環形巷道在生產礦井凍結孔水害治理中的應用

張旺余,韓定鋒,余智秘,張寶鋒,郭 震

(1.陜西彬長礦業集團有限公司,陜西 咸陽 713200;2.陜西彬長胡家河礦業有限公司,陜西 咸陽 713602)

0 引言

凍結工程完成后井筒會自然解凍,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,即導水通道,將從地面到井底所有的含水層連成一體[1-4]。環狀導水通道使原來的隔水層失去隔水作用,任何一個導水通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。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,甚至發生突水事故,對礦井安全生產造成極大的水害威脅[6-8]。

胡家河煤礦凍結管穿過巨厚(厚度可達329 m)洛河組含水層,含水層富水性中等、水頭壓力高,凍結管導水環形空間導水能力隨時間變化較大,一旦副立井凍結管水害影響顯現,將影響礦井的正常生產。基于胡家河煤礦巷道布設、使用情況及施工需求,在副立井合理位置、合理層位開挖環形措施巷,由措施巷向井筒方向開挖耳硐逐根揭露并截斷凍結管,通過回填混凝土的方式徹底阻斷副立井井筒凍結管環形空間導水通道,阻擋洛河組含水層水源通過該通道流向井下工作空間,以根治胡家河煤礦副立井凍結管水害,徹底解除副立井凍結管水害對礦井正常生產的潛在威脅。

1 工程概況

胡家河煤礦副立井井筒凈直徑8.5 m,總深度568.3 m,全井筒凍結施工,井口設計標高+868.3 m。井壁結構設計為內、外雙層鋼筋混凝土井壁:外層厚度0.4 m,為單層鋼筋混凝土;內層厚度0.7 m,為雙層鋼筋混凝土。井筒施工期間,在井筒外圍布設44個用于裝置冷凍管的φ190 mm鉆孔,孔深比副立井深度略大,內置φ133 mm冷凍管實現冷凍施工,井筒周邊還施工3個測溫井,共47個鉆孔。副立井施工結束后,井筒逐漸出現涌水量增大及混凝土變形等異常現象。由于副立井凍結孔環形導水通道導水能力受多種因素影響,隨時間變化較大,對副立井正常使用有著嚴重影響,加之凍結孔環形空間充水水源、導水通道的存在,如不徹底治理該凍結孔水害,副立井井筒將始終存在發生井筒失穩的潛在威脅。為了徹底封堵洛河組與下部地層之間凍結管環狀空間,修補有效隔水層,恢復原地層隔水特性,切斷洛河組含水層與下部地層的水力聯系,礦井通過環形措施巷系統工程對副立井凍結孔水害進行徹底治理。

2 凍結孔水害形成機理

天然條件下安定組泥巖和侏羅系地層作為阻隔洛河組含水層水進入井下采掘工程的主要隔水層,其自身富水性極弱且隔水性良好,洛河組含水層水不會進入井筒下段造成馬門頭變形、淋水。凍結工程完成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可能形成環狀空間。這些環狀空間便成了水力聯系導水通道,將立井從地面到井底所有含水層連成一體,使原來的安定組、侏羅系隔水層失去隔水作用。由于環狀空間形成的聯通導水通道將立井的所有含水層連成一體,就如同在立井井壁外圍有一圈導水管道,將所有的含水層連成一體,任何一個導水管道與巷道溝通都有可能出現較大的涌水。初期凍結孔下部多被沉渣充填而不易導水,但充填碎屑物幾乎沒有膠結強度,較松散。隨著時間推移洛河組含水層通過凍結孔環狀空間逐漸下滲,環狀空間導水通道在多種因素的影響下逐漸暢通,導致凍結孔井筒下部涌水出現反復,對井筒安全生產帶來隱患。洛河組含水層水頭+812～+854 m,環狀空間的導水作用使得井底馬門頭頂板承受較高的靜水壓力。同時,洛河組含水層水通過鉆孔緩慢滲透補給延安組地層,由于侏羅系泥巖遇水軟化,在一定程度上降低了砂泥巖的力學強度,導致井筒底部構筑物出現變形。

3 環形措施巷治理工程

胡家河煤礦副立井凍結孔水害治理的關鍵在于堵截凍結孔環狀空間,封閉導水通道。要封堵導水通道,就要在富水含水層以下的位置揭露凍結管,截斷凍結管后對凍結管套筒與凍結管之間形成的環狀空間進行注漿充填[9-12]。沿副立井凍結管外圍開挖一條環形措施巷道,再通過開挖耳硐的形式逐個揭露凍結管及環狀空間。在采取一定安全措施及應急預案的基礎上,固定凍結管并逐根割斷,然后用混凝土對耳硐及環狀空間進行澆筑充填,在原凍結管位置形成一個環狀混凝土隔水體,從而達到阻斷上、下地層的導水通道,有效阻斷洛河組含水層地下水流向井下工作空間的目的。

3.1 環形措施巷層位選擇及施工

胡家河煤礦副立井環形措施巷位于洛河組含水層以下,層位選擇時須避開二號壁座應力擴散范圍,在阻隔凍結管下泄通道的同時對井筒影響最小;環形措施巷應位于巖性較堅硬的巖層中,且上下發育有穩定、隔水層性能良好的地層,施工條件好,同時有利于混凝土澆筑;井下巷道施工、運輸、排水等便利條件,有利于環狀空間涌水時的臨時排水。結合井下巷道施工條件,選擇的開挖層位是自主立井檢修硐室處開挖,向上斜至副立井環形措施巷位置,環形措施巷的底板高程選擇在二號壁座以上5 m的位置,地層為粗砂巖層,底板相對標高-503 m,如圖1所示。

