斜井施工防治水关键技术应用探讨

杨广祥 张树勇 吕玉芝

(长城五号矿井,内蒙古鄂托克前旗 016200)

斜井施工防治水关键技术应用探讨

杨广祥 张树勇 吕玉芝

(长城五号矿井,内蒙古鄂托克前旗 016200)

本文结合蒙西南地区地质特点与长城五号矿工程实例,探讨了蒙西南地区井筒过含水层的冻结法、注浆法、探水法等防治水关键技术,为西部地区具有相似条件的井筒防治水施工提供了有力的参考依据。

含水层 冻结法 注浆法 探水法

近年来,随着国家西部大开发的逐步深入,在蒙西南等西部地区新建矿井日益增多,该区域,基岩含水层多且含水层多为孔隙裂隙含水层,在井筒的建设过程中,不可避免的要穿越含水层,选择正确的防治水方法在建井中显得尤为重要。根据蒙西南地区地质条件研究表明,对蒙西南地区含水地层进行冻结、注浆,可以有效的创造无水施工条件,对井筒周边围岩起到加固的作用,同时,必须注重前期的探水工作,将探水与防治水相结合,确保井筒安全通过含水层。

1 工程概况

长城五号矿井地处蒙西南毛乌素沙漠西南边缘,第四系表土层深厚,砂岩裂隙水丰富,矿井采用斜井开拓,分别布置主斜井(1291米)、副斜井(1062米)和回风立井(286米),斜井最大倾角26°,开采水平为+800m和+500m两个水平。在长城五矿副斜井施工过程中,井口以下60米处(垂深25米,此出水点为第四系底部砾石层),井筒出现渗水,涌水量约3m3/h左右。副斜井开始对渗水处巷道附近进行注浆堵水。由于水量不大,利用副斜井临时水仓进行排水。随后,副斜井井口以下56米处左帮底板水突然加大,水量约50-60m3/h,水中夹带泥沙增加,副斜井排水系统无法及时将水排出,水流向迎头。由于水量加大,开始调集大功率潜水泵进行排水,在调集水泵及安装期间,担心大量泥沙抽出导致井筒顶底抽空,可能造成井筒折断的严重后果。

经研究讨论,决定采用待井筒涌水升至静水位后进行地面注浆封堵,对井壁帷幕冻结方式进行修补的方案。

2 防治水关键技术

2.1 冻结法

2.1.1 冻结方案

根据涌水实际情况分析决定,主、副斜井自垂深113米至208米需采用冻结法施工,主斜井冻结范围为斜长328.08m-621.08m,全长293m,副斜井冻结范围为斜长269.093m-541.56m,全长272.467m。并对工作面进行预注浆堵水,注浆目的是对壁后缝隙及冻结后的缝隙进行充填,防止缝隙出水,保证安全施工。

