大斷面立井井筒綜合治水技術研究

周志利

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083;2.山西潞安集團公司,山西省長治市,046204)

大斷面立井井筒綜合治水技術研究

周志利1,2

(1.中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083;2.山西潞安集團公司,山西省長治市,046204)

針對多富水層和多流砂層的復雜水文地質條件,提出大斷面立井綜合防治水技術:表土層和風化基巖段采用凍結法施工,富水層段采用復合井壁和工作面預注漿技術,最后對井筒集中出水區域壁后、壁間注漿和全井筒分區域整體注漿。實踐表明,取得了較好的封水效果。

大斷面立井 復雜水文地質 井筒施工 凍結法 復合井壁 工作面預注漿

隨著煤礦建井技術的不斷發展成熟,大斷面立井井筒的施工越來越多,煤礦立井井筒防治水理論日趨豐富,針對不同水文地質條件,提出多種立井井筒防治水技術,預注漿、壁后注漿和綜合防治水技術等均獲得良好的工程試驗效果。但針對復雜水文地質條件下大斷面立井井筒治水技術方面的研究則相對較少。

潞安集團余吾煤業公司南風井兩井筒直徑均為7.5 m,進風井埋深577 m,回風井埋深561 m,共分布9個含水層,7個流砂層,其中有3個富水層,累計涌水量約為240 m3/h,大斷面多富水層、多流砂層的復雜水文地質條件已嚴重制約了立井井筒的施工進度。

為加快立井井筒施工進度,在表土段和風化基巖段采用凍結法施工,富水層段采用復合井壁和工作面預注漿技術治水,最后對集中出水區域壁后壁間注漿和全井筒分區域注漿,取得了較好的封水效果,保證了井筒建設安全順利地進行。

1 工程地質與水文地質條件

1.1 工程地質條件

潞安集團余吾煤業公司為高瓦斯礦井,為保證礦井的安全生產,在井田南部建設一對風井以解決通風及瓦斯抽采問題,兩井筒作為余吾煤業井田南部三個采區的進、回風井筒之用,兼做安全出口,進風井后續安裝提升系統,下井部分材料和人員。

1.2 水文地質條件

余吾煤業南風井選址于屯留縣城西高店村附近,兩井筒鎖口設計標高+960 m,高于當地歷年最高洪水位12 m,井筒施工場地以北1.5 km處有一條季節性河流,河水流量較小,不足以影響到井筒施工,區域內無大的導水裂隙帶,因此地表水不會成為建井期間的來水通道。井筒表土層厚74.5 m,風化基巖段厚47.2 m。

井筒開工前,對該施工區域進行了三維地震和瞬變電磁勘探,另外還專門施工了井筒檢查孔,根據三維地震勘探顯示,井下無明顯地質構造和異常區域,瞬變電磁結果顯示井下無老窯及重大富水區,井筒檢查孔實際揭露巖性表明,共分布9個含水層,7個流砂層,其中富水區3層,富水層位置分別為 192.6～222.6 m、269.5～307.5 m和355 m,流砂層均位于表土層段,累計厚度約為11.3 m。

2 綜合治水技術

2.1 凍結法施工

根據以上水文地質資料,確定在表土層段和風化基巖段采用凍結法施工,并深入基巖段10 m,具體包括1～8號含水層及7層流砂層,為了形成封閉的凍結圈,首先在井筒周圍鉆一定數量的凍結孔,以便在孔內安裝凍結管和供液管。凍結管采用單圈插花差異凍結法。凍結管分長短兩種,間隔布置,以南進風立井為例,凍結深孔193 m,淺孔112 m。凍結孔等距離布置在井筒同心的圓周上,井筒直徑7.5 m,凍結圈徑設計為(深孔/淺孔)13.6 m/13.0 m,深孔間距2.127 m,淺孔間距2.034 m,深淺孔之間 1.086m,凍結圈厚度2.5 m,鉆孔偏斜率不超過0.25%。

井筒凍結交圈時間為39 d,鹽水循環積極凍結溫度為-28℃,維護凍結溫度19～21℃,整個凍結工程歷時約5個月,工程質量優良,凍結段施工完畢,完全解凍后最終井筒漏水量0.48 m3/h,效果非常理想。

2.2 復合井壁技術

為保證井筒防水效果,在井筒富水層采用復合井壁支護,即先施工完成外壁后,從下至上再施工一層內壁,復合井壁支護主要優點為內壁無接茬,井壁抗滲性好。凍結段雙層井壁之間鋪設雙層防水板(1.5mm厚的聚乙烯塑料板),基巖段雙層井壁之間鋪設單層防水板。到進風井筒施工完畢,主要漏水點集中在基巖段單層井壁與凍結段雙層井壁接茬處或與基巖段雙層井壁接茬處,基巖單層井壁個別出水點充分說明復合雙層井壁良好的隔水效果。其它各段井壁支護具體參數見表1。