圖1 副立井井筒環形措施巷及輔助巷剖面示意

結合相似條件井筒水害治理經驗及數值模擬計算分析表明,在井筒中心線至環形措施巷內側幫距離L=10.75 m時,2 m×2 m的環形截水巷道和2 m×2 m的耳硐在開挖支護后,其自身的穩定性滿足要求且對井筒井壁的穩定性影響最小。井筒中心線距離環形措施巷內側幫距離L=10.75 m是水平方向上環形截水巷道的最佳位置。主要施工工序為掘進輔助巷→掘進環形措施巷→開挖耳硐→處理凍結管→回填耳硐……開挖耳硐→處理凍結管→回填耳硐→回填環形措施巷→回填輔助巷。

3.2 凍結孔探查

凍結孔由于施工深度較大,孔斜造成的位置偏移也可能較大,凍結孔揭露方案以超前探水孔的揭露為主,即在巷道掘進過程中,執行先鉆探、后揭露的方法。每個耳硐均需開展凍結管位置探查,在每個耳硐迎頭工作面均布設超前探水孔個數不少于4個,孔徑φ32 mm,孔深3.5 m,孔間距0.5 m。若不能探查出凍結管位置,則在原探查密度基礎上均等加密探查。對無水的凍結孔,可直接揭露處理;對涌水量小于30 m3/h且無水壓的凍結孔,通過耳硐直接揭露凍結孔。如果測算后凍結孔內涌水量太大,無法直接揭露,可進行引流注漿后再通過耳硐揭露凍結管。

3.3 凍結孔注漿

由于在凍結孔處理過程中,需要預留一個出水量大的凍結孔作為泄壓孔,泄壓的凍結孔需要在最后做單獨處理,因此凍結孔的注漿分2種情況進行。

3.3.1 常規注漿

對于可以直接揭露、割管的凍結孔,耳硐封閉前應提前進行注漿。因此注漿分2步進行,首先對凍結管外部的環狀空間進行注漿,然后對凍結管進行注漿封堵。整個注漿均采用插管注漿方式進行,即在環狀空間與凍結管內注漿時,均向注漿空間插入2根注漿管,一高一低,對環狀空間或凍結管進行注漿封堵,插管下部用棉紗等封堵,形成孔口密閉注漿。

3.3.2 引流注漿

如果措施巷或耳硐掘進中出現大量涌水,可進行巷道內短距引流注漿后進行升壓注漿處理,如圖2所示。向凍結孔上方施工短距引流孔,孔徑φ130 mm,引流孔導出水流后下入108 mm引流管;在φ108 mm引流管上方插入φ25 mm引流注漿管1,通過引流注漿孔1進行雙液漿注漿固管,引流注漿至φ108 mm引流管出漿,關閉引流注漿管1;巷道前方施工400 mm厚擋漿墻,下部用礦渣、上部采用袋裝水泥擋漿,通過引流注漿管2進行水泥-水玻璃雙液漿注漿,至φ108 mm引流管出漿,關閉引流注漿管2,候凝24 h;通過φ108 mm引流管孔口法蘭安裝截止閥,接通注漿管進行升壓注漿,待注漿結束后24 h,可按原設計恢復巷道掘進。

圖2 引流注漿方法示意

3.4 耳硐及措施巷回填

由于環形措施巷及耳硐距離副立井井壁較近,圍巖受開鑿副立井施工時的破壞及擾動較大,對于裂隙較發育的部位需要進行壁后注漿處理。耳硐施工完成后從耳硐向井筒井壁施工鉆孔,孔徑φ42 mm,相鄰孔間距1 m,呈雙層三花眼布置,預埋φ25 mm注漿管,用1∶1的純水泥漿和體積比1∶0.5的水泥漿、水泥-水玻璃雙液漿進行注漿,注漿壓力不得大于3 MPa。耳硐回填注漿采用耳硐口支單模封閉,硐內采用水泥漿液充填。硐口采用37紅磚支模,拱頂及兩幫頂角部位掏槽深度150 mm,預埋注漿返流管,下部預埋注漿管,注水灰比1∶1的純水泥漿固結密實。耳硐及環形措施巷回填注漿必須回填密實,不得“空幫”“空頂”,在易于形成空幫、空頂的部位預埋φ25 mm注漿管,待下部注漿管注漿完成后,用1∶1的純水泥漿進行注漿充填加固。

4 治理效果評價

胡家河煤礦副立井凍結孔水害治理工程施工輔助巷、環形措施巷等總長度為295.78 m,揭露并注漿封堵凍結管及測溫管共46個(其中C1管并未施工至該層位),如圖3所示。通過環形措施巷系統工程查明了副井馬頭門涌水水源為覆巖洛河組含水層水,導水通道為凍結孔及凍結管,揭露情況表明其導水通道具體為E17、E4、E5、C3管內及環狀空間,自C3測溫管割管引流后,副井馬頭門淋水情況完全消失,至今未出現淋水現象,達到了工程預期目的。

圖3 環形措施巷與耳硐位置關系圖

5 結論

(1)胡家河煤礦副立井井筒出水原因是由于井筒解凍后,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發生破裂損毀,導致井筒馬頭門突發涌水。

(2)采用在井筒周圍選擇有利地層,通過施工環形措施巷系統工程,揭露凍結孔,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,徹底治理了副立井水害隱患。

(3)環形措施巷系統工程治理凍結孔水害對礦井正常生產的影響程度低,治理質量安全可靠,對生產礦井井筒凍結孔水害治理具有良好的借鑒意義。