2.1.2 治理过程

(1)冻结深度确定,齐腿冻结。所有冻结孔均穿过表土段碎石层底板深入隔水层7.2m,所有冻结孔形成有效冻结帷幕,即冻结深度41.35m(以井口标高计算)。(2)冻结技术参数的确定,根据副斜井井筒工程地质条件,冻结参数确定如下:①盐水温度:积极冻结期盐水温度为-24～-28℃,维护冻结期盐水温度为-20～-22℃。②冻结壁厚度设计:根据斜井井筒倾向穿入不同地层特点及地压值不同计算冻结壁厚度。③地压计算:两帮侧压力按似重液公式计算:计算公式:P＝γ(H＋h)tg2[(90-β)/2]。④冻结壁平均温度:经计算,冻结壁平均温度设计为:-8℃。⑤表土段冻结壁厚度:根据副斜井倾角为23°,井筒掘进断面为马蹄形,计算表土段冻结壁厚度公式如下:两帮冻结壁厚度:E1= h1tg(90-β)/2冻结壁厚度确定:两排端头孔封堵确保冻结段与非冻结段隔开;两排边排孔封斜井的侧壁,冻结壁厚度2.4m,经有限元分析并结合公司相应帷幕冻结的施工经验,证实安全可靠,同时利于减少工程量,既安全又经济。⑥测温孔设计,布置原则:1)外侧测温管布置在外排冻结管外侧,内侧测温管布置在冻结管排间;2)最大孔间距处;3)尽量对称布置;4)尽可能反映整个井筒的温度场情况。对测温孔施工的要求:1)为了准确掌握冻结温度场变化情况,副斜井帷幕冻结区段均设置10个测温孔,测温管采用Φ108×5mm无缝钢管,外管箍连接。测温孔具体布置依据实际施工情况而定。2)管内严禁灌水,必须保证焊接质量,确保无渗漏。⑦冻结管结构设计。本冻结工程冻结管全部采用GB8163-2008标准流体用无缝钢管,采用外管箍连接;冻结管规格:Φ133×5mm。冻结管内供液采用单供液管正循环,供液管规格Φ63×5mm。⑧主要含水层冻结壁交圈时间及井筒试挖时间。预计开机至具备排水条件时间为45天。⑨井筒开挖标准。根据测温资料分析,井筒排水修复至各水平时,冻结壁能够达到设计需要的强度和厚度。

2.1.3 修复情况

2012年7月24日,副井帷幕冻结造孔开工,8月27日副井开机冻结,10月31日副井开始排水,11月4日副井开始修复井筒(套内壁)。

2.2 注浆法

2.2.1 注浆方案

根据工程地质条件,采用工作面预注化学注浆方法进行施工。化学注浆法过砂层,就是在井筒周围的砂层中,造成一个半永久性的,具有一定强度的注浆帷幕,用以抵抗地压和水压,防止外部的水砂涌入井内,保证井筒顺利开凿、掘砌。

2.2.2 施工流程

采用工作面预注化学浆的施工方法对含水层进行治理,从而达到正常开挖条件。施工流程如下:(1)在斜井施工到距第一层含水砂层垂深5m时停止掘进施工,预留粘土层,修建止浆垫,采用水泥-水玻璃双浆液对止浆垫与井筒接触面以及井筒壁后进行充填,防止钻进注浆孔和注浆过程中浆液渗出;(2)采用坑道钻机进行注浆孔钻进,埋设孔口管,并进行固管,试压,超过设计最大注浆压力;(3)套管试压合格后继续钻进注浆孔,穿过预留粘土层,进入含水砂层,下入注浆花管,注入化学浆液对含水砂层进行治理,注浆过程中控制浆液的压力和注入量,保证注浆质量;(4)通过检查钻孔对注浆治理质量进行检验,达到开挖条件时可组织人员进行井筒掘进,若仍有涌水,可重复上述(2)、(3)步,继续注入化学浆液,最终达到开挖条件。

2.2.3 施工方案

(1)注浆工艺。本方案共设计两种浆液,采用水泥-水玻璃浆液充填止浆垫与井筒接触面,采用化学浆液对含水砂层进行治理。

注浆起始位置为注浆孔进入含水砂层,结束位置为超过含水砂层1.0m,一次注浆段高暂定1.0m,注浆方式为下行式,可根据注浆实际情况进行调整。

浆液扩散距离取0.5m,布置两圈注浆孔,帷幕厚度为1.5m,沿井筒方向帷幕长度为3.1m,注浆工程量计算公式为:

Q= m·A·π·r2·H·n

式中:Q——注浆工程量,m3;

m——注浆孔个数,取108;

A——浆液耗散系数,取1.3;

H——帷幕长度,取3.1m;

S——帷幕截面积,为帷幕厚度*布孔周长,1.5*26.9m;n——砂层孔隙率,取40%。

则Q=108*1.3*3.14*0.5*0.5*3.1*0.4=137.7m3。

(2)止浆垫设计。止浆垫的作用是在于封闭含水层涌水,安装注浆孔口管和保证在用最大压力注浆时,不使浆液从含水层翻入井内。

止浆垫一般为整体浇筑混凝土,结构形式分为单级平底型和单级球面型,为施工方便,选用单级平底型止浆垫,C40混凝土浇筑,厚度Bn可根据以下公式进行计算:

