井筒過廢棄巷道段防治水方案的選擇與優(yōu)化

洪銘

（四川省煤炭設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610091）

0 引言

井筒注漿加固當(dāng)前是一項(xiàng)成熟可靠的技術(shù)，前人研究成果、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，如王輝[1]根據(jù)以往破裂井壁治理技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對井筒破裂采取了相應(yīng)治理技術(shù)（注漿加固、開設(shè)卸壓槽和架設(shè)井圈等），劉瑞強(qiáng)等[2-7]也對井筒注漿加固方案與施工工藝進(jìn)行了相關(guān)論述，楊坪等[8]研究了巷道注漿加固作用機(jī)理及計(jì)算模型。

1 概況

楠木寺煤礦生產(chǎn)規(guī)模為450 kt/a，采用立井+斜井綜合開拓方式，準(zhǔn)采高炭煤層，現(xiàn)開采+50 m、0 水平。

楠木寺井生產(chǎn)規(guī)模為180 kt/a，采用斜井開拓方式，準(zhǔn)采硬炭煤層，現(xiàn)主要開采+250 m 水平北翼資源。南翼+250 m 標(biāo)高以下形成大量積水區(qū)，面積53.24 萬m2，積水量約10.6 萬m3，最低標(biāo)高約+176 m，水頭74 m（壓力約0.74 MPa）。

楠木寺井與楠木寺煤礦平面范圍重合，但兩礦開采煤層不一致，硬炭煤層位于高炭煤層以上170～190 m。

2 已有方案的選擇與分析

楠木寺煤礦+474 m 進(jìn)風(fēng)斜井從楠木寺井東側(cè)邊界4102 采面穿過，4102 采面北回風(fēng)巷下端已超過+474 m 進(jìn)風(fēng)斜井31.6 m。兩巷平面交叉A 點(diǎn)處楠木寺煤礦+474 m 進(jìn)風(fēng)斜井底板標(biāo)高+183.104 m，楠木寺井巷道頂板標(biāo)高+177.171 m，高差僅為5.933 m（楠木寺煤礦+474 m 進(jìn)風(fēng)斜井位于上方）。在4102 采面下部過水巷62 m 處，楠木寺井過水巷頂板標(biāo)高+177.908 m、底板標(biāo)高+176.108 m，楠木寺煤礦+474 m 進(jìn)風(fēng)斜井底板標(biāo)高+154.662 m、頂板標(biāo)高+157.962 m，+474 m 進(jìn)風(fēng)斜井頂板與楠木寺井過水巷底板高差為18.146 m，+474 m 進(jìn)風(fēng)斜井從楠木寺井4102 采面下部貫穿硬炭煤層，如圖1 所示。

圖1 楠木寺煤礦進(jìn)風(fēng)斜井與楠木寺井4102 回風(fēng)巷位置關(guān)系平、剖面圖Fig.1 Plane and section diagram of positional relationship between air inlet inclined shaft and No.4102 return air roadway in Nanmusi Mine

楠木寺井4102 工作面留設(shè)84 m 保護(hù)煤柱，并在4102 工作面開切眼E 點(diǎn)、4102 北回風(fēng)巷F 點(diǎn)各施工了2 道擋水墻，間隔分別為20 m、15 m。隔水墻樣式（圓柱式）如圖2 所示。

圖2 已砌筑的隔水墻樣式Fig.2 Masonry water-seal wall style

雙鷹楠木寺井當(dāng)前+250 m 標(biāo)高以下已全部采空，并且在密閉處已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有水涌出，表明采空區(qū)處于蓄滿水狀態(tài)，積水區(qū)最低標(biāo)高約+176 m，水頭74 m（壓力約0.74 MPa），楠木寺井剩余服務(wù)年限約4.3 a，當(dāng)楠木寺井關(guān)閉后，井下積水水頭將達(dá)到270 m（壓力約2.70 MPa）。據(jù)GB51070-2014，當(dāng)防水閘門（墻）承受水壓不大于1.6 MPa 時(shí)，可選用圓柱型、楔形結(jié)構(gòu)樣式，當(dāng)防水閘門（墻）承受水壓大于1.6 MPa 時(shí)，可選用倒截錐形結(jié)構(gòu)樣式。

