塔然高勒煤矿冻结孔突水综合防治技术的应用与研究

2016-10-20神华杭锦能源有限责任公司内蒙古杭锦旗017400

地球 2016年10期

（神华杭锦能源有限责任公司内蒙古杭锦旗017400）

塔然高勒煤矿是神华集团首座千万吨级竖井，矿井采用立井开拓方式。建设初期采用普通法施工，之后由于所揭露的实际水文地质情况发生变化，改为冻结法施工，在主井周围共施工32个冻结孔。为了给井塔基础施工创造有利条件，对井筒冻结壁强制解冻并进行了射孔注浆，但在解冻过程中，井筒出现不同程度的涌水，采用井筒壁间注浆与壁后注浆封堵。为砌底治理冻结孔突水采用在有利地层施工环状隔离体阻断不良冻结孔导水通道方案。工程达到了很好的治理效果，可以对受冻结孔环状空间水害威胁的矿井提供参考。

冻结孔环状空间环状隔离体阻断

1 主井基本概况

主井于2007年6月18日开工建设，井筒掘进受四个含水层影响：第四系松散层潜水含水层、白垩系下统志丹群孔隙潜水～承压水含水层、侏罗系中统～侏罗系中下统延安组裂隙孔隙承压含水层、三叠系上统延长组碎屑岩类承压水含水层，其中侏罗系含水层对开采影响最大。侏罗系中统～侏罗系中下统延安组裂隙孔隙承压含水层平均厚度174.20m，单位涌水量q=0.03～0.2L/s·m，渗透系数K=0.0154～0.2327m/d；富水性弱到中等，导水性中等。

在施工过程中，随着井筒逐渐向下延伸，所揭露的水文地质条件发生了较大变化，特别是井筒涌水量方面，远远超出了地质报告提供的预计涌水量（15～20m3/h），当井筒掘至488m时，实际涌水量达到118m3/h，后经专家经论证，-488m以下井筒由普通法改为冻结法施工。

2009年1月11日在主井周围开始施工冻结孔，共施工钻孔32个，单孔深度658m，2011年2月16日开始对井筒冻结壁强制解冻并射孔注浆，强制解冻的深度为80m，为做井塔基础创造条件，射孔注浆的深度为610m，封堵装载硐室以上冻结管环状空间。在解冻过程中，井筒出现不同程度的涌水，后采用井筒壁间注浆与壁后注浆封堵，壁间孔深度以穿过内层井壁50～100mm，壁后孔深度1.5m。注浆后主井涌水量显著变小，涌水量减小为13.4m3/h，

2013年7月21日，在主井井筒深度631m处（西装载硐室南帮及井筒处）出水，水量为156m3/h，井壁裂缝宽度10～120mm，长度约为9m。此次出水严重制约了主井的正常施工，影响到整个矿井的工期计划，为了确保主井今后能更加安全有效地投入正常的生产，有必要从根本上解决主井冻结孔水害问题。

2 主井出水原因分析

冻结孔孔径190mm，冻结管（无缝钢管）直径140mm，壁厚7mm，为了给井塔基础施工创造有利条件，对井筒冻结壁强制解冻，但因解冻效果不彻底就进行了射孔注浆，导致射孔注浆的效果也不理想，冻结管与冻结孔之间的环状空间未完全封堵，从而形成了“环状空间”，将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，形成约4.3MPa的高压水。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而不易导水，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，对混凝土构筑物造成威胁，造成井筒下部混凝土构筑物强度无法承受高水压而破裂损毁导致井筒突发性涌水。

3 主井水害治理方案

主井冻结孔水害治理思路：在有利地层施工环状隔离体阻断不良冻结孔导水通道。在井筒欲保护的构筑物邻近上方选择一隔水且岩性较坚固地层，通过开掘断面2m*2m的巷道，通过开挖耳硐揭露每一个冻结孔，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，阻止上、下水力联系，达到根治主立井冻结管水害的目的。

3.1 环形措施巷及耳硐布置与施工设计

3.1.1 环形措施巷布置

巷道开口中心线位于进风联络巷中心线以西15m处，沿正北方向1°上山施工10.15m到达措施巷位置。环形措施巷施工位置在3-1煤层底板，巷道中心线距主井井筒中心线之间的距离为13m（详见图1），断面为2.0m（高）×2.0m（宽）。

