、基礎(chǔ)建設(shè)多的我國為甚。富水巨厚砂層下的隧道建設(shè)[1-2]和采礦工程[3]中出現(xiàn)的涌水潰砂即是嚴(yán)重的災(zāi)害之一。

國內(nèi)渝懷線圓梁山隧道、通渝隧道，南京地鐵某區(qū)間右線[4]、上海四號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道[5]、重慶市軌道交通六號(hào)線二期中梁山2#隧道[6]等地下工程均發(fā)生了水突泥潰沙(見圖1)。

圖1 中梁山2#隧道水沙潰涌圖

埋藏淺、采高大、頂板基巖薄且上覆較厚松散層的煤礦開采常致薄弱頂板基巖破斷，在煤壁前方老頂上部產(chǎn)生裂隙，必然危及上覆含水松散砂層；隨工作面的推進(jìn)致使裂縫貫通，提供了涌水潰沙通道，造成工作面涌水或水沙俱下的災(zāi)害；或由于采用斜井進(jìn)行井田開拓，穿越砂層的長大井筒若存在潰沙裂縫，則造成井筒開挖過程中和煤礦運(yùn)營期數(shù)度被淹的情況。

我國煤礦潰沙事例不完全統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 煤礦潰沙事例統(tǒng)計(jì)表

可見，巨厚富水砂層工程日漸增多，涌水潰沙危害性、影響性日漸加重，開展其產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展規(guī)律及防治技術(shù)研究具有深刻的科學(xué)和工程意義。

1 富水砂層涌水潰砂災(zāi)害及機(jī)理

廣義上，涌水潰砂是富水厚松散含水地層中水砂混合體在重力等自然或人為作用下，大規(guī)模通過裂隙/孔洞等通道快速轉(zhuǎn)移到人類有用空間，威脅生產(chǎn)和安全的災(zāi)害性過程。該過程中，砂體兼具流體(流動(dòng)性)和固體顆粒(穩(wěn)定性)兩種獨(dú)立而又矛盾的屬性，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)體現(xiàn)穩(wěn)定性，當(dāng)達(dá)到臨界流動(dòng)條件時(shí)組成介質(zhì)的不同質(zhì)點(diǎn)/顆?？梢宰杂傻叵鄬?duì)運(yùn)動(dòng)。

涌水潰砂的機(jī)理是，通道形成后處于臨空狀態(tài)的砂體隨著水的快速出流而快速運(yùn)移，通道周圍砂體內(nèi)應(yīng)力重新分布；該過程中在涌水通道附近(出流影響范圍內(nèi))砂粒形成高應(yīng)力區(qū)，遠(yuǎn)離涌水通道區(qū)域維持近于原始狀態(tài)的低(有效)應(yīng)力區(qū)；高應(yīng)力區(qū)的砂粒在水砂壓力作用下首先潰出。當(dāng)通道縫隙較小時(shí)，顆粒在通道縫隙周圍形成土拱[7](已由實(shí)驗(yàn)證實(shí)，見圖2；土拱效應(yīng)由K. Terzaghi[1,6]于1943通過活動(dòng)門試驗(yàn)提出，其本質(zhì)是顆粒物質(zhì)形成的最合理的接觸形態(tài))。潰砂規(guī)模小而可控，最后僅是砂層水的出流，危害相對(duì)較小，一般都能治理或者加大排水即可解決；當(dāng)通道大于某一寬度時(shí)，砂粒不能形成穩(wěn)定拱，高應(yīng)力區(qū)砂粒持續(xù)潰出，水砂耦合惡化下通道逐漸擴(kuò)大，致使更多的砂粒隨急速流出，以致最終發(fā)生大規(guī)模災(zāi)害性涌水潰砂，過程駭人、危害極大。

圖2 潰沙室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)[7]

對(duì)眾多復(fù)雜工程問題和物理問題應(yīng)用數(shù)值模擬是當(dāng)代科學(xué)研究除試驗(yàn)外的另一重要途徑；但對(duì)此類水砂潰涌過程目前可用軟件少之又少，以PFC、DEM為代表的顆粒流軟件可形象的再顯該過程[1]，見圖3。

圖3 涌水潰砂過程顆粒流模擬[1]

