基于等厚度水泥土帷幕的斜井井筒水治理技術(shù)研究

楊志斌 ，石銀斌 ，王 海 ，李文平 ，呂文波 ，雷 占

（1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司, 陜西 西安 710077；2.國家能源集團烏海能源有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 烏海 016099）

0 引 言

我國煤炭消費量大，煤炭開采對地下水環(huán)境影響大，2022 年原煤產(chǎn)量45.6 億t，按噸煤開采產(chǎn)生礦井水1.87 m3，每年產(chǎn)生礦井水約8.52×109m3[1-2]。為保護煤礦區(qū)地下水資源，董書寧等[3-4]研究了地面直鉆孔注漿帷幕、樁排式帷幕、地下連續(xù)墻等帷幕截水技術(shù)，并在露天煤礦生態(tài)水位保護、大型水體旁燒變巖水資源保護成功應(yīng)用。曾一凡等[5-6]提出了一種集約型煤水熱多資源正效協(xié)同開采模式，剖析了該模式的內(nèi)涵與基本協(xié)同模式，對全生命周期煤炭開采伴生資源控制?利用?儲存形成礦區(qū)資源產(chǎn)供儲一體產(chǎn)業(yè)鏈。王海、張雁等[7-9]研究了防滲膜帷幕、超高壓角域射流注漿、咬合樁等帷幕截水技術(shù)，在扎尼河、元寶山露天煤礦成功應(yīng)用，大幅減少礦坑疏排水量。石志遠等[10]采用地面直鉆孔注漿帷幕、地面水平孔注漿帷幕的方式實現(xiàn)了復(fù)合強富水含水層帷幕截滲。地面直鉆孔注漿帷幕、地面水平孔注漿帷幕、井下鉆孔注漿帷幕、樁排式帷幕、地下連續(xù)墻和防滲膜帷幕等技術(shù)有效保護了煤礦區(qū)的松散層水、燒變巖水、基巖裂隙水、溶隙水[1]。由于煤礦斜井井筒施工縫、混凝土接茬、井壁裂縫的存在，我國西部煤礦斜井井筒在富水松散層段大多發(fā)生滲漏現(xiàn)象，涌水量數(shù)十至數(shù)百立方米每小時，有的甚至存在涌水?dāng)y砂情況。井筒是礦井通達地面的主要進出口，是礦井生產(chǎn)期間提升運輸煤炭（或矸石）、運送人員、材料和設(shè)備以及通風(fēng)和排水的咽喉工程[11-12]。煤礦斜井井筒滲漏水一方面惡化了井下作業(yè)環(huán)境、影響了作業(yè)效率，另一方面造成了地下水資源的浪費，增大了井下排水負擔(dān)和費用，井筒一旦發(fā)生破壞，將嚴重影響煤礦的安全生產(chǎn)，后果不堪設(shè)想。

針對我國西部富水松散層煤礦斜井井筒滲漏水問題，袁東鋒等[11]采用地質(zhì)雷達探測壁后空洞和富水區(qū)，壁后注漿治理井筒涌水漏砂；常青等[12]針對斜井穿過薩拉烏蘇組含水層滲漏水現(xiàn)象，提出了井壁結(jié)構(gòu)分段復(fù)合支護的方法通過富水含水層；劉巍、王路等[13-14]研究了斜井高壓富水、過水通道、空腔空洞和井筒涌水機理，以帷幕注漿為主、壁后注漿為輔的注漿堵水方案治理斜井井筒水；袁世沖[15]采用臨時木垛支撐緩解井壁變形速率，結(jié)合幫部破壁注漿封堵水、砂來源與通道，為井筒整體修復(fù)贏得寶貴時間；楊棟、翟加文、趙峰等[16-18]采用壁后注漿方法有效封堵了斜井井筒滲漏水，減少了斜井井筒治理段滲漏水量。魏世榮等[19]采用地面旋噴注漿+井下壁后注漿的方式治理斜井井筒過富水松散層和風(fēng)化基巖段滲漏水，井筒滲漏量大幅減少。同時，仍有大多數(shù)煤礦采用鉆孔降水的方式控制斜井井筒滲漏水?，F(xiàn)有煤礦斜井井筒滲漏水治理方法存在破壞地下水資源和生態(tài)環(huán)境、降低井筒強度、影響井筒結(jié)構(gòu)安全性、漿液擴散方向和范圍不可控的問題。針對煤礦斜井井筒過富水松散層段滲漏水治理需求和存在的問題，開發(fā)了一種基于等厚度水泥土帷幕的煤礦斜井井筒水治理技術(shù)，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場示范應(yīng)用，解決煤礦斜井井筒滲漏水問題，為類似工況的礦山提供參考。