Bn=P0·r/［σ］+0.3r

式中:Bn——止浆垫厚度,m;

P0——最大注浆压力,取18kg/cm3;

r——井筒掘进半径,取2.5m;

［σ］——混凝土的允许抗压强度,一般为3-7天的极限抗压强度280kg/cm3除以安全系数3。

计算可得: B=18×2.5/(280/3)+0.3×2.5=1.23m,取1.5m。

(3)注浆孔设计。采用两圈注浆孔进行布置,外圈井筒弧顶、两帮和底板开孔点距离断面边缘分别为1.0m、0.5m和0.5m,内圈开孔点距离外圈0.5m。钻孔深度超过含水砂层1.0m,进入含水砂层时注浆孔落点孔间距为0.5m,内圈布孔数为50个,外圈布孔数为58个,合计108个。施工顺序为先内圈孔,后外圈孔,各圈注浆孔采用间隔和逐步加密的方法进行施工,后序施工注浆孔可对已注浆钻孔注浆情况和质量进行检查,根据砂层涌水情况进行施工。注浆孔施工过程中,孔口管安装防突水装置,防止发生突水事故。

2.3 探水

根据蒙西南地区矿井地质特征及矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、无线电波透视法等各种探水法的适用条件,最终确定采用矿井瞬变电磁法为建井期间的探水方法。

矿井瞬变电磁法探水,瞬变电磁法属时间域电磁测深法,又称“纯异常场法”,利用回线源向地下发送一次电磁场,在一次电磁场间歇期间,用线圈对地下异常体所产生的二次涡流电磁场进行观测,通过对二次涡流电磁场特征的研究来预测地下矿产、地质构造、地下含水层等的分布。但是,矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法相比具有以下几个方面的特点:(1)由于井下测量环境不同于地表,不可能采用地表测量时的大线圈装置,只能采用边长小于3m的多匝小线框,数据采集劳动强度小,测量设备轻便,工作效率高,成本低;(2)由于采用小线圈测量,点距更密(一般为2～10m),降低体积效应的影响,提高勘探分辨率,特别是横向分辨率;(3)由于受关断时间的影响,无法探测到更浅部的异常体(浅部15m以内)。采用矿井瞬变电磁法可解决的主要地质任务是煤层底板隐伏的断层破碎带、导水通道、含水层厚度、隔水层厚度等;可探测掘进巷道迎头前方150m范围内的含水构造异常情况。

3 结语

(1)在蒙西南地区井筒过含水层的施工过程中,采用冻结法施工,能够隔离含水层涌水,为涌水井筒治理创造有利条件,保证了井筒安全施工;斜井帷幕冻结,在国内是首次进行尝试,对相同条件的冻结施工具有指导意义。(2)采用工作面预注浆技术可有效地封堵出水通道,改善施工条件,消除安全隐患,并切实保障井筒施工质量。在采用注浆法建设斜井过程中,要选择正确的参数,控制好注浆压力,既要达到注浆的预期目的,又要减少浆液损失。(3)探水工程在建井中占据举足轻重的地位,在探水过程中,应加强关键部位的动态监测,实现采动岩体力学分析、水文地质研究、矿井物探的有机结合,结合开采方案设计,准确进行采场突水的短期和中期预报,最大限度地提高煤矿井下突水预测预报的准确性。

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This paper mainly combines the geological characteristics of Mengxinan District with the example of Changcheng Mine Five,ansysing some water prevention and control technology include freezing method, grouting method, water exploration when the shaft crossing water-bearing stratum. In order to provide reference for the prevention and control of shaft water construction which has similar conditions in western region.

Water-bearing stratum Freezing method Grouting method Groundwater exploration

杨广祥,男,1964年生人,山东济宁兖州市人,工程师,大专学历,现在新汶矿业集团内蒙能源公司长城五号矿井筹建处主任。