環狀隔離體技術在塔然高勒煤礦主井凍結孔涌水封堵中的應用*

薛建坤　朱明誠　牛光亮　孫　潔

(中煤科工集團西安研究院有限公司)

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環狀隔離體技術在塔然高勒煤礦主井凍結孔涌水封堵中的應用*

薛建坤朱明誠牛光亮孫潔

(中煤科工集團西安研究院有限公司)

摘要分析了塔然高勒煤礦主井井筒涌水特征及水文地質條件，揭示了井筒凍結孔水害機理，提出利用環狀隔離體技術治理水害，即在井筒隔水層中沿凍結圈施工小斷面環形巷道，揭露、截斷凍結管，并對環形巷道回填混凝土，形成環狀隔離體，徹底隔斷環狀導水通道，根治水害。應用表明，該技術治理井筒凍結孔水害具有經濟合理、質量可靠、工期較短的優勢，可為同類礦山水害治理提供參考。

關鍵詞凍結孔水害環狀隔離體水害治理

西部深厚含水基巖中的礦建工程，普遍具有井筒直徑大、基巖富水性強等特點，且含水層多為孔裂隙水，預注漿效果差，局部巖層中漿液擴散困難，局部又因孔裂隙水流速過快而使得漿液難以凝固，故凍結法幾乎成為某些立井工程惟一可用的工法[1-4]。采用凍結法施工的井筒凍結圈解凍以后，容易發生凍結孔涌水水害[5]，該種水害的特殊性是通道垂深大、水流速度高、沖刷力大、涌水中夾雜大量泥沙等巖石碎屑物，極易把井筒壁后掏空，危及井筒整體穩定性，造成井筒不均勻下沉及開裂，甚至發生突水災害事故。如納林河二號礦、胡家河礦等，對礦井安全生產造成極大的水患威脅[6-8]。本文以塔然高勒煤礦主井凍結孔水害治理工程為例，介紹了環狀隔離體技術可根治井筒凍結孔水害。

1　工程概況

塔然高勒煤礦主井井筒設計全深699m，-488m以下為凍結法施工。井筒掘進過程中，在深度631m處(西裝載硐室南幫及井筒處)發生凍結孔涌水，水量約40m3/h，井壁有破損現象，隨后涌水量逐漸增加，井壁出現明顯裂縫。次日井筒涌水量為156m3/h，裂縫寬度10～120mm、長度約9m。

塔然高勒煤礦主井井筒自上而下主要穿過第四系、白堊系下統志丹群、侏羅系中統-中下統延安組含水層，侏羅系中下統頂部、侏羅系中下統延安組頂部、侏羅系中下統延安組底部隔水層。根據勘探成果，白堊系志丹群含水層段整體富水性較弱，且與下部侏羅系含水層組無明顯水力聯系。直羅組含水層段在首采區范圍內厚度為117～198.9m，平均158.63m，其中有效含水層厚度平均138.05m，明顯的沖刷沉積構造特征為3-1煤直接頂板含水層，單位涌水量q=0.03～0.2L/(s·m)，滲透系數K=0.015 4～0.232 7m/d，富水性弱-中等，導水性中等。

2　凍結孔水害機理

塔然高勒煤礦主井凍結管，凍結工程完成約6個月后自然解凍，貫穿全井深的每個凍結孔與凍結管之間都可能形成“環狀空間”，即水力聯系導水通道，將立井從地面到井底所有的含水層連成一體。使原來的隔水層失去隔水作用，任何一個導水管道與巷道溝通都有可能出現較大的涌水。井筒完成施工后初期雖然管道的下部多被沉渣充填不易導水，但充填碎屑物幾乎沒有膠結強度，較松散，上面含水層的地下水會透過這些充填物慢慢地向下滲透，并將壓力傳遞至井筒下部，造成井筒下部混凝土構筑物無法承受高水壓而破裂損毀，導致井筒突發性涌水，由于上部地層靜儲量的參與，初期涌水量往往較大。塔然高勒煤礦凍結井筒水害機理見圖1，凍結孔剖面見圖2，凍結孔水害剖面見圖3。

圖1　塔然高勒煤礦凍結井筒水害機理示意

3　環狀隔離體封堵技術

在欲保護的構筑物鄰近上方選擇一隔水且巖性較堅固地層，通過開掘小斷面巷道，在有其他孔泄水的條件下揭露凍結孔約2m高度，固管后截斷凍結管，然后施工混凝土或注漿體，阻斷凍結孔導水通道。

圖2　凍結孔剖面示意

圖3　井筒凍結孔水害剖面示意

3.1施工隔水圈

在延安組3-1煤層底板位置施工環狀巷道(圖4、圖5)，此處形成凍結孔的隔水圈，阻止上、下水力聯系。

3.2環狀巷道數值模擬

通過數值模擬(圖6、圖7)，確定環狀巷道內側幫距主井井筒中心線之間的合理距離為12m，且每施工完一個耳硐后，對其進行充填加固后再進行下個耳硐的施工，此時主井井壁的位移較小，穩定性較好(表1)。

