厚表土薄基巖鑿井突水潰砂井筒破壞治理技術(shù)研究

程 樺，周瑞鶴，姚直書(shū)，居憲博，王曉健

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230022；3.中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001)

0 引 言

自1987年淮北臨煥礦區(qū)9個(gè)井筒井壁發(fā)生嚴(yán)重破裂以來(lái)，我國(guó)黃淮、東北地區(qū)相繼已有100多個(gè)立井井壁發(fā)生不同程度破壞，嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。造成上述多數(shù)井筒破損的主因是上述破壞煤礦立井穿越的沖積層底部含水層(底礫層)多直接覆蓋在煤系地層之上，煤礦生產(chǎn)導(dǎo)致底含疏水[4-6]，引起井筒周圍土層產(chǎn)生二次固結(jié)沉降，產(chǎn)生作用于井筒之上的豎向附加力[7-10]，次因是凍結(jié)壁融沉和季節(jié)溫度應(yīng)力等疊加效應(yīng)[11-14]。對(duì)此，提出了“豎讓橫抗”和“地面注漿加固井筒周圍地層”2種治理方案，其中以前1種方案為主，并收到預(yù)期的良好效果[18-17]。

2009年4月18日，淮南礦區(qū)某在建煤礦副井突發(fā)涌水潰砂，造成淹井事故，井筒呈現(xiàn)出豎向壓裂、法蘭盤(pán)拉開(kāi)、偏斜等破壞特征。由上可見(jiàn)，淮南礦區(qū)某在建煤礦副井大直徑鉆井井筒破壞特征與上述井筒明顯不同，且井筒水文與地質(zhì)條件復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單套用其井筒治理方法。為此，經(jīng)多次論證，本著修復(fù)、預(yù)防并重的原則，制定了“注、凍、修、防”綜合治理方案。即通過(guò)地面注漿改善巖層性能，防止下部基巖再次發(fā)生彎曲變形；通過(guò)套壁與原井壁形成復(fù)合井壁，提高井筒在該復(fù)雜地層條件下的結(jié)構(gòu)安全度；凍結(jié)作為套壁的措施工程，為其施工提供安全保障。

井筒實(shí)勘表明，主、副、風(fēng)3個(gè)井筒井壁接頭法蘭盤(pán)上、下200 mm左右范圍內(nèi)出現(xiàn)壓性環(huán)向裂紋、剝皮、裂紋；雙層鋼板混凝土復(fù)合井壁段，位于表土層內(nèi)的破損井壁多數(shù)在井壁法蘭連接處被部分拉開(kāi)，且出現(xiàn)程度不一的水平錯(cuò)動(dòng)，位于基巖段的4節(jié)井壁在彼此法蘭連接處沿環(huán)向全部被拉開(kāi)，但沒(méi)發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)；副井馬頭門(mén)及上下10 m左右井壁發(fā)生嚴(yán)重變形破壞，其中主、風(fēng)井井筒破壞程度與范圍均遠(yuǎn)小于副井，且馬頭門(mén)部位完好。

筆者簡(jiǎn)要闡述該礦副井井筒及主、風(fēng)井井筒破壞特征，分析其破損原因，重點(diǎn)介紹本著修復(fù)、預(yù)防并重的原則，制定的“拋、注、凍、修、防”井筒突水潰砂破壞綜合治理方案，以及相應(yīng)的系列施工技術(shù)，為今后類似井筒破損治理與預(yù)防提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 井筒概況

該礦設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，采用立井、主要石門(mén)及分組大巷開(kāi)拓方式，通風(fēng)系統(tǒng)為中央并列式，設(shè)計(jì)水平標(biāo)高為-735 m。工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)設(shè)主井、副井和風(fēng)井3個(gè)立井井筒，3個(gè)井筒穿過(guò)的新生界地層和基巖風(fēng)化帶段采用鉆井法施工，基巖段采用普通法施工。主、副、風(fēng)3個(gè)井井筒與井壁結(jié)構(gòu)特征與參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 井筒水文與工程地質(zhì)條件

根據(jù)該礦井井筒檢查孔地質(zhì)資料，井筒穿過(guò)的地層自上而下為新生界松散層和二疊系。其中主、副、風(fēng)三井筒穿過(guò)的新生界松散層厚度580.93～583.80 m，且自上而下共有4個(gè)含水層(組)和3個(gè)隔水層(組)，其中“四含”富水性中等。井筒穿過(guò)的基巖地層，從二疊系11煤至4煤下鋁質(zhì)花斑泥巖，地層總厚度為186.77～194.20 m。副井馬頭門(mén)位于煤系地層(水平深度762.50 m),馬頭門(mén)下部為花斑泥巖(厚10.20 m)，其下為灰?guī)r；井筒穿過(guò)的完整基巖段厚度薄，管子道頂部到風(fēng)化基巖厚度為127.5 m，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、中細(xì)砂巖和9層煤(總厚度約16.0 m)。巖石抗壓強(qiáng)度為10.8～31.9 MPa(圖1)。