1 斜井井筒滲漏水特征及治理措施

1.1 斜井井筒滲漏水特征

我國西部地區(qū)煤層厚度大、埋藏淺，地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊，松散層和淺部風(fēng)化基巖層含水豐富。表1 所示宋新莊煤礦流砂層富水性強，涌水漏砂嚴重，頂板噴層部分脫落，井幫底角局部垮塌，涌水量35 m3/h[11]。杭來灣煤礦井筒施工至薩拉烏蘇組含水層時涌水量為70 m3/h[12]。榆樹灣煤礦主斜井涌水量 26.8～86.8 m3/h，平均60.94 m3/h，副斜井涌水量49～85.2 m3/h，平均68.5 m3/h[13]。曹家灘煤礦主副斜井形成后，地下水滲漏嚴重，主副斜井井筒總涌水量約350 m3/h，主要涌水層為保德組紅土層底部的砂化含水層和安定組頂部風(fēng)化基巖含水層，砂化層膠結(jié)性差，長期的流水?dāng)y沙導(dǎo)致井筒壁后掏空，井筒存在失穩(wěn)風(fēng)險[14]。金雞灘煤礦副斜井230～320 m 段水溝處底板涌水中出現(xiàn)含砂現(xiàn)象，水量、含砂量持續(xù)增大，底板有裂縫發(fā)育，頂板有破裂及淋水現(xiàn)象，斜井最大出水量達72 m3/h，含砂量最大達到16%，且水量及含砂量持續(xù)快速增加，井壁多處出現(xiàn)破裂，斜井上覆地表發(fā)育11 個塌陷坑，總體積約650 m3，斜井頂板、底板最大移近量422.5 mm[15]。榆陽煤礦采用斜井開拓，斜井穿過松散層厚度16 m 左右，井筒涌水量約 30 m3/h，2003 年井筒涌水量約 70 m3/h[13]。甜水堡煤礦副斜井在流砂層區(qū)域段混凝土砌碹澆筑接縫多處滲水，井筒210～309 m 段混凝土出現(xiàn)破裂、剝落[16]。朝川礦一井新施工帶式輸送機斜井明槽段回填后，第四系潛水通過疏松回填土滲漏涌入井筒內(nèi)，涌水量達35 m3/h 左右[17]。大佛寺煤礦斜井井筒穿過松散層孔隙含水層、基巖承壓含水層時底板、兩幫裂縫、拱頂?shù)榷嗵幇l(fā)生滲漏，主、副斜井滲漏量分別為120 m3/h和95 m3/h[18]。駱駝山煤礦主斜井在掘進過程中穿過第四系及其下部基巖風(fēng)化帶時井筒涌水量較大，涌水量25 m3/h，雨季期間井筒實測涌水量達到91 m3/h，以底板出水、側(cè)幫與底板接茬處出水為主[19]。袁大灘煤礦主斜井、副斜井、進風(fēng)立井和回風(fēng)立井掘進過程的井筒涌水量預(yù)計分別為243、388、1 409、1 388 m3/h[13]。

表1 我國部分煤礦斜井滲漏水情況及治理措施統(tǒng)計Table 1 The statistical of leakage in inclined mine shaft and control measures in some coal mines

