一种深基岩冻结井筒冻结孔水害治理技术*

路根奎 邵红旗

(1.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司;2.中国煤炭科工集团西安研究院)

随着我国西部煤炭行业的蓬勃发展，冻结法施工的深基岩全深立井井筒越来越多，冻结工程结束即井筒施工完成之后，限于技术或工程难度往往不能把冻结管完全拔出并充填水泥砂浆对冻结孔进行彻底封孔，形成封闭不良导水通道。后期由于矿井建设需要，与井筒相配套的巷道或硐室与其相贯通，必须揭穿冻结孔，沟通冻结孔环状导水通道水，当地下水压及涌水强度较大时，容易造成冻结孔涌水水害。该种水害的特殊性是通道垂深大、流速高、冲刷力大、涌水中夹杂大量黄泥循环液及泥沙等，极易把井筒壁后掏空危及井筒整体稳定性，造成井筒不均匀下沉及开裂灾难性事故。如不及时彻底治理，矿井投产后，极易将上部含水层水源导通到煤系地层，对安全生产造成极大水患威胁。

本研究在分析冻结孔环状导水通道生成及涌水机理基础上，提出一种从根本上治理深基岩冻结井筒冻结孔涌水水害的新技术。以胡家河矿主立井井筒冻结孔水害治理项目为工程实例，证明该种新技术能从根本上治理深基岩冻结井筒冻结孔涌水水害，可取得巨大经济效益和社会效益。

1 深基岩冻结井筒封闭不良冻结孔涌水机理分析

我国西部地区深基岩冻结井筒(如胡家河煤矿、孟村煤矿、亭南煤矿及塔然高勒煤矿等冻结井筒)与中东部地区新井建设相比，具有井筒直径大、冲积层浅、软弱基岩深、含水层多等特性。特别是基岩多为白垩系、侏罗系岩层，成岩晚、胶结程度差、强度低，多属软弱不稳定岩层，遇水软化，强度急剧下降，有的水解成为软泥、砂和砾石，且含水层多为孔隙裂隙含水层，浆液扩散难，预注浆效果差，当基岩含水层涌水量大时，不得不采用全深冻结法凿井［1］。

胡家河矿主立井属典型的西部地区深基岩全深冻结井筒，井筒一周布置36根冻结管，贯穿全井深的冻结孔(200 mm)与冻结管(133 mm)之间形成上下导通的环状空间，这里称其为原生导水通道;由后期施工影响及水文地质条件发生变化造成的环状导水通道称其为次生导水通道。如图1所示。

图1 原生及次生导水通道横剖面

本研究认为次生导水通道主要由以下几个方面的作用形成:

(1)抽水资料显示白垩系洛河组砂岩含水层渗透系数较小，径流条件缓慢。胡家河矿主立井井筒基岩部分筒身几乎全部在这层大厚度白垩系洛河组砂岩含水层中穿过，冻结工程形成冻结壁后，壁内洛河组含水层内孔隙裂隙水被冻结，处于静水冻结状态，产生约9%的体积膨胀率，冻胀作用比动水冻结强烈，由于体积发生膨胀产生冻胀力对脆性岩石介质颗粒之间产生巨大局部拉、压应力，使岩石颗粒受到破坏作用，造成岩石内部出现大量损伤裂隙［2-4］，为次生导水通道产生创造了客观条件。

(2)在冻结壁内爆破开挖8～10 m大直径井筒，必定会扰动已带有大量损伤裂隙的冻结岩石介质，造成岩石内应力和强度发生变化，产生岩石应力转移、集中及岩石强度的减小，使井筒周围岩体发生变形甚至破坏，进而导致岩石物理状态的改变，形成围绕井筒周围环状破裂区。因井筒轮廓面为应力自由面，爆破开挖井筒对冻结壁而言是一种卸载过程，意味着解除原岩应力场，使环状破裂围岩松动圈内岩体产生开挖变形和开挖位移，对冻结壁中冻结孔围岩体产生较大拉应力，使岩体中已具有的大量损伤裂隙进一步发育，裂隙宽度变大，互相沟通，进一步促进次生导水通道生成。

(3)工程后期冻结壁逐渐解冻，温度升高，冻结壁内大量互相沟通的裂隙中的水发生融解，伴随这一过程的是冻结应力的释放和水分的迁移，局部损伤裂隙区域进一步上下连通成环状连续裂缝［3-4］，即次生导水通道。

由于解冻使洛河组含水层水充满原生及次生导水通道，此时岩土体综合隔水能力仍大于导水通道中水的水头压力而处于平衡状态。当采掘活动削弱或破坏采掘作业场所与该环状含水(体)之间的隔水岩层(体)的原有阻隔水能力，不足以完全抗衡含水体的水头压力时，该含水体的一部分富余水头压力就会推动水流沿着最小阻力方向涌入失去平衡的采掘场所，强烈的动水冲刷作用不断刷大次生导水通道断面，使次生导水通道与原生导水通道沟通，形成更大的导水通道，造成冻结孔涌水水害。

