凍結(jié)法鑿井大斷面井筒壁座施工突水原因分析及治理技術(shù)

許 春

（鄭州煤炭工業(yè)〈集團(tuán)〉有限責(zé)任公司 河南 鄭州 450042）

1 工程概況

鄭煤集團(tuán)李糧店礦井是一座設(shè)計(jì)能力240萬噸/年的大型礦井，目前處于基建階段。礦井主采二1煤層，為立井單水平上下山開拓，初期布置主、副、風(fēng)井三個(gè)立井，井筒凈徑分別為 5m、6.5m、6m，井筒設(shè)計(jì)深度分別為771m、788m、542m。該礦井筒位置均處于第三系、第四系厚表土層及基巖風(fēng)化帶內(nèi)，其中主副井區(qū)表土層厚達(dá)480m、沖擊層深部分別含多層厚層粘土層且含水量豐富，設(shè)計(jì)采用全深凍結(jié)法施工，井壁為塑料夾層雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁（外壁厚度600～1000mm、內(nèi)壁厚度600mm），混凝土強(qiáng)度為C60～C80。副井井筒于2010年1月1日正式開挖，至2010年8月20日突水止施工了537m，施工順序?yàn)樽陨隙戮蚱鼍餐獗诤笤僮韵露弦淮涡云鲋矁?nèi)壁。副井井筒采用差異凍結(jié)，設(shè)計(jì)淺孔深度525m、深孔深度800m。

2 副井井筒壁座施工突水事故

2.1 壁座設(shè)計(jì)

當(dāng)副井井筒施工至500m段時(shí)，己砌筑的井筒外壁有多處顯現(xiàn)較厲害的粘土層“后凍壓力”，使井壁出現(xiàn)裂紋、裂縫及裂塊，嚴(yán)重影響施工安全。經(jīng)專家分析為主體是施工過快，粘性土層凍結(jié)時(shí)間不夠，決定對(duì)己施工段進(jìn)行分段套壁，以使上部井壁安全并可加強(qiáng)井筒凍結(jié)，由此需要提前施工副井井筒壁座，以承托上下部井壁重量。繼續(xù)施工至522m時(shí)，設(shè)計(jì)為壁座起點(diǎn)。為減小凍結(jié)孔圈徑及凍結(jié)壁厚度，設(shè)計(jì)將內(nèi)外層井壁間夾層去掉改為整體澆注，同時(shí)將井筒外徑加深1000mm，用內(nèi)外層整體澆注井壁及基巖井壁的收臺(tái)形成圓筒形整體壁座。壁座設(shè)計(jì)高度15m（井筒深度522m～537m段），厚度為1.6m，跨度為9.7m，四層鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度C70。

2.2 壁座施工方法

表1 附爆破參數(shù)表

采用光爆法破巖，錨桿臨時(shí)支護(hù)（錨桿規(guī)格為Φ43×1800mm金屬管縫錨桿，間排距800×800mm，錨固力不低于45kN）以防片幫；壁座施工與井筒分段砌筑內(nèi)壁統(tǒng)一考慮，施工順序?yàn)樽陨隙孪刃绣^桿臨時(shí)支護(hù)，而后自下而上采用液壓滑模一次性整體澆注完畢，順序可接著向上套井筒內(nèi)壁。

2.3 壁座施工突水

2010年8月20日18:10，在井筒壁施工至垂深535m（此時(shí)壁座施工13m）時(shí)，在井筒西南方向約526m處一根錨桿出水，水量約2m3/h；20點(diǎn)時(shí)，垂深527m～530m段有多根錨桿出水，且水量增多并水壓增大，井下帶班干部立即安排提盤撤人；22:30時(shí)，實(shí)測(cè)井幫出水量30m3/h；21日5點(diǎn)時(shí)，水量穩(wěn)定在40m3/h。本次突水造成停產(chǎn)18天，直接經(jīng)濟(jì)損失46萬元。

3 副井井筒壁座施工突水治理技術(shù)

3.1 方案選擇

要實(shí)現(xiàn)堵水，封閉涌水通道，方案有三：

（1）加大排水及導(dǎo)水，“頂水”作業(yè)，強(qiáng)行通過，而后進(jìn)行壁后注漿堵水；

（2）增開凍結(jié)機(jī)組，延長凍結(jié)時(shí)間，加強(qiáng)凍結(jié)，實(shí)現(xiàn)封“天窗”的目的；

（3）工作面設(shè)置止?jié){墊，工作面注漿堵水。

以上三個(gè)方案中，方案（1）因突水量相對(duì)較大、井筒斷面跨度較大（設(shè)計(jì)9.7m）且突水后井幫片幫厲害，實(shí)際操作困難，風(fēng)險(xiǎn)極大；方案（2）可以實(shí)現(xiàn)，且封閉“天窗”后最為安全，但用時(shí)太長（一般需用90以上），費(fèi)用較高，且期間需水位要求相對(duì)靜止（因動(dòng)水更難凍結(jié)封閉），這樣會(huì)延誤對(duì)上段井壁套內(nèi)壁時(shí)間；方案（3）相對(duì)安全，實(shí)施時(shí)間相對(duì)較短，費(fèi)用較方案（2）少，且對(duì)上段井壁套內(nèi)壁有利。綜合比較，選用方案（3）作為治理方案。