可見，煤礦斜井井筒穿越地層主要為地表土層、砂層、黃土、紅土、風(fēng)化基巖和巖層，松散層和淺部風(fēng)化基巖層含水豐富，井筒滲漏位置大多位于砂層、風(fēng)化基巖等富水性強的地層，涌水量大，并伴有攜砂現(xiàn)象。

1.2 斜井井筒滲漏水治理措施及缺陷

由于煤礦斜井井筒滲漏水位置大多位于富水松散層或風(fēng)化基巖層，滲漏段地層埋深相對較淺、滲透系數(shù)大，大部分煤礦采用地面鉆孔疏降的方式控制井筒滲漏水，降水量大、地下水位下降明顯，水資源浪費。如表1 所示，部分煤礦采用井筒壁后注漿的方式治理井筒滲漏水，如宋新莊煤礦、金雞灘煤礦、甜水堡煤礦、大佛寺煤礦。宋新莊煤礦壁后注漿采用雙管注漿工藝，注漿材料包括單液水泥漿及C-S漿，井壁涌水量由35.0 m3/h 減少至1.3 m3/h，堵水率92.3%[11]。金雞灘煤礦通過壁后注漿封堵水砂通道，水量和砂量迅速降低，水量降至35 m3/h，砂量穩(wěn)定在0.1%以下[15]。甜水堡煤礦通過壁后注漿在硫酸鹽腐蝕環(huán)境中注入抗腐蝕漿液，井筒的涌水量由20.9 m3/h 降至4.6 m3/h，堵水率78%[16]。大佛寺煤礦通過壁后注漿封堵主斜井井筒拱頂及兩幫主要出水點，主斜井壁涌水量由120 m3/h 減小為30 m3/h，堵水率75%左右[18]。

如表1 所示，部分煤礦采用地面注漿的方式治理井筒滲漏水，如曹家灘煤礦、朝川礦一井、駱駝山煤礦。曹家灘煤礦以帷幕注漿為主、井筒壁后補充注漿為輔進行注漿堵水，采用SJP 黏度時變漿液和浮石材料，主斜井治理段水量由97 m3/h 降至14 m3/h，堵水率85.5%，返砂現(xiàn)象消除，副斜井治理段水量由初始98 m3/h 降至25 m3/h，堵水率74.5%[14]。朝川礦一井采用大密度淺孔、水泥?粉煤灰與水泥?水玻璃不同漿液、低注漿壓力的方式，對井筒疏松回填段進行注漿封堵，滲水量由35 m3/h 降至1 m3/h 以下[17]。駱駝山煤礦采用以旋噴注漿為主、壁后注漿為輔封堵井筒涌水，主斜井治理段涌水量由62.94 m3/h降至4.93 m3/h，堵水率92.1%[19]。

表1 中列出的成功案例只是現(xiàn)實中的一小部分，仍存在部分斜井井筒治理效果不佳的情況。主要是因為井筒壁后注漿需要在井筒鉆孔、下入注漿管對井筒外側(cè)松散層注漿封堵，破壞井筒結(jié)構(gòu)、降低井筒強度、增大了進一步滲漏水的風(fēng)險。地面注漿需在井筒滲漏水位置的上方地面施工垂直或傾斜鉆孔至滲漏水位置，從地面下入注漿管進行注漿封堵漏水點外側(cè)松散層，由于松散層孔隙發(fā)育，漿液在松散層中的擴散方向、范圍不可控，難以注入漿液或注漿量不可控。

2 斜井井筒水治理技術(shù)

