斜井施工防治水關鍵技術應用探討

楊廣祥 張樹勇 呂玉芝

(長城五號礦井,內(nèi)蒙古鄂托克前旗 016200)

斜井施工防治水關鍵技術應用探討

楊廣祥 張樹勇 呂玉芝

(長城五號礦井,內(nèi)蒙古鄂托克前旗 016200)

本文結(jié)合蒙西南地區(qū)地質(zhì)特點與長城五號礦工程實例,探討了蒙西南地區(qū)井筒過含水層的凍結(jié)法、注漿法、探水法等防治水關鍵技術,為西部地區(qū)具有相似條件的井筒防治水施工提供了有力的參考依據(jù)。

含水層 凍結(jié)法 注漿法 探水法

近年來,隨著國家西部大開發(fā)的逐步深入,在蒙西南等西部地區(qū)新建礦井日益增多,該區(qū)域,基巖含水層多且含水層多為孔隙裂隙含水層,在井筒的建設過程中,不可避免的要穿越含水層,選擇正確的防治水方法在建井中顯得尤為重要。根據(jù)蒙西南地區(qū)地質(zhì)條件研究表明,對蒙西南地區(qū)含水地層進行凍結(jié)、注漿,可以有效的創(chuàng)造無水施工條件,對井筒周邊圍巖起到加固的作用,同時,必須注重前期的探水工作,將探水與防治水相結(jié)合,確保井筒安全通過含水層。

1 工程概況

長城五號礦井地處蒙西南毛烏素沙漠西南邊緣,第四系表土層深厚,砂巖裂隙水豐富,礦井采用斜井開拓,分別布置主斜井(1291米)、副斜井(1062米)和回風立井(286米),斜井最大傾角26°,開采水平為+800m和+500m兩個水平。在長城五礦副斜井施工過程中,井口以下60米處(垂深25米,此出水點為第四系底部礫石層),井筒出現(xiàn)滲水,涌水量約3m3/h左右。副斜井開始對滲水處巷道附近進行注漿堵水。由于水量不大,利用副斜井臨時水倉進行排水。隨后,副斜井井口以下56米處左幫底板水突然加大,水量約50-60m3/h,水中夾帶泥沙增加,副斜井排水系統(tǒng)無法及時將水排出,水流向迎頭。由于水量加大,開始調(diào)集大功率潛水泵進行排水,在調(diào)集水泵及安裝期間,擔心大量泥沙抽出導致井筒頂?shù)壮榭?可能造成井筒折斷的嚴重后果。

經(jīng)研究討論,決定采用待井筒涌水升至靜水位后進行地面注漿封堵,對井壁帷幕凍結(jié)方式進行修補的方案。

2 防治水關鍵技術

2.1 凍結(jié)法

2.1.1 凍結(jié)方案

根據(jù)涌水實際情況分析決定,主、副斜井自垂深113米至208米需采用凍結(jié)法施工,主斜井凍結(jié)范圍為斜長328.08m-621.08m,全長293m,副斜井凍結(jié)范圍為斜長269.093m-541.56m,全長272.467m。并對工作面進行預注漿堵水,注漿目的是對壁后縫隙及凍結(jié)后的縫隙進行充填,防止縫隙出水,保證安全施工。

