梁北二井主副井基巖段水害注漿治理技術

王子林

河南平煤神馬梁北二井煤業有限公司,河南 許昌 461675

0 引言

目前,我國煤炭開采逐漸向深部推進[1-3],礦井井筒的深度也逐漸增加,各種礦井災害更加復雜化,其中以礦井井筒水害尤為突出[4-5]。相關從業人員和研究人員有關井筒水害治理的方法和手段也逐漸優化和多樣化[6-7]。例如牛青河[8]對大海則煤礦井筒水害情況進行了分析,采用割孔注漿技術對井筒水害進行了治理,并取得了良好的效果。王剛[9]對陜西省孟村煤礦水害注漿治理進行了參數設計和方案確定,節約了工程成本,提高了施工效率。杜波 等[10]對平頂山砂巖層水害特點進行了分析,并利用工作面預注漿法對立井水害進行了治理,節約了水害治理費用,減少了地下水資源的浪費。

本文針對梁北二井主副井基巖段水害情況,提出了完整的治理方案,并進行了具體的方案設計和實際應用,取得了良好的治理效果。

1 工程概況

1.1 主井概況

梁北二井的主井井口標高為+104.22 m,井底車場水平標高為-700.21 m,設計井深全長為816.46 m(包含井底水窩),井筒凈直徑約為D 5 500.12 mm。在深度為0～540 m的井筒段使用凍結法進行施工,深度為0～400 m的井筒段使用雙層鋼筋混凝土井壁;深度為400～540 m的井筒段使用單層井壁技術(單層鋼筋混凝土井壁);深度為550 m已掘進段使用單層C40素砼支護,且使用的支護厚度為400.50 mm。目前主井已施工至井深690 m位置。具體如表1所示。

表1 主井井筒井壁結構Table 1 Structure of the main shaft wall

1.2 副井概況

梁北二井的副井井口標高為+104.21 m,井底車場水平標高為-700.52 m,設計井深全長為834.5 m(包含井底水窩30 m),井筒凈直徑約為D 6 500.23 mm。在深度為0～550 m的井筒段同樣采用凍結法進行施工,深度為0～400 m的井筒段使用雙層鋼筋混凝土井壁;深度為400～550 m的井筒段使用單層井壁技術(單層鋼筋混凝土井壁);深度為560 m已掘進段采用單層C40素砼支護,且使用的支護厚度約為450.20 mm。目前副井已施工至井深603 m位置。具體如表2所示。

表2 副井井筒井壁結構Table 2 Structure of the auxiliary shaft wall

2 井筒水害現狀分析

2.1 井筒水害現狀

2012年8月,主、副井暫停掘進施工時井筒工作面深度分別為606、532 m,殘存水量分別為60、20 m3/h。

2019年復工后,井筒水害采用工作面預注漿及壁后注漿的方式進行治理,注漿治理后井筒恢復掘進期間,在主含水層段有少量殘存涌水現象,殘存涌水呈現出小而分散的分布態勢,集水疏導難度較大,對井壁澆筑質量產生一定影響。

根據井下實際觀察,目前基巖段井壁主要存在滲漏及裂隙發育狀況,部分區塊井壁裂縫發育較密集,井壁出現破裂現象。井壁注漿封堵滲漏水害難度較大。如不及時采取更加有效的水害治理措施,井筒帶水施工,待井筒落底后,井筒可能會殘存數十立方米的殘存涌水難于根治,將嚴重影響井筒的正常使用。

2.2 治理難點

2.2.1 巖層結構特殊

由于砂巖含水層一般都具有富水弱滲的特點,導致在采用注漿治理水患時的施工難度較大。因該類巖層一般都包含大量的孔隙-微裂結構的特征,導致其可注性較差。常規的水泥類顆粒懸浮型漿液在低壓滲流條件下不可注,以改性脲醛樹脂為代表的溶液型化學漿液雖可注性較好,但價格昂貴,成本較高。

2.2.2 埋深大

隨著地下工程建設向千米及超千米邁進,導致含水層砂巖層出現大流量涌水的情況,使施工成本增大,施工難度提高。井筒施工段含水層埋深增大,相應的涌水量也隨之增大;在注漿施工作業過程中,所注漿液的滲透阻力相對淺層來說明顯增加,注漿作業難度驟增;并且在注漿處理后,對應的井筒施工處仍有較大的殘存涌水量。

2.2.3 井壁支護強度低

主副井非凍結基巖段井壁設計厚度400、450 mm,為C40素混凝土支護,整體支護強度較低。僅井壁支護結構根本無法抵抗地層水壓。加上井筒殘存涌水對澆筑質量的影響,井壁整體支護強度相對較低,后期采用壁后注漿治理井壁滲漏水害必須嚴格控制注漿壓力,以保證井壁的安全;而注漿壓力不足,漿液擴散范圍有效,注漿效果又無法保證。故必須嚴格控制工作面帷幕預注漿的治理,形成以注漿帷幕為主的隔水圈層。