為有效解決壁后注漿和地面鉆孔注漿在煤礦斜井井筒過富水松散層段滲漏水治理方法存在的問題，提出了一種基于等厚度水泥土帷幕的斜井井筒水治理技術(shù)。

2.1 斜井井筒水治理原理及帷幕結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，通過在煤礦斜井井筒外側(cè)一定范圍的松散層和風(fēng)化基巖段構(gòu)筑圈閉的等厚度水泥土帷幕，將斜井井筒與松散層水和風(fēng)化基巖層水之間的水力聯(lián)系隔斷，同時，在等厚度水泥土帷幕范圍內(nèi)地表鋪設(shè)防滲膜、澆筑一定厚度的防滲砂漿或混凝土層，隔絕大氣降水對帷幕內(nèi)側(cè)地層的補給。等厚度水泥土帷幕通過施工機械的刀具和鏈條圍繞切割箱旋轉(zhuǎn)切割斜井井筒外側(cè)的地層，使地層混合均勻，然后從切削箱底端噴射水泥漿和高壓氣體，讓地層中的巖土體顆粒與水泥漿充分混合攪拌，在斜井井筒外側(cè)形成連續(xù)的原位水泥土帷幕墻。等厚度水泥土帷幕自地面開始，穿過黃土、砂層、風(fēng)化基巖等含水層進入泥巖（或黏土）隔水層1～2 m，形成環(huán)繞斜井井筒、頂?shù)子薪?、圈閉連續(xù)的隔水保護圈層。

圖1 煤礦斜井井筒滲漏水治理結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Coal mine inclined shaft water leakage control structure diagram

等厚度水泥土帷幕適用于標(biāo)貫擊數(shù)N值不大于100 擊的軟、硬質(zhì)土層，中粗砂質(zhì)土層，顆粒直徑小于100 mm 的卵礫石層和全風(fēng)化及強風(fēng)化基巖以及抗壓強度不大于5 MPa 的巖層中施工，垂向深度不大于100 m。

如圖2 所示 斜井井筒的等效半徑為R，井筒外側(cè)塑性區(qū)半徑為Rp，等厚度水泥土帷幕施工過程中機械擾動半徑為RD。為避免斜井井筒附近地層受到等厚度水泥土帷幕的施工擾動，導(dǎo)致井筒井筒發(fā)生變形破壞，要求等厚度水泥土帷幕內(nèi)壁距離斜井井筒的水平距離S不得小于井筒外側(cè)塑性區(qū)范圍和施工擾動范圍之和。

圖2 等厚度水泥帷幕與斜井井筒位置關(guān)系Fig.2 Relationship between equal thickness cement curtain and inclined shaft position

因此，煤礦斜井井筒等厚度水泥土帷幕內(nèi)壁與斜井井筒外壁的最小間距通過下式確定：

式中：S為帷幕內(nèi)壁與斜井井筒外壁的最小間距，m；Rp為斜井井筒圍巖塑性區(qū)半徑，m；R為斜井井筒等效半徑，m；RD為帷幕施工擾動半徑，m。

根據(jù)《水電水利工程高壓噴射灌漿技術(shù)規(guī)范》，在透水地層中進行圍井抽水（或注水）試驗，帷幕墻的滲透系數(shù)k按式（2）進行計算[20]。

式中：k為滲透系數(shù)，m/d；Q為滲水量，m3/d；t為帷幕墻平均厚度，m；L為圍井周邊帷幕墻軸線長度，m；H為圍井內(nèi)試驗水位至井底的深度，m；h0為地下水位至井底的深度，m。

將圖1 所示的斜井井筒外側(cè)圈閉的等厚度水泥土帷幕視作圍井，將圍井周邊帷幕墻軸線長度L變?yōu)榈群穸人嗤玲∧粔S線長度C、帷幕墻平均厚度t變?yōu)榈群穸人嗤翂w厚度最小值D、滲透系數(shù)k變?yōu)榈群穸人嗤玲∧痪C合滲透系數(shù)K、圍井內(nèi)試驗水位至井底的深度H變?yōu)榈群穸人嗤玲∧粌?nèi)側(cè)地下水位高度HN、地下水位至井底的深度h0變?yōu)榈群穸人嗤玲∧煌鈧?cè)地下水位高度HW、滲水量Q變?yōu)榈群穸人嗤玲∧辉S可涌水量QX，則可將式（2）變換為式（3）：

