凍結井筒凍結孔涌水機理及逆流引流注漿封堵技術

曹祖寶，邵紅旗，朱明誠

(1.中煤科工集團西安研究院工程地質研究所，陜西西安710077;2.中煤科工集團西安研究院水文地質研究所，陜西西安 710054)

凍結井筒凍結孔涌水機理及逆流引流注漿封堵技術

曹祖寶1，邵紅旗1，朱明誠2

(1.中煤科工集團西安研究院工程地質研究所，陜西西安710077;2.中煤科工集團西安研究院水文地質研究所，陜西西安 710054)

針對我國西部地區(qū)深基巖凍結井筒凍結孔涌水水害技術難題，以胡家河礦主立井井筒凍結孔水害治理工程為實例，分析了凍結孔環(huán)狀導水通道生成及涌水機理，進而提出一種創(chuàng)新性的逆流引流注漿封堵技術，并介紹了該技術的原理及施工工藝。工程實踐證明，該技術能高效快速治理凍結孔涌水水害。

凍結井筒;凍結孔涌水;環(huán)狀導水通道;逆流引流注漿

0 前言

隨著我國煤炭行業(yè)的蓬勃發(fā)展，凍結法施工的全深立井井筒越來越多，目前凍結井采用雙層井壁基本上解決了我國西部地區(qū)深基巖凍結井筒井壁開裂滲漏水難題［1～3］。但是井筒施工完成之后，由于礦井建設需要，一些與井筒相配套的巷道或硐室與其貫通，揭露凍結孔環(huán)狀導水通道，造成凍結孔涌水水害。該種水害的特殊性是通道垂深大、水流速度高、沖刷力大、涌水中夾雜大量黃泥循環(huán)液及泥沙等巖石碎屑物，極易把井筒壁后掏空危及井筒整體穩(wěn)定性，造成井筒不均勻下沉及開裂等事故。如不及時治理，礦井投產后，極易將上部含水層水源導通到煤系地層，對安全生產造成極大水患威脅。

本文以胡家河礦深基巖全深凍結主立井兩次凍結孔涌水水害治理工程成功實例為背景，在分析我國西部地區(qū)深基巖全深凍結井筒凍結孔環(huán)狀導水通道生成及涌水機理基礎上，提出并應用一種創(chuàng)新性的逆流引流注漿封堵技術。

1 工程背景及地層條件［4］

胡家河礦主立井井筒采用全深凍結法施工，井筒設計凈直徑6.5 m，掘進荒徑8.4 m，凈斷面33.2 m2，外壁厚350 mm，內壁厚600 mm，采用雙層鋼筋混凝土雙塑料夾層復合井壁結構支護形式，井筒深539 m，屬于典型的西部礦區(qū)深基巖大井徑凍結井筒。2010年3月30日主井井筒箕斗裝載硐室Ⅰ號檢修通道出現(xiàn)一涌水點(井筒里程位置－471.8 m)，如圖1所示，出水口流出大量黃泥水并夾雜有小塊灰綠色泥巖碎石，井筒最大涌水量達158 m3h。硐室北墻右上角有一條裂縫，寬30 mm，長1.2 m;井筒東北部與箕斗硐室拱部肩窩連接處有開裂現(xiàn)象，開裂部位面積約有0.7 m2。2011年1月23日，上倉通風聯(lián)絡巷(井筒里程位置－432 m)貫通施工中揭露9、10號凍結管時再次發(fā)生類似涌水事故，涌水強度約100 m3h。

井筒穿過的地層由新到老為:第四系為11.96 m厚粉土及砂礫石松散層含水層，白堊系329.02 m厚洛河組粗粒砂巖承壓含水層，白堊系20.41 m厚宜君組礫巖含水層，侏羅系安定組51.8 m厚粗粒砂巖及砂質泥巖層，侏羅系直羅組32.98 m厚粗粒砂巖及砂質泥巖層，侏羅系延安組111.18 m厚砂巖承壓含水層，侏羅系安定組為礦井相對隔水層。其中洛河組含水層是井筒掘進通過的最長含水層，富水性中等～強，靜止水位埋深7.1 m，其他含水層富水性中等～弱。