表1 主、副、風(fēng)井井壁特征

圖1 地層柱狀與副井井壁結(jié)構(gòu)Fig.1 Stratigraphic column and structure of auxiliary shaft lining

2 井筒破壞特征與機(jī)理分析

2.1 破壞特征

2009年4月18日10時(shí)發(fā)現(xiàn)該礦副井井筒出水量由原先的6 m3/h增至12 m3/h,水質(zhì)混濁并伴有泥砂。其后，井筒突水和潰砂量迅速增大，至當(dāng)天17時(shí)井筒水位上升至四含底界面，共淹沒(méi)體積達(dá)99 670 m3，導(dǎo)致礦井淹井。經(jīng)推算，平均單位突水涌砂量為18 805 m3/h。距離副井最近的四含長(zhǎng)觀孔水位由水出前的-13.34 m降到-78.4 m,突水水源主要為四含水。

主、副、風(fēng)3個(gè)井筒在修復(fù)施工排水清淤后井壁檢查表明，副井井筒突水潰砂引發(fā)了主、風(fēng)井井壁次生破壞，其中副井破壞最嚴(yán)重，中央風(fēng)井次之，主井最輕。

圖2 副井井筒破壞形態(tài)Fig.2 Destructive form of auxiliary shaft

副井井筒140節(jié)鉆井井壁，共發(fā)現(xiàn)36節(jié)法蘭連接處發(fā)生不同程度破壞。其破壞特征為：鋼筋混凝土井壁段(累深375.2 m以淺)共有17節(jié)井壁出現(xiàn)不同程度破壞，其中井筒深度100 m以淺，法蘭盤(pán)上、下200 mm左右范圍內(nèi)出現(xiàn)壓性環(huán)向裂紋；井深330～375 m區(qū)段，法蘭盤(pán)上、下200 mm左右范圍內(nèi)出現(xiàn)剝皮、裂紋(圖2a)。雙層鋼板混凝土復(fù)合井壁段(累深375.2～640.0 m)，位于表土層內(nèi)的破損井壁多數(shù)在井壁法蘭連接處被部分縱向拉開(kāi)，且被縱向拉開(kāi)的間距不等，并出現(xiàn)程度不一的水平錯(cuò)動(dòng)，2節(jié)井壁縱向拉開(kāi)處均有固結(jié)水泥漿液(圖2a)；位于基巖段的11號(hào)與12號(hào)、12號(hào)與13號(hào)四節(jié)井壁(累深591.2、595.2 m)，在彼此法蘭連接處沿環(huán)向全部被拉開(kāi)，拉開(kāi)間距分別為200～230 mm、10～30 mm，但沒(méi)發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)，且井壁間充填物以砂質(zhì)泥巖為主，固結(jié)水泥漿為輔(圖2b)。另在井深440.0～615.0 m 段，井筒在南-北、東-西方向縱向均發(fā)生鉆井井壁節(jié)間錯(cuò)動(dòng)性偏斜，其中440.0～567.7 m向南水平偏斜最大絕對(duì)值為1 154 mm。

主井井筒共有157節(jié)鉆井井壁，其中6節(jié)井壁出現(xiàn)不同程度裂紋、裂縫或井壁表層脫落現(xiàn)象，裂紋主要出現(xiàn)在井壁法蘭連接處上、下200 mm范圍內(nèi)，54號(hào)、55號(hào)井壁法蘭連接處被縱向拉開(kāi)，且55號(hào)井壁出現(xiàn)整體橫向錯(cuò)位180 mm。

風(fēng)井井筒共有136節(jié)鉆井井壁，39節(jié)井壁在法蘭連接處上、下200 mm范圍內(nèi)，出現(xiàn)環(huán)向裂紋，2節(jié)井壁出現(xiàn)裂縫，99號(hào)井壁上法蘭盤(pán)向下180 mm左右出現(xiàn)1道寬度1～3 mm環(huán)向裂縫；埋深674.3～709.1 m,井壁出現(xiàn)多處長(zhǎng)度在2 m左右的斜向裂紋或裂縫。

副井馬頭門(mén)嚴(yán)重破損。其中東、西兩側(cè)拱頂分別下沉341、300 mm，馬頭處上部加固段5 m左右井壁在南北方向出現(xiàn)約600 mm徑向變形，井壁出現(xiàn)開(kāi)裂；馬頭處井壁出現(xiàn)多道貫通性斜向斷裂，大面積井壁混凝土沿?cái)嗔衙婷撀?；東西兩側(cè)馬頭門(mén)墻體均出現(xiàn)100～300 mm變形，鄰近井筒部位大面積墻體混凝土斷裂。主、風(fēng)井筒馬頭門(mén)部位均完好。