2.2 等厚度水泥土帷幕構(gòu)筑方法

常規(guī)的截水帷幕主要采用橫向分幅、垂向施工的方式構(gòu)筑側(cè)向截水帷幕，施工過程中截水帷幕墻體分幅分序施工，最終形成相互連接的截水帷幕。該種構(gòu)筑方式存在大量接頭位置，每幅截水帷幕墻體的接頭位置是帷幕墻體的薄弱環(huán)節(jié)，常常是滲漏水的通道，降低截水帷幕的阻水效果。如圖3 所示，為減少截水帷幕的接頭數(shù)量，提高帷幕截水效果，等厚度水泥土帷幕采用先垂向切削、挖掘至帷幕設(shè)計深度，然后自地面至設(shè)計深度范圍內(nèi)橫向連續(xù)切削挖掘，到設(shè)計位置后回撤，再將第一步切削挖掘的地層再次切削攪拌均勻，最后沿橫向邊切削攪拌邊噴漿、混合成墻。通過往?返?往三步施工形成連續(xù)的等厚度水泥土帷幕墻體。

圖3 等厚度水泥帷幕施工示意Fig.3 Construction diagram of equal thickness cement curtain

式中：D為帷幕墻體厚度最小值，m；C為帷幕墻軸線長度，m；K為帷幕綜合滲透系數(shù)，m/h；HN為帷幕內(nèi)側(cè)地下水位高度，m；HW為帷幕外側(cè)地下水位高度，m；QX為許可涌水量，m3/h。

煤礦斜井井筒等厚度水泥土帷幕厚度最小值通過式(3)計算得到。

等厚度水泥土帷幕混合攪拌過程是將施工位置上下各地層打散重新分布，如圖4 所示，各地層巖土體在刀具的切削作用下被剝離原有地層，土顆粒與注入膨潤土漿液混合，如圖4 中Ⅰ區(qū)，形成混合泥漿；含礫砂層中的砂、礫石顆粒一部分隨刀具向上運動，如圖4 中Ⅱ區(qū)；另一部分在重力作用下穿過截割齒之間空隙發(fā)生沉降，如圖4 中Ⅲ區(qū)，與被鏈刀由另一側(cè)帶入的顆?；旌希鐖D4 中Ⅳ區(qū)，然后在刀具的作用下，向上移動，最終在刀具的攪拌作用與其他地層混合[21-25]。然后通過刀盤底部的注漿孔注入一定比例的水泥漿液，在鏈刀上下轉(zhuǎn)動的作用下，水泥漿液與混合均勻的地層材料形成如圖3d 所示的上下厚度均勻、接頭數(shù)量少、截水率高的等厚度水泥土墻體。

圖4 等厚度水泥土帷幕切削攪拌示意Fig.4 Equal thickness soil-cement curtain cutting and stirring

2.3 等厚度水泥土帷幕墻體參數(shù)及性能

等厚度水泥土帷幕性能主要受地層、水泥摻量、綜合含水率等因素控制。為研究不同地層條件下等厚度水泥土帷幕性能，選取了黏土、黃土和細砂3 種地層材料進行試驗，分別進行了摻加地層材料質(zhì)量的15%、20%、25%和30%水泥的帷幕強度和滲透系數(shù)測試。綜合含水率為地層含水量、挖掘液含水量、水泥漿液含水量之和與地層及水泥的質(zhì)量比。由于現(xiàn)場井筒滲漏水實測溫度為10 ℃左右，因此本次試驗研究的養(yǎng)護溫度選擇10 ℃，綜合含水率取33%。

如圖5 所示，制備了黏土、黃土和細砂3 種地層材料的水泥土抗壓試樣、抗?jié)B試樣，將3 種地層材料的水泥土試樣在溫度（10±1）℃、濕度大于95%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。