由此可見，當(dāng)雙鷹楠木寺井關(guān)閉并蓄滿水后，原設(shè)計(jì)采用圓柱型防水閘門（墻）顯然是不符合相關(guān)規(guī)范要求的。

3 現(xiàn)補(bǔ)充防治水方案的選擇

為了預(yù)防楠木寺井關(guān)閉后，井下涌水可能沖潰隔水墻對煤礦形成突水威脅，該礦進(jìn)風(fēng)斜井治水方案可采用注漿封堵、重新砌筑隔水墻和疏排3 種治水方案予以選擇。

（1）疏排方案。楠木寺煤礦進(jìn)風(fēng)斜井施工放水孔，將楠木寺井積水進(jìn)行疏放，最終通過南光楠木寺煤礦排出礦井。

（2）注漿方案。鑒于雙鷹楠木寺井+210 m 水平以下已經(jīng)采空，注漿堵水應(yīng)從南光楠木寺進(jìn)風(fēng)斜井施工，沿井筒連同周邊煤柱、巖柱形成整體阻水帷幕。

（3）重新砌筑隔水墻。在原隔水墻附近，重新設(shè)計(jì)隔水墻的樣式，再分別砌筑一道隔水墻。

方案1 預(yù)計(jì)新增直接排水費(fèi)用約23.6 萬元，后期額外增加排水直接電費(fèi)約19 萬元/a，對地下水資源的疏干、地下水位下降影響也較大；方案3需貫通廢棄巷道，瓦斯、頂板危害治理難度大，隔水墻施工和巷道維修將可能對圍巖再次擾動(dòng)，誘發(fā)突水事故、威脅作業(yè)人員安全。

經(jīng)物探探測，楠木寺4102 開切眼隔水墻目前情況良好，若通過灌漿填筑該區(qū)域，將大幅提高隔水墻抗壓能力。連同已留設(shè)井筒保護(hù)煤柱，以達(dá)到堵截楠木寺采空區(qū)積水的目的。因此，設(shè)計(jì)綜合比較推薦采用方案2。

4 注漿堵水方案設(shè)計(jì)

4.1 廢棄巷道注漿填實(shí)

楠木寺煤礦進(jìn)風(fēng)斜井+174.854 m 標(biāo)高施工1號鉆場，鉆場斷面積3 m×3 m，采用錨噴支護(hù)方式。施工14 個(gè)鉆孔，其中先施工T1 鉆孔，安設(shè)止水套管、壓力表、閥門等裝置，作為探放水鉆孔，終孔孔徑一般取75 mm，終孔孔位盡量位于排水巷巷道下部或底部，并保持向上正角度（確保自流排水），初步查明廢棄巷道積水情況，若有積水則視水壓、水量情況進(jìn)行控制性提前疏放。待確認(rèn)積水已排出或無積水后，再施工其余13 個(gè)鉆孔（編號1-1～1-5、2-1～2-8）灌注4102 北回風(fēng)巷、排水巷，相鄰鉆孔終孔間距約10 m，并確保鉆孔終孔位于廢棄巷道上部（越接近巷道頂部越好）。各鉆孔施工布置形式及參數(shù)如圖3、圖4、表1。

表1 注漿填實(shí)廢巷鉆孔參數(shù)表Table 1 Drilling hole parameters table of abandoned roadway filled by grouting