2.2 破壞機(jī)理分析

根據(jù)理論與試驗(yàn)研究、多次專家組論證、以及修復(fù)揭露的井筒實(shí)際破壞形態(tài)驗(yàn)證，從以下2個(gè)方面分析導(dǎo)致其破壞的機(jī)理。

1)馬頭門(mén)上覆巖層受多次擾動(dòng)，改變了井筒受力狀態(tài)。由前述，副井井筒穿越新生界松散層厚度580.93 m，基巖風(fēng)化帶34.0 m，副井馬頭門(mén)(累深762.5 m)與風(fēng)化基巖段距離僅143 m左右，屬水文與地質(zhì)條件復(fù)雜的薄基巖厚表土地層。該井筒馬頭門(mén)上、下部分別位于砂質(zhì)泥巖和花斑泥巖中，其中花斑泥巖中黏土礦物以高嶺石與伊利石為主 ,屬典型遇水膨脹軟巖(抗壓強(qiáng)度10.8～14.0 MPa)。該井筒在永久裝備安裝結(jié)束后試運(yùn)行次月，即發(fā)現(xiàn)馬頭門(mén)頂板及以下部位罐道彎曲變形和卡罐現(xiàn)象。其后，東、西兩側(cè)等候室承壓損壞、變形嚴(yán)重，斷面縮小。為此，對(duì)馬頭門(mén)、兩側(cè)等候室反復(fù)挖補(bǔ)、加固維修達(dá)6次。最后1次維修是在馬頭門(mén)處井壁出現(xiàn)裂縫，搖臺(tái)基礎(chǔ)以下井壁發(fā)生變形、變徑后，實(shí)施破除搖臺(tái)以下破壞井壁，該處井筒縮徑近400 mm后的次日即發(fā)生了潰砂涌水淹井事故。由此可見(jiàn)，該井筒在馬頭門(mén)及等候室施工過(guò)程中已多次擾動(dòng)該部位圍巖，加之多次維修，引發(fā)了馬頭門(mén)上覆巖層彎曲下沉變形，圍巖產(chǎn)生了作用在井筒上的豎向拉力，改變了其原始受力狀態(tài)(圖3)。

z—深度；r—水平距離；R—影響半徑；r0—井外半徑；γ—巖層容重；H—上覆巖層高度；λ—側(cè)壓系數(shù)；τ—豎向剪切圖3 井壁受拉破斷受力分析Fig.3 Analysis of force of pulling and breaking of shaft lining

2)現(xiàn)行GB 50384—2016《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》沒(méi)有對(duì)鉆井井筒豎向抗拉提出設(shè)計(jì)要求，當(dāng)作用在井筒之上拉力達(dá)到鉆井井壁接頭閾值時(shí)，其接頭由下而上依次被拉開(kāi)。其后揭露的副井破損情況表明，處于基巖段的井壁上下接頭拉斷后，因圍巖的限制，均未出現(xiàn)各節(jié)井筒錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象；位于松散層內(nèi)井筒首個(gè)涌水潰砂點(diǎn)發(fā)生在“三隔”與“四含”交界面處(568.36 m，在24、25號(hào)井筒連接處)，在發(fā)生涌水潰砂時(shí)，在涌水潰砂的動(dòng)力推動(dòng)下，致使井筒沿接頭處發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。沖積層大量地下水和砂土涌入井筒后，引發(fā)井筒四周地層沉降，繼而產(chǎn)生作用井筒之上的豎向附加力，致使在多處井壁法蘭盤(pán)連接處下方出現(xiàn)環(huán)向受壓裂縫(圖4)。

圖4 井壁受壓破壞受力分析Fig.4 Analysis of damage caused by pressure on shaft lining

主、風(fēng)井破損為副井引發(fā)的次生破壞，其也經(jīng)歷了先拉后壓的二次受力破壞過(guò)程。先期因受副井引發(fā)的地層涌水潰砂波及，主井個(gè)別井壁法蘭盤(pán)連接處也發(fā)生了拉斷錯(cuò)動(dòng)破壞。其后，因地層沉降產(chǎn)生的豎向附加力，致使多處鋼筋混凝土井壁段井壁接頭法蘭盤(pán)上下出現(xiàn)裂紋(縫)破壞。

