全深凍結井筒隱蔽豎向導水通道綜合治理關鍵技術研究

劉心廣 徐建國 馬慶福 劉承志 魏久傳 張偉杰 李孝朋

(1. 兗州煤業鄂爾多斯能化有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000；2.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000；3.內蒙古昊盛煤業有限公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017000；4. 山東科技大學地球科學與工程學院，山東省青島市，266590)

鄂爾多斯等西部礦區地層具有沖積層淺、弱膠結基巖厚度大、多個富水巖層發育的特征，為保障井筒施工安全，全深凍結法鑿井技術在富水巖層井筒建設中得到廣泛應用。

凍結法鑿井技術的原理是利用井筒周圍鉆設的凍結孔將低溫媒劑在孔內循環使用，吸收圍巖熱量而在地層中形成以凍結孔為結點的凍結止水帷幕。成井后地層逐漸解凍，止水帷幕失效，凍結孔中的凍結管與孔壁之間的環形空間將形成隱蔽的豎向導水通道，在長期水—巖作用下或凍結孔被井巷工程揭露后，經常發生滲水及涌水災害，甚至造成淹井事故，嚴重影響礦井建設和生產安全。

由于凍結孔環形空間的隱蔽性和由此引發涌水災害的嚴重性，其涌水災害預防與治理已成為重要技術課題。目前，國內相關專家重點關注凍結井筒涌水災害的治理方法與技術研究，常規方法包括壁后注漿法、射孔注漿法、引流注漿法及環形截水巷道治理技術。其中壁后注漿法重點和難點在于探查與定位涌水通道，實際工程中即使能暫時揭露導水通道并封堵，但在地下水滲透壓力和開采擾動作用下將發展為新通道，需要反復注漿，難以做到標本兼治；射孔注漿工藝復雜，技術難度大，費用較高，且很多工程不具備該方法的基本條件；引流注漿技術是將動水變為靜水開展治理工程，在致災凍結孔確定的情況下能夠取得良好治理效果；環形截水巷道治理技術主要適用于凍結孔被直接揭露情形，該方法能夠將井筒周圍的凍結孔全部揭露并封堵，封堵質量好，然而工程量大，費用較高，且在軟巖內施工環形巷道具有一定的風險。以上研究主要針對環形通道引起水害事故所采取的災后治理方法。隨著對凍結孔環形空間導水通道認識的加深，工程技術人員逐漸意識到通過凍結孔環形空間預處理可從根源上預防此類災害的發生，其中代表性治理方法為泥漿置換技術，有效防止了井底馬頭門等井巷工程水害事故，但受制于置換水泥漿凝膠時間等因素，環形空間置換高度有限且不可避免產生封閉不良區段。

此外，井壁與凍結地層之間的間隙也是隱伏的豎向導水通道，地層循環凍融過程中促進巖層中損傷通道發展，解凍后將成為圍巖地下水進入到井筒的通道，因此非常必要與凍結孔環形空間聯合治理。

本文針對全深凍結鑿井技術施工的井筒周圍的凍結孔及井壁空隙等隱蔽豎向導水通道致災機制進行了分析，提出隱蔽豎向導水通道涌水聯合治理技術體系；在該技術體系指導下，以營盤壕煤礦主井為例，制定了詳盡的聯合治理方案并付諸實踐，取得了良好的治理效果。

1 隱蔽豎向導水通道致災機制分析

我國西部全深凍結法施工的井筒，由于緩凝水泥漿置換高度受限等原因或未采用預防措施，凍結管與孔壁之間的環形空間不能完全封閉，形成隱蔽且通暢的豎向導水通道。凍結止水帷幕解凍后，由于開挖擾動及長期的水—巖相互作用，圍巖內部裂隙增生和擴展，當與環形空間溝通或在井壁接茬等薄弱環節時，井筒內將出現涌水等災害，主要有如下3種情形，如圖1所示。

