冻结井筒马头门环形空间水压力研究

刘玉平 路 忠

(达旗煤炭局安监站，内蒙古 鄂尔多斯 014316)



冻结井筒马头门环形空间水压力研究

刘玉平 路 忠

(达旗煤炭局安监站，内蒙古 鄂尔多斯 014316)

以红庆梁马头门穿越冻结壁工程为例，预测计算了冻结管环状空间涌水量，分析了马头门支护结构允许承受的水压力，并通过现场实测和模拟，研究了冻结井筒马头门环形空间水压力，确保了马头门强度满足水压要求。

马头门，冻结管，环形空间，水压力

红庆梁井田位于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗境内，行政区划隶属昭君镇管辖。矿井设计生产能力：6.0 Mt/年。红庆梁矿井副井马头门为全岩巷掘进，掘进长度25.1 m，井筒崛起过程中采用特殊凿井——人工冻结方式穿过地层含水层。冻结工程完成后，随着冻结壁的自然解冻，冻结孔与岩层环形空间及岩层原生次生孔隙裂隙形成二次导水通道，地层长期浸水弱化，致使马头门永久支护所受外荷载不对称，造成永久结构受损。故揭露冻结管后，需采用专门的工艺对冻结管进行处理，彻底封堵导水通道。国内目前没有相关研究成果[1-7]。

1 冻结管环状空间涌水量预计

在风井、副井井筒外围布设用于装置冻结管的φ140 mm主孔34个、40个。冻结工程完成后解冻，每个冻结孔与冻结管之间都可能形成如图1所示的“环状空间”，与冲积层冻结不同的是，冲积层解冻后，松软地层会充满环形空隙，而在西部软弱富水岩层中，该空隙无法在冻结壁解冻后自然充实，从而形成导水通道，将马头门以上的三个含水层连成一体。如同在马头门上方存在若干组导水管道，使冻结管所在地层井筒周围的渗流速度大大增加，增大了马头门顶板的水压力，将会出现严重的漏水现象。

通过对副井地层的分析，采用井筒穿越含水层的均值作为含水层厚度，距离马头门最近的含水层为侏罗系中统延安组(J2y)碎屑岩类承压水含水层。其中3-1煤层底板至4-2煤层顶板砂岩裂隙含水层厚度为53.62 m。渗透系数采用相应范围内含水层段抽水试验段厚度加权平均值，取0.005 548 m/d。水位疏干降深为相应含水层段的水柱高度，其值为相应范围内各水文孔对应含水层段水柱高度的平均值，取348.26 m。采用“大井法”承压转无压公式计算预测揭露单个冻结管环状空间上下导水通道时最大涌水量，如式(1)所示：

(1)

其中，Q为涌水量，m3/d；K为渗透系数，取0.005 548 m/d；H为承压水头高度，取348.26 m；M为承压水含水层厚度，取53.62 m；h0为剩余水柱厚度,m，h=H-Sw；R为影响半径，取427.48 m；Sw为降深，取348.26 m；r0为引用半径，r0=0.19 m；R0为引用影响半径，R0=r0+R=427.67 m。

为最大限度地预计单个冻结管环状空间上下导水通道涌水量，做好掘进过程中预防突然涌水工作，处理突然涌水能力应有一定的安全储备。假设环状空间中的剩余水柱高度为0 m，以钻孔半径0.19 m作为“大井法”承压转无压计算公式的引用半径，计算出单个冻结管环状空间导水通道涌水量约是76.21 m3/d。

马头门投影范围内包括冻结管14根，如不进行封堵导水通道的特殊工艺处理，则涌水量Q总将达到1 066.94 m3/d。可见，如不及时进行封堵导水通道施工，则会导致岩体裂隙张开度变化，使得渗流通道改变，流速和渗流水的压力变化，变形和渗流产生复杂耦合作用，最终导致马头门的破坏。

2 马头门支护结构允许承受水压力计算

对于马头门，当hr0<0.05时，喷射混凝土支护允许承受的内水压力可按式(2)计算,式中符号含义见建井手册:

(2)

