孟村煤礦井筒施工水害治理對策

王 剛

(陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

煤礦水害是與粉塵、火災、礦壓、瓦斯并列的五大井下災害之一，由于我國水文和煤礦地質環境多樣且復雜，煤礦開采活動普遍受到水害威脅[1-2]。據統計，在現已探明的煤炭含量中，受水害威脅的含量約占27%，壓煤超過100億t[3]。我國西北地區采掘煤層圍巖處于高巖溶、高地溫、高地壓的地質力學環境中，極易因采掘振動而引起底板巖溶水事故[4-5]。西北礦區在高強度、規模化、現代化的開采條件下，遇到透水、潰砂、頂板涌水等新型水害的頻率相對較高，嚴重威脅井下施工人員生命安全[6-7]。擬不完全統計，2016—2020年我國共計出現35起礦井水害事故，死亡高達200多人，在全部煤礦安全事件中占比15%以上，發生頻率僅次于瓦斯事故，這也從側面反映出煤礦井下水害對施工安全所產生的嚴重影響[8-11]。陜西省孟村煤礦主、副井與回風立井實際揭露水量大幅高于預測值，風井、主井掘進至下白堊統第一段含水層后，涌水量實測值分別高達116.57 m3/h和347.72 m3/h，井筒施工被迫停止。因此，研究模擬分析該煤礦井筒所穿遇的下白堊統第一段含水層的涌水量規律，進而提出相應的水害治理對策。

1 水害防治目標與治理方式選擇

避免出現因涌水而造成的嚴重淹井事故，恢復井筒正常施工，工作面預注漿段每延米涌水量保持在0.5 m3/h以內，白堊系總涌水量維持在6 m3/h以內。假設井筒荒徑9.6 m，預掘段為25 m，基于現有施工經驗和現場排水能力，在段內涌水量超過50 m3/h的情況下采用預注漿施工方式；在段內涌水量低于50 m3/h的情況下，采用直接掘進再壁后注漿的施工方式。假設探水孔孔徑為0.1 m，探水深度為40 m，則相應的掘進與探水計算模型如圖1所示。

圖1 掘進與探水計算模型Fig.1 Calculation model of excavation and water exploration

掘進與探水計算模型整體呈圓柱形，高60 m，半徑100 m。基于多級外側水壓進行計算，發現在筒開挖25 m涌水量50 m3/h時，40 m深的探水孔的涌水量為19.98 m3/h。因此在40 m深探水孔出水量低于19.98 m3/h時，采用直接掘進的施工方式，此后通過壁后注漿來治理水害。若探水孔出水量超過19.98 m3/h，則立即針對預掘段實施預注漿處理。

2 井筒注漿

2.1 工作面探水

于井筒周邊均勻設置4個探水孔，設定40 m為一個輪次，設計深度為40 m，傾角為85°，井筒荒徑與探水孔之間保持1 m距離，井筒與終孔保持3 m距離，具體布設方案如圖2所示。

在實施探水孔施工之前，首先以3.5 m的釬子對開孔位置實施短探，探孔深度3.5 m，鉆孔直徑42 mm。在探水孔布置參數的指導下，通過潛孔鉆配合φ108 mm的鉆頭打造深3.2 m的孔洞。在此基礎上，安裝長3.2 m、φ89 mm的孔口管，通過返漿法固管，管頭外露小于0.2 m，于孔口上部安裝抗壓12 MPa、φ80 mm的閥門。

靜置24 h后通過注漿機試壓，于孔深4 m位置設置高壓閥門，試壓時間20min，壓力10MPa。通過φ75 mm無心鉆實施套孔鉆進，在孔內涌水量達40 m3/h的情況下鉆機抽出，測量水壓與水量并將閥門關閉。記錄探水孔出水水量，基于返屑情況和鉆進速度判別巖性層位。

圖2 探水孔布設方案Fig.2 Layout scheme of water probe hole

2.2 壁后注漿

在實施掘進施工且涌水量處于30～60 m3/h時實施壁后注漿施工，對位于井壁的明水點實施封堵。預期理想效果如圖3所示。

圖3 壁后注漿預期效果Fig.3 Expected effect of back wall grouting

2.3 注漿高度

基于井筒涌水量預測結果，壁后注漿范圍應覆蓋下白堊統第一段位置，三井累計注漿段高為900 m。

2.4 布孔方式

(1)明水點封堵。通過打孔作業來封堵位于井壁的明水點，可采用直接打孔和側邊打孔2種鉆孔布置方式，具體形式如圖4所示。

直接打孔的處理方法為：在注漿孔進入壁后一定深度時安裝孔口管并注入速凝漿液。而水流與水壓的作用下，水口會逐漸被反流回來的漿液封堵。在此基礎上原位套孔延伸1～2 m，以充分擴散漿液為目的實施二次注漿，使壁后出水通道被徹底封堵。側邊打孔的處理方法為：首先對深度較大的注漿孔實施水壓疏導處理，溝通壁后水源，降低出水點水壓與水量；在此基礎上，針對深度較小的孔實施注漿處理，采取與直接打孔二漿注漿相同的處理方法。

圖4 明水點封堵布孔方式Fig.4 Hole arrangement for open water point plugging

(2)排狀布孔。在井壁橫向布孔方面，風井和主井均各排均設置4個孔位，孔位間距4.7 m；副井各排設置5個孔位，孔位間距5.2 m。為確保各孔位注漿后所溢出的漿液能夠相交，需要預先設定2 m的漿液擴散半徑；在井壁縱向布孔方面，主井、副井和風井各段均布設2排孔位，為了確保滲漏集中位置能夠實現井壁模板的充分接茬，需要在井壁接茬上、下0.6～0.7 m位置采用插花式的布孔方案。具體布設形式如圖5所示。