2.3 治理思路

對梁北二井主副井基巖段的井筒水害采用“工作面預注漿加壁后注漿”的水害治理方案。其關鍵技術要點在于施工時注重控制工作面預注漿質量,達到井筒開挖時工作面基本不存在殘存出水,保證后續井壁澆筑治理的順利進行。最后,采用破壁注漿的方式封堵井壁殘存滲漏點。

3 注漿方案設計

3.1 工作面預注漿方案設計

3.1.1 巖帽厚度計算

工作面預注漿必須預留足夠厚度的止漿巖帽以保證掘進及注漿的安全。借助《煤礦防治水細則》所推薦的掘進巷道底板隔水層厚度計算公式(1)進行計算。

(1)

式中：t為安全隔水層厚度,m;L為巷道底板寬度,m,主副井等效底板寬度為4.9、5.5 m;γ為底板隔水層的平均容重,MN/m3,γ取0.24 MN/m3;Kp為底板隔水層的平均抗張強度,MPa,簡化取1.0 MPa;P為底板隔水層承受的水頭壓力,MPa。

經計算確定：主井全段、副井700 m以淺段工作面應預留巖帽厚度10 m左右,副井700 m以深段預留巖帽厚度控制11 m左右。

3.1.2 注漿帷幕厚度確定

根據大量的理論、數值、試驗及現場實測結果,地下工程開挖后圍巖將產生一定厚度的松動圈。松動圈理論計算需要的相關參數較多,一般地下工程等效半徑作為松動圈的簡化厚度,則主、副井的松動圈厚度預設為3.25、3.70 m。由于松動圈的發育,圈層內損傷巖層的滲透系數遠大于開挖前,且到后期的圍巖松動破壞,松動圈內可不開展預注漿工作。

如圖1所示,為計算方便,設松動圈半徑為a,注漿圈和襯砌的整體半徑為b。由圖2可知,當b/a大于4時,注漿圈的控水作用越來越低,井筒的涌水量也基本不再減小。

圖1 注漿帷幕厚度簡化計算模型Fig.1 Simplified calculation model of grouting curtain thickness

圖2 殘存涌水量與帷幕厚度的關系Fig.2 Relationship between residual water inflow and curtain thickness

根據上述分析,主、副井的帷幕厚度分別設計為11、13 m。則主井注漿帷幕內半徑6.5 m、外半徑16.25 m的圈層,截面面積為696 m2;副井注漿帷幕為內半徑7.4 m、外半徑18.5 m的圈層,截面面積為903 m2。

3.1.3 注漿孔布置

為滿足需求,設計主副井分別布孔12、18個。其中,主井注漿孔采用雙圈層布置,布孔12個,內外圈孔的傾角分別為72°;副井注漿孔同樣采用雙圈層布置,內外圈孔布孔12、6個,內外圈孔的傾角分別為75°、66°。主副井部分注漿孔布置示意圖分別如圖3～4所示。

圖3 主井預注漿鉆孔布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the pre-grouting borehole layout in the main well

圖4 副井預注漿鉆孔布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the pre-grouting borehole layout in the auxiliary well

3.2 井壁壁后注漿方案設計

3.2.1 布孔方式設計

對于井筒井壁上的明水點,需要進行打專孔封堵。鉆孔的布孔方式一般分為2種：一種是直接在出水點進行布孔;一種是先在出水點附近開孔,再在一定孔深處溝通出水點的過流通道。具體的布孔示意圖如圖5所示。

根據以往類似地質條件礦井壁后注漿防滲施工經驗,對于井壁進行橫向布孔,且每排橫向布孔數為4～5個,井壁布孔設計示意圖如圖6所示。

3.2.2 注漿孔結構設計

孔口管結構示意圖如圖7所示,圖中1為主體段,2為套環,3為絲扣段;a絲扣應與所用閥門吻合。所設計的注漿孔應穿透壁后圍巖2～3 m,對應的注漿孔深度為2.5～3 m。注漿施工時,如果注漿孔未鉆至設計深度即出現涌水量大于5 m3/h的情況,則要停鉆注漿,注漿結束后,再采用?42鋼釬原位套孔鉆進至設計深度再進行二次注漿。

圖7 孔口管結構示意圖

4 基巖段水害注漿治理效果

根據所設計的工作面預注漿方案和井壁壁后注漿方案對主副井未施工段進行分段注漿水害治理。主井注漿段分為3部分,分別為：710～738、746～785、798～824 m;副井注漿段分為5部分,分別為：618～665、690～720、725～750、750～790、790～835 m。

根據施工結果可知,在主副井未掘段工作面采用“工作面預注漿加壁后注漿”的水害治理總體方案是可行的,施工的效率及水害治理效果整體較好,不僅保證了施工的順利進行,提高了施工效率,還保障了施工安全,具有較好的經濟效益和現實價值。

5 結論

1)基于梁北二井主副井井筒水害現狀及特點,提出了“工作面帷幕預注漿加壁后注漿”的水患治理方案。

2)采用理論分析和數值計算的方式,設計了工作面預注漿方案和井壁壁后注漿方案。

3)在梁北二井主副井采用“工作面預注漿加壁后注漿”的水害治理方案,取得了良好的治理效果。