环状隔离体技术在塔然高勒煤矿主井冻结孔涌水封堵中的应用*

薛建坤　朱明诚　牛光亮　孙　洁

(中煤科工集团西安研究院有限公司)



环状隔离体技术在塔然高勒煤矿主井冻结孔涌水封堵中的应用*

薛建坤朱明诚牛光亮孙洁

(中煤科工集团西安研究院有限公司)

摘要分析了塔然高勒煤矿主井井筒涌水特征及水文地质条件，揭示了井筒冻结孔水害机理，提出利用环状隔离体技术治理水害，即在井筒隔水层中沿冻结圈施工小断面环形巷道，揭露、截断冻结管，并对环形巷道回填混凝土，形成环状隔离体，彻底隔断环状导水通道，根治水害。应用表明，该技术治理井筒冻结孔水害具有经济合理、质量可靠、工期较短的优势，可为同类矿山水害治理提供参考。

关键词冻结孔水害环状隔离体水害治理

西部深厚含水基岩中的矿建工程，普遍具有井筒直径大、基岩富水性强等特点，且含水层多为孔裂隙水，预注浆效果差，局部岩层中浆液扩散困难，局部又因孔裂隙水流速过快而使得浆液难以凝固，故冻结法几乎成为某些立井工程惟一可用的工法[1-4]。采用冻结法施工的井筒冻结圈解冻以后，容易发生冻结孔涌水水害[5]，该种水害的特殊性是通道垂深大、水流速度高、冲刷力大、涌水中夹杂大量泥沙等岩石碎屑物，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，甚至发生突水灾害事故。如纳林河二号矿、胡家河矿等，对矿井安全生产造成极大的水患威胁[6-8]。本文以塔然高勒煤矿主井冻结孔水害治理工程为例，介绍了环状隔离体技术可根治井筒冻结孔水害。

1　工程概况

塔然高勒煤矿主井井筒设计全深699m，-488m以下为冻结法施工。井筒掘进过程中，在深度631m处(西装载硐室南帮及井筒处)发生冻结孔涌水，水量约40m3/h，井壁有破损现象，随后涌水量逐渐增加，井壁出现明显裂缝。次日井筒涌水量为156m3/h，裂缝宽度10～120mm、长度约9m。

塔然高勒煤矿主井井筒自上而下主要穿过第四系、白垩系下统志丹群、侏罗系中统-中下统延安组含水层，侏罗系中下统顶部、侏罗系中下统延安组顶部、侏罗系中下统延安组底部隔水层。根据勘探成果，白垩系志丹群含水层段整体富水性较弱，且与下部侏罗系含水层组无明显水力联系。直罗组含水层段在首采区范围内厚度为117～198.9m，平均158.63m，其中有效含水层厚度平均138.05m，明显的冲刷沉积构造特征为3-1煤直接顶板含水层，单位涌水量q=0.03～0.2L/(s·m)，渗透系数K=0.015 4～0.232 7m/d，富水性弱-中等，导水性中等。

2　冻结孔水害机理

塔然高勒煤矿主井冻结管，冻结工程完成约6个月后自然解冻，贯穿全井深的每个冻结孔与冻结管之间都可能形成“环状空间”，即水力联系导水通道，将立井从地面到井底所有的含水层连成一体。使原来的隔水层失去隔水作用，任何一个导水管道与巷道沟通都有可能出现较大的涌水。井筒完成施工后初期虽然管道的下部多被沉渣充填不易导水，但充填碎屑物几乎没有胶结强度，较松散，上面含水层的地下水会透过这些充填物慢慢地向下渗透，并将压力传递至井筒下部，造成井筒下部混凝土构筑物无法承受高水压而破裂损毁，导致井筒突发性涌水，由于上部地层静储量的参与，初期涌水量往往较大。塔然高勒煤矿冻结井筒水害机理见图1，冻结孔剖面见图2，冻结孔水害剖面见图3。

图1　塔然高勒煤矿冻结井筒水害机理示意

3　环状隔离体封堵技术

在欲保护的构筑物邻近上方选择一隔水且岩性较坚固地层，通过开掘小断面巷道，在有其他孔泄水的条件下揭露冻结孔约2m高度，固管后截断冻结管，然后施工混凝土或注浆体，阻断冻结孔导水通道。

图2　冻结孔剖面示意

图3　井筒冻结孔水害剖面示意

3.1施工隔水圈

在延安组3-1煤层底板位置施工环状巷道(图4、图5)，此处形成冻结孔的隔水圈，阻止上、下水力联系。

3.2环状巷道数值模拟

通过数值模拟(图6、图7)，确定环状巷道内侧帮距主井井筒中心线之间的合理距离为12m，且每施工完一个耳硐后，对其进行充填加固后再进行下个耳硐的施工，此时主井井壁的位移较小，稳定性较好(表1)。

