廢棄小窯掩埋井井筒探測及封堵技術(shù)探討

方 軍

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

廢棄小窯掩埋井井筒探測及封堵技術(shù)探討

方 軍

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

廢棄小窯由于長期荒廢無人治理，井口被工業(yè)廢渣及建筑垃圾等雜物充填、掩埋，導(dǎo)致井筒確切位置難以確定。若未對井筒有效回填封堵，在動載或地震等外力作用下，井壁可能出現(xiàn)破損，特別是沖積層段內(nèi)出現(xiàn)損壞后，流砂將通過井壁潰入井下，導(dǎo)致井筒附近地基被淘空以致地表出現(xiàn)變形，給行人及周邊建筑物帶來極大的安全陷患。為此，通過分析廢棄小窯井筒物理特性，針對性地提出了掩埋井井筒探測及封堵技術(shù)及思路。

掩埋井 探測技術(shù) 井筒封堵

在我國資源枯竭型礦區(qū)，廢棄小窯由于長期荒廢無人治理，井口被工業(yè)廢渣及建筑垃圾等雜物充填、掩埋，導(dǎo)致井筒確切位置難以確定。井筒在外力作用下，井壁可能出現(xiàn)破損，特別是沖積層段井壁出現(xiàn)損壞后，地表水和沖積層內(nèi)的流砂將通過破損的井壁潰入井下充填巷道、井筒及采空區(qū)，將導(dǎo)致井筒附近地基被淘空以致下沉、傾斜，加之廢棄充填物料粒徑不統(tǒng)一、強度不均勻，井筒內(nèi)往往出現(xiàn)“懸洞”。為了對掩埋井井筒進行有效回填封堵，首先應(yīng)通過物探的方法合理確定掩埋井井筒的位置，然后使用合理配比的單液水泥漿進行井筒內(nèi)全注漿封堵和井筒外帷幕注漿封堵，以切斷地表水和流砂層與井下連通的潛在通道。

1 井筒位置的探測

由于掩埋井位于回填蓋層之下，蓋層的存在降低了地表探測方法的分辨率，準確確定井口位置的基礎(chǔ)是尋找掩埋井在蓋層影響下的電性異常。掩埋井的電性特征由于內(nèi)部填充物的差別，在電性斷面圖上表現(xiàn)出明顯差異。為確保探測工作的效果，在工作區(qū)開展大面積工作前，首先對擬投入工作的物探方法有效性進行對比試驗，以期優(yōu)選獲得效率高、有效性強、適于工作區(qū)施工條件的方法。目前，國內(nèi)常用的地下工程物探方法包括氡氣測量、瞬變電磁測量、地震折射和高密度電法測量。

1.1 氡氣測量試驗

工作地點一般選擇在距離掩埋井較近的裸露井進行，觀測采用“十”字測線，采用向地下砸入剛質(zhì)取樣器方式獲取氡氣采樣點上氡氣含量測量值(圖1)。從氡氣測量的結(jié)果看，測量值無規(guī)律，推斷由于地下回填土不具備賦存放射性氣體的空間或空間未封閉，導(dǎo)致氡氣流失。試驗結(jié)果證明：一般情況下，掩埋井筒不具備氡氣測量的前提條件。

圖1 氡氣測量試驗效果

1.2 瞬變電磁法測量試驗

瞬變電磁法測量試驗主要穿過裸露井中心、井壁及井旁，測線間距3 m。從瞬變電磁法測量的探測效果上看(圖2)，瞬變電磁法對淺部地層的分辨率相對較低，但深部由于觀測數(shù)據(jù)量的增大分辨率明顯提高，可作為探測掩埋井的一種輔助手段。

1.3 淺層地震測量試驗

淺層地震測量對地層的成層性要求較高，工作區(qū)內(nèi)淺部主要為回填蓋層，無成層性，導(dǎo)致由震源激發(fā)的地震波經(jīng)過回填層的反射和折射后，有用信號不能被充分接收，達不到探測的目的。

1.4 高密度電法試驗

圖2 瞬變電磁法測量試驗效果(單位:Ω·m)

高密度電法試驗布設(shè)測線時分別選擇2 m電極距和4 m電極距2種觀測參數(shù)，從而比較選擇最適合工作區(qū)的儀器參數(shù)。通過對試驗結(jié)果進行比較：4 m電極距觀測結(jié)果加強了深部電性信息量，可達到相對較大的探測深度，但電極距的增大降低了橫向分辨率，而橫向分辨率對掩埋井的水平位置定位起決定性的作用，因此不適合掩埋井探測的要求。2 m電極距雖然導(dǎo)致了測點數(shù)量的增大，但明顯提高了橫向分辨率，因此高密度電法工作選擇2 m電極距在全部工作區(qū)內(nèi)進行施測。

