凍結井筒馬頭門環(huán)形空間水壓力研究

劉玉平 路 忠

(達旗煤炭局安監(jiān)站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

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凍結井筒馬頭門環(huán)形空間水壓力研究

劉玉平 路 忠

(達旗煤炭局安監(jiān)站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

以紅慶梁馬頭門穿越凍結壁工程為例，預測計算了凍結管環(huán)狀空間涌水量，分析了馬頭門支護結構允許承受的水壓力，并通過現(xiàn)場實測和模擬，研究了凍結井筒馬頭門環(huán)形空間水壓力，確保了馬頭門強度滿足水壓要求。

馬頭門，凍結管，環(huán)形空間，水壓力

紅慶梁井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達拉特旗境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬昭君鎮(zhèn)管轄。礦井設計生產(chǎn)能力：6.0 Mt/年。紅慶梁礦井副井馬頭門為全巖巷掘進，掘進長度25.1 m，井筒崛起過程中采用特殊鑿井——人工凍結方式穿過地層含水層。凍結工程完成后，隨著凍結壁的自然解凍，凍結孔與巖層環(huán)形空間及巖層原生次生孔隙裂隙形成二次導水通道，地層長期浸水弱化，致使馬頭門永久支護所受外荷載不對稱，造成永久結構受損。故揭露凍結管后，需采用專門的工藝對凍結管進行處理，徹底封堵導水通道。國內(nèi)目前沒有相關研究成果[1-7]。

1 凍結管環(huán)狀空間涌水量預計

在風井、副井井筒外圍布設用于裝置凍結管的φ140 mm主孔34個、40個。凍結工程完成后解凍，每個凍結孔與凍結管之間都可能形成如圖1所示的“環(huán)狀空間”，與沖積層凍結不同的是，沖積層解凍后，松軟地層會充滿環(huán)形空隙，而在西部軟弱富水巖層中，該空隙無法在凍結壁解凍后自然充實，從而形成導水通道，將馬頭門以上的三個含水層連成一體。如同在馬頭門上方存在若干組導水管道，使凍結管所在地層井筒周圍的滲流速度大大增加，增大了馬頭門頂板的水壓力，將會出現(xiàn)嚴重的漏水現(xiàn)象。

通過對副井地層的分析，采用井筒穿越含水層的均值作為含水層厚度，距離馬頭門最近的含水層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)碎屑巖類承壓水含水層。其中3-1煤層底板至4-2煤層頂板砂巖裂隙含水層厚度為53.62 m。滲透系數(shù)采用相應范圍內(nèi)含水層段抽水試驗段厚度加權平均值，取0.005 548 m/d。水位疏干降深為相應含水層段的水柱高度，其值為相應范圍內(nèi)各水文孔對應含水層段水柱高度的平均值，取348.26 m。采用“大井法”承壓轉無壓公式計算預測揭露單個凍結管環(huán)狀空間上下導水通道時最大涌水量，如式(1)所示：

(1)

其中，Q為涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，取0.005 548 m/d；H為承壓水頭高度，取348.26 m；M為承壓水含水層厚度，取53.62 m；h0為剩余水柱厚度,m，h=H-Sw；R為影響半徑，取427.48 m；Sw為降深，取348.26 m；r0為引用半徑，r0=0.19 m；R0為引用影響半徑，R0=r0+R=427.67 m。

為最大限度地預計單個凍結管環(huán)狀空間上下導水通道涌水量，做好掘進過程中預防突然涌水工作，處理突然涌水能力應有一定的安全儲備。假設環(huán)狀空間中的剩余水柱高度為0 m，以鉆孔半徑0.19 m作為“大井法”承壓轉無壓計算公式的引用半徑，計算出單個凍結管環(huán)狀空間導水通道涌水量約是76.21 m3/d。

馬頭門投影范圍內(nèi)包括凍結管14根，如不進行封堵導水通道的特殊工藝處理，則涌水量Q總將達到1 066.94 m3/d?？梢?，如不及時進行封堵導水通道施工，則會導致巖體裂隙張開度變化，使得滲流通道改變，流速和滲流水的壓力變化，變形和滲流產(chǎn)生復雜耦合作用，最終導致馬頭門的破壞。

2 馬頭門支護結構允許承受水壓力計算

對于馬頭門，當hr0<0.05時，噴射混凝土支護允許承受的內(nèi)水壓力可按式(2)計算,式中符號含義見建井手冊:

(2)

