梁北二井主副井基巖段水害注漿治理技術(shù)

王子林

河南平煤神馬梁北二井煤業(yè)有限公司,河南 許昌 461675

0 引言

目前,我國(guó)煤炭開采逐漸向深部推進(jìn)[1-3],礦井井筒的深度也逐漸增加,各種礦井災(zāi)害更加復(fù)雜化,其中以礦井井筒水害尤為突出[4-5]。相關(guān)從業(yè)人員和研究人員有關(guān)井筒水害治理的方法和手段也逐漸優(yōu)化和多樣化[6-7]。例如牛青河[8]對(duì)大海則煤礦井筒水害情況進(jìn)行了分析,采用割孔注漿技術(shù)對(duì)井筒水害進(jìn)行了治理,并取得了良好的效果。王剛[9]對(duì)陜西省孟村煤礦水害注漿治理進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)和方案確定,節(jié)約了工程成本,提高了施工效率。杜波 等[10]對(duì)平頂山砂巖層水害特點(diǎn)進(jìn)行了分析,并利用工作面預(yù)注漿法對(duì)立井水害進(jìn)行了治理,節(jié)約了水害治理費(fèi)用,減少了地下水資源的浪費(fèi)。

本文針對(duì)梁北二井主副井基巖段水害情況,提出了完整的治理方案,并進(jìn)行了具體的方案設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用,取得了良好的治理效果。

1 工程概況

1.1 主井概況

梁北二井的主井井口標(biāo)高為+104.22 m,井底車場(chǎng)水平標(biāo)高為-700.21 m,設(shè)計(jì)井深全長(zhǎng)為816.46 m(包含井底水窩),井筒凈直徑約為D 5 500.12 mm。在深度為0～540 m的井筒段使用凍結(jié)法進(jìn)行施工,深度為0～400 m的井筒段使用雙層鋼筋混凝土井壁;深度為400～540 m的井筒段使用單層井壁技術(shù)(單層鋼筋混凝土井壁);深度為550 m已掘進(jìn)段使用單層C40素砼支護(hù),且使用的支護(hù)厚度為400.50 mm。目前主井已施工至井深690 m位置。具體如表1所示。

表1 主井井筒井壁結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of the main shaft wall

1.2 副井概況

梁北二井的副井井口標(biāo)高為+104.21 m,井底車場(chǎng)水平標(biāo)高為-700.52 m,設(shè)計(jì)井深全長(zhǎng)為834.5 m(包含井底水窩30 m),井筒凈直徑約為D 6 500.23 mm。在深度為0～550 m的井筒段同樣采用凍結(jié)法進(jìn)行施工,深度為0～400 m的井筒段使用雙層鋼筋混凝土井壁;深度為400～550 m的井筒段使用單層井壁技術(shù)(單層鋼筋混凝土井壁);深度為560 m已掘進(jìn)段采用單層C40素砼支護(hù),且使用的支護(hù)厚度約為450.20 mm。目前副井已施工至井深603 m位置。具體如表2所示。

表2 副井井筒井壁結(jié)構(gòu)Table 2 Structure of the auxiliary shaft wall

2 井筒水害現(xiàn)狀分析

2.1 井筒水害現(xiàn)狀

2012年8月,主、副井暫停掘進(jìn)施工時(shí)井筒工作面深度分別為606、532 m,殘存水量分別為60、20 m3/h。

2019年復(fù)工后,井筒水害采用工作面預(yù)注漿及壁后注漿的方式進(jìn)行治理,注漿治理后井筒恢復(fù)掘進(jìn)期間,在主含水層段有少量殘存涌水現(xiàn)象,殘存涌水呈現(xiàn)出小而分散的分布態(tài)勢(shì),集水疏導(dǎo)難度較大,對(duì)井壁澆筑質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。

根據(jù)井下實(shí)際觀察,目前基巖段井壁主要存在滲漏及裂隙發(fā)育狀況,部分區(qū)塊井壁裂縫發(fā)育較密集,井壁出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。井壁注漿封堵滲漏水害難度較大。如不及時(shí)采取更加有效的水害治理措施,井筒帶水施工,待井筒落底后,井筒可能會(huì)殘存數(shù)十立方米的殘存涌水難于根治,將嚴(yán)重影響井筒的正常使用。

