高河煤矿进风井突水防治技术研究

2013-10-22赵爱军魏森森

山西煤炭 2013年1期

赵爱军，魏森森

（山西高河能源有限公司，山西长治 047001）

1 矿井概述

高河煤矿是亚美大陆与潞安集团合资的特大型现代化矿井，设计生产能力6Mt/a，立井、单水平开拓。矿井属高瓦斯矿井，采用分区式通风系统，抽出式通风，由主、副立井和小庄进风立井进风，中央回风立井和小庄回风立井回风。小庄进风立井为西一盘区服务，井筒净直径7.5m，2007年4月开工，6月3日冻结段外壁掘砌施工230.54m；同日，进行整体浇筑段稳模工作时，垂深234m开始出水，经实测涌水量3.6～16.8 m3/h。由于涌水量变化较大，给施工带来很大困难，急寻有效办法防止涌水量突增造成事故。

2 突水的防治原则

针对小庄矿进回风立井的实际，确定施工中必须坚持“有疑必探，先探后掘”的原则。当探测出涌水量小于10m3/h时，转入井筒掘砌施工，强行通过含水层；当涌水量大于10m3/h时，先设置止浆垫并在其后进行工作面注浆；施工时采取“边探边掘”、“短探短掘”进行。可用伞钻施工超前探水孔，孔深10m，超前一个掘砌段高的距离不小于6 m。施工中井帮出水、但水量又不大时，可对出水点预埋导水管将水导出，待吊盘通过导水管时在吊盘上进行壁厚注浆封堵。

3 治水技术的研究及施工

3.1 止浆垫厚度的确定与施工

3.1.1 止浆垫厚度的确定

当涌水量大于10m3/h时，采用设置止浆垫、并在其后进行工作面注浆的方案。止浆垫质量的好坏决定了治水的成功与否，而其质量的好坏取决于止浆垫的厚度：

式中：B为止浆垫厚度，m；P0为注浆终压，MPa；R为井筒荒半径，取4.35m；[σ]为止浆垫混凝土允许抗压强度，MPa；一般取混凝土28 d强度的2/3再除以安全系数2，得16.7 MPa。P0由式（4）得出，最终算得止浆垫厚度3.7m。

3.1.2 止浆垫施工

止浆垫厚3.7m，采用P.O52.5普通硅酸盐水泥配制成C50混凝土浇筑。浇筑混凝土止浆垫时要保持连续、不得中断，并振捣均匀，并应防止孔口管位移或偏斜。在止浆垫上部预留一个0.8m见方、深0.5m的水窝，以备注浆施工时排水。

3.1.3 滤水层厚度及虑水桶的设计

井筒排水到底后，先将工作面浮矸及淤泥清理至硬底，然后根据注浆孔和滤水桶设计位置（见图1）在工作面挖出滤水桶窝。

式中：A为滤水层厚度，m；R为井筒荒半径，m；β为碎石层的孔隙率，取0.4；Q为停泵时间内涌水量，m3；q为井筒涌水量，m3/min；t为停泵时间，一般取t=15 min；通过计算并结合以往经验确定滤水层厚度为0.5m。

图1 混凝土浆垫施工示意图/mm

再把滤水桶放入坑中，按设计放好孔口管，固定牢固并确保铅垂。固定孔口管时，要在每个孔口管底端100mm的位置，使用φ20钢筋将六根孔口管相互焊接成整体。然后便可铺设粒径为20～40mm的碎石滤水层。滤水桶花眼部分的顶端要低于滤水层上平面100mm。滤水层碎石铺好后，还在碎石上密铺一层彩条布，然后再铺红砖把彩条布压住，最后浇筑混凝土止浆垫。混凝土井壁与止浆垫联接部分还要凿毛。

滤水桶采用φ630 mm×12 mm×4 000 mm加工而成，为止浆垫浇筑时下放水龙头排水用。直径φ=630mm的滤水桶上端焊有高压法兰，下端为滤水花眼段，下端埋入滤水层中，待止浆垫浇筑好后从桶中抽出龙头。滤水桶花眼部分不准超出滤水层上平面，确保起到滤水作用。选用φ108mm×6mm×4000 mm无缝钢管，上端焊有高压法兰做打钻注浆孔口管，上端高出止浆垫0.5m，管身用φ20螺纹钢缠绕并焊牢。孔口管在铺设滤水层之前，按设计孔位固定牢靠、并确保铅垂，在孔口管中心距离井壁为0.5m。