潰沙災(zāi)害研究至少需解答兩個(gè)問題：潰沙發(fā)生的臨界裂隙/通道寬度和潰砂的臨界水頭。即不同粒徑的砂可以在多大的水頭、多大的裂隙中自由通過而不能形成穩(wěn)定拱？臨界通道寬度一般通過試驗(yàn)確定，臨界水力坡降如何計(jì)算，主要有傳統(tǒng)土力學(xué)的臨界水力坡度(扎馬林公式)[8]和以砂顆粒的受力分析為基礎(chǔ)建立的臨界水力坡度[9-10]的潰砂判別方法。

國內(nèi)隋旺華等[10]和鄭剛等[1]針對(duì)潰沙災(zāi)害影響因素、防治方法做了一些研究。楊偉峰[11]通過自制水砂混合流突涌模型，研究了水砂混合流在采動(dòng)裂隙通道中的運(yùn)移與通道大小、顆粒尺寸、出砂口大小等的定量關(guān)系；提出了水砂流運(yùn)移的三個(gè)階段(上升階段、穩(wěn)定階段及突出階段)及三種水砂突出類型(直瀉式、突出型、跳躍式突出型和緩坡式突出型)?？偟膩碚f，含水層的初始水頭和突砂口張開程度/通道大小是控制突水潰沙災(zāi)害的關(guān)鍵因素。

工程中，需在通道形成前或已發(fā)生涌水但縫隙寬度尚小于臨界縫隙寬度砂粒暫未隨水運(yùn)移時(shí)，控制使縫隙寬度增大的因素并盡快對(duì)縫隙外砂體進(jìn)行注漿加固[12-14]以消除砂粒的流動(dòng)性。筆者單位基于前述理論研究，在松散層水害防治方面具有獨(dú)到核心技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 厚松散砂層薄基巖淺埋煤層開采潰砂井下防治技術(shù)及應(yīng)用

近年來在華東、華北和西北等地富水松散層下的煤層開采，常有采面涌砂及井筒潰砂危險(xiǎn)。陜北哈拉溝煤礦是神東礦區(qū)千萬噸級(jí)主力礦井，井田面積約72.4 km2，可采儲(chǔ)量6.8 億t，核定生產(chǎn)能力1 250 萬t，主采煤層為1-2上、1-2、2-2、3-1 4個(gè)煤層。該礦22402工作面于2010年7月在推進(jìn)至距離開切眼38 m時(shí)(含開切眼8.5 m) 發(fā)生了兩處潰水潰沙事故，僅約3 h內(nèi)支架被淹沒，地表分別形成了一個(gè)直徑約47 m、深約12 m和直徑約23 m、深約9 m的兩個(gè)圓形漏斗狀塌陷區(qū)(見圖4)，是典型的淺埋煤層薄基巖頂板上覆松散砂層潰涌事故。為杜絕該類事故的再此發(fā)生，我單位開展了厚松散砂層薄基巖淺埋煤層開采潰砂井下防治技術(shù)研發(fā)，并于2011和2013年先后也對(duì)22404、22405和22206工作面薄弱頂板上覆砂層進(jìn)行了注漿固砂工作，效果顯著。本文僅以22206工作面的頂部砂層注漿加固為例介紹薄基巖淺埋煤層開采潰砂防治過程。

圖4 哈拉溝礦D=47 m、H=12 m的錐狀地表塌陷坑

2.1 工程概況

22206工作面寬305 m(見圖5)，推進(jìn)長度4 850 m，開采2-2煤，從切眼至760 m范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)地表有三元溝兩條支溝；基巖厚11.9 m～35.2 m，松散層厚17.0 m～28.8 m。該工作面過溝開采為厚松散砂層薄基巖淺埋煤層開采，面臨潰砂災(zāi)害威脅，需采取防治工程措施。我單位提出了井下仰孔注漿改造加固上覆砂層的思路并開展了系統(tǒng)研究，形成了成套技術(shù)。

圖5 哈拉溝煤礦22206采區(qū)概圖

2.2 基本設(shè)計(jì)

主要是注漿固砂范圍的確定。

據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》[15](GB/T 12719—1991)，冒落帶最大高度計(jì)算可用公式：

HM=(3～4)M

(1)

采高M(jìn)為4 m，分層開采數(shù)n為1，可得：冒落帶高度約為16 m。

據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》[16]，冒落帶高度為：

(2)