3 井筒修復(fù)綜合治理方案

3.1 治理原則與方法

該礦副井井筒突水潰砂事故發(fā)生后，建設(shè)單位多次組織國(guó)內(nèi)相關(guān)專業(yè)專家會(huì)商綜合治理技術(shù)方案。本著修復(fù)、預(yù)防并重的原則，制定了“拋、注、凍、修、防”副井突水治理與主、副、風(fēng)三個(gè)井筒綜合防治技術(shù)方案，分?jǐn)⑷缦拢孩佟皰仭薄⒓聪蚋本矁?nèi)拋粒徑為20～40 mm的石子，拋渣高度至三隔的頂界，旨在保護(hù)井筒，防止再次發(fā)生次生破壞。②“注”——通過(guò)地面注漿在井筒周圍形成注漿帷幕，以提高因受突水潰砂擾動(dòng)的新生界松散層的密實(shí)性，改善下部基巖力學(xué)特性，并為凍結(jié)造孔提供條件。③“凍”——待注漿后，人工凍結(jié)井筒新生界松散層和風(fēng)化基巖段圍巖，進(jìn)一步封堵水和加固圍巖，確保井筒修復(fù)安全。④“修”——在井筒排水、清淤后，修復(fù)實(shí)際揭露的破壞井壁。⑤“防”——通過(guò)注漿加固地層和副、主、風(fēng)井井筒套壁，不僅地層得到了注漿加固，而且井壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提高，實(shí)現(xiàn)副井以及次生破壞的主、風(fēng)井筒“長(zhǎng)期安穩(wěn)”的目標(biāo)。

3.2 擾動(dòng)地層地面注漿設(shè)計(jì)方案

1)設(shè)計(jì)原則：先探后注、探注結(jié)合、充填四含、加固基巖、控制注漿。

2)探、注孔布設(shè)：先期在副井井架4個(gè)架腿附近距離井壁10～20 m各布置1個(gè)探注孔，以查明“四含”巖性變化，測(cè)定含水層吸水量、注水試驗(yàn)及流量測(cè)井，以注漿充填四含、加固基巖。為查明副井突水對(duì)主、風(fēng)井井筒影響，在距離主、風(fēng)井20 m靠近副井一側(cè)各施工1個(gè)驗(yàn)證孔。副井井筒探、注孔布設(shè)如圖5所示。

圖5 副井井筒探注鉆孔平面布置 Fig.5 Plane layout of exploration drilling of auxiliary shaft

3.3 既有井筒控制凍結(jié)方案

1)凍結(jié)方案原則：以止水為目的，控制凍脹力對(duì)既有井筒的作用，確保井筒修復(fù)過(guò)程中的安全。

2)凍結(jié)設(shè)計(jì)：副井內(nèi)、外排孔分別采用局部和全深凍結(jié)；主、風(fēng)井采用全深凍結(jié)。主、副、風(fēng)井凍結(jié)壁內(nèi)均設(shè)置水文卸壓孔，以報(bào)道凍結(jié)壁發(fā)展并釋放凍脹力；采用淹水凍結(jié)，有效改善既有井筒的受力狀態(tài)。以副井為例，其凍結(jié)孔布置如圖6所示，設(shè)計(jì)6個(gè)測(cè)溫孔，深度為660 m布置4個(gè)，深度為673 m布置2個(gè)；在凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)(內(nèi)排孔與井壁之間)布置4個(gè)雙層報(bào)導(dǎo)水文孔S1、S2、S3、S4，其孔深分別為386、386、581、581 m，管內(nèi)設(shè)置隔板，釋放二含、三含、三隔及四含內(nèi)的凍脹水。主、副、風(fēng)井筒凍結(jié)孔參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主、副、風(fēng)井筒凍結(jié)孔參數(shù)

圖6 副井凍結(jié)孔布置 Fig.6 Arrangement of freezing hole in auxiliary shaft

3.4 破壞井壁修復(fù)

修復(fù)原則：修復(fù)破壞的井壁，但不破除豎向偏斜較大段的井壁；在滿足使用要求前提下，在原井筒內(nèi)套一層井壁，不改變修復(fù)后井筒的原功能性質(zhì)。

3.5 井筒內(nèi)套井壁

套壁方案：主、副、風(fēng)3個(gè)井筒均采用全井筒套壁方案；套壁計(jì)算原則：主、副井、風(fēng)井凍結(jié)段套砌井壁承受的水平均勻布荷載分別按1.0H、0.9H～1.0H、0.81H(局部)～1.0H(H為井壁計(jì)算處深度)靜水壓力計(jì)算；原井壁按凍結(jié)壓力驗(yàn)算，兩層井壁共同承受水土壓力。

3.6 副井馬頭門(mén)修復(fù)加固方案

修復(fù)原則：深孔注漿加固連接處巖層，提高圍巖自身強(qiáng)度；選擇受力自穩(wěn)性好的“馬蹄”形斷面形式；采用以抗為主多層聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)；調(diào)整、取消副井井筒連接硐室群，減少馬頭門(mén)修復(fù)和硐室群施工對(duì)其圍巖的再次擾動(dòng)。

