王 剛

(陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

煤礦水害是與粉塵、火災(zāi)、礦壓、瓦斯并列的五大井下災(zāi)害之一，由于我國水文和煤礦地質(zhì)環(huán)境多樣且復(fù)雜，煤礦開采活動(dòng)普遍受到水害威脅[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)已探明的煤炭含量中，受水害威脅的含量約占27%，壓煤超過100億t[3]。我國西北地區(qū)采掘煤層圍巖處于高巖溶、高地溫、高地壓的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中，極易因采掘振動(dòng)而引起底板巖溶水事故[4-5]。西北礦區(qū)在高強(qiáng)度、規(guī)?；?、現(xiàn)代化的開采條件下，遇到透水、潰砂、頂板涌水等新型水害的頻率相對(duì)較高，嚴(yán)重威脅井下施工人員生命安全[6-7]。擬不完全統(tǒng)計(jì)，2016—2020年我國共計(jì)出現(xiàn)35起礦井水害事故，死亡高達(dá)200多人，在全部煤礦安全事件中占比15%以上，發(fā)生頻率僅次于瓦斯事故，這也從側(cè)面反映出煤礦井下水害對(duì)施工安全所產(chǎn)生的嚴(yán)重影響[8-11]。陜西省孟村煤礦主、副井與回風(fēng)立井實(shí)際揭露水量大幅高于預(yù)測(cè)值，風(fēng)井、主井掘進(jìn)至下白堊統(tǒng)第一段含水層后，涌水量實(shí)測(cè)值分別高達(dá)116.57 m3/h和347.72 m3/h，井筒施工被迫停止。因此，研究模擬分析該煤礦井筒所穿遇的下白堊統(tǒng)第一段含水層的涌水量規(guī)律，進(jìn)而提出相應(yīng)的水害治理對(duì)策。

1 水害防治目標(biāo)與治理方式選擇

避免出現(xiàn)因涌水而造成的嚴(yán)重淹井事故，恢復(fù)井筒正常施工，工作面預(yù)注漿段每延米涌水量保持在0.5 m3/h以內(nèi)，白堊系總涌水量維持在6 m3/h以內(nèi)。假設(shè)井筒荒徑9.6 m，預(yù)掘段為25 m，基于現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)排水能力，在段內(nèi)涌水量超過50 m3/h的情況下采用預(yù)注漿施工方式；在段內(nèi)涌水量低于50 m3/h的情況下，采用直接掘進(jìn)再壁后注漿的施工方式。假設(shè)探水孔孔徑為0.1 m，探水深度為40 m，則相應(yīng)的掘進(jìn)與探水計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)與探水計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of excavation and water exploration

掘進(jìn)與探水計(jì)算模型整體呈圓柱形，高60 m，半徑100 m?；诙嗉?jí)外側(cè)水壓進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在筒開挖25 m涌水量50 m3/h時(shí)，40 m深的探水孔的涌水量為19.98 m3/h。因此在40 m深探水孔出水量低于19.98 m3/h時(shí)，采用直接掘進(jìn)的施工方式，此后通過壁后注漿來治理水害。若探水孔出水量超過19.98 m3/h，則立即針對(duì)預(yù)掘段實(shí)施預(yù)注漿處理。

2 井筒注漿

2.1 工作面探水

于井筒周邊均勻設(shè)置4個(gè)探水孔，設(shè)定40 m為一個(gè)輪次，設(shè)計(jì)深度為40 m，傾角為85°，井筒荒徑與探水孔之間保持1 m距離，井筒與終孔保持3 m距離，具體布設(shè)方案如圖2所示。

在實(shí)施探水孔施工之前，首先以3.5 m的釬子對(duì)開孔位置實(shí)施短探，探孔深度3.5 m，鉆孔直徑42 mm。在探水孔布置參數(shù)的指導(dǎo)下，通過潛孔鉆配合φ108 mm的鉆頭打造深3.2 m的孔洞。在此基礎(chǔ)上，安裝長3.2 m、φ89 mm的孔口管，通過返漿法固管，管頭外露小于0.2 m，于孔口上部安裝抗壓12 MPa、φ80 mm的閥門。

靜置24 h后通過注漿機(jī)試壓，于孔深4 m位置設(shè)置高壓閥門，試壓時(shí)間20min，壓力10MPa。通過φ75 mm無心鉆實(shí)施套孔鉆進(jìn)，在孔內(nèi)涌水量達(dá)40 m3/h的情況下鉆機(jī)抽出，測(cè)量水壓與水量并將閥門關(guān)閉。記錄探水孔出水水量，基于返屑情況和鉆進(jìn)速度判別巖性層位。