圖1 全深凍結井筒隱蔽豎向通道致災示意圖

(1)高壓大流量涌水，破壞井巷工程圍巖。凍結孔環形空間未采取封閉措施，井底馬頭門等輔助井巷工程施工期間，不可避免地揭露或擾動凍結孔，凍結孔導水通道被截斷，造成孔內出現高壓大流量涌水，特殊情況下還伴有碎石、泥砂等被沖蝕或凍融剝離的圍巖碎屑物。該類災害涌水量大、壓力高，治理難度大。如胡家河礦主井井筒中因箕斗裝載硐室、上倉通風聯絡巷貫通施工時揭露凍結孔而發生多次涌水事故，圍巖破壞嚴重，最大涌水量超過150 m3/h。

(2)井壁淋水，影響井筒正常運營。凍結帷幕形成及井筒掘進過程中，凍脹力的聚積與釋放加劇巖層變形與破壞，形成損傷裂隙；井筒成井后地層解凍，地下水滲透力造成弱膠結巖體軟化、泥化，土壓力與地下水靜水壓力聯合施加于井壁上，造成井壁受壓破損而產生裂隙，形成滲水通道。此外，井筒接茬處密封質量較差，與滲水通道連通時將引起長期井壁淋水；若得不到及時治理，則有可能出現大流量涌水事故，如平煤某礦風井凍結段施工完成解凍后，在主要含水層段出現井壁破損及淋水現象，采用壁后注漿方法處理過程中，井壁壓裂形成孔洞，涌水量激增到300 m3/h，造成井筒被淹。

(3)工作面頂板涌水量激增，增加礦井排水費用。在水頭差作用下，不同含水層水通過隱蔽豎向通道發生水力聯系。西部礦區煤層開采過程中，裂采比相對中東部礦區顯著增大，形成范圍較大的導水裂縫帶。開采煤層直接充水含水層中地下水以導水裂縫帶為通道涌入開采工作面，同時造成含水層測壓水位下降，增加了與其他含水層之間的水頭差；不斷增大的水頭差強化了其他含水層與直接充水含水層間的水力聯系，表現為上部含水層水持續補給直接充水含水層，導致開采工作面持久性涌水且涌水量激增，大大增加了礦井排水費用。長期的高速水流沖蝕作用還將不斷擴充豎向導水通道規模，引起圍巖持久性弱化。

因此，為了防止凍結范圍地層隱蔽豎向導水通道誘發涌水、涌泥、工作面涌水量增加等地質災害，需針對井筒凍結孔及井壁與圍巖間隙進行全面預注漿處治。

2 全深凍結井筒圍巖隱蔽豎向導水通道綜合治理技術體系

基于我國西部礦區全深凍結井筒隱蔽豎向導水通道致災機理分析，本文以地質及水文地質分析為基礎，采用凍結孔空間定位技術，結合治理工程施工中的信息實時反饋和方案設計的動態調整機制，提出凍結法施工井筒隱蔽豎向導水通道綜合治理技術，技術體系如圖2所示。

首先進行礦井地質資料與水文地質資料分析，重點研究井筒施工資料、凍結孔測斜與封閉信息、含(隔)水層分布特征，開展凍結孔封閉質量評價及突涌水致災危險性分析；基于井筒附近地質勘探鉆孔，從礦井水文地質學角度研究巖性組合特征，在凍結孔封閉不良段內確定致災水源及最佳的注漿治理區段；分析凍結孔在不同深度上的測斜資料，研究所有凍結孔在治理區段內的跡線變化，確定其空間位置；然后制定凍結孔環形空間及井壁與圍巖間隙的綜合治理方案，包括注漿鉆孔方案設計及注漿方案設計；在此基礎上，在井筒內構筑活動式工作平臺，利用該平臺實施鉆孔及注漿工程，根據鉆孔施工及注漿過程中信息實施反饋，動態調整鉆孔布設方案及注漿參數；注漿結束后施工檢查孔評價注漿效果，必要時開展補充注漿。

圖2 綜合治理體系圖

3 工程應用

3.1 工程概況

營盤壕煤礦位于內蒙古鄂爾多斯烏審旗境內，采用立井開拓方式，設計生產能力1200萬t/a，主井及副井采用全深凍結法施工。主井井口標高+1247.50 m，井筒直徑(凈)9.40 m，井筒深度849.50 m，穿越表土層厚度43.58 m，基巖段厚度805.92 m。主井凍結深度865.00 m，凍結范圍包括井筒下部裝載硐室；凍結鉆孔44個，鉆孔直徑192 mm，凍結管采用?140 mm×6 mm無縫鋼管；測溫管5個，采用?127 mm×5 mm無縫鋼管，營盤壕煤礦主井凍結孔及測溫孔平面分布如圖3所示。凍結管下入之前，主井凍結孔采用泥漿置換技術封閉了自孔底以上200 m范圍，環形空間其他區段未進行封堵。