3.2 注浆参数的设计及施工

3.2.1 注浆液选择

本次注浆选用单液水泥浆，若遇大构造、浆液消耗量大时，为控制扩散范围，可考虑掺速凝剂。单液水泥浆水灰比选用 3/1、2/1、1.75/1、1.5/1、1.25/1、1/1等六个级配。注浆时视压水吸水量确定其实浆液浓度。为提高可灌性、增大注入量，除滤层加固注浆外，每次注浆前应注入1～2m310Be的水玻璃予以处理。速凝剂选用减水早强速凝剂FS—E，其用量为水泥的0.5%。

水泥要求用新出厂的P.O32.5普通硅酸盐水泥，禁止使用失效结块的水泥。

3.2.2 注浆压力计算

注浆加固圈是防止水涌出的第一道屏障，因地下水有一定的压力，加固圈的抗压能力必须要大于这水压力，注浆孔的压力值决定了加固圈的质量，文献得出算式：

式中：P0为结束注浆时孔口的最大压力，MPa；PH为结束注浆时注浆泵上的表压力，MPa；H为计压点以上的浆液柱高度，m；Hs为受注点至静水位的高度，m；rc为注浆液相对密度，取1.3。通过计算得出终压为9.3MPa，结合以往注浆经验，决定本次注浆终压取为10MPa。滤水层充填注浆压力，按静水压力2倍考虑，取终压为4MPa。

3.2.3 注浆孔数

式中：N为井筒净径，取7.5 m；S为孔口距井筒净径距离，取 0.5 m；L 为孔间距，取 1.4·rm，rm为浆液扩散半径，取4.9。通过计算并结合以往经验，确定注浆孔数为6个。并在6.5m井圈径上钻6孔（见图2）。采用φ90mm钻头成孔。钻注顺序为1号、2号、3号、4号、5号和6号，切记乱钻不注。其中6号孔兼作注浆质量检查孔。

图2 注浆钻孔布置图

3.2.4 井壁强度验算

式中：[σ']为井壁实际承受压应力，MPa；D 为井壁净直径，7.5 m；E为井壁厚度，1.3 m；P为滤水层注浆终压，取4 MPa；h为球面矢高，1.125 m。计算出的井壁实际最大承受应力9.4MPa，小于井壁材料允许抗压强度50MPa，所以井壁强度能够满足注浆要求。

3.2.5 泵量和注入量

1）泵量。一般情况下，可压水试验结果确定泵量。在压水相同情况下，初期泵量为压水泵量的80%左右为正常，以后随着泵液注入量的不断增加，压力渐升，泵量逐减，直至结束为止。

2）注入量。目前注入量的精确计算尚有一定困难，可用粗略算式如下：

式中：Q为注入量，m3；R为浆液扩散半径，取3.5 m；H为注浆段高，66m；η为岩石裂隙率，取2%；β为浆液有效充填系数，取0.9%；m为结石率，取0.8%；λ为浆液损失系数，取1.5。平均按水灰比1.5/1折算，注浆段水泥用量约为331.7t。

滤水层充填注浆计算如下：

式中：r为井筒荒半径，取4.35 m；h为滤水层厚度，取0.5 m；η为滤水层孔隙率，取43%；其他符号意义同上。按水灰比1/1折算，注浆段水泥用量约为16.2t。此次注浆共需水泥约348t。

3.2.6 注浆施工

1）压力试验。每孔终孔测水后，接通输浆管路进行压水试验，压力由小到大逐步升压到最大注浆终压，测定各不同参数时的吸水量曲线，压水时间为2～3h。

2）注浆工艺。①工艺流程：单液水泥浆，经二次搅拌→注浆泵→输浆管→控制阀→孔口管→岩层裂隙。②据压水结果，确定起始浆液配比。③压力调整：注浆压力变化有时渐变，有时呈波状，调整压力应与孔内情况、浆液浓度等密切配合，当浆液浓度确定后，用人为的方法控制泵量，使压力达到终压。④浆液调整：浆液在岩层裂隙中充填阶段时，如压力和进浆量稳定不变时，应逐级加大浓度；如压力上升快，进浆量很快减小，应依次降低浆液浓度，每改变一次浆液浓度可持续20min。⑤注浆结束前应压注清水，使管路大部分浆液注入岩层裂隙中，但要防止清水压入地层。当压清水时需及时通知井下准备闭阀泻浆。然后清理整个注浆系统。⑥养护、打孔、复注：每孔首次注浆结束后，养护2～3 h用钻机扫孔到底，冲孔测水后进行复注，复注次数可一至多次，复注时采用稀浆，水灰比选用3/1或2/1。⑦注浆结束后，由记录员及技术员整理各孔钻注全部数据资料，填表绘图上报、存档。