2 环形截水巷治理冻结孔水害技术［5-6］

2.1 深基岩冻结井筒冻结孔水害治理技术的提出

胡家河矿主立井井筒采用全深冻结法施工，井筒设计净直径6.5 m，掘进荒直径8.4 m，净断面33.2 m2，外壁厚350 mm，内壁厚600 mm，采用双层钢筋混凝土双塑料夹层复合井壁结构支护形式，井筒深539 m，属于典型的西部矿区深基岩大直径冻结井筒［7］，见图2。

图2 胡家河矿主立井三维模型

井筒穿过的地层由新到老为第四系11.96 m厚粉土及砂砾石松散层含水层、白垩系329.02 m厚洛河组粗粒砂岩承压含水层、白垩系20.41 m厚宜君组砾岩含水层、侏罗系安定组51.8 m厚粗粒砂岩及砂质泥岩层、侏罗系直罗组32.98 m厚粗粒砂岩及砂质泥岩层、侏罗系延安组111.18 m厚砂岩承压含水层、侏罗系安定组为矿井相对隔水层。其中洛河组含水层是井筒掘进通过的最长含水层，富水性中等～强，静止水位埋深7.1 m，其他含水层富水性中等～弱。

2010年3月30日主井井筒箕斗装载硐室I号检修通道出现一涌水点(井筒里程位置－471.8 m)，出水口流出大量黄泥水并夹杂有小块灰绿色泥岩碎石。截至2010年4月9日，井筒涌水量达到158 m3/h，且有继续增大迹象。硐室北墙右上角有1条裂缝，宽30 mm，长1.2 m;井筒东北部与箕斗硐室拱部肩窝连接处有开裂现象，开裂部位面积约有0.7 m2。2011年1月23日，上仓通风联络巷(井筒里程位置－432 m)贯通施工中揭露9号冻结管时再次发生涌水事故，涌水强度约100 m3/h。

通过对我国西部地区深基岩冻结井筒封闭不良冻结孔涌水机理分析可知，要彻底治理胡家河矿主立井冻结孔涌水水害，最关键最直接的治理措施就是对封闭不良冻结孔进行封堵。基于这种治理思路，提出一种在上覆含水层下方稳定岩层中沿冻结圈外掘进小断面环形截水巷道(见图3)，在截水巷道内采用综合探查手段探测、揭露冻结管进而封堵冻结孔(见图4)，对截水巷回填防渗混凝土形成一个环形隔水体(见图5及图6)，彻底截断冻结管及环形空间导水通道，从根本上治理深基岩冻结井筒冻结孔涌水水害的新技术。

图3 环形截水巷三维模型

图4 揭露冻结管施工耳硐三维模型剖面

图5 环形隔水体三维模型剖面

图6 环形隔水体三维模型

2.2 环形截水巷及耳硐参数研究

环形截水巷参数研究包括合理的布置层位及距井壁的距离、巷道断面、支护方式等关键参数。

2.2.1 环形截水巷布置层位选择

环形截水巷的开挖位置应满足以下条件:①在洛河组含水层底部以下，达到阻隔含水层目的;②选在岩性较好的岩层中，有利于巷道围岩稳定;③巷道顶底板有良好隔水层，施工条件好，有利于混凝土浇筑;④与主井联通通道通畅，利于环形空间涌水时临时排水以及治理。综合考虑以上几点，选择井筒里程位置－432 m通风联络巷施工环形截水巷。其位于洛河组含水层(井筒里程－350 m)以下，岩性为粗粒砂岩，上下均为较厚的泥岩隔水层，本身是上仓通风联络巷与主立井的通风联络巷，需与主井贯通。

2.2.2 环形截水巷与井壁的合理距离(L)研究

L的确定具有重要的意义，如果L较小，会导致新开拓环形巷道的塑性区与主井形成的塑性区相互重叠，产生更大的松动圈，从而导致主井井筒破坏;如果L较大，会造成环形截水巷的长度增加，工程量增大，不符合经济性原则。采用岩土工程专业通用数值分析软件FLAC3D对环形截水巷开挖过程进行仿真模拟，通道循环开挖分多个区段。计算过程中，主井井壁位移作为监测的重点，在主井内壁和主井外壁各布置1条监测线，每条监测线上布设7个点，计算模拟结果见图7。

图7 井壁变形与距离关系

从图7可知，主井内壁和外壁的水平位移随着L的增大逐渐减小，最终趋于0，曲线在10.75 m处有明显的变化拐点，因此，可以得到L=10.75 m是环形截水巷的最佳位置。