圖1 胡家河礦主立井三維實體模型示意圖

2 環(huán)狀導水通道生成及導水機理

2.1 導水通道生成機理分析

由前述工程及水文地質概況可知，西部地區(qū)深基巖凍結井筒(如胡家河礦、孟村礦及亭南礦等凍結井筒)與中東部地區(qū)新井建設相比，他們具有井筒直徑大、沖積層淺、軟弱基巖深、含水層多等特性。特別是基巖多為白堊系、侏羅系巖層，成巖晚、膠結程度差、強度低，多屬軟弱不穩(wěn)定巖層，遇水軟化，強度急劇下降，有的水解成為軟泥、砂和礫石;且含水層多為孔隙裂隙含水層，漿液擴散難，預注漿效果差，當基巖含水層涌水量大時，不得不采用全深凍結法鑿井［5］。

胡家河礦主立井屬于典型的西部地區(qū)深基巖全深凍結井筒，井筒一周布置36根凍結管，貫穿全井深的凍結孔(200 mm)與凍結管(133 mm)之間形成上下導通的環(huán)狀空間，本文其為原生導水通道。

次生導水裂隙生成機理分析如下。凍結井爆破施工過程中將會擾動巖石介質，造成巖體應力和巖石強度的變化，產生巖體應力轉移、集中和巖石強度的減小，使井筒周圍巖體發(fā)生變形破壞，進而導致巖石物理狀態(tài)的改變，形成圍繞井筒周圍環(huán)狀破裂區(qū)。本文把這個由于應力作用產生的環(huán)狀破裂帶稱為井筒圍巖松動圈，見圖2。井筒輪廓面為應力自由面，爆破開挖井筒對凍結壁來說是一種卸載過程，解除了原巖應力場，使環(huán)狀破裂圍巖松動圈內巖體產生開挖變形和開挖位移，對凍結壁中凍結孔圍巖體產生較大拉應力，促進導水裂隙的發(fā)育生成。

圖2 深基巖凍結井筒凍結管環(huán)狀導水通道縱、橫剖面示意圖

另外一個次生導水通道成因為凍融循環(huán)對凍結孔圍巖體劣化損傷破壞作用。在凍融循環(huán)條件下，巖石材料承受著循環(huán)凍融引起的物理風化作用，內部相變與水熱遷移及不同溫度歷史和不同含水(冰)狀態(tài)導致內部材質劣化、巖石損傷破壞嚴重。白堊系及侏羅系巖層多屬于孔隙裂隙含水層，本質上屬于多孔脆性介質，當孔隙脆性介質凍結時，儲存在其孔隙內部的水發(fā)生凍結并產生約9%的體積膨脹率，而這種膨脹將導致凍結孔圍巖體內部產生較大的拉應力和微孔隙損傷;當圍巖體介質內部的孔隙水(或裂隙水)融化時，水會在其內部微孔裂隙中遷移，進而加速這種損傷［6］。

從力學角度來看，凍結壁中凍結孔圍巖體的凍融破壞過程為:當環(huán)境溫度降低時，巖石內部的孔隙水開始發(fā)生凍結，因為其體積發(fā)生膨脹對巖石顆粒產生凍脹力。由于這種凍脹力相對于某些膠結強度較弱的巖石顆粒具有破壞作用，故造成巖石內部出現(xiàn)了局部損傷;當溫度升高時，巖石內部的水發(fā)生融解，伴隨這一過程的是凍結應力的釋放和水分的遷移;局部損傷區(qū)域逐步連通成裂縫，巖石強度和剛度不斷降低，并最終造成巖石塊體斷裂、剝落等現(xiàn)象，從而影響其力學特性和工程應用［7，8］。

從上述凍結壁中凍結孔圍巖體的凍融破壞機理上看，造成這種凍融破壞的原因是由于組成巖石凍結和融化狀態(tài)的三相介質(水、空氣、含冰巖石)具有不同熱物理性質，巖石礦物顆粒在溫度降低時，其體積發(fā)生收縮，而冰在溫度降低時，體積發(fā)生膨脹(約9%)，巖石礦物顆粒為了限制這種膨脹，在礦物顆粒之間產生了巨大的局部拉、壓應力(即凍脹力)。由于這種凍脹力是作用在礦物顆粒及巖石微孔隙這一微觀尺度上，故孔隙水的存在及凍融循環(huán)條件會對巖石的損傷劣化產生深刻影響。