營盤壕煤礦主井穿越的主要基巖含水層有兩個，分別為白堊系下統志丹群(K1zh)和侏羅系中統直羅組(J2z)承壓含水層，基本特征如下：

(1)白堊系下統志丹群(K1zh)孔隙裂隙承壓水含水層。該含水層主要為中、細粒砂巖，次為粗粒砂巖或含礫粗粒砂巖，泥質膠結，結構疏松，局部裂隙發育。志丹群含水層平均厚度315.06 m，水位標高+1244.41 m，單位涌水量為0.348～0.454 L/(s·m)，滲透系數為0.137～0.578 m/d。因此該含水層的富水性中等，透水性與導水性能強，且天然條件下該含水層與下部承壓水含水層的水力聯系較小。

(2)侏羅系中統直羅組(J2z)孔隙裂隙承壓水含水層。該含水層主要由灰綠色、灰白色中粗粒砂巖組成，夾灰色、淺灰色砂質泥巖、粉砂巖和各粒級砂巖，全區皆有分布。直羅組含水層平均厚度53.04 m，水位標高+1252.37～+1252.39 m，鉆孔單位涌水量為0.0429～0.0508 L/(s·m)，滲透系數為0.125～0.160 m/d，因此該含水層的富水性弱，透水性與導水性能差。

圖3 營盤壕煤礦主井凍結孔及測溫孔平面分布圖

3.2 隱蔽豎向導水通道綜合治理工程

營盤壕煤礦主井施工完成并解凍后，未發生涌水、滲水現象。為防止礦井投產運營后井筒水害發生及主采2-2煤層開采過程中工作面頂板涌水量過大，亟需對凍結孔環形空間及井壁間隙進行預注漿封堵。本文將之前構建的綜合治理技術體系運用至盤壕煤礦井筒豎向隱蔽致災通道的注漿治理工程中。

3.2.1確定凍結孔環形空間封閉不良范圍并評價其危險性

營盤壕煤礦主井采用全深凍結法施工，凍結孔共計44個，測溫孔5個。分析各凍結孔封閉資料可知，主井凍結孔環形空間僅封閉了自孔底以上200 m的范圍，而主采2-2煤層頂板包括直羅組及志丹群等承壓含水層均未封閉，成為含水層間產生水力聯系的通道。根據地質勘探資料，營盤壕煤礦2-2煤層平均厚度6.29 m，距直羅組承壓含水層平均距離為44.59 m。為預計2-2煤層導水裂縫帶發育高度，本文采用類比方法計算導水裂縫帶范圍。選取與本礦地質、開采條件及覆巖條件類似的金雞灘煤礦、轉龍灣煤礦、胡家河煤礦等10余個礦井，根據實測資料，類比礦井典型工作面裂采比為13.7～22.7，平均為18.0，故營盤壕煤礦2-2煤層裂采比取18.0，則導水裂縫帶發育高度預計為113.2 m，已波及至直羅組承壓含水層。礦井生產階段，直羅組水通過導水裂縫帶進入到開采空間內，導致水位下降，而上部的志丹群承壓含水層將通過環形空間等豎向通道對其持續補給，必將增加開采區涌水量，增加排水成本。

3.2.2研究豎向通道封閉不良段巖性組合特征并確定最佳注漿治理區段

為節約治理成本及縮短工期，豎向導水通道無需完全注漿封堵，僅需在含水層間的穩定隔水層中選擇合適區段實施注漿工程，封堵隱蔽豎向導水通道即可。據本礦地質資料可知，直羅組與志丹群承壓含水層間安定組穩定分布，其巖性主要為粉砂巖和泥巖，為良好天然隔水層。根據實際情況，本工程選擇+813.5～+731.5 m里程段內施工。