2.2 治理難點(diǎn)

2.2.1 巖層結(jié)構(gòu)特殊

由于砂巖含水層一般都具有富水弱滲的特點(diǎn),導(dǎo)致在采用注漿治理水患時(shí)的施工難度較大。因該類巖層一般都包含大量的孔隙-微裂結(jié)構(gòu)的特征,導(dǎo)致其可注性較差。常規(guī)的水泥類顆粒懸浮型漿液在低壓滲流條件下不可注,以改性脲醛樹脂為代表的溶液型化學(xué)漿液雖可注性較好,但價(jià)格昂貴,成本較高。

2.2.2 埋深大

隨著地下工程建設(shè)向千米及超千米邁進(jìn),導(dǎo)致含水層砂巖層出現(xiàn)大流量涌水的情況,使施工成本增大,施工難度提高。井筒施工段含水層埋深增大,相應(yīng)的涌水量也隨之增大;在注漿施工作業(yè)過程中,所注漿液的滲透阻力相對(duì)淺層來說明顯增加,注漿作業(yè)難度驟增;并且在注漿處理后,對(duì)應(yīng)的井筒施工處仍有較大的殘存涌水量。

2.2.3 井壁支護(hù)強(qiáng)度低

主副井非凍結(jié)基巖段井壁設(shè)計(jì)厚度400、450 mm,為C40素混凝土支護(hù),整體支護(hù)強(qiáng)度較低。僅井壁支護(hù)結(jié)構(gòu)根本無法抵抗地層水壓。加上井筒殘存涌水對(duì)澆筑質(zhì)量的影響,井壁整體支護(hù)強(qiáng)度相對(duì)較低,后期采用壁后注漿治理井壁滲漏水害必須嚴(yán)格控制注漿壓力,以保證井壁的安全;而注漿壓力不足,漿液擴(kuò)散范圍有效,注漿效果又無法保證。故必須嚴(yán)格控制工作面帷幕預(yù)注漿的治理,形成以注漿帷幕為主的隔水圈層。

2.3 治理思路

對(duì)梁北二井主副井基巖段的井筒水害采用“工作面預(yù)注漿加壁后注漿”的水害治理方案。其關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)在于施工時(shí)注重控制工作面預(yù)注漿質(zhì)量,達(dá)到井筒開挖時(shí)工作面基本不存在殘存出水,保證后續(xù)井壁澆筑治理的順利進(jìn)行。最后,采用破壁注漿的方式封堵井壁殘存滲漏點(diǎn)。

3 注漿方案設(shè)計(jì)

3.1 工作面預(yù)注漿方案設(shè)計(jì)

3.1.1 巖帽厚度計(jì)算

工作面預(yù)注漿必須預(yù)留足夠厚度的止?jié){巖帽以保證掘進(jìn)及注漿的安全。借助《煤礦防治水細(xì)則》所推薦的掘進(jìn)巷道底板隔水層厚度計(jì)算公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：t為安全隔水層厚度,m;L為巷道底板寬度,m,主副井等效底板寬度為4.9、5.5 m;γ為底板隔水層的平均容重,MN/m3,γ取0.24 MN/m3;Kp為底板隔水層的平均抗張強(qiáng)度,MPa,簡(jiǎn)化取1.0 MPa;P為底板隔水層承受的水頭壓力,MPa。

經(jīng)計(jì)算確定：主井全段、副井700 m以淺段工作面應(yīng)預(yù)留巖帽厚度10 m左右,副井700 m以深段預(yù)留巖帽厚度控制11 m左右。

3.1.2 注漿帷幕厚度確定

根據(jù)大量的理論、數(shù)值、試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,地下工程開挖后圍巖將產(chǎn)生一定厚度的松動(dòng)圈。松動(dòng)圈理論計(jì)算需要的相關(guān)參數(shù)較多,一般地下工程等效半徑作為松動(dòng)圈的簡(jiǎn)化厚度,則主、副井的松動(dòng)圈厚度預(yù)設(shè)為3.25、3.70 m。由于松動(dòng)圈的發(fā)育,圈層內(nèi)損傷巖層的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于開挖前,且到后期的圍巖松動(dòng)破壞,松動(dòng)圈內(nèi)可不開展預(yù)注漿工作。