2.1.2 治理過程

(1)凍結(jié)深度確定,齊腿凍結(jié)。所有凍結(jié)孔均穿過表土段碎石層底板深入隔水層7.2m,所有凍結(jié)孔形成有效凍結(jié)帷幕,即凍結(jié)深度41.35m(以井口標高計算)。(2)凍結(jié)技術參數(shù)的確定,根據(jù)副斜井井筒工程地質(zhì)條件,凍結(jié)參數(shù)確定如下:①鹽水溫度:積極凍結(jié)期鹽水溫度為-24～-28℃,維護凍結(jié)期鹽水溫度為-20～-22℃。②凍結(jié)壁厚度設計:根據(jù)斜井井筒傾向穿入不同地層特點及地壓值不同計算凍結(jié)壁厚度。③地壓計算:兩幫側(cè)壓力按似重液公式計算:計算公式:P＝γ(H＋h)tg2[(90-β)/2]。④凍結(jié)壁平均溫度:經(jīng)計算,凍結(jié)壁平均溫度設計為:-8℃。⑤表土段凍結(jié)壁厚度:根據(jù)副斜井傾角為23°,井筒掘進斷面為馬蹄形,計算表土段凍結(jié)壁厚度公式如下:兩幫凍結(jié)壁厚度:E1= h1tg(90-β)/2凍結(jié)壁厚度確定:兩排端頭孔封堵確保凍結(jié)段與非凍結(jié)段隔開;兩排邊排孔封斜井的側(cè)壁,凍結(jié)壁厚度2.4m,經(jīng)有限元分析并結(jié)合公司相應帷幕凍結(jié)的施工經(jīng)驗,證實安全可靠,同時利于減少工程量,既安全又經(jīng)濟。⑥測溫孔設計,布置原則:1)外側(cè)測溫管布置在外排凍結(jié)管外側(cè),內(nèi)側(cè)測溫管布置在凍結(jié)管排間;2)最大孔間距處;3)盡量對稱布置;4)盡可能反映整個井筒的溫度場情況。對測溫孔施工的要求:1)為了準確掌握凍結(jié)溫度場變化情況,副斜井帷幕凍結(jié)區(qū)段均設置10個測溫孔,測溫管采用Φ108×5mm無縫鋼管,外管箍連接。測溫孔具體布置依據(jù)實際施工情況而定。2)管內(nèi)嚴禁灌水,必須保證焊接質(zhì)量,確保無滲漏。⑦凍結(jié)管結(jié)構(gòu)設計。本凍結(jié)工程凍結(jié)管全部采用GB8163-2008標準流體用無縫鋼管,采用外管箍連接;凍結(jié)管規(guī)格:Φ133×5mm。凍結(jié)管內(nèi)供液采用單供液管正循環(huán),供液管規(guī)格Φ63×5mm。⑧主要含水層凍結(jié)壁交圈時間及井筒試挖時間。預計開機至具備排水條件時間為45天。⑨井筒開挖標準。根據(jù)測溫資料分析,井筒排水修復至各水平時,凍結(jié)壁能夠達到設計需要的強度和厚度。

2.1.3 修復情況

2012年7月24日,副井帷幕凍結(jié)造孔開工,8月27日副井開機凍結(jié),10月31日副井開始排水,11月4日副井開始修復井筒(套內(nèi)壁)。

2.2 注漿法

2.2.1 注漿方案

根據(jù)工程地質(zhì)條件,采用工作面預注化學注漿方法進行施工?；瘜W注漿法過砂層,就是在井筒周圍的砂層中,造成一個半永久性的,具有一定強度的注漿帷幕,用以抵抗地壓和水壓,防止外部的水砂涌入井內(nèi),保證井筒順利開鑿、掘砌。

2.2.2 施工流程

采用工作面預注化學漿的施工方法對含水層進行治理,從而達到正常開挖條件。施工流程如下:(1)在斜井施工到距第一層含水砂層垂深5m時停止掘進施工,預留粘土層,修建止?jié){墊,采用水泥-水玻璃雙漿液對止?jié){墊與井筒接觸面以及井筒壁后進行充填,防止鉆進注漿孔和注漿過程中漿液滲出;(2)采用坑道鉆機進行注漿孔鉆進,埋設孔口管,并進行固管,試壓,超過設計最大注漿壓力;(3)套管試壓合格后繼續(xù)鉆進注漿孔,穿過預留粘土層,進入含水砂層,下入注漿花管,注入化學漿液對含水砂層進行治理,注漿過程中控制漿液的壓力和注入量,保證注漿質(zhì)量;(4)通過檢查鉆孔對注漿治理質(zhì)量進行檢驗,達到開挖條件時可組織人員進行井筒掘進,若仍有涌水,可重復上述(2)、(3)步,繼續(xù)注入化學漿液,最終達到開挖條件。

2.2.3 施工方案

(1)注漿工藝。本方案共設計兩種漿液,采用水泥-水玻璃漿液充填止?jié){墊與井筒接觸面,采用化學漿液對含水砂層進行治理。

注漿起始位置為注漿孔進入含水砂層,結(jié)束位置為超過含水砂層1.0m,一次注漿段高暫定1.0m,注漿方式為下行式,可根據(jù)注漿實際情況進行調(diào)整。

漿液擴散距離取0.5m,布置兩圈注漿孔,帷幕厚度為1.5m,沿井筒方向帷幕長度為3.1m,注漿工程量計算公式為:

Q= m·A·π·r2·H·n

式中:Q——注漿工程量,m3;

m——注漿孔個數(shù),取108;

A——漿液耗散系數(shù),取1.3;

H——帷幕長度,取3.1m;

S——帷幕截面積,為帷幕厚度*布孔周長,1.5*26.9m;n——砂層孔隙率,取40%。

則Q=108*1.3*3.14*0.5*0.5*3.1*0.4=137.7m3。

(2)止?jié){墊設計。止?jié){墊的作用是在于封閉含水層涌水,安裝注漿孔口管和保證在用最大壓力注漿時,不使?jié){液從含水層翻入井內(nèi)。

止?jié){墊一般為整體澆筑混凝土,結(jié)構(gòu)形式分為單級平底型和單級球面型,為施工方便,選用單級平底型止?jié){墊,C40混凝土澆筑,厚度Bn可根據(jù)以下公式進行計算:

Bn=P0·r/［σ］+0.3r

式中:Bn——止?jié){墊厚度,m;

P0——最大注漿壓力,取18kg/cm3;

r——井筒掘進半徑,取2.5m;

［σ］——混凝土的允許抗壓強度,一般為3-7天的極限抗壓強度280kg/cm3除以安全系數(shù)3。

計算可得: B=18×2.5/(280/3)+0.3×2.5=1.23m,取1.5m。

(3)注漿孔設計。采用兩圈注漿孔進行布置,外圈井筒弧頂、兩幫和底板開孔點距離斷面邊緣分別為1.0m、0.5m和0.5m,內(nèi)圈開孔點距離外圈0.5m。鉆孔深度超過含水砂層1.0m,進入含水砂層時注漿孔落點孔間距為0.5m,內(nèi)圈布孔數(shù)為50個,外圈布孔數(shù)為58個,合計108個。施工順序為先內(nèi)圈孔,后外圈孔,各圈注漿孔采用間隔和逐步加密的方法進行施工,后序施工注漿孔可對已注漿鉆孔注漿情況和質(zhì)量進行檢查,根據(jù)砂層涌水情況進行施工。注漿孔施工過程中,孔口管安裝防突水裝置,防止發(fā)生突水事故。

2.3 探水

根據(jù)蒙西南地區(qū)礦井地質(zhì)特征及礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、無線電波透視法等各種探水法的適用條件,最終確定采用礦井瞬變電磁法為建井期間的探水方法。

礦井瞬變電磁法探水,瞬變電磁法屬時間域電磁測深法,又稱“純異常場法”,利用回線源向地下發(fā)送一次電磁場,在一次電磁場間歇期間,用線圈對地下異常體所產(chǎn)生的二次渦流電磁場進行觀測,通過對二次渦流電磁場特征的研究來預測地下礦產(chǎn)、地質(zhì)構(gòu)造、地下含水層等的分布。但是,礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法相比具有以下幾個方面的特點:(1)由于井下測量環(huán)境不同于地表,不可能采用地表測量時的大線圈裝置,只能采用邊長小于3m的多匝小線框,數(shù)據(jù)采集勞動強度小,測量設備輕便,工作效率高,成本低;(2)由于采用小線圈測量,點距更密(一般為2～10m),降低體積效應的影響,提高勘探分辨率,特別是橫向分辨率;(3)由于受關斷時間的影響,無法探測到更淺部的異常體(淺部15m以內(nèi))。采用礦井瞬變電磁法可解決的主要地質(zhì)任務是煤層底板隱伏的斷層破碎帶、導水通道、含水層厚度、隔水層厚度等;可探測掘進巷道迎頭前方150m范圍內(nèi)的含水構(gòu)造異常情況。

3 結(jié)語

(1)在蒙西南地區(qū)井筒過含水層的施工過程中,采用凍結(jié)法施工,能夠隔離含水層涌水,為涌水井筒治理創(chuàng)造有利條件,保證了井筒安全施工;斜井帷幕凍結(jié),在國內(nèi)是首次進行嘗試,對相同條件的凍結(jié)施工具有指導意義。(2)采用工作面預注漿技術可有效地封堵出水通道,改善施工條件,消除安全隱患,并切實保障井筒施工質(zhì)量。在采用注漿法建設斜井過程中,要選擇正確的參數(shù),控制好注漿壓力,既要達到注漿的預期目的,又要減少漿液損失。(3)探水工程在建井中占據(jù)舉足輕重的地位,在探水過程中,應加強關鍵部位的動態(tài)監(jiān)測,實現(xiàn)采動巖體力學分析、水文地質(zhì)研究、礦井物探的有機結(jié)合,結(jié)合開采方案設計,準確進行采場突水的短期和中期預報,最大限度地提高煤礦井下突水預測預報的準確性。

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This paper mainly combines the geological characteristics of Mengxinan District with the example of Changcheng Mine Five,ansysing some water prevention and control technology include freezing method, grouting method, water exploration when the shaft crossing water-bearing stratum. In order to provide reference for the prevention and control of shaft water construction which has similar conditions in western region.

Water-bearing stratum Freezing method Grouting method Groundwater exploration

楊廣祥,男,1964年生人,山東濟寧兗州市人,工程師,大專學歷,現(xiàn)在新汶礦業(yè)集團內(nèi)蒙能源公司長城五號礦井籌建處主任。