3.2.3凍結孔探查及其空間定位

根據凍結孔在不同深度的測斜資料，掌握每個鉆孔沿深度上的軌跡形態，繪制鉆孔軌跡平面圖及剖面圖，尤其是繪制注漿區段內鉆孔軌跡圖，確定凍結孔空間位置，以指導注漿鉆孔方位角設計。

3.2.4 隱蔽豎向導水通道綜合注漿方案設計

聯合注漿方案主要包括注漿材料選擇及調配方法、注漿液擴散范圍、漿鉆孔布置方式、注漿順序、注漿壓力及注漿結束標準等部分。

(1)注漿材料選擇及動態調配。為提高漿液在豎向通道內的擴散距離并增強凝膠體與圍巖的粘結力，進而強化封堵效果，本次注漿以水泥單液漿為主、水泥—水玻璃雙液漿(C-S漿液)為輔。漿液由P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、水玻璃(模數M=3.1～3.4，濃度為35～40 Be)及水配制而成，其中水泥漿采取由稀到濃的順序逐級調整，水灰比(即水與水泥的質量比)調配區間為2～0.5；若單液漿注漿量過大或長期不起壓，則提高漿液濃度，必要時改用雙液漿，雙液漿C∶S=2∶1～1∶1，凝膠時間控制為0.25～15 min。

(2)漿液擴散范圍。根據相鄰礦區壁后注漿經驗，壁后空隙內漿液擴散距離設計為3～5 m，凍結孔環形空間內擴散距離設計為20～30 m，因此鉆孔設計時需要保證相鄰鉆孔注漿范圍產生重疊以保證注漿效果。

(3)注漿鉆孔布置方式。采用下行式注漿。設計為1#～6#組注漿鉆孔，其中每組包括7個注漿斷面，各斷面由7個注漿孔組成，則每組鉆孔49個，用于揭露44個凍結孔及5個測溫孔。注漿斷面間距2 m，鉆孔呈梅花狀布置；綜合考慮凍結孔方位以及井筒內電纜及管路的位置，斷面內相鄰鉆孔間距為2.78～5.41 m。梅花狀布孔方式不僅可以保證任意相鄰的兩個鉆孔注漿擴散范圍產生重疊，還能避免同一斷面鉆孔布置太密而影響井壁質量。

各注漿鉆孔均設計為揭露凍結孔及測溫孔，并以此確定鉆孔方位角與深度，注漿孔設計深度為4.30～9.56 m，如圖4所示。

圖4 各組注漿鉆孔布置平面示意圖

(4)注漿鉆孔施工方法及注漿順序。注漿孔通過風鉆施工，使用?42 mm鉆頭開孔1.0 m，下入?42 mm×600 mm不銹鋼管作為孔口管；固管后換用?32 mm鉆頭套孔鉆進。各組鉆孔按照1#～6#順序施工，組內鉆孔鉆至壁后間隙時實施注漿；當組內所有鉆孔完成壁后注漿后繼續鉆進直至揭露凍結孔及測溫孔，實施環形空間注漿封堵。

(5)注漿壓力及注漿結束標準。注漿壓力是注漿過程的關鍵控制參數，根據參考文獻，注漿壓力pg由下式確定：

pg=pw+(0.5～1.5)

(1)

式中：pg——注漿壓力，MPa；

pw——地層靜水壓力，MPa。

根據礦井水文地質資料，注漿段靜水壓力約為5.16 MPa，則注漿終壓不高于6.66 MPa。

注漿結束標準：注入水泥單液漿達到終壓后，注漿速率降低至50～60 L/min且穩定30 min，可結束注漿；若漿液為C-S雙液漿，注漿壓力達到終壓，且兩種漿液的總注漿速率降至100～200 L/min 且穩定30 min，可結束注漿。

(6)活動式施工平臺設計與構筑。為便于施工和運輸，施工平臺利用主井1號及2號主箕斗上部安裝臨時工作平臺。平臺與箕斗之間經10 mm厚鋼板做成的連接扣連接，連接扣之間穿過?30 mm×400 mm連接銷，連接銷末端鉆?12 mm孔起到固定作用；施工平臺梁采用16#槽鋼，表面鋪設4 mm網紋花板。箕斗兩側副盤，使用2根?76 mm×6 mm無縫鋼管分別焊接在施工平臺與箕斗上，中間各串一根?50 mm×6 mm無縫鋼管伸至井壁作為副盤骨架，骨架上固定50 mm厚木板作為副盤平臺。施工平臺結構示意圖如圖5所示。