如圖1所示,為計(jì)算方便,設(shè)松動(dòng)圈半徑為a,注漿圈和襯砌的整體半徑為b。由圖2可知,當(dāng)b/a大于4時(shí),注漿圈的控水作用越來越低,井筒的涌水量也基本不再減小。

圖1 注漿帷幕厚度簡(jiǎn)化計(jì)算模型Fig.1 Simplified calculation model of grouting curtain thickness

圖2 殘存涌水量與帷幕厚度的關(guān)系Fig.2 Relationship between residual water inflow and curtain thickness

根據(jù)上述分析,主、副井的帷幕厚度分別設(shè)計(jì)為11、13 m。則主井注漿帷幕內(nèi)半徑6.5 m、外半徑16.25 m的圈層,截面面積為696 m2;副井注漿帷幕為內(nèi)半徑7.4 m、外半徑18.5 m的圈層,截面面積為903 m2。

3.1.3 注漿孔布置

為滿足需求,設(shè)計(jì)主副井分別布孔12、18個(gè)。其中,主井注漿孔采用雙圈層布置,布孔12個(gè),內(nèi)外圈孔的傾角分別為72°;副井注漿孔同樣采用雙圈層布置,內(nèi)外圈孔布孔12、6個(gè),內(nèi)外圈孔的傾角分別為75°、66°。主副井部分注漿孔布置示意圖分別如圖3～4所示。

圖3 主井預(yù)注漿鉆孔布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the pre-grouting borehole layout in the main well

圖4 副井預(yù)注漿鉆孔布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the pre-grouting borehole layout in the auxiliary well

3.2 井壁壁后注漿方案設(shè)計(jì)

3.2.1 布孔方式設(shè)計(jì)

對(duì)于井筒井壁上的明水點(diǎn),需要進(jìn)行打?qū)？追舛?。鉆孔的布孔方式一般分為2種：一種是直接在出水點(diǎn)進(jìn)行布孔;一種是先在出水點(diǎn)附近開孔,再在一定孔深處溝通出水點(diǎn)的過流通道。具體的布孔示意圖如圖5所示。

根據(jù)以往類似地質(zhì)條件礦井壁后注漿防滲施工經(jīng)驗(yàn),對(duì)于井壁進(jìn)行橫向布孔,且每排橫向布孔數(shù)為4～5個(gè),井壁布孔設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示。

3.2.2 注漿孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孔口管結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示,圖中1為主體段,2為套環(huán),3為絲扣段;a絲扣應(yīng)與所用閥門吻合。所設(shè)計(jì)的注漿孔應(yīng)穿透壁后圍巖2～3 m,對(duì)應(yīng)的注漿孔深度為2.5～3 m。注漿施工時(shí),如果注漿孔未鉆至設(shè)計(jì)深度即出現(xiàn)涌水量大于5 m3/h的情況,則要停鉆注漿,注漿結(jié)束后,再采用?42鋼釬原位套孔鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度再進(jìn)行二次注漿。

圖7 孔口管結(jié)構(gòu)示意圖

4 基巖段水害注漿治理效果

根據(jù)所設(shè)計(jì)的工作面預(yù)注漿方案和井壁壁后注漿方案對(duì)主副井未施工段進(jìn)行分段注漿水害治理。主井注漿段分為3部分,分別為：710～738、746～785、798～824 m;副井注漿段分為5部分,分別為：618～665、690～720、725～750、750～790、790～835 m。

根據(jù)施工結(jié)果可知,在主副井未掘段工作面采用“工作面預(yù)注漿加壁后注漿”的水害治理總體方案是可行的,施工的效率及水害治理效果整體較好,不僅保證了施工的順利進(jìn)行,提高了施工效率,還保障了施工安全,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

5 結(jié)論

1)基于梁北二井主副井井筒水害現(xiàn)狀及特點(diǎn),提出了“工作面帷幕預(yù)注漿加壁后注漿”的水患治理方案。

2)采用理論分析和數(shù)值計(jì)算的方式,設(shè)計(jì)了工作面預(yù)注漿方案和井壁壁后注漿方案。

3)在梁北二井主副井采用“工作面預(yù)注漿加壁后注漿”的水害治理方案,取得了良好的治理效果。