環(huán)狀隔離體技術(shù)在塔然高勒煤礦主井凍結(jié)孔涌水封堵中的應(yīng)用*

薛建坤　朱明誠　牛光亮　孫　潔

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司)

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環(huán)狀隔離體技術(shù)在塔然高勒煤礦主井凍結(jié)孔涌水封堵中的應(yīng)用*

薛建坤朱明誠牛光亮孫潔

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司)

摘要分析了塔然高勒煤礦主井井筒涌水特征及水文地質(zhì)條件，揭示了井筒凍結(jié)孔水害機(jī)理，提出利用環(huán)狀隔離體技術(shù)治理水害，即在井筒隔水層中沿凍結(jié)圈施工小斷面環(huán)形巷道，揭露、截?cái)鄡鼋Y(jié)管，并對(duì)環(huán)形巷道回填混凝土，形成環(huán)狀隔離體，徹底隔斷環(huán)狀導(dǎo)水通道，根治水害。應(yīng)用表明，該技術(shù)治理井筒凍結(jié)孔水害具有經(jīng)濟(jì)合理、質(zhì)量可靠、工期較短的優(yōu)勢，可為同類礦山水害治理提供參考。

關(guān)鍵詞凍結(jié)孔水害環(huán)狀隔離體水害治理

西部深厚含水基巖中的礦建工程，普遍具有井筒直徑大、基巖富水性強(qiáng)等特點(diǎn)，且含水層多為孔裂隙水，預(yù)注漿效果差，局部巖層中漿液擴(kuò)散困難，局部又因孔裂隙水流速過快而使得漿液難以凝固，故凍結(jié)法幾乎成為某些立井工程惟一可用的工法[1-4]。采用凍結(jié)法施工的井筒凍結(jié)圈解凍以后，容易發(fā)生凍結(jié)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(wěn)定性，造成井筒不均勻下沉及開裂，甚至發(fā)生突水災(zāi)害事故。如納林河二號(hào)礦、胡家河礦等，對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成極大的水患威脅[6-8]。本文以塔然高勒煤礦主井凍結(jié)孔水害治理工程為例，介紹了環(huán)狀隔離體技術(shù)可根治井筒凍結(jié)孔水害。

1　工程概況

塔然高勒煤礦主井井筒設(shè)計(jì)全深699m，-488m以下為凍結(jié)法施工。井筒掘進(jìn)過程中，在深度631m處(西裝載硐室南幫及井筒處)發(fā)生凍結(jié)孔涌水，水量約40m3/h，井壁有破損現(xiàn)象，隨后涌水量逐漸增加，井壁出現(xiàn)明顯裂縫。次日井筒涌水量為156m3/h，裂縫寬度10～120mm、長度約9m。

塔然高勒煤礦主井井筒自上而下主要穿過第四系、白堊系下統(tǒng)志丹群、侏羅系中統(tǒng)-中下統(tǒng)延安組含水層，侏羅系中下統(tǒng)頂部、侏羅系中下統(tǒng)延安組頂部、侏羅系中下統(tǒng)延安組底部隔水層。根據(jù)勘探成果，白堊系志丹群含水層段整體富水性較弱，且與下部侏羅系含水層組無明顯水力聯(lián)系。直羅組含水層段在首采區(qū)范圍內(nèi)厚度為117～198.9m，平均158.63m，其中有效含水層厚度平均138.05m，明顯的沖刷沉積構(gòu)造特征為3-1煤直接頂板含水層，單位涌水量q=0.03～0.2L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.015 4～0.232 7m/d，富水性弱-中等，導(dǎo)水性中等。

2　凍結(jié)孔水害機(jī)理

塔然高勒煤礦主井凍結(jié)管，凍結(jié)工程完成約6個(gè)月后自然解凍，貫穿全井深的每個(gè)凍結(jié)孔與凍結(jié)管之間都可能形成“環(huán)狀空間”，即水力聯(lián)系導(dǎo)水通道，將立井從地面到井底所有的含水層連成一體。使原來的隔水層失去隔水作用，任何一個(gè)導(dǎo)水管道與巷道溝通都有可能出現(xiàn)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(dǎo)水，但充填碎屑物幾乎沒有膠結(jié)強(qiáng)度，較松散，上面含水層的地下水會(huì)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(gòu)筑物無法承受高水壓而破裂損毀，導(dǎo)致井筒突發(fā)性涌水，由于上部地層靜儲(chǔ)量的參與，初期涌水量往往較大。塔然高勒煤礦凍結(jié)井筒水害機(jī)理見圖1，凍結(jié)孔剖面見圖2，凍結(jié)孔水害剖面見圖3。

圖1　塔然高勒煤礦凍結(jié)井筒水害機(jī)理示意

3　環(huán)狀隔離體封堵技術(shù)

在欲保護(hù)的構(gòu)筑物鄰近上方選擇一隔水且?guī)r性較堅(jiān)固地層，通過開掘小斷面巷道，在有其他孔泄水的條件下揭露凍結(jié)孔約2m高度，固管后截?cái)鄡鼋Y(jié)管，然后施工混凝土或注漿體，阻斷凍結(jié)孔導(dǎo)水通道。