式中：∑M為累計(jì)采厚。本設(shè)計(jì)按實(shí)際煤厚4 m計(jì)算，將各鉆孔相應(yīng)煤層厚度代入上式，可知HM=5.79～15.74 m，平均HM=14.5 m。

依兩規(guī)范所得結(jié)果基本一致，故取冒落帶高度為15 m。

防砂煤巖柱厚度：

H砂=HM+3A

(3)

式中，A=∑M/n。當(dāng)∑M≥4.20 m時(shí)，n=2，∑M<4.20 m時(shí)，n=1即按一次開采。計(jì)算得H砂=8.25～26.35 m。

綜合頂板冒落帶、防砂安全煤柱高度計(jì)算值，選定頂板基巖厚度小于25m的范圍為本次井下注漿加固范圍。

2.3 井下鉆進(jìn)與注漿施工

井下注漿孔按梅花形布置，孔間距10m，通過井下巷道向上打仰孔施工，開孔位置都在井下巷道，終孔位置據(jù)不同仰角到達(dá)不同設(shè)計(jì)孔位。

井下斜孔一孔三用：一是下滲疏放水，快速方便的降低水頭；二是通過鉆孔有控制的人為潰砂，以對(duì)擬注漿地層有效擾動(dòng)而為漿液提供可注空間，改善原始砂層可注性太差的缺陷；三是注漿孔。原理如圖6所示。

圖6 厚松散砂層薄基巖煤層開采潰砂井下防治技術(shù)示意圖

當(dāng)然，盡管井下注漿優(yōu)點(diǎn)多、效果好，但必然存在仰斜成孔難度大、上仰注漿管下設(shè)及常規(guī)方法無法固管等困難。針對(duì)此類問題，我單位研制了ZDY-4000L型井巷大仰角履帶鉆機(jī)、發(fā)明了“薄基巖、厚松散砂層富水區(qū)域井下疏水注漿工藝(專利號(hào)CN201210444095.7)”“一種煤礦井下防治突水潰砂的方法(專利號(hào)CN103643994A)”，解決了松散砂層仰孔中注漿管的下設(shè)與固管難題，成熟掌握了特定層位的井下高壓注漿的核心技術(shù)。

2.4 效果檢驗(yàn)

注漿質(zhì)量檢驗(yàn)在注漿結(jié)束7天后進(jìn)行，采用鉆孔取芯檢驗(yàn)固結(jié)體的完整性。檢查孔均勻分布且不少于注漿孔的5%。

檢查孔巖芯管段所取巖芯成型、取芯效果很好，而原砂層是流體狀，注漿前是無法取芯的。代表性鉆孔情況如圖7、圖8所示。

圖7 北溝段砂層注漿檢查孔取芯情況

圖8 南溝段砂層注漿檢查孔取芯情況

檢查孔無芯鉆進(jìn)段從鉆孔返出的水沙漿，淤積在巷道底板，可見水泥痕跡，撤鉆后孔內(nèi)不流沙，與注漿孔撤鉆后孔內(nèi)大量流砂對(duì)比明顯。

由上兩點(diǎn)分析認(rèn)為注漿效果達(dá)到了固沙設(shè)計(jì)要求，初步可判斷其滿足22206工作面安全回采需求。

后期從工作面開始推采通過三元溝過程中，只有在119、120、126～128架間有少量滴水現(xiàn)象，對(duì)工作面正?；夭蔁o影響。表明該薄基巖富水厚松散砂層井下突水潰砂防治技術(shù)成熟，效果可靠。

3 巨厚富水砂層斜井潰砂治理技術(shù)與工程應(yīng)用

斜井具有運(yùn)輸能力大、成本低等立井遠(yuǎn)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外大小煤礦礦井中得以廣泛的應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國過深厚砂層斜井煤礦如表2所示。

砂層的最大特點(diǎn)是在含水與壓力或動(dòng)力擾動(dòng)下具有自流動(dòng)性，一旦穿越砂層的井筒出現(xiàn)裂縫，井筒將被淹沒，甚至?xí)鸬乇泶竺娣e塌陷[17]。陜北某在建煤礦斜井井筒過巨厚流砂層，垂直厚度h>90 m(遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的h>20 m)巨厚砂層，井筒掘進(jìn)過程就出現(xiàn)了此問題。