风井、副井混凝土强度等级分别为C80,C40。风井两次衬砌混凝土总厚度为150 mm+900 mm=1 050 mm。支护后的隧洞半径按照与井筒连接处3 500 mm，与平巷连接处1 750 mm计算。副井混凝土总厚度为1 150 mm。风、副井覆盖岩层厚度分别为454.55 m,425.5 m。

计算可得风井马头门永久支护可承受3 MPa水压。副井马头门可承受3.55 MPa。

由于井筒与马头门连接处的施工会导致该处围岩应力的集中和变形增大,并对井筒的混凝土井壁造成影响,因此为了掌握这些部位围岩压力变化情况，在风井南马头门共设置监测面3个，各监测面均布置于编号分别为A,B,C的三个位置。副井的东、西马头门共布置6个监测层位。东马头门包括5个测点(A，B，C，E，F)，西马头门包括3个测点。

断面布置图如图2所示。

每断面分别在拱顶，肩窝，竖墙中点设置测点。各测试仪器数据线均从所在侧马头门与平巷连接处出线后，用网线连接至数据采集仪。拱顶测点数据线均从测点B侧出线。图3，图4为风井、副井马头门各剖面实测水压力与时间的变化关系。

由副井、风井的水压力监测可见，监测初始时间内的水压力较大，最大值可达到1.65 MPa，此时混凝土刚刚浇筑完毕，强度仅达到养护28 d的40%左右，所以按照此时刻的抗拉强度为0.956 MPa，可推出此时混凝土的允许承受水压力为1.06 MPa。故混凝土浇筑初期副井马头门中部的直墙处混凝土存在被水压裂的可能，混凝土应变大于其他部位，可知该处混凝土结构已经被损伤。

大部分的水压力随着时间增长持续下降，最终压力为0 MPa。可见冻结管环形空间注浆效果较好，将水完全的封堵。然而副井靠近井筒的3剖面拱顶位置与5剖面的拱肩位置在280 d后水压力呈上升趋势，表明井筒位置在此处仍然存在导水通道，井壁与马头门的接茬处将会出现一定的渗水情况，为了保证马头门的稳定性，需要对出水点进行注浆封水治理。

3 结语

利用孔隙水压力实际监测Pmax=1 MPa≪混凝土支护结构允许值，其永久支护混凝土是安全可靠的。监测数据也表明，本工程的结构强度可以满足马头门穿越冻结壁冻结管环形空间导水通道对马头门永久结构的要求。且工程到目前已安全运行3年，副井、风井马头门永久支护结构未出现裂缝及破损，无可见出水点。验证了工程监测和数值模拟成果是合理可信的。针对马头门穿越冻结壁的冻结井筒马头门环形空间水压力是科学合理且具有参考借鉴价值的。

[1] 张基伟.西部含水软岩冻结井筒马头门破坏机理及修复加固设计[J].煤炭技术,2017(1)：32-34.

[2] 中国矿业学院.特殊凿井[M].北京：煤炭工业出版社,1993.

[3] 高建平,武 涛,张海亮.富水软岩大断面马头门开裂处理研究[J].煤炭科技,2010(9)：8-10.

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[6] 蔡海兵,程 桦,荣传新,等.复杂条件下深井马头门围岩稳定性分析及支护结构优化[J].采矿与安全工程学报，2015(3)：22-23.

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[8] 姚直书,程 桦,高业禄,等.复杂地质条件下深井马头门支护结构及应用[J].煤炭科学技术，2009(1)：27-28.

Study on water pressure of circular space in horsehead with freezing shaft

Liu Yuping Lu Zhong

(DaqiCoalBureauSecuritySupervisionStation,Erdos014316,China)

Taking Hongqingliang horsehead ingate crossing freezing wall engineering as an example, the paper predicts and calculates the annular space water inflow of freezing pipe, analyzes permitted bearing water pressure of horsehead ingate support structure, studies annular space water pressure of the freezing horsehead ingate through in-situ measurement and simulation, so as to guarantee the horsehead ingate strength meeting water pressure demands.

horsehead ingate, freezing pipe, annular space, water pressure

1009-6825(2017)11-0078-02

2017-02-06

刘玉平(1970- )，男，工程师； 路 忠(1972- )，男，工程师

TU432

A