圖2 探水孔布設(shè)方案Fig.2 Layout scheme of water probe hole

2.2 壁后注漿

在實(shí)施掘進(jìn)施工且涌水量處于30～60 m3/h時(shí)實(shí)施壁后注漿施工，對(duì)位于井壁的明水點(diǎn)實(shí)施封堵。預(yù)期理想效果如圖3所示。

圖3 壁后注漿預(yù)期效果Fig.3 Expected effect of back wall grouting

2.3 注漿高度

基于井筒涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果，壁后注漿范圍應(yīng)覆蓋下白堊統(tǒng)第一段位置，三井累計(jì)注漿段高為900 m。

2.4 布孔方式

(1)明水點(diǎn)封堵。通過打孔作業(yè)來封堵位于井壁的明水點(diǎn)，可采用直接打孔和側(cè)邊打孔2種鉆孔布置方式，具體形式如圖4所示。

直接打孔的處理方法為：在注漿孔進(jìn)入壁后一定深度時(shí)安裝孔口管并注入速凝漿液。而水流與水壓的作用下，水口會(huì)逐漸被反流回來的漿液封堵。在此基礎(chǔ)上原位套孔延伸1～2 m，以充分?jǐn)U散漿液為目的實(shí)施二次注漿，使壁后出水通道被徹底封堵。側(cè)邊打孔的處理方法為：首先對(duì)深度較大的注漿孔實(shí)施水壓疏導(dǎo)處理，溝通壁后水源，降低出水點(diǎn)水壓與水量；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)深度較小的孔實(shí)施注漿處理，采取與直接打孔二漿注漿相同的處理方法。

圖4 明水點(diǎn)封堵布孔方式Fig.4 Hole arrangement for open water point plugging

(2)排狀布孔。在井壁橫向布孔方面，風(fēng)井和主井均各排均設(shè)置4個(gè)孔位，孔位間距4.7 m；副井各排設(shè)置5個(gè)孔位，孔位間距5.2 m。為確保各孔位注漿后所溢出的漿液能夠相交，需要預(yù)先設(shè)定2 m的漿液擴(kuò)散半徑；在井壁縱向布孔方面，主井、副井和風(fēng)井各段均布設(shè)2排孔位，為了確保滲漏集中位置能夠?qū)崿F(xiàn)井壁模板的充分接茬，需要在井壁接茬上、下0.6～0.7 m位置采用插花式的布孔方案。具體布設(shè)形式如圖5所示。

2.5 注漿材料參數(shù)

本次研究通過水泥—水玻璃雙液漿和純水泥漿兩種材料對(duì)井壁裂縫和孔洞實(shí)施填補(bǔ)，其中水泥—水玻璃雙液漿用于填充井壁微細(xì)裂隙，純水泥漿用于填充較為寬大的井壁空洞和裂隙，2種注漿材料的具體配置參數(shù)見表1和表2。

3 工作面預(yù)注漿設(shè)計(jì)

3.1 注漿段選擇及劃分

基于既定的設(shè)計(jì)方案，本次研究在孔深40 m 的探水孔單孔涌水量超過19.98 m3/h時(shí)實(shí)施工作面預(yù)注漿處理。主立井注漿分2段施工，分別注漿45 m，開挖35 m，為形成預(yù)留巖帽，還需于2段之間交叉10m。副立井采用同樣的注漿與開挖方案。風(fēng)立井設(shè)10 m的額外注漿段和7 m的混凝土止?jié){墊，預(yù)計(jì)強(qiáng)含水層厚36 m，注漿鉆孔總深度為53 m一次注漿。

圖5 立井破壁注漿布孔設(shè)計(jì)Fig.5 Hole layout design of shaft wall breaking grouting

表1 單液水泥漿配制參數(shù)Tab.1 Preparation parameters of single liquid cement slurry

表2 水泥—水玻璃雙液漿配置參數(shù)Tab.2 Configuration parameters of cement water glass double slurry

3.2 止?jié){墊設(shè)計(jì)

3.2.1 止?jié){墊厚度

采用強(qiáng)度等級(jí)為C50混凝土制作平底形止?jié){墊，止?jié){墊厚度的計(jì)算方法如下：

(1)

式中，Bd為止?jié){墊厚度；P0為注漿終壓力；r為井筒掘進(jìn)半徑；[δ]為混凝土最高抗壓強(qiáng)度。

混凝土最高抗壓強(qiáng)度的計(jì)算方法如下：

(2)

式中，f3-7為3～7 d內(nèi)混凝土的最高抗壓強(qiáng)度；γk為荷載系數(shù)，通常取28 d強(qiáng)度的2/3，取2～3。

3.2.2 井壁強(qiáng)度驗(yàn)算

井壁強(qiáng)度驗(yàn)算公式如下：

(3)