由前述2方面主要原因及凍結壁解凍引起較大垂深凍結管環(huán)狀空間上下水流沖刷作用生成的環(huán)狀裂隙導水通道稱之為次生導水通道。通過正在進行中的胡家河礦主立井凍結管水害治理工程施工實踐驗證，原生與次生導水通道在不同地層段對凍結管涌水水害起到不同的控制作用。原生導水通道范圍較小但初期影響較大，能直接引起涌水甚至淹沒部分采區(qū)。而次生導水通道是裂隙漸進破壞而生成的，對隔水層段來說，由于含粘土成分遇水軟化膨脹使裂隙自動彌合，次生導水裂隙通道對凍結管涌水作用不太強烈，但對于含水層段，范圍往往比原生導水通道大很多(如圖2所示)，若有些原生導水通道因為某種因素而導致長期充水(尤其是動態(tài)水)，則將引起對立井及巷道危害更大、更難治理的水害，從水文地質學中礦山水害充水條件分析(充水水源、充水途徑及充水強度)角度來看，次生導水通道是凍結管涌水的主要充水途徑。

2.2 導水機理分析

煤礦井下涌水的本質是地下水在原有平衡條件(地層的綜合阻隔水能力大于地下水的水頭壓力)遭受破壞后重新建立平衡的產物，當采掘活動削弱或破壞了采掘作業(yè)場所與某個含水層(體)之間的隔水巖層(體)的原有阻隔水能力，不足以完全抗衡含水層的水頭壓力時，該含水層的這一部分富余水頭壓力就會推動水流沿著最小阻力方向涌入已失去平衡的采掘場所。

凍結孔環(huán)狀導水通道將主井深度范圍內部分含水層甚至所有含水層水源上下溝通連成一體，使隔水層失去阻隔水能力，就如同在主井井壁外圍有一圈(36個)導水管道，且具有很高的壓力水頭，當與井筒配套的巷道或硐室貫通揭露凍結管時，打破了凍結孔環(huán)狀導水通道中地下水的原有平衡條件，使地層的綜合阻隔水能力小于通道中的水頭壓力，發(fā)生凍結管涌水水害。

3 逆流引流注漿封堵技術

引流注漿技術最早是在煤礦陷落柱特大突水災害、封堵突水巷道及快速復礦工程中提出來的［9］。是指在礦井發(fā)生突水災害淹井后，采取地面打鉆注漿的方法，在靜水條件下，成功封堵了井下突水點或突水點外的過水通道之后，在礦井主副井或突水點附近進行引流排水，使靜水條件變?yōu)閯铀畻l件，在水流上游繼續(xù)實施注漿，讓漿液在水流的帶動下自動尋找細小過水裂隙通道并封堵加固之，從而進一步提高注漿堵水效果，減少地面打鉆注漿的工作量，起到加快復礦速度的作用一種的注漿技術［9～11］。

本文提出的引流注漿封堵技術是在引流注漿原理的基礎上，創(chuàng)新性地提出的逆流引流注漿技術。即從水流下游逆向注漿，通過上游泄壓孔引導漿液運動并觀測注漿效果。

3.1 逆流引流注漿封堵技術的施工順序

(1)在涌水點上方井筒內20～30 m范圍內打1～2個有效泄壓孔，命中凍結孔環(huán)狀導水通道次生松動圈內。泄壓孔主要起泄壓減小導水通道水流速度、確保在注漿水閘墻穩(wěn)定性及巷道或硐室圍巖安全無脹裂。其次，泄壓孔可起引流作用，促使?jié){液按設計沖填導水通道。

