一種深基巖凍結(jié)井筒凍結(jié)孔水害治理技術(shù)*

路根奎 邵紅旗

(1.陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司;2.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院)

隨著我國(guó)西部煤炭行業(yè)的蓬勃發(fā)展，凍結(jié)法施工的深基巖全深立井井筒越來(lái)越多，凍結(jié)工程結(jié)束即井筒施工完成之后，限于技術(shù)或工程難度往往不能把凍結(jié)管完全拔出并充填水泥砂漿對(duì)凍結(jié)孔進(jìn)行徹底封孔，形成封閉不良導(dǎo)水通道。后期由于礦井建設(shè)需要，與井筒相配套的巷道或硐室與其相貫通，必須揭穿凍結(jié)孔，溝通凍結(jié)孔環(huán)狀導(dǎo)水通道水，當(dāng)?shù)叵滤畨杭坝克畯?qiáng)度較大時(shí)，容易造成凍結(jié)孔涌水水害。該種水害的特殊性是通道垂深大、流速高、沖刷力大、涌水中夾雜大量黃泥循環(huán)液及泥沙等，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(kāi)裂災(zāi)難性事故。如不及時(shí)徹底治理，礦井投產(chǎn)后，極易將上部含水層水源導(dǎo)通到煤系地層，對(duì)安全生產(chǎn)造成極大水患威脅。

本研究在分析凍結(jié)孔環(huán)狀導(dǎo)水通道生成及涌水機(jī)理基礎(chǔ)上，提出一種從根本上治理深基巖凍結(jié)井筒凍結(jié)孔涌水水害的新技術(shù)。以胡家河礦主立井井筒凍結(jié)孔水害治理項(xiàng)目為工程實(shí)例，證明該種新技術(shù)能從根本上治理深基巖凍結(jié)井筒凍結(jié)孔涌水水害，可取得巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 深基巖凍結(jié)井筒封閉不良凍結(jié)孔涌水機(jī)理分析

我國(guó)西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒(如胡家河煤礦、孟村煤礦、亭南煤礦及塔然高勒煤礦等凍結(jié)井筒)與中東部地區(qū)新井建設(shè)相比，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(jié)程度差、強(qiáng)度低，多屬軟弱不穩(wěn)定巖層，遇水軟化，強(qiáng)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(kuò)散難，預(yù)注漿效果差，當(dāng)基巖含水層涌水量大時(shí)，不得不采用全深凍結(jié)法鑿井［1］。

胡家河礦主立井屬典型的西部地區(qū)深基巖全深凍結(jié)井筒，井筒一周布置36根凍結(jié)管，貫穿全井深的凍結(jié)孔(200 mm)與凍結(jié)管(133 mm)之間形成上下導(dǎo)通的環(huán)狀空間，這里稱其為原生導(dǎo)水通道;由后期施工影響及水文地質(zhì)條件發(fā)生變化造成的環(huán)狀導(dǎo)水通道稱其為次生導(dǎo)水通道。如圖1所示。

圖1 原生及次生導(dǎo)水通道橫剖面

本研究認(rèn)為次生導(dǎo)水通道主要由以下幾個(gè)方面的作用形成:

(1)抽水資料顯示白堊系洛河組砂巖含水層滲透系數(shù)較小，徑流條件緩慢。胡家河礦主立井井筒基巖部分筒身幾乎全部在這層大厚度白堊系洛河組砂巖含水層中穿過(guò)，凍結(jié)工程形成凍結(jié)壁后，壁內(nèi)洛河組含水層內(nèi)孔隙裂隙水被凍結(jié)，處于靜水凍結(jié)狀態(tài)，產(chǎn)生約9%的體積膨脹率，凍脹作用比動(dòng)水凍結(jié)強(qiáng)烈，由于體積發(fā)生膨脹產(chǎn)生凍脹力對(duì)脆性巖石介質(zhì)顆粒之間產(chǎn)生巨大局部拉、壓應(yīng)力，使巖石顆粒受到破壞作用，造成巖石內(nèi)部出現(xiàn)大量損傷裂隙［2-4］，為次生導(dǎo)水通道產(chǎn)生創(chuàng)造了客觀條件。