圖5 等厚度水泥土試樣及養(yǎng)護照片F(xiàn)ig.5 Photos of equal thickness soil-cement samples and curing

水泥土抗壓試樣和抗?jié)B試樣養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，從養(yǎng)護箱中取出，先將試樣擦拭干凈，測量尺寸，試樣尺寸測量精確至1 mm。將抗壓試樣安放在如圖6a 所示的抗壓強度試驗機的下壓板上（或下墊板上），試樣的承壓面與成型時的頂面垂直，試樣中心與試驗機下壓板（或下墊板）中心對準。開動試驗機，當(dāng)上壓板與試樣接近時，調(diào)整球座，使接觸面均勻受壓。承壓試驗應(yīng)連續(xù)而均勻加荷，直至試樣破壞，測得水泥土試樣的單軸抗壓強度。將抗?jié)B試樣放入圖6b 所示的巖石滲透儀，通過記錄時間t內(nèi)通過試樣表面的水流量、水頭高度，結(jié)合試樣長度和試樣過水?dāng)嗝婷娣e計算得到水泥土試樣的滲透系數(shù)。

圖6 等厚度水泥土試樣測試儀器Fig.6 Instrument for testing soil-cement samples of equal thickness

如圖7 所示，齡期3 d，水泥摻量25%的黏土地層水泥土的強度分別是水泥摻量15%、20%、30%的193%、121%和73%；齡期7 d，水泥摻量25%的黏土地層水泥土的強度分別是水泥摻量15%、20%、30%的182%、130%和91%；齡期28 d，水泥摻量25%的黏土地層水泥土的強度分別是水泥摻量15%、20%、30%的178%、128%和103%。水泥摻量20%、25%、30%的黏土水泥土的7、28 d 強度均達到1 MPa以上。齡期28 d 時，水泥摻量15%、20%、25%、30%的黏土水泥土滲透系數(shù)分別為6.16×10?6、4.15×10?7、4.11×10?8、3.12×10?8cm/s。

圖7 黏土水泥土強度變化Fig.7 The changes of clay-cement strength

如圖8 所示，齡期3 d，水泥摻量25%的黃土地層水泥土的強度分別是水泥摻量15%、20%、30%的153%、137%和95%；齡期7 d，水泥摻量25%的黃土地層水泥土的強度分別是水泥摻量15%、20%、30%的161%、117%和87%；齡期28 d，水泥摻量25%的黃土地層水泥土的強度分別是水泥摻量15%、20%、30%的171%、122%和93%。水泥摻量20%、25%、30%的黃土地層水泥土的7、28 d 強度均達到1.4 MPa 以上。齡期28 d 時，水泥摻量15%、20%、25%、30%的黃土地層水泥土滲透系數(shù)分別為5.53×10?6、4.03×10?7、3.83×10?8、3.02×10?8cm/s。

圖8 黃土水泥土強度變化Fig.8 Changes in strength of loess soil-cement

如圖9 所示，齡期3 d 時，水泥摻量25%的細砂地層水泥土的強度分別是水泥摻量15%、20%、30%的153%、141%和108%；齡期7 d，水泥摻量25%的黃土地層水泥土的強度分別是水泥摻量15%、20%、30%的118%、109%和82%；齡期28 d，水泥摻量25%的黃土地層水泥土的強度分別是水泥摻量15%、20%、30%的123%、105%和80%。水泥摻量20%、25%、30%的黃土地層水泥土的7 d 強度達到1.63 MPa以上。齡期28 d 時，水泥摻量15%、20%、25%、30%的黃土地層水泥土滲透系數(shù)分別為6.83×10?6、3.82×10?7、6.17×10?8、5.09×10?8cm/s。