(2)凍結管涌水點附近的巷道或硐室圍巖加固，為砌筑水閘墻、埋設導水管做安全保障。

(3)根據(jù)測得的水壓及巷道或硐室的圍巖巖性條件設計計算并在出水點砌筑水閘墻并埋設導水管。

(4)利用導水管作為注漿管，實施逆流引流注漿封堵技術。

3.2 引流注漿封堵技術原理分析

由上述凍結管環(huán)狀導水通道生成及導水機理分析可知，在環(huán)狀空間內由于松動圈破壞作用、凍融循環(huán)劣化損傷破壞作用及強大水流沖刷等原因堆積了很多巖石碎屑物，使凍結管涌水點與泄壓孔垂直距離之間形成一定厚度的環(huán)狀篩網通道，從水閘墻底部埋設的導水管中逆流上行注水泥單液漿，同時打開泄壓孔閘閥以引導凍結管環(huán)狀空間導水通道水從泄壓孔中流出，起到引流泄壓作用，讓漿液在凍結管環(huán)狀空間篩網導水通道中逆流上行。由漿液充填排水機理及流動沉積理論［12，13］可知:漿液進入凍結管環(huán)狀導水通道以后的流動速度和壓力是隨著離開鉆孔的距離增加而迅速降低，如圖3(a)所示。當漿液流動速度降低到某一臨界值時，漿液不能再繼續(xù)攜帶所包含的全部水泥顆粒向上流動，其中的部分水泥顆粒在重力作用下首先在臨界流速處陸續(xù)向底部沉落，如圖3(b)所示;與此同時，已開始水化反應的水泥顆粒己具有“活性”(吸附力)，促使它能被巖縫周壁和先于它沉積的其它顆粒所吸附，靠這兩種作用力，在流動狀態(tài)下沉積下來的水泥顆?；蚱湫鯃F

圖3 水泥漿沉積排水過程原理示意圖

4 引流注漿封堵效果

－432 m通風聯(lián)絡巷與主立井井筒相貫通時，凍結孔導水通道注漿封堵效果良好，無滲漏水現(xiàn)象?，F(xiàn)場采集的揭露9號凍結管實物照片及－471.8 m箕斗裝載硐室Ⅰ號檢修通道掘進時揭露的5號凍結管實物照片(如圖4所示)可看出環(huán)狀導水通道注漿封堵效果很好。表明引流注漿封堵深基巖凍結井筒凍結管涌水技術具有很大的推廣和借鑒意義及應用空間。

5 結論

(1)本文分析了我國西部地區(qū)深基巖全深凍結井筒凍結孔環(huán)狀導水通道生成機理及涌水機理。認為其由原生導水通道和次生導水通道組成，原生導水通道在隔水層段對涌水、災害起控制性作用;次生導水通道在含水層段是凍結管涌水水害的主要充水之間逐漸凝固。沉積的結果使?jié)B漿斷面縮小，注漿壓力和漿液流動速度都發(fā)生變化，如圖3(c)所示;多余的水分在沉積層頂部或側部微小的裂縫內以清水的形式從泄壓孔中流出，直至環(huán)狀空間全部充填滿為止，如圖3(d)所示。待泄壓孔返漿并逐漸變稠時，表明漿液顆粒已經快堆積到泄壓孔孔口，這時開始注水泥－水玻璃雙液漿，并逐漸關小泄壓孔閘閥;待漿液凝固具有一定強度后，利用相同逆流引流注漿原理，從下面的泄壓孔逆流注漿，使上面的泄壓孔起到泄壓及引流作用，依次進行，實現(xiàn)快速有效地封堵凍結管涌水水害。途徑。

(2)提出并成功實施了一種創(chuàng)新性的逆流引流注漿封堵凍結孔涌水技術，治理了胡家河礦主立井凍結孔涌水水害。

(3)由于本逆流引流注漿封堵技術是初次提出且僅應用于一個礦井，雖然應用效果較好，但普及性有待于進一步深入的工程驗證。

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In-rushing Water Mechanism of Freezing Hole of Frozen Shaft and Counter-flow Water Diversion Grouting Sealing Technology

CAO Zu-bao，SHAO Hong-qi，ZHU Ming-cheng(1.Institute of Engineering Geology，Xi’an Research

Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Crop，Xi’an Shaanxi 710077，China;2.Institute of Hydrological Geology，Xi’an Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Crop，Xi’an Shaanxi 710054，China)

In order to solve the water disasters caused by freezing holes of full-depth bedrock frozen shaft in western China，analysis was made on the form of annular water-transmitting channels in freezing holes and the in-rushing water mechanism with the case of water disasters control project of Hujiahe coal mine.The paper presents an innovating counter-flow water diversion grouting sealing technology and introduced its principle and construction process.The project practice proved that this technology can effectively and quickly control the in-rushing water disaster of freezing hole.

frozen shaft;in-rushing water of freezing hole;annular water-transmitting channel;counter-flow water diversion grouting

TD745+.2

A

1672－7428(2012)08－0046－04123

2012－03－12

中煤科工集團西安研究院青年創(chuàng)新基金項目(2011XAYQN013)

曹祖寶(1979－)，男(漢族)，安徽六安人，中煤科工集團西安研究院工程師，礦產普查與勘探專業(yè)，碩士，從事井巷特殊支護與防治水工程施工技術工作，陜西省西安市高新區(qū)錦業(yè)一路86號，caozubao@cctegxian.com。