4 綜合治理施工技術(shù)

4.1 擾動(dòng)地層地面注漿技術(shù)

1)注漿孔施工：考慮到井筒在突水過(guò)程中，伴有大量泥砂涌入井筒和井下巷道，周圍地層受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，在施工注漿時(shí)可能出現(xiàn)泥漿流失、埋鉆、掉鉆等現(xiàn)象。故采用下行式鉆注結(jié)合，見(jiàn)漏就注，多級(jí)套管結(jié)構(gòu)的注漿孔施工方法。

2)注漿施工：采用下行式間歇或連續(xù)注漿，考慮到注漿區(qū)段地層漏失嚴(yán)重，在沖積層采用孔口無(wú)壓自流式注漿；在副井基巖段，在套管內(nèi)拉塞注漿，單次注漿時(shí)間為24 h，其后若未到注漿設(shè)計(jì)壓力則起鉆重新下塞，直至其達(dá)到設(shè)計(jì)值。

3)注漿主要技術(shù)參數(shù)：鉆孔設(shè)計(jì)深度630 m，穿過(guò)基巖風(fēng)化帶進(jìn)入完整巖石。

4)鉆孔結(jié)構(gòu)：孔深0～335 m，孔徑?340 mm，下入?244 mm套管；孔深335～525 m，孔徑?215 mm，下入?178 mm套管；孔深525～630 m，孔徑130 mm。

注漿漿液：采用水泥+三乙醇胺和氯化鈉的單液水泥漿。水灰比按1∶1、0.8∶1、0.6∶1三級(jí)逐級(jí)提高；注漿量根據(jù)情況每級(jí)為200～300 t；注漿壓力不超過(guò)受注點(diǎn)靜水壓力的2倍。為防止高壓漿液對(duì)井筒的破壞，沖積層和基巖段孔口壓力分別控制在2、4 MPa。根據(jù)注漿段地層壓縮、漏失情況，本著先稀后濃的原則，適時(shí)調(diào)整漿液配比。

主、副、風(fēng)三井共施工探注孔及相關(guān)檢查孔17個(gè)，其中探注孔14個(gè)，驗(yàn)證孔1個(gè)，共計(jì)鉆探進(jìn)尺9 612.09 m。下入(?244.5×8.94 mm)套管4 500.54 m；(?177.8×6.98 mm)套管2 114.87 m；(?139.7×6.98 mm)套管600.7 m。主、副、風(fēng)三井分別注入水泥漿液：76 708、11 310、10 497 m3，總計(jì)94 937.29 m3。

4.2 控制凍結(jié)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)地層既有井筒工況下，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求形成凍結(jié)壁，有效控制凍脹力，確保既有井筒安全，在凍結(jié)孔成孔與偏斜、凍結(jié)方式與凍結(jié)器、水文卸壓孔結(jié)構(gòu)、凍結(jié)壁溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)與監(jiān)控等方面，研發(fā)形成了系列控制凍結(jié)技術(shù)。

4.2.1 凍結(jié)器設(shè)計(jì)

主、副(外排孔)、風(fēng)井：凍結(jié)管采用?159 mm×5～7的無(wú)縫鋼管內(nèi)管箍連接，內(nèi)下?75 mm×6的聚乙烯塑料軟管作供液管；副井內(nèi)排孔380 m以上采用?168×6 mm低碳鋼無(wú)縫鋼管，外管箍焊接聯(lián)接，內(nèi)下雙?70×5 mm聚乙烯塑料軟管；380 m以下采用為?159×7 mm低碳鋼無(wú)縫鋼管，內(nèi)管箍焊接，內(nèi)下?70×5 mm聚乙烯塑料軟管。

4.2.2 水文卸壓孔

主、副、風(fēng)三井凍結(jié)壁內(nèi)側(cè)(內(nèi)排孔與井壁之間)各布置4個(gè)雙層報(bào)導(dǎo)水文孔S1、S2、S3、S4。以副井為例，其孔深分別為386、386、581、581 m，管內(nèi)設(shè)置隔板，釋放二含、三含、三隔及四含內(nèi)的凍脹水。S1、S2、S3、S4水文孔鉆至所能報(bào)導(dǎo)的層位距離分別為102～121 m與131～386、102～121與131～386、387～544與544～581、387～544與544～581 m?；ü茉O(shè)置在厚度較大的砂性土層中。

4.2.3 控制凍結(jié)技術(shù)