圖9 細砂水泥土強度變化Fig.9 Strength changes of fine sand cement

由圖7—圖9 可知，當(dāng)養(yǎng)護溫度和綜合含水率確定時，黏土地層的水泥土帷幕的強度較小、滲透系數(shù)相對較大。水泥摻量在20%～25%時，黏土、黃土、砂層的水泥土均有較好的強度和滲透系數(shù)，滿足煤礦斜井井筒水治理要求。

3 現(xiàn)場示范應(yīng)用

駱駝山煤礦位于內(nèi)蒙古烏海市海勃灣區(qū)，如圖10 所示，研究區(qū)緩坡斜井地表主要為黃土，地勢較為平坦，緩坡斜井穿越黃土層、砂層，二疊系石盒子組風(fēng)化泥巖層、泥巖和砂巖，最終進入山西組地層并在+920 m 水平落底。隨著井筒外側(cè)松散層水位的抬升，緩坡斜井井筒涌水量由不足5 m3/h 增長至16.8 m3/h 以上，井筒中心松散層水位較外圍松散層水位低3 m。

圖10 研究區(qū)平面和剖面Fig.10 Plan and profile of the study area

如圖11 所示，駱駝山煤礦緩坡斜井在k0+130 m底板涌水1 m3/h、k0+169 m 幫部涌水0.77 m3/h、k0+187 m 幫部涌水0.5 m3/h、k0+214.5 m 躲避硐室涌水1 m3/h，井筒內(nèi)涌水水溫實測10 ℃左右，其中k0為0 斜井井筒口位置，將斜井井筒口作為里程起點。

圖11 駱駝山煤礦緩坡斜井井筒滲漏水Fig.11 Luotuoshan Coal Mine gently sloping shaft seepage

隨著松散含水層地下水位的上升，以及緩坡斜井涌水通道的沖刷、車載壓裂變形擴大等影響，緩坡斜井涌水量將進一步增大甚至出現(xiàn)涌水?dāng)y砂現(xiàn)象。為有效治理緩坡斜井井筒滲漏水問題，減少礦井排水費用、優(yōu)化井內(nèi)作業(yè)環(huán)境、減輕礦井水外排環(huán)保壓力、降低井筒設(shè)備設(shè)施腐蝕破壞的維修成本，采用等厚度水泥土帷幕的方式徹底解決斜井井筒水問題。

根據(jù)式(1)計算得等厚度水泥土帷幕距離斜井井筒距離S為1.86 m，示范應(yīng)用時取2 m；根據(jù)3 計算得等厚度水泥土帷幕厚度D為0.22 m，示范應(yīng)用時取0.6 m。駱駝山煤礦緩坡斜井等厚度水泥土帷幕施工時每段長度10 m，深度約17 m。第1 步摻入膨潤土漿液原位橫向切割，20～30 min/m，10 m 分幅切削約耗時5 h；第2 步快速回撤切削攪拌，1 h 回切到位；第3 步噴漿攪拌成墻，注漿壓力1.5～2.5 MPa，注漿流量為800～1 200 L/min，噴漿攪拌速度為30～40 min/m，約耗時 6 h。

如圖12 所示，在緩坡斜井兩側(cè)和端頭位置構(gòu)筑圈閉松散層和風(fēng)化基巖截水帷幕，帷幕內(nèi)側(cè)距離井筒2 m，帷幕墻厚度0.6 m，帷幕底部穿過風(fēng)化基巖進入完整基巖1 m。等厚度水泥土帷幕將裝有刀具和鏈條的切削箱插入地下，隨主機橫向移動，刀具和鏈條圍繞切割箱旋轉(zhuǎn)切割，并從切削箱底端向地層中噴射地層質(zhì)量25%的水泥漿和高壓氣體，使地層中的巖土體顆粒與注入的水泥漿進行充分的混合攪拌，最終形成等厚度、高質(zhì)量防滲、有一定承載力、無縫搭接的水泥土連續(xù)墻。駱駝煤礦緩坡斜井等厚度水泥土帷幕隔斷了緩坡斜井井筒與松散層水和風(fēng)化基巖水之間的水力聯(lián)系，在緩坡斜井外側(cè)形成一面新的阻水、支護墻體，有效地保護了斜井井筒的安全運營。