图1 环形措施巷及耳硐设计平面图

3.1.2 耳硐布置

在平面上共布置30个耳硐，断面为2.0m（高）×2.0m（宽），控制最大开挖宽度不大于2.5m，耳硐深度不超过3.5m，以揭露冻结管为目的。

3.2 措施巷及耳硐支护方案设计

环形措施巷的支护方式为采用主动锚杆加金属网片支护方式；耳硐支护采用主动锚杆支护加被动钢棚支护方式。

3.3 主井井筒变形预防方案

环形措施巷和耳硐的开挖中，周围岩体的应力重分布，会使得围岩产生变形并导致井筒变形。但据模拟计算，绝对变形量在0.001mm级别，小于目前测量仪器的误差允许值。因此，在本次水害治理施工时，井筒内不安设固定监测点，采取巡视检查的方法，对措施巷高程上下5m范围进行定期巡查，同时，在环形措施巷与耳硐的开挖过程中，采用收敛计对巷道变形进行监测。

3.4 探水孔施工设计

在掘进联络巷时，布置超前探放水孔4个，倾角为+5°，孔径Φ32mm，孔深6m；在环形措施巷施工过程中，超前探测每个循环布置4个钻孔，钻孔以探测掘进巷道前方可能存在的冻结孔水害威胁为主要目的，探测孔孔深均为5m；耳硐探水在布设超前探放水孔个数为4个，探水孔深3.5m。

3.5 冻结孔水害处理方案

3.5.1 冻结孔揭露

在巷道掘进过程中，执行先钻探，后揭露的方法，对巷道掘进前方与侧帮位置进行超前探测。对无水的冻结孔，直接揭露处理；对有水的冻结孔，如果水量及水压不大，则通过耳硐直接揭露冻结孔，如果冻结孔内涌水量太大，无法直接揭露，则根据现场情况，进行引流注浆后再通过其他耳硐揭露该冻结管。

3.5.2 冻结孔割管

揭露冻结管且采取相应固管措施后，对底板冻结管外围进行掏槽，掏槽深度500mm，将冻结管割除。

3.5.3 冻结孔注浆

冻结孔的注浆分三种情况进行。

3.5.3.1 上部孔注浆

第一步，对冻结管外部的环状空间进行注浆；第二步，对冻结管进行注浆封堵。整个注浆均采用插管注浆方式进行，即在环状空间与冻结管内注浆时，均向注浆空间插入2根注浆管，一高一低，对环状空间或冻结管进行注浆封堵，插管的下部用棉纱等封堵，形成孔口密闭注浆。

3.5.3.2 下部孔注浆

下部孔注浆工艺采用充填注浆。

3.5.3.3 引流注浆

如果措施巷或耳硐掘进中出现大量涌水，如无其他冻结孔泄水，需在井筒内实施泄压孔施工。其施工工艺如下：在巷道或耳硐内将冻结孔全部揭露，向冻结孔上方后下入108mm引流管1，将冻结管水流导入108mm引流管1，在措施巷内高于措施巷顶板3m位置进行引流孔施工，揭露冻结孔后下入引流注浆管2，进行水泥-水玻璃双液浆固管，从引流注浆管1进行双液浆注浆，至引流注浆管2返浆暂停。待强24小时。通过引流管2接通注浆管进行升压注浆，注浆终压6MPa。（详见图2）

图2 引流注浆图

3.6 环形措施巷及耳硐施工顺序及回填注浆

为避免一次性措施巷开挖进尺很大，对主井井筒周围岩体造成较大的破坏或扰动，将环形措施巷分成东、西两个部分掘进成巷，由环形措施巷联络巷向两边分别进行施工，在正北方向贯通。冻结孔的处理从正北方向开始，沿东西方向后退式处理。耳硐施工采用间隔处理的方式进行。耳硐开挖在东、西方向均采用跳挖方式进行，但在整个环形措施巷内，不允许同时揭露2个冻结孔。耳硐回填注浆采用硐口支单模封闭注浆。硐内采用袋装矿渣充填。硐口采用37红砖支模；拱顶及两帮顶角部位上掏150mm，预埋注浆返流管，下部预埋注浆管。注水灰比0.5:1水泥浆进行固结密实。

4 主井水害治理完成情况

4.1 环形措施巷及耳硐掘进

4.1.1 环形措施巷

环形措施巷起初按原设计方案进行施工，8月17日，揭露22号冻结孔，环形空间出水量在100m3/h，最大水量160m3/h，处理过程中环形措施巷交叉点处及环形措施巷东侧5m左右顶板出现较大淋水，水量在70m3/h左右。19:05，交叉点处垮落。

经研究决定，对交叉点三个方向进行封闭，在现环形措施巷与进风巷位置分别重新开口。第一个开口位置在现环形措施联络巷西侧10m，联络巷方位角0°。该联络巷从开口位置掘进12m后，方位角变为40°，垂直揭露环形措施，转弯后揭露距离约1.324m。第二个开口位置在进风联络巷位置，巷道中心距离井底人车场中线约10.867m，巷道方位角270°，掘进3.6m后，方位角变为320°，再掘进约4.092m后揭露东侧环形措施巷。

