大断面立井井筒综合治水技术研究

周志利

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083;2.山西潞安集团公司,山西省长治市,046204)

大断面立井井筒综合治水技术研究

周志利1,2

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083;2.山西潞安集团公司,山西省长治市,046204)

针对多富水层和多流砂层的复杂水文地质条件,提出大断面立井综合防治水技术:表土层和风化基岩段采用冻结法施工,富水层段采用复合井壁和工作面预注浆技术,最后对井筒集中出水区域壁后、壁间注浆和全井筒分区域整体注浆。实践表明,取得了较好的封水效果。

大断面立井 复杂水文地质 井筒施工 冻结法 复合井壁 工作面预注浆

随着煤矿建井技术的不断发展成熟,大断面立井井筒的施工越来越多,煤矿立井井筒防治水理论日趋丰富,针对不同水文地质条件,提出多种立井井筒防治水技术,预注浆、壁后注浆和综合防治水技术等均获得良好的工程试验效果。但针对复杂水文地质条件下大断面立井井筒治水技术方面的研究则相对较少。

潞安集团余吾煤业公司南风井两井筒直径均为7.5 m,进风井埋深577 m,回风井埋深561 m,共分布9个含水层,7个流砂层,其中有3个富水层,累计涌水量约为240 m3/h,大断面多富水层、多流砂层的复杂水文地质条件已严重制约了立井井筒的施工进度。

为加快立井井筒施工进度,在表土段和风化基岩段采用冻结法施工,富水层段采用复合井壁和工作面预注浆技术治水,最后对集中出水区域壁后壁间注浆和全井筒分区域注浆,取得了较好的封水效果,保证了井筒建设安全顺利地进行。

1 工程地质与水文地质条件

1.1 工程地质条件

潞安集团余吾煤业公司为高瓦斯矿井,为保证矿井的安全生产,在井田南部建设一对风井以解决通风及瓦斯抽采问题,两井筒作为余吾煤业井田南部三个采区的进、回风井筒之用,兼做安全出口,进风井后续安装提升系统,下井部分材料和人员。

1.2 水文地质条件

余吾煤业南风井选址于屯留县城西高店村附近,两井筒锁口设计标高+960 m,高于当地历年最高洪水位12 m,井筒施工场地以北1.5 km处有一条季节性河流,河水流量较小,不足以影响到井筒施工,区域内无大的导水裂隙带,因此地表水不会成为建井期间的来水通道。井筒表土层厚74.5 m,风化基岩段厚47.2 m。

井筒开工前,对该施工区域进行了三维地震和瞬变电磁勘探,另外还专门施工了井筒检查孔,根据三维地震勘探显示,井下无明显地质构造和异常区域,瞬变电磁结果显示井下无老窑及重大富水区,井筒检查孔实际揭露岩性表明,共分布9个含水层,7个流砂层,其中富水区3层,富水层位置分别为 192.6～222.6 m、269.5～307.5 m和355 m,流砂层均位于表土层段,累计厚度约为11.3 m。

2 综合治水技术

2.1 冻结法施工

根据以上水文地质资料,确定在表土层段和风化基岩段采用冻结法施工,并深入基岩段10 m,具体包括1～8号含水层及7层流砂层,为了形成封闭的冻结圈,首先在井筒周围钻一定数量的冻结孔,以便在孔内安装冻结管和供液管。冻结管采用单圈插花差异冻结法。冻结管分长短两种,间隔布置,以南进风立井为例,冻结深孔193 m,浅孔112 m。冻结孔等距离布置在井筒同心的圆周上,井筒直径7.5 m,冻结圈径设计为(深孔/浅孔)13.6 m/13.0 m,深孔间距2.127 m,浅孔间距2.034 m,深浅孔之间 1.086m,冻结圈厚度2.5 m,钻孔偏斜率不超过0.25%。

井筒冻结交圈时间为39 d,盐水循环积极冻结温度为-28℃,维护冻结温度19～21℃,整个冻结工程历时约5个月,工程质量优良,冻结段施工完毕,完全解冻后最终井筒漏水量0.48 m3/h,效果非常理想。

2.2 复合井壁技术

为保证井筒防水效果,在井筒富水层采用复合井壁支护,即先施工完成外壁后,从下至上再施工一层内壁,复合井壁支护主要优点为内壁无接茬,井壁抗渗性好。冻结段双层井壁之间铺设双层防水板(1.5mm厚的聚乙烯塑料板),基岩段双层井壁之间铺设单层防水板。到进风井筒施工完毕,主要漏水点集中在基岩段单层井壁与冻结段双层井壁接茬处或与基岩段双层井壁接茬处,基岩单层井壁个别出水点充分说明复合双层井壁良好的隔水效果。其它各段井壁支护具体参数见表1。