圖5 活動式工作平臺結構示意圖

(7)綜合治理工程信息化施工。注漿過程中漿液濃度、單雙液漿調換及注漿壓力等注漿參量需根據現場施工條件動態調整。此外，根據凍結孔揭露效率與注漿封堵情況及時調整注漿孔布置方式和施工順序，在保障注漿封堵效果的基礎上，降低工程費用并縮短工期。

(8)注漿效果檢驗及局部補充注漿。注漿工程結束后，利用已有工作平臺在井筒不同位置施工檢查孔，隨機抽檢凍結孔環形空間及壁后空隙注漿封堵效果，當檢查孔涌水量不大于0.1 m3/h時，則達到注漿要求。

3.3 工程實施及注漿效果分析

營盤壕煤礦綜合治理工程于2016年11月11日-12月6日實施，注漿鉆孔在實施過程中根據注漿效果及時進行了動態調整。在+813.5～+801.5 m里程段內1#組鉆孔揭露凍結孔34個，鉆孔涌水量大，多個鉆孔涌水量達40～60 m3/h，表明凍結孔環形空間是重要且危險的隱蔽導水通道。凍結孔及注漿孔全部注漿封堵，根據注漿量測算漿液擴散距離較大，注漿效果較好。因此動態調整鉆孔施工順序，跳過2#組、4#組及5#組，直接施工3#組與6#組的部分鉆孔，并優化鉆孔斷面間距及減少鉆孔數量。本次注漿共計施工有效鉆孔94個，凍結孔及測溫孔全部揭露，注入水泥60.85 t，水玻璃0.32 t。

注漿結束后，分別在+785.5 m、+783.5 m、+781.5 m、+779.5 m、+775.5 m、+775.5 m、+773.5 m、+737.5 m等井筒里程處施工檢查孔18個，隨機挑選凍結孔檢查注漿封堵質量。檢驗結果表明，16個檢查孔無涌水，2個檢查孔涌水量小于0.01 m3/h，達到驗收要求。此外，由于鉆孔揭露井壁與圍巖間隙后未發現明顯涌水，因此在治理過程中將壁后間隙和環形空間同時注漿封堵，經檢查孔檢驗，注漿效果良好。綜上所述，在全深凍結井筒圍巖隱蔽豎向導水通道綜合治理關鍵技術的指導下，營盤壕主井凍結孔環形空間全部被注漿封堵，且工期短、費用低、經濟效益顯著。

4 結論

(1)我國西部礦區沖積層淺、基巖弱膠結且遇水易軟化和泥化，井筒施工過程中常選用全深凍結法施工，然而封閉不良的凍結孔及井壁后間隙成為重要隱蔽導水通道，在井筒建設期間及運營期間均可能引發涌水災害；同時溝通了開采煤層直接充水含水層與其他含水層，造成工作面涌水量增大，排水費用及開采成本激增，需要采用有效措施進行處治。

(2)建立了全深凍結法施工井筒隱蔽豎向導水通道的綜合注漿治理關鍵技術體系，該體系以礦井地質與水文資料分析為基礎，評價凍結孔環形空間封閉質量及其涌水危險性，確定致災水源及處置工程施工區間，制定針對性的綜合治理方案，依托活動式工作平臺實施隱蔽豎向導水通道預注漿封堵工程及注漿效果檢驗工作，必要時開展補充注漿工作。該關鍵技術具有治理工期短、成本低的顯著優勢。

(3)在綜合注漿治理關鍵技術的指導下，依托營盤壕煤礦開展了凍結井筒隱蔽豎向井筒的注漿封堵工作，通過注漿方案的信息化動態調整，累計施工注漿鉆孔94個，凍結孔及測溫孔全部揭露并順利完成注漿封堵。經18個檢查孔隨機抽查檢驗，達到驗收要求，營盤壕煤礦主井隱蔽豎向導水通道綜合治理工程取得了理想效果。

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