凍結法鑿井大斷面井筒壁座施工突水原因分析及治理技術

許 春

（鄭州煤炭工業〈集團〉有限責任公司 河南 鄭州 450042）

1 工程概況

鄭煤集團李糧店礦井是一座設計能力240萬噸/年的大型礦井，目前處于基建階段。礦井主采二1煤層，為立井單水平上下山開拓，初期布置主、副、風井三個立井，井筒凈徑分別為 5m、6.5m、6m，井筒設計深度分別為771m、788m、542m。該礦井筒位置均處于第三系、第四系厚表土層及基巖風化帶內，其中主副井區表土層厚達480m、沖擊層深部分別含多層厚層粘土層且含水量豐富，設計采用全深凍結法施工，井壁為塑料夾層雙層鋼筋混凝土復合井壁（外壁厚度600～1000mm、內壁厚度600mm），混凝土強度為C60～C80。副井井筒于2010年1月1日正式開挖，至2010年8月20日突水止施工了537m，施工順序為自上而下掘砌井筒外壁后再自下而上一次性砌筑井筒內壁。副井井筒采用差異凍結，設計淺孔深度525m、深孔深度800m。

2 副井井筒壁座施工突水事故

2.1 壁座設計

當副井井筒施工至500m段時，己砌筑的井筒外壁有多處顯現較厲害的粘土層“后凍壓力”，使井壁出現裂紋、裂縫及裂塊，嚴重影響施工安全。經專家分析為主體是施工過快，粘性土層凍結時間不夠，決定對己施工段進行分段套壁，以使上部井壁安全并可加強井筒凍結，由此需要提前施工副井井筒壁座，以承托上下部井壁重量。繼續施工至522m時，設計為壁座起點。為減小凍結孔圈徑及凍結壁厚度，設計將內外層井壁間夾層去掉改為整體澆注，同時將井筒外徑加深1000mm，用內外層整體澆注井壁及基巖井壁的收臺形成圓筒形整體壁座。壁座設計高度15m（井筒深度522m～537m段），厚度為1.6m，跨度為9.7m，四層鋼筋混凝土，混凝土強度C70。

2.2 壁座施工方法

表1 附爆破參數表

采用光爆法破巖，錨桿臨時支護（錨桿規格為Φ43×1800mm金屬管縫錨桿，間排距800×800mm，錨固力不低于45kN）以防片幫；壁座施工與井筒分段砌筑內壁統一考慮，施工順序為自上而下先行錨桿臨時支護，而后自下而上采用液壓滑模一次性整體澆注完畢，順序可接著向上套井筒內壁。

2.3 壁座施工突水

2010年8月20日18:10，在井筒壁施工至垂深535m（此時壁座施工13m）時，在井筒西南方向約526m處一根錨桿出水，水量約2m3/h；20點時，垂深527m～530m段有多根錨桿出水，且水量增多并水壓增大，井下帶班干部立即安排提盤撤人；22:30時，實測井幫出水量30m3/h；21日5點時，水量穩定在40m3/h。本次突水造成停產18天，直接經濟損失46萬元。

3 副井井筒壁座施工突水治理技術

3.1 方案選擇

要實現堵水，封閉涌水通道，方案有三：

（1）加大排水及導水，“頂水”作業，強行通過，而后進行壁后注漿堵水；

（2）增開凍結機組，延長凍結時間，加強凍結，實現封“天窗”的目的；

（3）工作面設置止漿墊，工作面注漿堵水。

以上三個方案中，方案（1）因突水量相對較大、井筒斷面跨度較大（設計9.7m）且突水后井幫片幫厲害，實際操作困難，風險極大；方案（2）可以實現，且封閉“天窗”后最為安全，但用時太長（一般需用90以上），費用較高，且期間需水位要求相對靜止（因動水更難凍結封閉），這樣會延誤對上段井壁套內壁時間；方案（3）相對安全，實施時間相對較短，費用較方案（2）少，且對上段井壁套內壁有利。綜合比較，選用方案（3）作為治理方案。

3.2 方案實施順序

（1）在工作面采用石子回填至井幫出水點以上500mm；

（2）原壓風管改為排水管，設泵排水，將水面降至濾石層面并保持；

（3）在濾石層中對稱設置兩個直徑400mm、高度7700mm的濾水桶，其下端深入濾石中2500mm并開有長條形濾水孔、上端高出設計止漿墊200mm；另距井幫500mm均勻布置4根Φ25.4mm注漿花管。

（4）按設計澆注止漿墊，等凝固，同時在濾水桶內安裝潛水泵與外部大泵接力排水；

（5）止漿墊凝固后，加固止漿墊；

（6）利用預埋的四根Φ25.4mm注漿花管對濾水層進行注漿充填；

（7）封堵濾水桶；

（8）對出水部位按設計進行注漿。

3.3 方案實施要點

根據進行突水段及壁厚冒落情況，對突水段利用預埋的注漿管采用2TJZ-60/210型注漿泵，使用P.O42.5水泥和模數M=2.4～3.4 Be′=35～45水玻璃，待止水墊凝固5～7天后在工作面進行注漿，注漿漿液在注漿工作面采用人工配制，分別對止水墊加固、壁厚冒落充填、濾水層注漿等進行注漿施工，要點如下：

（1）為保證注漿施工效果，首先對止水墊進行加固注漿，加固時采用水灰比為1.25：1的單液漿進行加固，防止濾水層跑漿，注漿終孔壓力為5MPa。

（2）待止水墊加固后，對壁厚冒落區利用預埋的Φ25.4mm鋼管采用1：1的雙液漿進行充填，注漿終孔壓力為5.5MPa。

（3）在完成壁厚冒落區的充填后，利用預埋的四根Φ25.4mm注漿花管對濾水層進行注漿充填，充填時采用水灰比為1：1的單液漿進行充填，注漿終孔壓力為10MPa。

（4）完成濾水層充填后，實施濾水桶壓蓋的封蓋，濾水桶注漿漿液選擇水泥—水玻璃雙液漿，水灰比為1：1，注漿終孔壓力為10MPa。

（5）最后利用在出水點預埋的Φ25.4mm鋼管對出水點進行注漿施工，采用1：1的雙液漿進行充填，注漿終孔壓力為10MPa。

3.4 方案實施效果

采用以上方案技術，實現順利注漿堵水，共用時18天。在上段井壁套內壁結束后，邊探水邊向下掘砌施工，進展順利。

4 副井井筒壁座施工突水原因分析

突水事故發生后，組織相關專家進行分析討論，認為突水原因有：

4.1 壁座位置巖性為砂質泥巖，且處于深淺凍結孔交接邊緣，凍結壁仍存在薄弱環節；

4.2 施工中一次起爆炸藥數量巨大，設計為227kg水膠炸藥，且實際用量達到240kg，爆破震動是造成凍結井壁突水的最主要原因；

4.3 壁座施工先行掘進并臨時支護（突水時己施工13m），而后上行一次砌壁，使井壁暴露面積太大（396m2）且時間較長（5天），施工方法有誤；

4.4 臨時支護只用管縫錨桿，護表能力差，錨固力低，設計不合理。

5 結語

凍結法鑿井雖是目前廣泛采用的建井技術，而且我國在此方面處于國際領先水平，但由于特殊地層、經濟考慮及凍結與掘進匹配關系等多種因素，會使局部凍結壁存在薄弱環節。在實際施工中，尤其對于其中的大斷面硐室的施工方法及順序，對井筒掘進段高選擇，對爆破炸藥控制方面，還要因地制宜，切實采取妥當措施，以確保施工安全。