主、風(fēng)井為全深正常凍結(jié)。副井內(nèi)排孔采用正循環(huán)方式局部?jī)鼋Y(jié)，即鹽水由長(zhǎng)供液管進(jìn)入凍結(jié)器，并經(jīng)凍結(jié)器底部進(jìn)入凍結(jié)器環(huán)形空間，最后經(jīng)短供液管流出凍結(jié)器。當(dāng)推算井壁外緣溫度達(dá)到-3.0 ℃時(shí)，控制內(nèi)排孔凍結(jié)，即減小其鹽水流量，調(diào)整鹽水溫度。外排孔滯后內(nèi)排孔30 d開(kāi)凍。外排孔采用正循環(huán)方式凍結(jié)，即鹽水從供液管進(jìn)入凍結(jié)器，經(jīng)凍結(jié)器底部進(jìn)入凍結(jié)器環(huán)形空間，最后經(jīng)凍結(jié)器頭部流出凍結(jié)器。當(dāng)推算凍結(jié)壁外側(cè)厚度達(dá)到1.2 m時(shí)，控制外排孔凍結(jié)，即減小其鹽水流量，控制鹽水溫度。

采用信息化施工動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，通過(guò)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析判斷、推算凍結(jié)壁發(fā)展情況，以井壁外緣溫度不低于-3 ℃為控制目標(biāo)，通過(guò)控制鹽水溫度及流量，動(dòng)態(tài)控制凍結(jié)過(guò)程，確保凍結(jié)壁各項(xiàng)發(fā)展參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 井筒修復(fù)施工技術(shù)

在地面注漿加固地層、井筒控制凍結(jié)施工、井筒排水、清淤、井筒裝備拆除完成后，則開(kāi)始井筒修復(fù)施工。其主要內(nèi)容包括：破損井壁與修復(fù)、內(nèi)套井壁、壁座的開(kāi)挖及澆筑、馬頭門(mén)修復(fù)等。因副井是井筒破損潰砂突水事故的源頭，井筒破損情況最嚴(yán)重和最復(fù)雜，故以副井為例。修復(fù)設(shè)計(jì)步驟：

1)不處理井筒接頭處裂紋、裂縫和井壁內(nèi)表面剝皮破損井壁。

圖7 破壞井壁修復(fù)設(shè)計(jì)Fig.7 Design of repairing damaged shaft lining

3)對(duì)僅發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)的雙層鋼板混凝土井壁(主、風(fēng)井)，沿水平錯(cuò)動(dòng)交界面周圈焊接，焊縫高度為10 mm。

4)清除副井24號(hào)與25號(hào)井壁連接處類似“魚(yú)嘴狀”開(kāi)口處破壞的混凝土，在洞口處井壁外側(cè)設(shè)置鋼板并在井壁內(nèi)放置鋼筋籠，然后在井壁內(nèi)緣洞口處焊上鋼板、內(nèi)澆筑C80高強(qiáng)、高性能細(xì)石混凝土。

4.4 井筒內(nèi)套井壁施工技術(shù)

套壁結(jié)構(gòu)形式：內(nèi)套井壁上、下段分別為鋼筋混凝土和內(nèi)鋼板混凝土(局部鋼纖維混凝土)2種井壁結(jié)構(gòu)形式。其中，凍結(jié)段內(nèi)套井壁與原井壁間鋪設(shè)夾層塑料板(圖8)，在井筒基巖段套壁結(jié)構(gòu)與原井壁之間設(shè)置錨筋。

圖8 副井套壁結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of casing shaft lining of auxiliary shaft

4.4.1 內(nèi)套鋼筋混凝土井壁段施工

該段使用組合式大塊金屬模板，采用4層吊盤(pán)施工作業(yè)。其中：一層吊盤(pán)用作除冰霜、打眼、綁扎外層鋼筋；二層吊盤(pán)作為發(fā)送信號(hào)和下放混凝土；三層吊盤(pán)用于綁扎內(nèi)層鋼筋、穩(wěn)模、振搗混凝土、組合鋼板安裝和焊接；四層臨時(shí)吊盤(pán)作為拆模板、灑水養(yǎng)護(hù)用。

塑料板鋪設(shè)：在井筒累深0～615.62 m段原井壁內(nèi)側(cè)全斷面鋪設(shè)雙層塑料板，規(guī)格為厚1.5 mm×高2 000 mm，采用魚(yú)鱗式搭接。

壁座段施工：井筒累深649.1～655.1 m壁座段施工時(shí)，首先用YT-28型風(fēng)錘對(duì)原井壁進(jìn)行打密集眼，孔徑42 mm,打眼深度不超過(guò)400 mm,人工使用劈裂機(jī)或風(fēng)鎬從上向下對(duì)該段原井壁進(jìn)行破除，然后進(jìn)行錨網(wǎng)臨時(shí)支護(hù)。壁座段原井壁破除施工完畢后，綁扎鋼筋、穩(wěn)模及混凝土整體澆注施工。