3.1 工程概況

陜北某煤礦主斜井長1 281 m，傾角14°，穿越砂層厚91 m，采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)于2014年9月停機(jī)。2015年5月10日上午7∶30井筒里程320 m處左墻底板出現(xiàn)滲水，初始出水量約20～30 m3/h；其后水量持續(xù)增大，至23∶30增大至400 m3/h。據(jù)井筒檢查地質(zhì)報(bào)告，第四系松散含水層為灰黃色細(xì)粒砂及粉細(xì)砂，夾有灰色亞砂土和淤泥層。水位埋深2.00 m～2.80 m。

表2 我國砂層斜井煤礦統(tǒng)計(jì)表

3.2 基本設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況提出地面袖閥管注漿固沙結(jié)合井筒內(nèi)壁間注漿堵水的總體治理方案，即在350 m～280 m范圍，首先通過在井筒兩側(cè)各布置內(nèi)外2排共68個(gè)注漿孔進(jìn)行地面注漿固沙減水，其后隨著井筒排水進(jìn)行井筒內(nèi)壁間注漿。

鉆孔結(jié)構(gòu)：注漿孔孔徑Φ133 mm，孔深至井筒底板下10 m，成孔后下Φ48 mm袖閥管。

注漿范圍：水平向井筒里程280 m～350 m，豎向砂層內(nèi)注漿段厚近20 m(井筒拱頂以上5 m、井筒毛洞高5.6 m、底板以下10 m)。

鉆孔布設(shè)：梅花形布置，孔間距2 m。

注漿材料：P.O.42.5普通硅酸鹽水泥；30～40 Be′、模數(shù)3.0水玻璃；工業(yè)鹽(因砂層凍結(jié)壁解凍不完全)。

單孔設(shè)計(jì)注漿量：單孔注漿量45 m3，漏漿(掉鉆)孔不限。

注漿壓力：控制注漿終壓不大于2 MPa。

3.3 注漿施工

鉆孔采用移動(dòng)快捷、鉆進(jìn)高效的汽車鉆機(jī)施工，需要注意的是開鉆前嚴(yán)格調(diào)平鉆機(jī)、鉆進(jìn)過程中應(yīng)用YHQ-X型全方位鉆孔測(cè)斜儀嚴(yán)格控制孔斜。

地面注漿采用自主研制的捆綁式鍍鋅管袖閥管，杜絕了深厚松散砂層鉆孔極難沖洗、全孔懸砂、傳統(tǒng)塑料質(zhì)袖閥管在此類砂層鉆孔中易變形破裂、管內(nèi)注漿槍頭密封易失效等問題，實(shí)現(xiàn)了下管百分百成功、套殼料固管百分百成功、高壓注漿百分百成功。

注漿前首先進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn)，一方面了解鉆孔注漿段位滲透性，提供后續(xù)注漿效果評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)資料，另一方面應(yīng)用高壓水?dāng)_動(dòng)砂層，以期一定程度上增大砂層的可注性。

由于井筒外部砂層與井筒已經(jīng)溝通，注漿過程采用KJ117自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀嚴(yán)密監(jiān)測(cè)井筒水位，一旦水位發(fā)生變動(dòng)即刻停注并調(diào)整注漿方案。

3.4 效果評(píng)估

注漿完成后在抽排井筒內(nèi)涌水前需完成注漿效果評(píng)估，以檢查孔鉆孔揭露漿液擴(kuò)散率達(dá)50%為判據(jù)。而且因注漿工作分序開展，后序孔鉆探取芯可檢查前序孔注漿效果(后續(xù)孔一孔兩用，檢查與注漿)?？傮w來說，注漿鉆孔水泥結(jié)石情況隨次序遞進(jìn)而由無(一序孔無)到微弱含有、由微弱含有到出現(xiàn)明顯的結(jié)石體，明顯見水泥的孔數(shù)有47個(gè)，占總注漿孔的69%，漿液結(jié)石體以層狀和塊狀形態(tài)存在。代表性的層狀與塊狀水泥形態(tài)見圖9、圖10。