圖2　凍結(jié)孔剖面示意

圖3　井筒凍結(jié)孔水害剖面示意

3.1施工隔水圈

在延安組3-1煤層底板位置施工環(huán)狀巷道(圖4、圖5)，此處形成凍結(jié)孔的隔水圈，阻止上、下水力聯(lián)系。

3.2環(huán)狀巷道數(shù)值模擬

通過數(shù)值模擬(圖6、圖7)，確定環(huán)狀巷道內(nèi)側(cè)幫距主井井筒中心線之間的合理距離為12m，且每施工完一個(gè)耳硐后，對(duì)其進(jìn)行充填加固后再進(jìn)行下個(gè)耳硐的施工，此時(shí)主井井壁的位移較小，穩(wěn)定性較好(表1)。

3.3凍結(jié)孔注漿

根據(jù)不同情況，注漿封堵方案各不相同。將凍結(jié)管在耳硐位置截?cái)嗪?，?duì)凍結(jié)孔注漿，分上部、下部、引流3種情況進(jìn)行(圖8、圖9)。

4　治理效果評(píng)價(jià)

4.1主井涌水量

2013年7月21日主井井筒出水，最大水量156m3/h(圖10)，水害治理至8月15日，主井涌水量從218m3/h降至3～4m3/h，之后主井出水點(diǎn)處水量基本消失，涌水量穩(wěn)定在5～8m3/h。

4.2WB6觀察孔水位變化

距離主井472m的地面水文長觀孔(WB6觀測下含水層段水位)，2013年7月21日主井出水后水位累計(jì)降幅達(dá)65.5m(圖11)，水害治理過程中，WB6水位逐漸回升，治理完成后水位累計(jì)上升40m。

圖4　環(huán)狀巷道截?cái)鄡鼋Y(jié)孔示意

圖5　主井環(huán)狀巷道建模

圖6　環(huán)狀巷道和耳硐圍巖塑性區(qū)分布

圖7　井筒Z方向應(yīng)力分布

4.3治理效果比較

凍結(jié)孔水害治理前，主井馬頭門、配電室等地方淋水為8～10m3/h，水害治理后淋水為2～3m3/h。

從主井涌水量變化、WB6水文孔水位變化及主井周邊的淋水變化可以看出，主井水害治理前后效果明顯，說明本次水害治理工程達(dá)到既定目標(biāo)，注漿效果良好。

表1　監(jiān)測點(diǎn)位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)mm

綜合對(duì)比環(huán)狀隔離體技術(shù)與射孔注漿、帷幕注漿技術(shù)(見表2)可以看出，無論從費(fèi)用、工期還是治理效果，環(huán)狀隔離體技術(shù)在封堵井筒凍結(jié)孔水害方面都具有優(yōu)勢。

5　結(jié)　論

(1)塔然高勒煤礦主井井筒出水是由于解凍后，凍結(jié)管與凍結(jié)孔之間的環(huán)狀空間形成了垂直導(dǎo)水通道，溝通上、下含水層，高水壓作用下井筒下部混凝土構(gòu)筑物發(fā)生破裂損毀，導(dǎo)致井筒突發(fā)涌水。

圖8　凍結(jié)孔注漿方案

圖9　引流注漿方案

圖10　主井水量變化(2014年)

圖11　WB6孔水位變化

表2　環(huán)狀隔離體技術(shù)與射孔注漿、帷幕注漿技術(shù)對(duì)比

(2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，環(huán)狀巷道內(nèi)側(cè)幫距主井井筒中心線的合理距離為12m，且每施工完畢一個(gè)耳硐后，對(duì)其進(jìn)行充填加固后再進(jìn)行下一個(gè)耳硐的施工，此時(shí)主井井壁的穩(wěn)定性較好。

(3)對(duì)比射孔注漿與帷幕注漿技術(shù)，環(huán)狀隔離體技術(shù)治理井筒凍結(jié)孔水害費(fèi)用經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量可靠、工期較短，值得在同類工程中推廣。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2016-05-10)

ApplicationofAnnularIsolationTechnologyintheWaterInflowoftheMainShaftFreezingHoleinTarangaoleCoalMine

XueJiankunZhuMingchengNiuGuangliangSunJie

(Xi'anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroup)

AbstractThe water inflow characteristics and hydrogeology condition of the main shaft in Tarangaole coal mine are analyzed in detail,the mechanism of water disaster of freezing shaft hole is revealed.The annular isolation technology is used to deal with the water disaster in the main shaft in Tarangaole coal mine,to be specific,a small section annular tunnel along the frozen circle in the shaft water-resisting layer is constructed to expose and cut off the freezing tube,an annular isolated body is formed by backfilling concrete for annular tunnel to separate the annular conductor completely to solving the water disaster of the main shaft in Tarangaole coal mine thoroughly.The application results show that the annular isolation technology with the characteristics of economic and reasonable,reliable quality and short construction period,besides that,it can provide reference for the similar mines.

KeywordsWater disaster of frozen hole,Annular isolation body,Water disaster governance

*“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAK04B04)；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(編號(hào)：41402220)。

薛建坤(1987—)，男，助理工程師，碩士，710054 陜西省西安市碑林區(qū)雁塔北路52號(hào)。