風井、副井混凝土強度等級分別為C80,C40。風井兩次襯砌混凝土總厚度為150 mm+900 mm=1 050 mm。支護后的隧洞半徑按照與井筒連接處3 500 mm，與平巷連接處1 750 mm計算。副井混凝土總厚度為1 150 mm。風、副井覆蓋巖層厚度分別為454.55 m,425.5 m。

計算可得風井馬頭門永久支護可承受3 MPa水壓。副井馬頭門可承受3.55 MPa。

由于井筒與馬頭門連接處的施工會導致該處圍巖應力的集中和變形增大,并對井筒的混凝土井壁造成影響,因此為了掌握這些部位圍巖壓力變化情況，在風井南馬頭門共設置監(jiān)測面3個，各監(jiān)測面均布置于編號分別為A,B,C的三個位置。副井的東、西馬頭門共布置6個監(jiān)測層位。東馬頭門包括5個測點(A，B，C，E，F(xiàn))，西馬頭門包括3個測點。

斷面布置圖如圖2所示。

每斷面分別在拱頂，肩窩，豎墻中點設置測點。各測試儀器數(shù)據(jù)線均從所在側馬頭門與平巷連接處出線后，用網(wǎng)線連接至數(shù)據(jù)采集儀。拱頂測點數(shù)據(jù)線均從測點B側出線。圖3，圖4為風井、副井馬頭門各剖面實測水壓力與時間的變化關系。

由副井、風井的水壓力監(jiān)測可見，監(jiān)測初始時間內(nèi)的水壓力較大，最大值可達到1.65 MPa，此時混凝土剛剛澆筑完畢，強度僅達到養(yǎng)護28 d的40%左右，所以按照此時刻的抗拉強度為0.956 MPa，可推出此時混凝土的允許承受水壓力為1.06 MPa。故混凝土澆筑初期副井馬頭門中部的直墻處混凝土存在被水壓裂的可能，混凝土應變大于其他部位，可知該處混凝土結構已經(jīng)被損傷。

大部分的水壓力隨著時間增長持續(xù)下降，最終壓力為0 MPa。可見凍結管環(huán)形空間注漿效果較好，將水完全的封堵。然而副井靠近井筒的3剖面拱頂位置與5剖面的拱肩位置在280 d后水壓力呈上升趨勢，表明井筒位置在此處仍然存在導水通道，井壁與馬頭門的接茬處將會出現(xiàn)一定的滲水情況，為了保證馬頭門的穩(wěn)定性，需要對出水點進行注漿封水治理。

3 結語

利用孔隙水壓力實際監(jiān)測Pmax=1 MPa?混凝土支護結構允許值，其永久支護混凝土是安全可靠的。監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明，本工程的結構強度可以滿足馬頭門穿越凍結壁凍結管環(huán)形空間導水通道對馬頭門永久結構的要求。且工程到目前已安全運行3年，副井、風井馬頭門永久支護結構未出現(xiàn)裂縫及破損，無可見出水點。驗證了工程監(jiān)測和數(shù)值模擬成果是合理可信的。針對馬頭門穿越凍結壁的凍結井筒馬頭門環(huán)形空間水壓力是科學合理且具有參考借鑒價值的。

[1] 張基偉.西部含水軟巖凍結井筒馬頭門破壞機理及修復加固設計[J].煤炭技術,2017(1)：32-34.

[2] 中國礦業(yè)學院.特殊鑿井[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1993.

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[5] 胡衛(wèi)軍.西部富水軟弱圍巖大斷面馬頭門圍巖失穩(wěn)機理研究[D].合肥:安徽理工大學，2016.

[6] 蔡海兵,程 樺,榮傳新,等.復雜條件下深井馬頭門圍巖穩(wěn)定性分析及支護結構優(yōu)化[J].采礦與安全工程學報，2015(3)：22-23.

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[8] 姚直書,程 樺,高業(yè)祿,等.復雜地質條件下深井馬頭門支護結構及應用[J].煤炭科學技術，2009(1)：27-28.

Study on water pressure of circular space in horsehead with freezing shaft

Liu Yuping Lu Zhong

(DaqiCoalBureauSecuritySupervisionStation,Erdos014316,China)

Taking Hongqingliang horsehead ingate crossing freezing wall engineering as an example, the paper predicts and calculates the annular space water inflow of freezing pipe, analyzes permitted bearing water pressure of horsehead ingate support structure, studies annular space water pressure of the freezing horsehead ingate through in-situ measurement and simulation, so as to guarantee the horsehead ingate strength meeting water pressure demands.

horsehead ingate, freezing pipe, annular space, water pressure

1009-6825(2017)11-0078-02

2017-02-06

劉玉平(1970- )，男，工程師； 路 忠(1972- )，男，工程師

TU432

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