(2)在凍結(jié)壁內(nèi)爆破開(kāi)挖8～10 m大直徑井筒，必定會(huì)擾動(dòng)已帶有大量損傷裂隙的凍結(jié)巖石介質(zhì)，造成巖石內(nèi)應(yīng)力和強(qiáng)度發(fā)生變化，產(chǎn)生巖石應(yīng)力轉(zhuǎn)移、集中及巖石強(qiáng)度的減小，使井筒周?chē)鷰r體發(fā)生變形甚至破壞，進(jìn)而導(dǎo)致巖石物理狀態(tài)的改變，形成圍繞井筒周?chē)h(huán)狀破裂區(qū)。因井筒輪廓面為應(yīng)力自由面，爆破開(kāi)挖井筒對(duì)凍結(jié)壁而言是一種卸載過(guò)程，意味著解除原巖應(yīng)力場(chǎng)，使環(huán)狀破裂圍巖松動(dòng)圈內(nèi)巖體產(chǎn)生開(kāi)挖變形和開(kāi)挖位移，對(duì)凍結(jié)壁中凍結(jié)孔圍巖體產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，使巖體中已具有的大量損傷裂隙進(jìn)一步發(fā)育，裂隙寬度變大，互相溝通，進(jìn)一步促進(jìn)次生導(dǎo)水通道生成。

(3)工程后期凍結(jié)壁逐漸解凍，溫度升高，凍結(jié)壁內(nèi)大量互相溝通的裂隙中的水發(fā)生融解，伴隨這一過(guò)程的是凍結(jié)應(yīng)力的釋放和水分的遷移，局部損傷裂隙區(qū)域進(jìn)一步上下連通成環(huán)狀連續(xù)裂縫［3-4］，即次生導(dǎo)水通道。

由于解凍使洛河組含水層水充滿原生及次生導(dǎo)水通道，此時(shí)巖土體綜合隔水能力仍大于導(dǎo)水通道中水的水頭壓力而處于平衡狀態(tài)。當(dāng)采掘活動(dòng)削弱或破壞采掘作業(yè)場(chǎng)所與該環(huán)狀含水(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體的水頭壓力時(shí)，該含水體的一部分富余水頭壓力就會(huì)推動(dòng)水流沿著最小阻力方向涌入失去平衡的采掘場(chǎng)所，強(qiáng)烈的動(dòng)水沖刷作用不斷刷大次生導(dǎo)水通道斷面，使次生導(dǎo)水通道與原生導(dǎo)水通道溝通，形成更大的導(dǎo)水通道，造成凍結(jié)孔涌水水害。

2 環(huán)形截水巷治理凍結(jié)孔水害技術(shù)［5-6］

2.1 深基巖凍結(jié)井筒凍結(jié)孔水害治理技術(shù)的提出

胡家河礦主立井井筒采用全深凍結(jié)法施工，井筒設(shè)計(jì)凈直徑6.5 m，掘進(jìn)荒直徑8.4 m，凈斷面33.2 m2，外壁厚350 mm，內(nèi)壁厚600 mm，采用雙層鋼筋混凝土雙塑料夾層復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)支護(hù)形式，井筒深539 m，屬于典型的西部礦區(qū)深基巖大直徑凍結(jié)井筒［7］，見(jiàn)圖2。

圖2 胡家河礦主立井三維模型

井筒穿過(guò)的地層由新到老為第四系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(zhì)泥巖層、侏羅系直羅組32.98 m厚粗粒砂巖及砂質(zhì)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(duì)隔水層。其中洛河組含水層是井筒掘進(jìn)通過(guò)的最長(zhǎng)含水層，富水性中等～強(qiáng)，靜止水位埋深7.1 m，其他含水層富水性中等～弱。

2010年3月30日主井井筒箕斗裝載硐室I號(hào)檢修通道出現(xiàn)一涌水點(diǎn)(井筒里程位置－471.8 m)，出水口流出大量黃泥水并夾雜有小塊灰綠色泥巖碎石。截至2010年4月9日，井筒涌水量達(dá)到158 m3/h，且有繼續(xù)增大跡象。硐室北墻右上角有1條裂縫，寬30 mm，長(zhǎng)1.2 m;井筒東北部與箕斗硐室拱部肩窩連接處有開(kāi)裂現(xiàn)象，開(kāi)裂部位面積約有0.7 m2。2011年1月23日，上倉(cāng)通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷(井筒里程位置－432 m)貫通施工中揭露9號(hào)凍結(jié)管時(shí)再次發(fā)生涌水事故，涌水強(qiáng)度約100 m3/h。