圖3 注漿封堵鉆孔布置示意Fig.3 Grouting plugging drilling holes layout schematic

圖4 鉆場鉆孔布置示意Fig.4 Drilling holes layout schematic in drilling site

此次方案設(shè)計(jì)考慮至少二次注漿，第一次灌注時(shí)添加碎石（由于鉆孔開孔直徑為120 mm、終孔直徑為108 mm，碎石最大粒徑不得大于30 mm），灌注強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C15 素混凝土。實(shí)際過程中應(yīng)視廢棄巷道積水情況調(diào)整水的比例、添加速凝劑等，并保證素混凝土具有一定流動(dòng)性。若填實(shí)率不滿足要求，應(yīng)考慮二次、三次注漿，每注漿間隔不得小于24 h，保證漿液有足夠凝固時(shí)間，為增加流動(dòng)性，考慮灌注M15 水泥砂漿。廢棄巷道灌注素混凝土、水泥砂漿后，確保填充率不低于95%。

4.2 井筒圍巖封堵加固

此次注漿堵水加固考慮范圍為楠木寺煤礦+474 m 進(jìn)風(fēng)斜井斜長678 m 處～753 m 處（斜長約75 m 段），對應(yīng)井筒底板標(biāo)高為+187.653 —+155.957 m，垂高約31.696 m。

注漿孔布置方式一般垂直井筒頂、底板及兩幫方向均勻布置，排間距3 m，除第17 排布置有8個(gè)鉆孔（相鄰鉆孔之間夾角為45°），煤層底板方向（1～16 排）僅布置頂板方向鉆孔，煤層頂板方向（18～26 排）僅布置底板方向鉆孔，相鄰排鉆孔錯(cuò)開布置，其中，第21、22 排鉆孔因臨近4102北回風(fēng)巷，注漿孔孔深5 m，其余孔深3 m，如圖5 所示。布置鉆孔總數(shù)26 排、共112 個(gè)注漿孔。

圖5 進(jìn)風(fēng)斜井注漿加固段施工斷面Fig.5 Construction section of air inlet inclined shaft in grouting reinforcement section

總施工順序?yàn)樽韵露?，先施工最低點(diǎn)（斜長753 m 處），向上施工至斜長約678 m 處，單排鉆孔施工順序?yàn)閷?cè)布置施工，相鄰注漿孔兼作觀測孔。

5 注漿量統(tǒng)計(jì)與注漿效果評價(jià)

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際施工，注漿封堵廢棄巷道共施工2個(gè)鉆場、37 個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺719 m，進(jìn)風(fēng)斜井由于圍巖較完整，注漿效果較差，未再單獨(dú)施工。

共消耗水泥202 t、河砂245 t、石粉523.5 t、米石459.2 t。經(jīng)鉆孔壓水試驗(yàn)，封堵情況較好，巷道封堵率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

廢棄巷道封堵前，進(jìn)風(fēng)斜井井筒涌水量5～10 m3/h，封堵后進(jìn)風(fēng)斜井井筒涌水量2～3 m3/h，由此可見，廢棄巷道的封堵不僅明顯加固了楠木寺井積水區(qū)域與進(jìn)風(fēng)斜井之間圍巖的強(qiáng)度，使隔水墻、封堵混凝土巷道、圍巖形成了統(tǒng)一的隔水體，有效預(yù)防楠木寺井關(guān)閉后可能從隔水墻、廢棄巷道對進(jìn)風(fēng)斜井的潰水、透水威脅，減小了進(jìn)風(fēng)斜井井筒涌水量（遞減率60%～70%）。

6 結(jié)語

本文針對進(jìn)風(fēng)斜井穿過廢棄巷道區(qū)域時(shí)可能面臨的水患威脅，采取了注漿封堵廢棄巷道、注漿加固圍巖相結(jié)合的預(yù)防措施，與傳統(tǒng)的疏排、重新施工隔水墻等方案相比，技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，更安全可靠。經(jīng)現(xiàn)場施工、檢驗(yàn)，取得了較好的治理、預(yù)防效果，在相似條件礦井防治水設(shè)計(jì)中具有一定適用性。