通過對上述4種物探方法試驗效果的比對，分析各種物探方法的優(yōu)缺點及適用性，掩埋井探測一般以高密度電法勘探為主，輔以瞬變電磁法確定井筒的準確位置。

圖3 高密度電法測量試驗效果

2 井筒封堵

在確定掩埋井井筒中心位置后，應(yīng)采用灌注單液水泥漿的方式以達到封堵井筒的目的，為了切斷地表周圍水體通過原井筒外壁環(huán)狀間隙及后生裂隙向下補給的通道，在井口外圍距其中心一定距離處，均勻布置4～5個注漿鉆孔進行壁后注漿(圖4)，形成一個帷幕體，注漿孔深一般為基巖面下50 m。

2.1 單液水泥漿的制備

圖4 注漿孔平面布置

工地備散裝水泥罐，將水泥通過皮帶輸送機運至制漿機，按要求的水灰比加水攪拌制漿，漿液存于儲漿池內(nèi)備用；或者用TBW850/50泥漿泵高壓循環(huán)射流造漿工藝進行制漿。在使用時充分循環(huán)水泥漿液，使其保持流動狀態(tài)，并測定黏度、密度，調(diào)配成所需要的原漿。主要注漿材料選用水泥，添加劑主要是水玻璃、食鹽、三乙醇胺。水泥用P.O32.5級普通硅酸鹽水泥。水玻璃選用模數(shù)M2.8～3.4，濃度38～42°Be′(波美度)。具體漿液配比見表1。

表1 單液水泥漿配制表

2.2 注漿量的計算

掩埋井注漿封堵包含井筒內(nèi)直注和井筒外帷幕注漿，一般用下述公式計算注漿量。

井筒內(nèi)：

V=3.14R2Hη，

式中，V為注漿量，m3；R為井筒半徑，m；H為注漿段高度，m；η為充填殘余空隙率，%。

井筒外：

Q=AπR2HnB/m，

式中，Q為注漿量，m3；A為漿液消耗系數(shù)；R為漿液擴散半徑，m；H為注漿長度，m；B為漿液充填系數(shù)；n為巖層平均裂隙率；m為漿液結(jié)石率。

2.3 封堵程序

首先，平整好施工場地，為防止井筒內(nèi)注漿時漿液上串，在井筒上方制造一個“止?jié){帽”。做法為以掩埋井物探定位點為中心點，取出4 m×4 m范圍內(nèi)的充填物，用C20混凝土進行置換，置換高度為2 m，并預(yù)埋φ168 mm×8 mm鋼管2 m。

在掩埋井中心安裝鉆機鉆孔，在豎井中心安裝鉆機鉆孔，將φ168 mm×5 mm鋼管內(nèi)混凝土透開，并在φ168 mm×5 mm鋼管上安個法蘭以連接注漿管，用φ152 mm鉆頭開孔，每2～3 m段進行1次注漿，控制注漿壓力不得高于0.5 MPa，考慮到井內(nèi)原填充物的不穩(wěn)定性，給造孔增加難度，因此采用下行注漿的形式，注漿段高取30 m， 井筒外注漿除孔深為入巖15 m外，其他程序同井筒內(nèi)注漿。

2.4 注漿參數(shù)的選擇

井筒內(nèi)封堵鉆孔深度以鉆至井底為宜，注點壓力掌握在1～2.5 MPa,由上而下逐漸提高，注漿結(jié)束后掃孔到井筒底部向上10 m進行灌水實驗，以靜水位下降每小時不大于100 mm且連續(xù)觀測4 h為結(jié)束標準，最后將鉆孔用水泥漿進行封閉。注漿終壓為1.5～2 MPa；注漿終量≤150 L/min；穩(wěn)定時間≤20 min。

2.5 注漿過程中需要注意的問題

(1)注漿方法。每次注漿前例行壓水10～20 min，為檢驗注漿系統(tǒng)工作是否正常，以保證漿液充填密實飽滿。

(2)悶塞與解塞。由于漿液注入，受注漿泵高壓推動，漿液在巖石裂隙中儲存的能量在短時間內(nèi)不能消散，如果注漿后立即解塞，將造成孔內(nèi)大量返漿，影響注漿質(zhì)量，甚至造成埋鉆事故，所以必須有一定的悶塞時間，一般3～4 h。悶塞時間結(jié)束后，要馬上解塞、提塞，解塞時要認真觀察拉力表的變化情況，細心操作，準確判斷止?jié){塞是否已解開，解開后要緩慢、平穩(wěn)提拉至孔口。