4.4.2 內(nèi)套鋼板井壁施工

高管是企業(yè)管理的高級(jí)人才，一般指企業(yè)副總以上的人才，包括高級(jí)技術(shù)人才。高管是企業(yè)的核心人力因素。發(fā)揮高管的責(zé)任意識(shí)是提升企業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

累深358.9～649.1 m采用鋼板與鋼筋(鋼纖維)混凝土復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)。首先，采用?25 mm鋼筯，在第一層鋼板井壁下口設(shè)置1個(gè)與原鋼板井壁焊接的環(huán)形托架，并在該托架上澆筑混凝土。其后，將組合鋼板下入井內(nèi)，利用二層吊盤(pán)周邊起吊點(diǎn)上懸掛的3噸手拉葫蘆吊裝組合鋼板至指定位置，通過(guò)井筒十字中心線校對(duì)組合鋼板規(guī)格尺寸，用支撐將每塊組合鋼板固定牢固，每塊鋼板井壁外側(cè)加1根?20 mm連接筯。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求分別焊接內(nèi)套井壁16、20、30、35 mm厚鋼板，完成焊接后，即可起升吊盤(pán)，并在組合鋼板井壁內(nèi)綁扎單層鋼筋并澆筑混凝土。

4.5 副井馬頭門(mén)修復(fù)技術(shù)

修復(fù)前，馬頭門(mén)上口基巖段高40 m(累深715.5～755.5 m)壁后注漿加固馬頭門(mén)上覆圍巖，整體破除馬頭門(mén)上口5 m段破壞井壁，重新綁扎鋼筋重新澆筑650 mm厚C50鋼筋混凝土井壁。

馬頭門(mén)二側(cè)同時(shí)施工，從上至下分4層逐層進(jìn)行。第1分層斷面刷大到設(shè)計(jì)尺寸后，首先采用錨、網(wǎng)、噴、索一次支護(hù)，其中高強(qiáng)錨桿直徑為22 mm、長(zhǎng)度2 500 mm、間排距為800 mm×800 mm；鋼筋網(wǎng)的鋼筋直徑為6 mm、網(wǎng)孔間距為150 mm×150 mm，噴層設(shè)計(jì)厚度為50 mm，強(qiáng)度等級(jí)為C20。錨索直徑21.8 mm、長(zhǎng)度7 300 mm、間距1 500 mm×1 500 mm。

然后，架設(shè)本分層的雙層重疊式U36型鋼支架，每米3架，并安設(shè)拉桿、鋼筋網(wǎng)背板和壁后噴漿充填，形成加強(qiáng)支護(hù)體系。在每分層兩邊側(cè)墻各設(shè)置一道工字梁腰梁，并通過(guò)短錨桿將其錨固到圍巖中，再將上下相鄰兩分層的U型鋼支架端部分別焊接于工字梁腰梁的上下表面，使上、下二段U型鋼連成一起。

采用雙層重疊式U36型鋼支架增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于斷面空間尺寸大，在兩邊腰梁之間焊接對(duì)撐，并在對(duì)撐與上方的U型鋼支架之間設(shè)置斜撐，以形成整體空間結(jié)構(gòu)(圖9)。本層U36型鋼支架安設(shè)完成后，再對(duì)U型鋼支架噴射混凝土將其表面噴平，形成混凝土復(fù)噴層。

當(dāng)4個(gè)分層全部施工完成、形成“馬蹄形”斷面后，在混凝土復(fù)噴層表面鋪設(shè)20 mm厚塑料板可壓縮材料(在1.0 MPa壓力下，其壓縮變形率為43.8%)形成可壓縮層，以防現(xiàn)澆混凝土碹體在凝固和強(qiáng)度很低時(shí)被壓壞。然后，進(jìn)行清底、立模板、綁扎鋼筋網(wǎng)(內(nèi)排配筋，環(huán)、縱向鋼筋直徑皆為25 mm、間距為250 mm)、現(xiàn)澆550 mm厚C50鋼筋混凝土，從而形成外層永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，待澆灌的鋼筋混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行壁后注漿充填，并切割馬頭門(mén)凈空間內(nèi)的對(duì)撐梁和斜撐梁。最后，等到整個(gè)馬頭門(mén)、主要連接硐室和下部井筒施工好后，再現(xiàn)澆800 mm厚CF60鋼筋鋼纖維混凝土(雙排配筋，環(huán)、縱向鋼筋直徑皆為25 mm、間距為200 mm)，形成高強(qiáng)整體復(fù)合永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。馬頭門(mén)上下加固段井壁和馬頭門(mén)支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1—錨桿索、鋼筋網(wǎng)；2—噴層；3—U36型鋼支架；4—混凝土復(fù)噴層；5—可壓縮層；6—鋼筋鋼纖維混凝土碹體；7—腰梁；8—錨固短錨桿；9—對(duì)撐；10—斜撐圖9 馬頭門(mén)復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)示意 Fig.9 Schematic of composite support structure for ingate