3.2 方案實(shí)施順序

（1）在工作面采用石子回填至井幫出水點(diǎn)以上500mm；

（2）原壓風(fēng)管改為排水管，設(shè)泵排水，將水面降至濾石層面并保持；

（3）在濾石層中對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)直徑400mm、高度7700mm的濾水桶，其下端深入濾石中2500mm并開有長條形濾水孔、上端高出設(shè)計(jì)止?jié){墊200mm；另距井幫500mm均勻布置4根Φ25.4mm注漿花管。

（4）按設(shè)計(jì)澆注止?jié){墊，等凝固，同時(shí)在濾水桶內(nèi)安裝潛水泵與外部大泵接力排水；

（5）止?jié){墊凝固后，加固止?jié){墊；

（6）利用預(yù)埋的四根Φ25.4mm注漿花管對(duì)濾水層進(jìn)行注漿充填；

（7）封堵濾水桶；

（8）對(duì)出水部位按設(shè)計(jì)進(jìn)行注漿。

3.3 方案實(shí)施要點(diǎn)

根據(jù)進(jìn)行突水段及壁厚冒落情況，對(duì)突水段利用預(yù)埋的注漿管采用2TJZ-60/210型注漿泵，使用P.O42.5水泥和模數(shù)M=2.4～3.4 Be′=35～45水玻璃，待止水墊凝固5～7天后在工作面進(jìn)行注漿，注漿漿液在注漿工作面采用人工配制，分別對(duì)止水墊加固、壁厚冒落充填、濾水層注漿等進(jìn)行注漿施工，要點(diǎn)如下：

（1）為保證注漿施工效果，首先對(duì)止水墊進(jìn)行加固注漿，加固時(shí)采用水灰比為1.25：1的單液漿進(jìn)行加固，防止濾水層跑漿，注漿終孔壓力為5MPa。

（2）待止水墊加固后，對(duì)壁厚冒落區(qū)利用預(yù)埋的Φ25.4mm鋼管采用1：1的雙液漿進(jìn)行充填，注漿終孔壓力為5.5MPa。

（3）在完成壁厚冒落區(qū)的充填后，利用預(yù)埋的四根Φ25.4mm注漿花管對(duì)濾水層進(jìn)行注漿充填，充填時(shí)采用水灰比為1：1的單液漿進(jìn)行充填，注漿終孔壓力為10MPa。

（4）完成濾水層充填后，實(shí)施濾水桶壓蓋的封蓋，濾水桶注漿漿液選擇水泥—水玻璃雙液漿，水灰比為1：1，注漿終孔壓力為10MPa。

（5）最后利用在出水點(diǎn)預(yù)埋的Φ25.4mm鋼管對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行注漿施工，采用1：1的雙液漿進(jìn)行充填，注漿終孔壓力為10MPa。

3.4 方案實(shí)施效果

采用以上方案技術(shù)，實(shí)現(xiàn)順利注漿堵水，共用時(shí)18天。在上段井壁套內(nèi)壁結(jié)束后，邊探水邊向下掘砌施工，進(jìn)展順利。

4 副井井筒壁座施工突水原因分析

突水事故發(fā)生后，組織相關(guān)專家進(jìn)行分析討論，認(rèn)為突水原因有：

4.1 壁座位置巖性為砂質(zhì)泥巖，且處于深淺凍結(jié)孔交接邊緣，凍結(jié)壁仍存在薄弱環(huán)節(jié)；

4.2 施工中一次起爆炸藥數(shù)量巨大，設(shè)計(jì)為227kg水膠炸藥，且實(shí)際用量達(dá)到240kg，爆破震動(dòng)是造成凍結(jié)井壁突水的最主要原因；

4.3 壁座施工先行掘進(jìn)并臨時(shí)支護(hù)（突水時(shí)己施工13m），而后上行一次砌壁，使井壁暴露面積太大（396m2）且時(shí)間較長（5天），施工方法有誤；

4.4 臨時(shí)支護(hù)只用管縫錨桿，護(hù)表能力差，錨固力低，設(shè)計(jì)不合理。

5 結(jié)語

凍結(jié)法鑿井雖是目前廣泛采用的建井技術(shù)，而且我國在此方面處于國際領(lǐng)先水平，但由于特殊地層、經(jīng)濟(jì)考慮及凍結(jié)與掘進(jìn)匹配關(guān)系等多種因素，會(huì)使局部凍結(jié)壁存在薄弱環(huán)節(jié)。在實(shí)際施工中，尤其對(duì)于其中的大斷面硐室的施工方法及順序，對(duì)井筒掘進(jìn)段高選擇，對(duì)爆破炸藥控制方面，還要因地制宜，切實(shí)采取妥當(dāng)措施，以確保施工安全。