通過(guò)對(duì)我國(guó)西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒封閉不良凍結(jié)孔涌水機(jī)理分析可知，要徹底治理胡家河礦主立井凍結(jié)孔涌水水害，最關(guān)鍵最直接的治理措施就是對(duì)封閉不良凍結(jié)孔進(jìn)行封堵?；谶@種治理思路，提出一種在上覆含水層下方穩(wěn)定巖層中沿凍結(jié)圈外掘進(jìn)小斷面環(huán)形截水巷道(見(jiàn)圖3)，在截水巷道內(nèi)采用綜合探查手段探測(cè)、揭露凍結(jié)管進(jìn)而封堵凍結(jié)孔(見(jiàn)圖4)，對(duì)截水巷回填防滲混凝土形成一個(gè)環(huán)形隔水體(見(jiàn)圖5及圖6)，徹底截?cái)鄡鼋Y(jié)管及環(huán)形空間導(dǎo)水通道，從根本上治理深基巖凍結(jié)井筒凍結(jié)孔涌水水害的新技術(shù)。

圖3 環(huán)形截水巷三維模型

圖4 揭露凍結(jié)管施工耳硐三維模型剖面

圖5 環(huán)形隔水體三維模型剖面

圖6 環(huán)形隔水體三維模型

2.2 環(huán)形截水巷及耳硐參數(shù)研究

環(huán)形截水巷參數(shù)研究包括合理的布置層位及距井壁的距離、巷道斷面、支護(hù)方式等關(guān)鍵參數(shù)。

2.2.1 環(huán)形截水巷布置層位選擇

環(huán)形截水巷的開(kāi)挖位置應(yīng)滿足以下條件:①在洛河組含水層底部以下，達(dá)到阻隔含水層目的;②選在巖性較好的巖層中，有利于巷道圍巖穩(wěn)定;③巷道頂?shù)装逵辛己酶羲畬樱┕l件好，有利于混凝土澆筑;④與主井聯(lián)通通道通暢，利于環(huán)形空間涌水時(shí)臨時(shí)排水以及治理。綜合考慮以上幾點(diǎn)，選擇井筒里程位置－432 m通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷施工環(huán)形截水巷。其位于洛河組含水層(井筒里程－350 m)以下，巖性為粗粒砂巖，上下均為較厚的泥巖隔水層，本身是上倉(cāng)通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷與主立井的通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，需與主井貫通。

2.2.2 環(huán)形截水巷與井壁的合理距離(L)研究

L的確定具有重要的意義，如果L較小，會(huì)導(dǎo)致新開(kāi)拓環(huán)形巷道的塑性區(qū)與主井形成的塑性區(qū)相互重疊，產(chǎn)生更大的松動(dòng)圈，從而導(dǎo)致主井井筒破壞;如果L較大，會(huì)造成環(huán)形截水巷的長(zhǎng)度增加，工程量增大，不符合經(jīng)濟(jì)性原則。采用巖土工程專業(yè)通用數(shù)值分析軟件FLAC3D對(duì)環(huán)形截水巷開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，通道循環(huán)開(kāi)挖分多個(gè)區(qū)段。計(jì)算過(guò)程中，主井井壁位移作為監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，在主井內(nèi)壁和主井外壁各布置1條監(jiān)測(cè)線，每條監(jiān)測(cè)線上布設(shè)7個(gè)點(diǎn)，計(jì)算模擬結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 井壁變形與距離關(guān)系

從圖7可知，主井內(nèi)壁和外壁的水平位移隨著L的增大逐漸減小，最終趨于0，曲線在10.75 m處有明顯的變化拐點(diǎn)，因此，可以得到L=10.75 m是環(huán)形截水巷的最佳位置。

2.2.3 環(huán)形截水巷斷面尺寸

L=10.75 m時(shí)對(duì)環(huán)形截水巷在開(kāi)挖及支護(hù)過(guò)程中的穩(wěn)定性進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果顯示，2 m×2 m的環(huán)形截水巷及耳硐在開(kāi)挖采取錨桿(索)網(wǎng)支護(hù)后，圍巖穩(wěn)定性滿足要求且對(duì)井筒井壁穩(wěn)定性無(wú)影響。