表1 井壁支护参数

2.3 工作面预注浆

井筒通过3个富水层时,先行打超前探孔进行导水探测,然后根据涌水量情况进行了3次工作面预注浆堵水,工作面预注浆采用预埋注浆管,管口安设阀门,注浆管埋设角度超出井筒掘进轮廓线5 m以上,现浇混凝土止浆帽,凝固3 d后方可注浆施工,注浆终止压力6.5 MPa,另外预注浆前必须先垂直井壁打设壁后注浆孔进行注浆封堵,防止工作面注浆时浆液上返破坏井壁。工作面预注浆后,含水层单层涌水量均在0.5 m3/h以下,符合规范要求,保证了井筒的安全顺利施工。工作面预注浆位置和注浆前后涌水量见表2。

表2 工作面预注浆位置和注浆前后涌水量

2.4 壁间、壁后和整体注浆

为保证井筒后续安装使用,在进风井临时改绞前,提升吊盘期间进行壁间、壁后注浆堵水,同时也可对出水集中点复注、壁间注浆主要针对复合井壁段,复合井壁因中间填有100mm厚的沥青板,受长时间的压缩,沥青板收缩变形出现空隙,形成良好的过水通道,而造成向井筒内涌水、漏水、渗水的情况;壁后注浆主要针对井壁和井壁围岩间空隙,封堵来水通道;最后对整个井壁进行整体注浆加固,注浆部位井壁能承受的压力为:

式中:P——井壁材料的允许抗压强度,MPa;

h——井壁厚度,取0.5 m;

R0——井筒的净半径,7.5 m;

P0——井壁材料极限抗压强度,取 42.5 MPa;

n——安全系数,取2。

由式(1)求得井壁材料的允许抗压强度为1.94 MPa,确定最大注浆压力为1.9 MPa,终止压力1.5 MPa,注浆初始阶段浆液为水泥浆单液浆,水灰比为1.5︰1;正常注浆水灰比为1︰1;封孔稠浆为0.75︰1,每次注浆先稀后浓,当吸浆量大或跑浆时注入水泥水玻璃双液浆,体积比为1︰1。水泥选用P042.5普通硅酸盐水泥,水玻璃配成35 Be。注浆孔深大于井壁厚度500mm,对于不同段井壁结构和渗水情况采取不同注浆方案。

(1)单层井壁段集中出水点。在漏水点直接钻孔,采用“顶水对点”注浆方式,及时调整注浆浓度,确保堵水效果。

(2)双层井壁段。对于未渗水段,采取注浆充填内、外壁之间空隙,堵水加固。每8 m布置1个注浆水平(三层吊盘间距8 m),在注浆水平内(净径7.5 m,周长23.55 m)平均分布6个注浆孔和6个卸压孔,注浆孔和卸压孔深8 m,注浆孔与卸压孔为三花布置,间排距为3.925 m×8.000 m,孔深穿透内壁即可。注浆过程中待卸压孔冒出浆液后,停止注浆,封闭注浆孔(卸压孔可作为下一段高内注浆孔使用)。注浆压力严格控制在1.5 MPa内。对于渗水段,先集中采取壁后注浆堵水,待浆液凝固24 h后,再进行壁间注浆。对于渗水严重段,一次注浆未达效果,必须复注,直至无明显渗水。

3 注浆效果

通过壁间、壁后及井壁整体注浆后,全井筒总漏水量实测值为1.2 m3/h,堵水率为99.5%,堵水效果十分明显,这对后续井筒装备使用创造了极为有利的条件,节省了井筒排水费用,延长了设备适用年限,改善了井筒作业条件。

4 结语

科学准确的水文地质预测预报能最大限度地保证施工方案和方法的决策准确性,是井筒治水的前提条件,超前探测是井筒施工防治水必不可少的重要环节。冻结法施工、复合井壁技术非常适用于复杂水文地质条件下大断面井筒防治水施工。

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(责任编辑 张毅玲)

Study on comprehensive water control of large section vertical shaft

Zhou Zhili1,2
(1.College of Resources&Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Haidian district,Beijing 100083,China;2.Shanxi Lu’an Mining(Group)Co.Ltd,Changzhi,Shanxi 046204,China)

According to the complex hydrogeology conditions with many rich water seams,and many flow sand seams,comprehensive water control of large section vertical shaft is putted forward:the first is by using freezing construction method in surface soil seam and weathering bedrock seam,the second is by using composite shaft lining and face pre-grouting to control water,the last is by wall back and intramural grouting and whole shaft grouting.The practice shows that it obtained a good sealing effect of water.

large section vertical shaft,complex hydrogeology conditions,shaft sinking and drifting,freezing method,composite shaft lining,face pre-grouting

TD262

B

周志利(1962-),男,山西洪洞人,中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院2008级博士研究生,高级工程师。现任山西潞安集团公司总经理助理、调度室主任。