2.2.3 环形截水巷断面尺寸

L=10.75 m时对环形截水巷在开挖及支护过程中的稳定性进行仿真模拟，结果显示，2 m×2 m的环形截水巷及耳硐在开挖采取锚杆(索)网支护后，围岩稳定性满足要求且对井筒井壁稳定性无影响。

2.3 环形截水巷及耳硐施工工序

2.3.1 施工原则及工序

本着尽量减小空顶面积、降低开挖扰动、减少工程量、严禁超挖、及时回填、减少巷道暴露时间的原则，确定施工工序如下:掘进1/4圈截水巷—开挖耳硐—处理冻结管—回填耳硐—再掘进1/4圈截水巷—开挖耳硐—处理冻结管—回填耳硐—回填1/2截水巷—…—回填余下的1/2截水巷，完成环形截水巷及耳硐的施工。兼顾施工进度、施工工艺及井筒稳定性等因素，采用“短进尺，弱爆破”的方案进行爆破开挖截水巷及耳硐。

2.3.2 揭露冻结管前的安全预防措施

为预防在在揭露冻结管时，固管、割管及混凝土回填过程中，冻结孔环形空间突然发生涌水、涌渣等事故，采取如下安全预防措施:在超前探放水孔探知剩余有500 mm厚岩柱揭露冻结管时停止掘进，用探水孔准确探到冻结管的具体位置。在耳硐端面上缘冻结管两侧(紧贴冻结管)，用42 mm钻头与顶板呈30°角度斜向上施工2个深约1 000 mm的注浆孔，孔内下入2根长1 500 mm直径为25 mm注浆管，注浆管前500 mm制成花管，后端外露500 mm并带丝头，对环形空间进行预注浆。

2.4 冻结管位置探测试验

为了减少工程量及开挖对围岩和井壁的扰动，选用了地质雷达、电法、管线定位仪3种方法进行冻结管对比探测试验，地质雷达探测结果见图8，电法探测结果见图9。经过开挖揭示实际冻结管位置与3种探测结果对比可知，电法探测及管线定位仪探测误差较大，地质雷达能基本确定冻结管位置(误差在500 mm以内)。

2.5 治理效果评价

2.5.1 变形监测成果分析

为了监测环形截水巷及耳硐围岩变形情况，选择典型断面处对顶板下沉量及两帮移近量进行监测，见图10。断面顶板累计下沉21.74 mm，两帮累计收敛10.87 mm，在监测期间(至回填结束)变形很小，基本稳定。

图8 地质雷达探测结果剖面

图9 电法探测剖面图

图10 S2断面围岩变形曲线

2.5.2 井筒涌水量监测成果分析

为了保证环形截水巷施工安全、改善作业环境，在措施巷施工前，在井筒内壁先施工泄压孔，用水龙带将水导入主井水仓，待环形截水巷回填并注浆补强后，于2011年9月10日开始逐个关闭泄压孔并进行了封堵注浆。如图11所示，4月7日开始涌水至9月10日关闭泄水孔，涌水量保持在90 m3/h左右，9月10日开始减小，最终稳定在2 m3/h左右。

图11 主井涌水量变化曲线图

3 结论

(1)通过理论分析揭示了深基岩全深冻结井筒冻结孔涌水机理。

(2)基于冻结孔涌水机理分析结果，创新性提出一种根治深基岩全深冻结井筒冻结孔涌水水害新技术。

(3)对于深基岩全深冻结井筒冻结孔导水通道生成机理及涌水机理的分析，能对冻结孔涌水水害防治工程起到理论支撑和技术指导作用。

(4)利用本研究提出的水害治理技术治理胡家河矿主立井冻结孔水害，实践表明该技术安全有效、经济合理、技术可行。

［1］ 姚直书，程 桦，荣传新.西部地区深基岩冻结井筒井壁结构设计与优化［J］.煤炭学报，2010，35(5):760-764.

［2］ Hori M.Micromechanical analysis on deterioration due to freezing and thawing in porous brittlematerials［J］.Int JEng Sci，1998，36 (4):511-522.

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［4］ 张继周，缪林昌，杨振峰.冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(8):1688-1694.

［5］ 严广劳，王 蓬，段王拴，等.环形截水巷处理冻结管防治水方法:中国，102518470A［P］.2012-06-27.

［6］ 武光辉，赵 强，张 健，等.一种地下工程揭露冻结管的封堵及注浆方法:中国，102418535A［P］.2012-04-18.

［7］ 陕西省彬长矿区开发建设有限责任公司胡家河矿井主立井井筒检查孔勘察地质报告［R］.西安:陕西省煤田地质局186队，2007.(收稿日期 2012-11-04)