3 施工安全措施

(1)建立安全管理組織體系，落實崗位責任制度。

(2)對施工人員進行安全教育訓(xùn)練，嚴格要求施工人員遵紀守法。

(3)定期進行安全檢查工作，對危險作業(yè)要專人負責。

(4)對特殊工種要定時培訓(xùn)考核，持證上崗。

(5)各種鉆探設(shè)備要安裝穩(wěn)固水平，開鉆前找好三點一線，各個管路連接不漏，經(jīng)開機試運轉(zhuǎn)，經(jīng)驗收合格后方可正式開鉆。

(6)安裝鉆塔人員必須帶好保險帶，穿防滑鞋，塔下人員必須帶安全帽，塔上塔下傳遞工具應(yīng)打招呼，嚴禁塔上塔下同時作業(yè)。

(7)鉆機、泥漿泵及攪拌機要裝設(shè)牢固的防護罩。

(8)固管時嚴格按照設(shè)計要求進行，執(zhí)行下管技術(shù)措施。

(9)注漿時，黏土水泥漿的密度、黏度要定時測量，必須確保其數(shù)值在規(guī)定的范圍內(nèi)。

(10)對主要原材料供應(yīng)商進行資格評審，不僅要求提供每一批材料的出廠質(zhì)檢單，而且要定量抽檢。

(11)對主要計量儀器，壓力表、密度計等要定時校正。

(12)嚴格交接班制度，班前不準喝酒，開機人員必須集中精力,不允許與他人閑談，打鬧、打瞌睡，更不準擅自離崗。

(13)塔上要安裝避雷針，四角固定的繩索要齊全牢固。

(14)處理事故時嚴格檢查工具和鉆具，禁用壞鉆具和壞工具。

(15)場內(nèi)所有鉆具、工具等都應(yīng)擺放整齊，有秩序；鉆機、注漿泵等設(shè)備應(yīng)擦洗干凈，保持場內(nèi)清潔衛(wèi)生，做好文明生產(chǎn)。

(16)施工作業(yè)標準化，做好安全施工，文明施工。

(17)安全用電、防火防毒、杜絕安全事故發(fā)生。

4 結(jié) 語

(1)通過類比試驗分析，一般情況下，掩埋井中心位置的確定以高密度電法勘探為主，輔以瞬變電磁法進行探測。

(2)為保證封堵效果，依據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，采用在井筒內(nèi)部和外圍(帷幕)灌注單液水泥漿的方式是掩埋井封堵的主要技術(shù)思路。

(3)通過確定掩埋井中心位置并對井筒進行有效封堵，極大地消除了由于地表塌陷及井口回填物抽冒帶來的安全陷患。

[1] 林東才，賈傳洋，等.立井井筒注漿封堵固液耦合數(shù)值模擬[J].煤礦安全，2013(1)：47-50. Lin Dongcai，Jia Chuanxiang，et al.Soild-liquid coupling numerical simulation on vertical shaft grouting sesling[J].Safety in Coal Mines，2013(1)：47-50.

[2] 吳昌文.地面注漿封堵巨厚松散層段井筒涌水[J].煤田地質(zhì)與勘探，1997(1)：40-43. Wu Changwen.Controlling the water inrush from loose layers in shaft by grouting from land surface[J].Coal Geology and Exploration.1997(1)：40-43.

[3] 鄧喀中.開采沉陷中的巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng)[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1998. Deng Kazhong.The Rock Mass Structure Effect in Mining Subsidence[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press,1998.

[4] 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.巖層控制中的關(guān)鍵層理論研究[J].煤炭學報，1996(3)：225-230. Qian Minggao，Miao Xiexing，Xu Jialin.Theoretical study of key stratum in ground control[J].Journal of China Coal Society，1996(3)：225-230.

(責任編輯 石海林)

A Discussion about the Shaft Detection and Plugging Technique for the Buried Shaft of Abandoned Small Coal Mine

Fang Jun

(TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroupCorp，Tangshan063012，China)

Abandoned for a long term，the shaft heads of small coal mines are stuffed and buried by industrial waste and construction wastes，so it is difficult to find the exact location of the mine shaft.If not plugged and backfilled efficiently，walls of the pit will be damaged by the dynamic load or earthquake.Especially when the inner side of the drift bed is damaged，the quick sand will flow and burst into the mine，which would cause surface deformation resulted from scouring ground around the shaft.Thus，the hidden safety risks may emerge for the passerby and buildings around.By analyzing the physical character of the long-term abandoned small coal pit，the idea for shaft detection and plugging technique of the buried pit are proposed.

Buried shaft，Detection technology，S-haft plugging

2015-02-10

方 軍(1982—)，男，助理研究員。

TD823

A

1001-1250(2015)-04-216-04