3.3凍結孔注漿

根據不同情況，注漿封堵方案各不相同。將凍結管在耳硐位置截斷后，對凍結孔注漿，分上部、下部、引流3種情況進行(圖8、圖9)。

4　治理效果評價

4.1主井涌水量

2013年7月21日主井井筒出水，最大水量156m3/h(圖10)，水害治理至8月15日，主井涌水量從218m3/h降至3～4m3/h，之后主井出水點處水量基本消失，涌水量穩定在5～8m3/h。

4.2WB6觀察孔水位變化

距離主井472m的地面水文長觀孔(WB6觀測下含水層段水位)，2013年7月21日主井出水后水位累計降幅達65.5m(圖11)，水害治理過程中，WB6水位逐漸回升，治理完成后水位累計上升40m。

圖4　環狀巷道截斷凍結孔示意

圖5　主井環狀巷道建模

圖6　環狀巷道和耳硐圍巖塑性區分布

圖7　井筒Z方向應力分布

4.3治理效果比較

凍結孔水害治理前，主井馬頭門、配電室等地方淋水為8～10m3/h，水害治理后淋水為2～3m3/h。

從主井涌水量變化、WB6水文孔水位變化及主井周邊的淋水變化可以看出，主井水害治理前后效果明顯，說明本次水害治理工程達到既定目標，注漿效果良好。

表1　監測點位移數據統計mm

綜合對比環狀隔離體技術與射孔注漿、帷幕注漿技術(見表2)可以看出，無論從費用、工期還是治理效果，環狀隔離體技術在封堵井筒凍結孔水害方面都具有優勢。

5　結　論

(1)塔然高勒煤礦主井井筒出水是由于解凍后，凍結管與凍結孔之間的環狀空間形成了垂直導水通道，溝通上、下含水層，高水壓作用下井筒下部混凝土構筑物發生破裂損毀，導致井筒突發涌水。

圖8　凍結孔注漿方案

圖9　引流注漿方案

圖10　主井水量變化(2014年)

圖11　WB6孔水位變化

表2　環狀隔離體技術與射孔注漿、帷幕注漿技術對比

(2)數值模擬結果表明，環狀巷道內側幫距主井井筒中心線的合理距離為12m，且每施工完畢一個耳硐后，對其進行充填加固后再進行下一個耳硐的施工，此時主井井壁的穩定性較好。

(3)對比射孔注漿與帷幕注漿技術，環狀隔離體技術治理井筒凍結孔水害費用經濟、質量可靠、工期較短，值得在同類工程中推廣。

參考文獻

[1]姚直書,程樺,榮傳新.西部地區深基巖凍結井筒井壁結構設計與優化[J].煤炭學報,2010,35(5):760-764.

[2]張馳,楊維好,楊志江,等.深厚含水基巖區立井外壁凍結壓力的實測與分析[J].煤炭學報,2012,37(1):33-38.

[3]楊更社,呂曉濤.富水基巖井筒凍結壁砂質泥巖力學特性試驗研究[J].采礦與安全工程學報,2012,29(4):492-496.

[4]楊更社,奚家米,王宗金,等.胡家河煤礦主井井筒凍結壁巖石力學特性研究[J].煤炭學報,2010,35(4):565-570.

[5]趙強,武光輝.基巖凍結法施工解凍水害的機理及治理技術[J].煤礦安全,2013，44(4):91-93.

[6]曹祖寶,邵紅旗,朱明誠.凍結井筒凍結孔涌水機理及逆流引流注漿封堵技術[J].西部探礦工程,2012(8):46-49.

[7]邵紅旗.引流注漿封堵深基巖凍結井筒凍結孔涌水技術[J].煤礦安全,2013,44(1):74-79.

[8]邵紅旗.深基巖凍結井筒封閉不良凍結孔水害治理技術[J].煤炭科學技術,2013,41(10):22-25.

(收稿日期2016-05-10)

ApplicationofAnnularIsolationTechnologyintheWaterInflowoftheMainShaftFreezingHoleinTarangaoleCoalMine

XueJiankunZhuMingchengNiuGuangliangSunJie

(Xi'anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroup)

AbstractThe water inflow characteristics and hydrogeology condition of the main shaft in Tarangaole coal mine are analyzed in detail,the mechanism of water disaster of freezing shaft hole is revealed.The annular isolation technology is used to deal with the water disaster in the main shaft in Tarangaole coal mine,to be specific,a small section annular tunnel along the frozen circle in the shaft water-resisting layer is constructed to expose and cut off the freezing tube,an annular isolated body is formed by backfilling concrete for annular tunnel to separate the annular conductor completely to solving the water disaster of the main shaft in Tarangaole coal mine thoroughly.The application results show that the annular isolation technology with the characteristics of economic and reasonable,reliable quality and short construction period,besides that,it can provide reference for the similar mines.

KeywordsWater disaster of frozen hole,Annular isolation body,Water disaster governance

*“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAK04B04)；國家自然科學基金青年科學基金(編號：41402220)。

薛建坤(1987—)，男，助理工程師，碩士，710054 陜西省西安市碑林區雁塔北路52號。