2.5 注漿材料參數

本次研究通過水泥—水玻璃雙液漿和純水泥漿兩種材料對井壁裂縫和孔洞實施填補，其中水泥—水玻璃雙液漿用于填充井壁微細裂隙，純水泥漿用于填充較為寬大的井壁空洞和裂隙，2種注漿材料的具體配置參數見表1和表2。

3 工作面預注漿設計

3.1 注漿段選擇及劃分

基于既定的設計方案，本次研究在孔深40 m 的探水孔單孔涌水量超過19.98 m3/h時實施工作面預注漿處理。主立井注漿分2段施工，分別注漿45 m，開挖35 m，為形成預留巖帽，還需于2段之間交叉10m。副立井采用同樣的注漿與開挖方案。風立井設10 m的額外注漿段和7 m的混凝土止漿墊，預計強含水層厚36 m，注漿鉆孔總深度為53 m一次注漿。

圖5 立井破壁注漿布孔設計Fig.5 Hole layout design of shaft wall breaking grouting

表1 單液水泥漿配制參數Tab.1 Preparation parameters of single liquid cement slurry

表2 水泥—水玻璃雙液漿配置參數Tab.2 Configuration parameters of cement water glass double slurry

3.2 止漿墊設計

3.2.1 止漿墊厚度

采用強度等級為C50混凝土制作平底形止漿墊，止漿墊厚度的計算方法如下：

(1)

式中，Bd為止漿墊厚度；P0為注漿終壓力；r為井筒掘進半徑；[δ]為混凝土最高抗壓強度。

混凝土最高抗壓強度的計算方法如下：

(2)

式中，f3-7為3～7 d內混凝土的最高抗壓強度；γk為荷載系數，通常取28 d強度的2/3，取2～3。

3.2.2 井壁強度驗算

井壁強度驗算公式如下：

(3)

式中，D為井筒直徑；E為井壁厚度；h為球面度，通常取h=0.3。

3.2.3 止漿墊濾水層的厚度

止漿墊濾水層的厚度的驗算方法如下：

(4)

式中，q為井筒水量；t為停泵時間；β為碎石層的孔隙率，r為井筒荒半徑。

3.3 注漿孔布置

研究中，預注漿采用內外雙帷幕封閉、徑向斜切斜孔的布孔方式，注漿孔數的計算公式如下：

(5)

式中，A為井壁與注漿孔間距；L為注漿時間。

徑向偏角計算公式如下：

(6)

式中，α為鉆孔在徑向上與豎直軸線的夾角；S為終孔位置在徑向上超出凈直徑的距離；H為穿過底板巖層時段高。

以副立井193工作面為例，根據表3的各項參數布置注漿孔，預設井筒有效帷幕厚度4.5 m，預設漿液有效擴散半徑R=2.0 m，以漿液均勻擴散的方式實施注漿，帷幕厚度要求如圖6和圖7所示，鉆孔總進尺1 467 m，“J”表示檢查孔，“Z”表示注漿孔。

表3 注漿孔布設參數Tab.3 Layout parameters of grouting hole

圖6 副井注漿孔開孔位置Fig.6 Opening position of grouting hole in auxiliary shaft

圖7 副立井193工作面預注漿孔布置Fig.7 Layout of pre grouting holes in 193 working face of auxiliary shaft

4 注漿治理效果

以主立井為例，該項目施工總計持續1年，共實施6次壁后注漿，月平均進尺22 m，白堊系地層厚度267 m，井筒全長684 m，最終順利掘砌到底。

4.1 工作面預注漿

分別于井深227.3、245.3 m工作面實施預注漿處理，通過第1段和第2段注漿建立如圖8所示的預留巖帽。

圖8 主立井水下混凝土止漿墊施工方案Fig.8 Construction scheme of underwater concrete mortar stop pad for main shaft

在整個施工過程中，施工單位于井深227.3 m位置遇到爆破突水淹井問題，后通過水下混凝土止漿墊建立新的作業面，成功解決該問題；在進入注漿鉆孔施工階段后，于單個注漿孔12 m深度下，遇到涌水量125 m3/h且超過10 m的涌水現象，同樣針對工作面采取兩次預注漿的處理方案，成功將涌水量壓制在10 m3/h以內。第1次注漿鉆孔總鉆孔深度3 289 m，建立注漿孔45個、頂部增設止漿墊3.5 m、澆注混凝土止漿墊7 m，注漿后段內掘進總涌水量15.25 m3/h，共注入水玻璃311.39 t、強度等級為C50混凝土1 799.40 t，施工時長共計2個月。第2次注漿總計鉆孔深度5 122.5 m，建立工注漿孔45個、澆注混凝土止漿墊2.7 m，注漿后段內掘進總涌水量18.48 m3/h，水玻璃用量169.2 t，強度C50混凝土用量1 027.73 t，施工耗時1個月。

4.2 壁后注漿

壁后注漿共建立約600個注漿孔，消耗水玻璃約50 t，強度等級為C50混凝土約300 t，注漿后井筒涌水量被壓制在10 m3/h以內，施工效果顯著。

5 結論

陜西省孟村礦井在經過兩段注漿施工后，井下涌水問題得到了根本性的解決，主、副、風井涌水量最終被控制在0.24、1.65、1.80 m3/h的水平線上，整個施工過程安全順利，井筒施工質量合格，相比于傳統的凍結法施工方案可節約附加費用70%以上，節約施工工程50%以上，顯著提升了該礦區的生產效益。

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