3.3冻结孔注浆

根据不同情况，注浆封堵方案各不相同。将冻结管在耳硐位置截断后，对冻结孔注浆，分上部、下部、引流3种情况进行(图8、图9)。

4　治理效果评价

4.1主井涌水量

2013年7月21日主井井筒出水，最大水量156m3/h(图10)，水害治理至8月15日，主井涌水量从218m3/h降至3～4m3/h，之后主井出水点处水量基本消失，涌水量稳定在5～8m3/h。

4.2WB6观察孔水位变化

距离主井472m的地面水文长观孔(WB6观测下含水层段水位)，2013年7月21日主井出水后水位累计降幅达65.5m(图11)，水害治理过程中，WB6水位逐渐回升，治理完成后水位累计上升40m。

图4　环状巷道截断冻结孔示意

图5　主井环状巷道建模

图6　环状巷道和耳硐围岩塑性区分布

图7　井筒Z方向应力分布

4.3治理效果比较

冻结孔水害治理前，主井马头门、配电室等地方淋水为8～10m3/h，水害治理后淋水为2～3m3/h。

从主井涌水量变化、WB6水文孔水位变化及主井周边的淋水变化可以看出，主井水害治理前后效果明显，说明本次水害治理工程达到既定目标，注浆效果良好。

表1　监测点位移数据统计mm

综合对比环状隔离体技术与射孔注浆、帷幕注浆技术(见表2)可以看出，无论从费用、工期还是治理效果，环状隔离体技术在封堵井筒冻结孔水害方面都具有优势。

5　结　论

(1)塔然高勒煤矿主井井筒出水是由于解冻后，冻结管与冻结孔之间的环状空间形成了垂直导水通道，沟通上、下含水层，高水压作用下井筒下部混凝土构筑物发生破裂损毁，导致井筒突发涌水。

图8　冻结孔注浆方案

图9　引流注浆方案

图10　主井水量变化(2014年)

图11　WB6孔水位变化

表2　环状隔离体技术与射孔注浆、帷幕注浆技术对比

(2)数值模拟结果表明，环状巷道内侧帮距主井井筒中心线的合理距离为12m，且每施工完毕一个耳硐后，对其进行充填加固后再进行下一个耳硐的施工，此时主井井壁的稳定性较好。

(3)对比射孔注浆与帷幕注浆技术，环状隔离体技术治理井筒冻结孔水害费用经济、质量可靠、工期较短，值得在同类工程中推广。

参考文献

[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]张驰,杨维好,杨志江,等.深厚含水基岩区立井外壁冻结压力的实测与分析[J].煤炭学报,2012,37(1):33-38.

[3]杨更社,吕晓涛.富水基岩井筒冻结壁砂质泥岩力学特性试验研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(4):492-496.

[4]杨更社,奚家米,王宗金,等.胡家河煤矿主井井筒冻结壁岩石力学特性研究[J].煤炭学报,2010,35(4):565-570.

[5]赵强,武光辉.基岩冻结法施工解冻水害的机理及治理技术[J].煤矿安全,2013，44(4):91-93.

[6]曹祖宝,邵红旗,朱明诚.冻结井筒冻结孔涌水机理及逆流引流注浆封堵技术[J].西部探矿工程,2012(8):46-49.

[7]邵红旗.引流注浆封堵深基岩冻结井筒冻结孔涌水技术[J].煤矿安全,2013,44(1):74-79.

[8]邵红旗.深基岩冻结井筒封闭不良冻结孔水害治理技术[J].煤炭科学技术,2013,41(10):22-25.

(收稿日期2016-05-10)

ApplicationofAnnularIsolationTechnologyintheWaterInflowoftheMainShaftFreezingHoleinTarangaoleCoalMine

XueJiankunZhuMingchengNiuGuangliangSunJie

(Xi'anResearchInstituteofChinaCoalTechnology&EngineeringGroup)

AbstractThe water inflow characteristics and hydrogeology condition of the main shaft in Tarangaole coal mine are analyzed in detail,the mechanism of water disaster of freezing shaft hole is revealed.The annular isolation technology is used to deal with the water disaster in the main shaft in Tarangaole coal mine,to be specific,a small section annular tunnel along the frozen circle in the shaft water-resisting layer is constructed to expose and cut off the freezing tube,an annular isolated body is formed by backfilling concrete for annular tunnel to separate the annular conductor completely to solving the water disaster of the main shaft in Tarangaole coal mine thoroughly.The application results show that the annular isolation technology with the characteristics of economic and reasonable,reliable quality and short construction period,besides that,it can provide reference for the similar mines.

KeywordsWater disaster of frozen hole,Annular isolation body,Water disaster governance

*“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAK04B04)；国家自然科学基金青年科学基金(编号：41402220)。

薛建坤(1987—)，男，助理工程师，硕士，710054 陕西省西安市碑林区雁塔北路52号。