2.3 環(huán)形截水巷及耳硐施工工序

2.3.1 施工原則及工序

本著盡量減小空頂面積、降低開(kāi)挖擾動(dòng)、減少工程量、嚴(yán)禁超挖、及時(shí)回填、減少巷道暴露時(shí)間的原則，確定施工工序如下:掘進(jìn)1/4圈截水巷—開(kāi)挖耳硐—處理凍結(jié)管—回填耳硐—再掘進(jìn)1/4圈截水巷—開(kāi)挖耳硐—處理凍結(jié)管—回填耳硐—回填1/2截水巷—…—回填余下的1/2截水巷，完成環(huán)形截水巷及耳硐的施工。兼顧施工進(jìn)度、施工工藝及井筒穩(wěn)定性等因素，采用“短進(jìn)尺，弱爆破”的方案進(jìn)行爆破開(kāi)挖截水巷及耳硐。

2.3.2 揭露凍結(jié)管前的安全預(yù)防措施

為預(yù)防在在揭露凍結(jié)管時(shí)，固管、割管及混凝土回填過(guò)程中，凍結(jié)孔環(huán)形空間突然發(fā)生涌水、涌渣等事故，采取如下安全預(yù)防措施:在超前探放水孔探知剩余有500 mm厚巖柱揭露凍結(jié)管時(shí)停止掘進(jìn)，用探水孔準(zhǔn)確探到凍結(jié)管的具體位置。在耳硐端面上緣凍結(jié)管兩側(cè)(緊貼凍結(jié)管)，用42 mm鉆頭與頂板呈30°角度斜向上施工2個(gè)深約1 000 mm的注漿孔，孔內(nèi)下入2根長(zhǎng)1 500 mm直徑為25 mm注漿管，注漿管前500 mm制成花管，后端外露500 mm并帶絲頭，對(duì)環(huán)形空間進(jìn)行預(yù)注漿。

2.4 凍結(jié)管位置探測(cè)試驗(yàn)

為了減少工程量及開(kāi)挖對(duì)圍巖和井壁的擾動(dòng)，選用了地質(zhì)雷達(dá)、電法、管線定位儀3種方法進(jìn)行凍結(jié)管對(duì)比探測(cè)試驗(yàn)，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8，電法探測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖9。經(jīng)過(guò)開(kāi)挖揭示實(shí)際凍結(jié)管位置與3種探測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，電法探測(cè)及管線定位儀探測(cè)誤差較大，地質(zhì)雷達(dá)能基本確定凍結(jié)管位置(誤差在500 mm以內(nèi))。

2.5 治理效果評(píng)價(jià)

2.5.1 變形監(jiān)測(cè)成果分析

為了監(jiān)測(cè)環(huán)形截水巷及耳硐圍巖變形情況，選擇典型斷面處對(duì)頂板下沉量及兩幫移近量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖10。斷面頂板累計(jì)下沉21.74 mm，兩幫累計(jì)收斂10.87 mm，在監(jiān)測(cè)期間(至回填結(jié)束)變形很小，基本穩(wěn)定。

圖8 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果剖面

圖9 電法探測(cè)剖面圖

圖10 S2斷面圍巖變形曲線

2.5.2 井筒涌水量監(jiān)測(cè)成果分析

為了保證環(huán)形截水巷施工安全、改善作業(yè)環(huán)境，在措施巷施工前，在井筒內(nèi)壁先施工泄壓孔，用水龍帶將水導(dǎo)入主井水倉(cāng)，待環(huán)形截水巷回填并注漿補(bǔ)強(qiáng)后，于2011年9月10日開(kāi)始逐個(gè)關(guān)閉泄壓孔并進(jìn)行了封堵注漿。如圖11所示，4月7日開(kāi)始涌水至9月10日關(guān)閉泄水孔，涌水量保持在90 m3/h左右，9月10日開(kāi)始減小，最終穩(wěn)定在2 m3/h左右。

圖11 主井涌水量變化曲線圖

3 結(jié)論

(1)通過(guò)理論分析揭示了深基巖全深凍結(jié)井筒凍結(jié)孔涌水機(jī)理。

(2)基于凍結(jié)孔涌水機(jī)理分析結(jié)果，創(chuàng)新性提出一種根治深基巖全深凍結(jié)井筒凍結(jié)孔涌水水害新技術(shù)。

(3)對(duì)于深基巖全深凍結(jié)井筒凍結(jié)孔導(dǎo)水通道生成機(jī)理及涌水機(jī)理的分析，能對(duì)凍結(jié)孔涌水水害防治工程起到理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)作用。

(4)利用本研究提出的水害治理技術(shù)治理胡家河礦主立井凍結(jié)孔水害，實(shí)踐表明該技術(shù)安全有效、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行。

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