4.1.2 耳硐

8月17日原交叉点处顶板垮落后，为了保证巷道掘进安全，对耳硐施工进行设计变更：环形措施巷向前施工一段→开挖耳硐→处理冻结管→回填、注浆耳硐→再施工环形措施巷，如此循环。耳硐施工采用间隔处理的方式进行。耳硐开挖在东、西方向均采用跳挖方式进行，但在整个环形措施巷内，不允许同时揭露2个冻结孔。耳硐累计开挖个数为34个，有些一个耳硐揭露2个冻结孔，个别耳硐有重复开挖。

8月17日原交叉点处顶板垮落后，对环形措施巷支护方式进行设计变更：环形措施巷与耳硐掘进过程中支护形式全为顶部锚杆支护+钢梁棚支护，侧帮部采用锚网支护，并采用钢筋混凝土块、方木背实巷道顶与帮。为保证净断面符合支护要求，措施巷掘进断面变更为2.0（高）×2.0m（宽），控制断面不大于2.3m。

4.2 探水孔施工

在掘进环形措施巷联络巷时，每循环布置超前探放水孔4个，探6m掘3m；在环形措施巷施工过程中，超前探测每个循环布置4个钻孔，探测孔孔深均为5m，每个循环允许掘进距离为3m。耳硐探查孔施工过程中，为了更容易揭露冻结管，对原设计进行变更：在迎头工作面布设超前探放水孔个数不少于4个，4个探查孔距离底板1m，上扬角3°，1#、4#孔外偏8°，2#、3#孔外偏3°，孔与孔之间间距为0.42m，探水孔孔深3.5m。

4.3 冻结孔水害处理

冻结孔的处理分为有水和无水两种情况，无水情况下，直接完全揭露冻结孔、割管、回填、注浆；有水情况下，先将水引出来，回填、注浆，等凝固之后从旁边耳硐再开挖揭露、割管、回填、注浆。冻结孔揭露、割管、注浆都是按照原设计方案进行的。部分涌水冻结孔揭露及处理情况如表1所示。

表1 部分涌水冻结孔揭露及处理情况表

处理过程中共揭露出水孔8个，水量20～80 m3/h，总水量约为43万m3/h。

另外，在处理最后一个冻结孔时，由于东环形巷联络巷道的长期存在，使得东环形巷口松动圈范围较大，导致东环形巷口顶板及周围淋水较大，且注浆时浆液跑浆、漏浆严重。经研究决定，在距离现东环形巷口向北4.85m位置重新开口，掘进至12号孔引水管处，将引水管引出来之后回填、砌墙、注浆巷道，再从引水管处注浆，彻底封堵住冻结孔水，2014年1月4日，主井冻结孔水害治理工程全部完成。

4.4 巷道及耳硐回填注浆

每个耳硐都施工壁后注浆孔进行注浆，施工深1m的Φ42mm裸孔，预埋Φ25mm注浆管，待耳硐回填注浆完成后用1:1的水泥浆进行注浆，注浆压力不得大于3MPa。耳硐回填采用袋装矿渣充填，硐口采用50红砖支模，拱顶及两帮顶角部位上掏150mm，预埋注浆返流管，下部预埋注浆管。注水灰比0.5:1水泥浆进行固结密实。耳硐及环形措施巷回填密实，在顶部预埋Φ25mm注浆管，待下部注浆管注浆完成后用0.5:1～1:1的水泥浆进行注浆充填加固补强。待所有冻结管处理完成后再进行环形巷回填、注浆，回填距离为每隔10m回填一段。

5 水害治理效果评价

本次水害治理工程共揭露冻结孔32个（全部揭露），对31个冻结孔割管（其中一个冻结孔无管），32个全部进行注浆处理。

5.1 主井水量变化情况

7月21日，主井西装载硐室南帮及井筒处出水，最大水量156m3/h，主井出水后即进行水害治理工程。水害治理过程中至8月15日13点20分，在W6耳硐掘进时，迎头正前方出水，水量最大80m3/h，17点30分，主井出水点涌水量从218m3/h突降至3～4m3/h，此时耳硐涌水量达100m3/h，这之后主井7.21出水点处水量基本消失，2014年2月28日涌水量主井井筒涌水量11.9m3/h左右，说明该治水方案合理，治水效果明显。

5.2 WB6水文观测孔水位变化

WB6水文孔位于主井西北方向，距离主井472m，观测下含水层段水位，2013年7月21日出水后，WB6水文孔水位有明显的下降，累计降幅达65.5m。随着工程的进展，WB6水文孔水位慢慢回升，至2014年1月4日最后一个冻结孔注浆封堵完成，水位明显的上升，累计上升13.5m，说明很好地封堵住了下含水层段的出水通道。从主井涌水量变化情况、WB6水文孔水位变化情况都可以看出，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。