圖9 層狀水泥圖

圖10 塊狀水泥圖

在各序孔注漿完成后，以10 m的間距均布檢查孔進(jìn)行鉆孔取芯以抽檢注漿效果。代表性檢查結(jié)果如表3所示，取芯細(xì)部如圖11所示。

表3 檢查孔取芯情況表

綜上鉆探檢驗(yàn)可見，原本松散砂層巖芯不用特殊取芯裝置無法取得，而經(jīng)注漿改造后普通汽車鉆即能鉆取，且具有較好結(jié)石體；漿體擴(kuò)展以劈裂為主，表明擾動(dòng)砂層注水泥漿固沙是可行的。

3.5 效果檢驗(yàn)

當(dāng)然，所有的評(píng)估都比不了最終的井筒抽水檢驗(yàn)。整個(gè)抽水全過程采用自動(dòng)化檢測(cè)手段對(duì)井筒內(nèi)水位進(jìn)行了全程監(jiān)控，井筒內(nèi)涌水量通過停泵后水位恢復(fù)量推算，得井筒出水量～井筒里程關(guān)系如圖12示。

可見，井筒排水順利通過井筒里程原出水點(diǎn)320 m處，治理后井筒最大出水量不足70 m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2015年5月10日涌水時(shí)400 m3/h的規(guī)模，證實(shí)了地面袖閥管注漿固沙堵水的效果。

4 討 論

我國雖有相關(guān)規(guī)程規(guī)定以留設(shè)防水防沙安全巖柱方式來防止水沙潰入，但對(duì)于富水厚松散層淺埋煤層，因頂板基巖厚度小，實(shí)現(xiàn)安全開采只有降低采高，這樣僅煤層厚度損失就高達(dá)55%，長壁工作面采出率不到33%，煤炭損失若如此高，這是我國技術(shù)法規(guī)所不允許的，更是煤炭資源不可再生的珍貴性所不允許。

基于此，本文通過兩類深厚砂層注漿治理工程實(shí)踐，介紹了巨厚富水砂層注漿固沙核心技術(shù)。而目前如何有效評(píng)判突水潰沙災(zāi)害發(fā)生的可能性，如何估算涌水潰砂量的大小以及高效治理效果檢測(cè)方法和明確評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的提出等等都成為亟待解決的理論課題。

5 結(jié) 論

(1) 富水松散層的初始水頭和裂隙通道尺寸是決定突水潰沙災(zāi)害的關(guān)鍵因素。

(2) 典型工程實(shí)踐證明進(jìn)行深厚砂層注漿固沙是可行的。厚松散層薄基巖淺埋煤層采面潰沙可通過井下巷道向上斜孔注漿治理，以疏放水、鉆孔控制性出砂擾動(dòng)原砂層和注漿包裹砂層為目標(biāo)，核心在于井下上仰注漿管的下設(shè)與固定。巨厚富水砂層斜井潰沙可通過地面鉆孔注漿治理，以壓水?dāng)_動(dòng)原砂層、注漿劈裂包裹砂層為目標(biāo)，核心在于針對(duì)市面常規(guī)袖閥管在深厚砂層的不適用而完成的捆綁式新型鋼制袖閥管研制和注漿控制。

圖11 代表性檢查孔水泥漿結(jié)石體細(xì)部圖

圖12 抽水過程中井筒涌水量-井筒里程關(guān)系圖

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Underground Grouting-reconstruction Technology for Thick Water-rich Sand Layer and its Engineering Practice

YUAN Kekuo, LI Xiongwei, XU Shuanhai, LI Jianwen, XING Longlong, WU Zhang

(Xi’anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroupCorp,Xi’an,Shaanxi710077,China)

Water inflow and sand inrush is one of the most serious disasters in tunnel construction and coal mining in thick water-rich sand layer. In this paper the formation mechanism of water inflow and sand inrush was summarized firstly, the underground grouting-reconstruction technology for thick water-rich sand layer upon thin rock strata roof and sand stabilizing by ground grouting for inclined shaft in thick water-rich sand layer were introduced by two engineering cases, and the key technologies of the two kind of construction technology were then studied. In practical application, the related technologies have produced economic and social benefits, which can provide valuable information to similar projects.

sandy stratum; water inflow; sand inrush; grouting

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.006

2017-03-28

2016-05-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404295)；陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2016GY-148)

袁克闊(1985—)，男，甘肅會(huì)寧人，博士，助理研究員，主要從事環(huán)境巖土工程研究。E-mail：kkwd1985@163.com

TD

A

1672—1144(2017)04—0032—07