表1 井壁支護參數

2.3 工作面預注漿

井筒通過3個富水層時,先行打超前探孔進行導水探測,然后根據涌水量情況進行了3次工作面預注漿堵水,工作面預注漿采用預埋注漿管,管口安設閥門,注漿管埋設角度超出井筒掘進輪廓線5 m以上,現澆混凝土止漿帽,凝固3 d后方可注漿施工,注漿終止壓力6.5 MPa,另外預注漿前必須先垂直井壁打設壁后注漿孔進行注漿封堵,防止工作面注漿時漿液上返破壞井壁。工作面預注漿后,含水層單層涌水量均在0.5 m3/h以下,符合規范要求,保證了井筒的安全順利施工。工作面預注漿位置和注漿前后涌水量見表2。

表2 工作面預注漿位置和注漿前后涌水量

2.4 壁間、壁后和整體注漿

為保證井筒后續安裝使用,在進風井臨時改絞前,提升吊盤期間進行壁間、壁后注漿堵水,同時也可對出水集中點復注、壁間注漿主要針對復合井壁段,復合井壁因中間填有100mm厚的瀝青板,受長時間的壓縮,瀝青板收縮變形出現空隙,形成良好的過水通道,而造成向井筒內涌水、漏水、滲水的情況;壁后注漿主要針對井壁和井壁圍巖間空隙,封堵來水通道;最后對整個井壁進行整體注漿加固,注漿部位井壁能承受的壓力為:

式中:P——井壁材料的允許抗壓強度,MPa;

h——井壁厚度,取0.5 m;

R0——井筒的凈半徑,7.5 m;

P0——井壁材料極限抗壓強度,取 42.5 MPa;

n——安全系數,取2。

由式(1)求得井壁材料的允許抗壓強度為1.94 MPa,確定最大注漿壓力為1.9 MPa,終止壓力1.5 MPa,注漿初始階段漿液為水泥漿單液漿,水灰比為1.5︰1;正常注漿水灰比為1︰1;封孔稠漿為0.75︰1,每次注漿先稀后濃,當吸漿量大或跑漿時注入水泥水玻璃雙液漿,體積比為1︰1。水泥選用P042.5普通硅酸鹽水泥,水玻璃配成35 Be。注漿孔深大于井壁厚度500mm,對于不同段井壁結構和滲水情況采取不同注漿方案。

(1)單層井壁段集中出水點。在漏水點直接鉆孔,采用“頂水對點”注漿方式,及時調整注漿濃度,確保堵水效果。

(2)雙層井壁段。對于未滲水段,采取注漿充填內、外壁之間空隙,堵水加固。每8 m布置1個注漿水平(三層吊盤間距8 m),在注漿水平內(凈徑7.5 m,周長23.55 m)平均分布6個注漿孔和6個卸壓孔,注漿孔和卸壓孔深8 m,注漿孔與卸壓孔為三花布置,間排距為3.925 m×8.000 m,孔深穿透內壁即可。注漿過程中待卸壓孔冒出漿液后,停止注漿,封閉注漿孔(卸壓孔可作為下一段高內注漿孔使用)。注漿壓力嚴格控制在1.5 MPa內。對于滲水段,先集中采取壁后注漿堵水,待漿液凝固24 h后,再進行壁間注漿。對于滲水嚴重段,一次注漿未達效果,必須復注,直至無明顯滲水。

3 注漿效果

通過壁間、壁后及井壁整體注漿后,全井筒總漏水量實測值為1.2 m3/h,堵水率為99.5%,堵水效果十分明顯,這對后續井筒裝備使用創造了極為有利的條件,節省了井筒排水費用,延長了設備適用年限,改善了井筒作業條件。

4 結語

科學準確的水文地質預測預報能最大限度地保證施工方案和方法的決策準確性,是井筒治水的前提條件,超前探測是井筒施工防治水必不可少的重要環節。凍結法施工、復合井壁技術非常適用于復雜水文地質條件下大斷面井筒防治水施工。

[1]劉陽.新編水文地質分析及煤礦重大水害預防與快速治理新技術及水害監測預警實務[M].北京:煤炭工業出版社,2007

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[4]張海力,趙曉舉.井筒過巨厚含水層工作面預注漿防治水[J].煤礦開采,2010(3)

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(責任編輯 張毅玲)

Study on comprehensive water control of large section vertical shaft

Zhou Zhili1,2
(1.College of Resources&Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Haidian district,Beijing 100083,China;2.Shanxi Lu’an Mining(Group)Co.Ltd,Changzhi,Shanxi 046204,China)

According to the complex hydrogeology conditions with many rich water seams,and many flow sand seams,comprehensive water control of large section vertical shaft is putted forward:the first is by using freezing construction method in surface soil seam and weathering bedrock seam,the second is by using composite shaft lining and face pre-grouting to control water,the last is by wall back and intramural grouting and whole shaft grouting.The practice shows that it obtained a good sealing effect of water.

large section vertical shaft,complex hydrogeology conditions,shaft sinking and drifting,freezing method,composite shaft lining,face pre-grouting

TD262

B

周志利(1962-),男,山西洪洞人,中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院2008級博士研究生,高級工程師。現任山西潞安集團公司總經理助理、調度室主任。