圖12 駱駝山煤礦緩坡斜井等厚度水泥土帷幕鳥瞰圖Fig.12 Aerial view of cement curtain of equal thickness of gentle slope inclined shaft in Luotuoshan Coal Mine

4 應(yīng)用效果分析

如圖13 所示，在等厚度水泥土帷幕示范應(yīng)用現(xiàn)場，取帷幕切削攪拌注漿混合完成后溢出地表尚未凝固的水泥土制作試塊。每臺班抽查1 延米墻身，每延米墻身制作水泥土試塊3 組，試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，采用水下養(yǎng)護方式養(yǎng)護。

如圖14 所示，分別測試現(xiàn)場水泥土試樣的3、14、28 d 強度，3 d 的水泥土試樣強度已大于5 MPa，28 d 的水泥土強度大于15 MPa。28 d 的水泥土滲透系為0.527×10?8cm/s。

圖14 等厚度水泥土現(xiàn)場試樣強度Fig.14 Strength of field samples of soil-cement of equal thickness

如圖15 所示，在駱駝山煤礦緩坡斜井等厚度水泥土帷幕中心位置鉆孔取心，取出的等厚度水泥土帷幕墻體心樣完整、取心率高達95%以上。帷幕墻體原狀心樣的抗壓強度為8.62 MPa，滲透系數(shù)為2.69×10?8cm/s。

圖15 等厚度水泥土帷幕取心效果Fig.15 Coring effect of cement curtain of equal thickness

如圖16 所示，駱駝山煤礦緩坡斜井井筒治理前的涌水量為16.8 m3/h 以上，自緩坡斜井井筒等厚度水泥土帷幕施工開始，井筒涌水量開始緩慢減少，完成井筒一側(cè)的等厚度水泥土帷幕時涌水量降為8 m3/h 左右，減少約50%。坡斜井井筒等厚度水泥土帷幕完全封閉后，井筒涌水量降為2.5 m3/h，以后穩(wěn)定在1.6 m3/h 左右，較治理前減少90.5%。

圖16 示范項目斜井井筒治理段涌水量變化Fig.16 Changes of water inflow in treatment section of inclined shaft of demonstration project

5 結(jié) 論

1）等厚度水泥土帷幕適用于標(biāo)貫擊數(shù)值不大于100 擊的軟（硬）質(zhì)土層、中粗砂質(zhì)土層、顆粒直徑小于100 mm 的卵礫石層、全風(fēng)化及強風(fēng)化基巖和抗壓強度不大于5 MPa 的巖層，垂向施工深度100 m以淺。

2）等厚度水泥土帷幕內(nèi)壁距離斜井井筒的水平距離大于等于井筒外側(cè)塑性區(qū)范圍和施工擾動范圍之和，可避免斜井井筒附近地層受到等厚度水泥土帷幕的施工擾動，導(dǎo)致井筒井筒變形破壞。

3）等厚度水泥土帷幕通過橫向切削、回撤切削攪拌、噴漿攪拌成墻3 個步驟將混合均勻的地層材料與水泥漿液在煤礦斜井井筒外側(cè)地層中形成上下厚度均勻、接頭數(shù)量少的等厚度水泥土墻體，具有施工效率高、截水率高、成本低的特點；等厚度水泥土帷幕性能主要受地層、水泥摻量、綜合含水率等因素控制。

4）駱駝山煤礦緩坡斜井滲漏水段等厚度水泥土帷幕墻體取心率高達95%以上，原狀心樣的抗壓強度8.62 MPa，滲透系數(shù)2.69×10?8cm/s，井筒涌水量由16.8 m3/h 降至1.6 m3/h 左右，較治理前減少90.5%，等厚度水泥土帷幕在煤礦斜井井筒水治理中取得良好應(yīng)用效果。