式中，D為井筒直徑；E為井壁厚度；h為球面度，通常取h=0.3。

3.2.3 止?jié){墊濾水層的厚度

止?jié){墊濾水層的厚度的驗(yàn)算方法如下：

(4)

式中，q為井筒水量；t為停泵時(shí)間；β為碎石層的孔隙率，r為井筒荒半徑。

3.3 注漿孔布置

研究中，預(yù)注漿采用內(nèi)外雙帷幕封閉、徑向斜切斜孔的布孔方式，注漿孔數(shù)的計(jì)算公式如下：

(5)

式中，A為井壁與注漿孔間距；L為注漿時(shí)間。

徑向偏角計(jì)算公式如下：

(6)

式中，α為鉆孔在徑向上與豎直軸線的夾角；S為終孔位置在徑向上超出凈直徑的距離；H為穿過底板巖層時(shí)段高。

以副立井193工作面為例，根據(jù)表3的各項(xiàng)參數(shù)布置注漿孔，預(yù)設(shè)井筒有效帷幕厚度4.5 m，預(yù)設(shè)漿液有效擴(kuò)散半徑R=2.0 m，以漿液均勻擴(kuò)散的方式實(shí)施注漿，帷幕厚度要求如圖6和圖7所示，鉆孔總進(jìn)尺1 467 m，“J”表示檢查孔，“Z”表示注漿孔。

表3 注漿孔布設(shè)參數(shù)Tab.3 Layout parameters of grouting hole

圖6 副井注漿孔開孔位置Fig.6 Opening position of grouting hole in auxiliary shaft

圖7 副立井193工作面預(yù)注漿孔布置Fig.7 Layout of pre grouting holes in 193 working face of auxiliary shaft

4 注漿治理效果

以主立井為例，該項(xiàng)目施工總計(jì)持續(xù)1年，共實(shí)施6次壁后注漿，月平均進(jìn)尺22 m，白堊系地層厚度267 m，井筒全長684 m，最終順利掘砌到底。

4.1 工作面預(yù)注漿

分別于井深227.3、245.3 m工作面實(shí)施預(yù)注漿處理，通過第1段和第2段注漿建立如圖8所示的預(yù)留巖帽。

圖8 主立井水下混凝土止?jié){墊施工方案Fig.8 Construction scheme of underwater concrete mortar stop pad for main shaft

在整個(gè)施工過程中，施工單位于井深227.3 m位置遇到爆破突水淹井問題，后通過水下混凝土止?jié){墊建立新的作業(yè)面，成功解決該問題；在進(jìn)入注漿鉆孔施工階段后，于單個(gè)注漿孔12 m深度下，遇到涌水量125 m3/h且超過10 m的涌水現(xiàn)象，同樣針對(duì)工作面采取兩次預(yù)注漿的處理方案，成功將涌水量壓制在10 m3/h以內(nèi)。第1次注漿鉆孔總鉆孔深度3 289 m，建立注漿孔45個(gè)、頂部增設(shè)止?jié){墊3.5 m、澆注混凝土止?jié){墊7 m，注漿后段內(nèi)掘進(jìn)總涌水量15.25 m3/h，共注入水玻璃311.39 t、強(qiáng)度等級(jí)為C50混凝土1 799.40 t，施工時(shí)長共計(jì)2個(gè)月。第2次注漿總計(jì)鉆孔深度5 122.5 m，建立工注漿孔45個(gè)、澆注混凝土止?jié){墊2.7 m，注漿后段內(nèi)掘進(jìn)總涌水量18.48 m3/h，水玻璃用量169.2 t，強(qiáng)度C50混凝土用量1 027.73 t，施工耗時(shí)1個(gè)月。

4.2 壁后注漿

壁后注漿共建立約600個(gè)注漿孔，消耗水玻璃約50 t，強(qiáng)度等級(jí)為C50混凝土約300 t，注漿后井筒涌水量被壓制在10 m3/h以內(nèi)，施工效果顯著。

5 結(jié)論

陜西省孟村礦井在經(jīng)過兩段注漿施工后，井下涌水問題得到了根本性的解決，主、副、風(fēng)井涌水量最終被控制在0.24、1.65、1.80 m3/h的水平線上，整個(gè)施工過程安全順利，井筒施工質(zhì)量合格，相比于傳統(tǒng)的凍結(jié)法施工方案可節(jié)約附加費(fèi)用70%以上，節(jié)約施工工程50%以上，顯著提升了該礦區(qū)的生產(chǎn)效益。

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