5 治理效果

該礦主、風(fēng)、副3個(gè)井筒修復(fù)凍結(jié)工程分別于2013年7月、2013年8月和2014年7月底停凍；套砌內(nèi)壁工程分別于2013年9月底、11月底和2014年10月底完成，修復(fù)工程均通過(guò)單位工程質(zhì)量認(rèn)證，并按GB 50213—2010《煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求，順利通過(guò)工程驗(yàn)收。凍結(jié)壁溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析表明，主、風(fēng)井凍結(jié)壁在2015年7月、副井在2016年年底已全部解凍。

副井井筒在修復(fù)套壁期間在井深463、530、580 m三個(gè)水平分別埋設(shè)了54個(gè)鋼弦式受力與變形監(jiān)測(cè)元件，主、風(fēng)井沿井深各設(shè)置了55、29個(gè)FBG光纖傳感元件，以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)修復(fù)后的3個(gè)井筒內(nèi)套井壁混凝土環(huán)(豎)向應(yīng)變、環(huán)(豎)向鋼筋應(yīng)力和副井內(nèi)套井壁與原井壁間的壁間壓力。目前，工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)地表沉降穩(wěn)定；修復(fù)后的3個(gè)井筒內(nèi)套井壁內(nèi)力和副井壁間壓力均小于設(shè)計(jì)值；地下含水層水位正常、穩(wěn)定，主、風(fēng)井井筒涌水量各為1 m3/d左右，副井井筒涌水量約為4 m3/d，3個(gè)井筒總涌水5～6 m3/d。

由上可見(jiàn)，該礦經(jīng)修復(fù)后的主、副、風(fēng)3個(gè)井筒地層圍巖得到了地面注漿加固改良；鉆井井壁壁后充填層整體性和密實(shí)性均大幅提高，加之進(jìn)行了壁間注漿，有效衰減了作用于原井壁和內(nèi)套井壁的高壓水壓力；修復(fù)后的井筒水平承載能力和安全度均得到提高；全深套壁和原鉆井井筒底部新增設(shè)壁座，消除了發(fā)生底部基巖移動(dòng)可能產(chǎn)生的作用于井壁之上的豎向拉力安全隱患。綜合監(jiān)測(cè)表明，修復(fù)后的主、副、風(fēng)3個(gè)井筒，符合《煤礦安全規(guī)程》、GB 50213—2010《煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》》要求，均處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

6 結(jié) 論

1)該礦井筒穿越薄基巖厚表土地層，水文與工程地質(zhì)條件復(fù)雜。因馬頭門(mén)多次加固維修，引發(fā)其上覆巖層多次擾動(dòng)發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生作用在井筒下部的豎向拉力，導(dǎo)致副井鉆井井筒接頭處受拉斷開(kāi)潰砂涌水。其后，因大量地下水砂涌入井筒，引發(fā)井筒四周地層固結(jié)沉降，繼而產(chǎn)生作用井筒之上的豎向附加力，致使井筒經(jīng)歷了先拉后壓的二次受力破壞過(guò)程。主、風(fēng)井井筒破損為副井引發(fā)的次生破壞。

2)本著修復(fù)、預(yù)防并重原則，研究提出的“拋、注、凍、修、防”副井突水治理與主、副、風(fēng)3個(gè)井筒綜合防治技術(shù)方案，旨在通過(guò)地層注漿和主、副、風(fēng)井井筒套壁，不僅加固了擾動(dòng)地層，而且提高了井壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為實(shí)現(xiàn)主、副、風(fēng)井筒“長(zhǎng)治久安”目標(biāo)提供了有力保障。

3)形成的擾動(dòng)地層地面注漿、既有井筒控制凍結(jié)、井筒內(nèi)套鋼板井壁、馬頭門(mén)修復(fù)等系列施工技術(shù)，解決了擾動(dòng)地層成孔與注漿、凍脹力對(duì)既有井筒影響、井筒內(nèi)套鋼板井壁拼裝與焊接、破損馬頭門(mén)的破除與復(fù)合永久支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)等施工技術(shù)與工藝難題。

4)綜合監(jiān)測(cè)表明，目前修復(fù)后的主、副、風(fēng)3個(gè)井筒，符合相關(guān)規(guī)范(程)要求，均處于安全運(yùn)行狀態(tài)，為今后類似工程提供了有益借鑒。