富水砂層段副斜井底板破裂危害及治理技術*

王小鳳，趙迎春，錢自衛，谷云鵬

（1.兗礦集團兗煤鄂爾多斯能化有限公司，內蒙古鄂爾多斯 017000；2.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州221116）

關鍵字：副斜井；底板破裂；出水攜砂；底板強化；注漿

井筒被稱為礦井的“咽喉”，井筒發生水砂突涌災害將嚴重威脅整個礦井的安全，可能造成礦井停產、井筒報廢、礦井被淹等惡性災害[1-4]。據統計，近20年間，我國已有十余個已建成井筒發生了水砂突涌災害。砂層具有流動性強、穩定性差的特點，一旦井壁破裂，動水將帶砂發生出水攜砂現象，當出砂點通暢，水壓較高時，將產生噴砂，出水出砂口將被快速刷大，進而演化為惡性出水潰砂的事故。比如李糧店煤礦副立井井壁破裂出水噴砂，最大出水噴砂流量約350m3/h，致使副井井筒以及周邊地表沉降、副井井筒及地面設施受損，京廣高速鐵路限速運行，目前該井筒仍未完全修復[4-5]。

本文以鄂爾多斯轉龍灣煤礦副斜井為例，系統介紹了井筒底板破裂及出水攜砂的情況，分析了其原因及危害，制定了科學合理的治理措施。

1 副斜井底板破裂情況

轉龍灣煤礦副斜井副斜井井筒長度1513.7m，斜井段傾角為5.5°，凈寬6000mm，凈高4800mm。表土段（斜長0～408m）主要為松散富水砂巖，采用明槽法施工，明槽段（0～408m）開挖后將底部夯實，同時鋪設0.1m厚片石砂漿，再鋪設鋼筋籠，鋼筋籠中鋼筋間距為0.1m，寬度8m，澆灌0.2m厚混凝土，井筒施工完成后，由底部開始向上鋪設厚0.3m、寬6.0m混凝土作為地坪。

轉龍灣煤礦副斜井2014年建成并交付使用，使用過程中發現，副斜井在松散層段底板出現了破裂及滲漏現象，并呈現惡化趨勢。特別是2018年12月以來原有裂縫增大，底鼓裂隙段變形嚴重，涌水量增加，由8m3/h增加到10m3/h，并且開始伴有少量砂出現，特別是井筒通行重車后，出水的含水量明顯增加。在底板設置8組觀測點，截止2019年1月21日，共進行8次觀測，底板變形量最大10mm，平均約為5mm。

表1 副斜井井壁破裂及出水情況統計

2 斜井底板破裂的危害

井筒在富水松散砂層段井壁破裂，裂隙出水攜砂是一個極為危險的信號。井壁出水通道形成初期，出砂流動強度較弱，但隨著時間推移，水砂流量快速增加，嚴重礦井報廢等惡性災害。特別是當出水涌砂層埋深較大時，壁后砂層所處的水壓環境及地壓較大，一旦井壁形成出水涌砂通道，水砂將呈現噴射狀外涌。水砂外涌過程中，通道被逐漸刷大，水砂流量快速增大。同時隨著水砂的涌出，壁后砂層逐漸被掏空，壁后土層發生沉降，井壁應力狀態改變，可能造成井壁進一步破裂，進而持續增大出水涌砂強度。綜上所述，井壁水砂突涌過程一般呈現出水涌砂流量及通道規格的“雙增”過程[3]。

比如，2016年8月，兗礦集團金雞灘煤礦副斜井在短時間多次通行超大噸位車輛過程中，斜井在底板發生破裂現象，底板承載能力減弱，底板下覆砂層發生液化現象，斜井發生嚴重出水涌砂災害。最大出水量達到72m3/h，最大攜砂量達到16%，地表形成9個塌陷坑，礦井隨時有發生突水突砂進而淹井的風險，后及時采取有效的注漿搶險措施，避免了井筒報廢、礦井被淹等潛在事故[2-3、6-10]。

綜上對比，轉龍灣煤礦副斜井的整體條件比金雞灘副斜井要差，金雞灘煤礦副斜井在出水涌砂災害前，也曾長期出現與轉龍灣副斜井類似的斷續出水攜砂的現象，重型車輛的多次通行，致使斜井發生災變。根據金雞灘副斜井出水涌砂災害的教訓，轉龍灣副斜井有隨時災變的可能，必須立即開展治理工作，避免較大事故的發生。

3 底板破裂治理方案及效果

3.1 治理總體思路

轉龍灣煤礦副斜井設計采用“底板強化加固+壁后砂層注漿加固”的總體治理方案，加固段長為斜井里程250～400m。底板強化以抵抗斜井高強度運行的壓力及底板注漿時的注漿壓力，向壁后砂層中注入漿液，漿液在砂層中劈裂擴散，最終起到減滲及提高壁后砂層自身穩定性的目的。

3.2 底板強化加固措施

破裂底板強化采用“工字鋼梁+梁間填筑混凝土”加固方式治理。底板加固結構主要采用12#礦用工字鋼為主體，兩根12#礦用工字鋼并焊為一體，單根長度6000m，作為地梁；工字鋼兩端部縱向焊接三根[20b型槽鋼作為擋梁，槽鋼擋梁與井壁采用錨桿固定。底梁架設間距500mm，地梁之間采用五根12#礦用工字鋼制作的短接連接。工字鋼梁架設完成后，在梁間填筑C40混凝土。

圖1 副斜井底板強化加固設計斷面圖（單位：mm）

3.3 壁后砂層注漿加固措施

治理段注漿孔布設如圖2所示，壁后注漿孔布置于斜井的幫部及底板，排狀布置，排距2.5m，相鄰排孔布孔5個、4個，注漿孔位展開圖呈梅花樁式。底板注漿孔結構為“孔口管（Φ42×600/400）+裸孔”。注漿設計選用此類水泥漿液，輔助水泥-水玻璃雙液漿。底板注漿設計終壓0.5MPa，幫頂部注漿設計終壓0.8MPa。

圖2 壁后注漿孔布孔示意圖

3.4 治理效果

底板強化加固主要以12#礦用工字鋼為主體結構，共安裝301架；壁后注漿孔排狀布置，主注水泥漿液，注漿過程嚴格控制壓力，同時進行底板嚴格監測，共消耗水泥1018t，水玻璃74.7t。副斜井治理完成后副斜井400m以上段已無任何出水現象，目前已安全通行了兩個工作面的整套采煤裝備，特別是2019年9月份，在副斜井治理完成后3個月時間，礦方從副斜井直接通行重達100t左右履帶式采掘車，未出現返滲、底板破裂的現象。

4 結論

轉龍灣煤礦副斜井在建成后僅5年左右時間，砂層段底板即出現嚴重破裂及出水現象，涌水量約為10m3/h，且呈現增大趨勢，并伴有少量零星攜砂現象，具有隨時災變并演化為惡性出水涌砂災害的風險。副斜井采用“底板強化加固+壁后砂層注漿加固”的總體治理方案，治理完成后副斜井治理段無任何出水現象，目前已安全通行了兩個工作面的整套采煤裝備，實踐表明治理效果較好。轉龍灣煤礦副斜井治理經驗可為類似斜井的治理提供參考。