富水砂层段副斜井底板破裂危害及治理技术*

王小凤，赵迎春，钱自卫，谷云鹏

（1.兖矿集团兖煤鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州221116）

关键字：副斜井；底板破裂；出水携砂；底板强化；注浆

井筒被称为矿井的“咽喉”，井筒发生水砂突涌灾害将严重威胁整个矿井的安全，可能造成矿井停产、井筒报废、矿井被淹等恶性灾害[1-4]。据统计，近20年间，我国已有十余个已建成井筒发生了水砂突涌灾害。砂层具有流动性强、稳定性差的特点，一旦井壁破裂，动水将带砂发生出水携砂现象，当出砂点通畅，水压较高时，将产生喷砂，出水出砂口将被快速刷大，进而演化为恶性出水溃砂的事故。比如李粮店煤矿副立井井壁破裂出水喷砂，最大出水喷砂流量约350m3/h，致使副井井筒以及周边地表沉降、副井井筒及地面设施受损，京广高速铁路限速运行，目前该井筒仍未完全修复[4-5]。

本文以鄂尔多斯转龙湾煤矿副斜井为例，系统介绍了井筒底板破裂及出水携砂的情况，分析了其原因及危害，制定了科学合理的治理措施。

1 副斜井底板破裂情况

转龙湾煤矿副斜井副斜井井筒长度1513.7m，斜井段倾角为5.5°，净宽6000mm，净高4800mm。表土段（斜长0～408m）主要为松散富水砂岩，采用明槽法施工，明槽段（0～408m）开挖后将底部夯实，同时铺设0.1m厚片石砂浆，再铺设钢筋笼，钢筋笼中钢筋间距为0.1m，宽度8m，浇灌0.2m厚混凝土，井筒施工完成后，由底部开始向上铺设厚0.3m、宽6.0m混凝土作为地坪。

转龙湾煤矿副斜井2014年建成并交付使用，使用过程中发现，副斜井在松散层段底板出现了破裂及渗漏现象，并呈现恶化趋势。特别是2018年12月以来原有裂缝增大，底鼓裂隙段变形严重，涌水量增加，由8m3/h增加到10m3/h，并且开始伴有少量砂出现，特别是井筒通行重车后，出水的含水量明显增加。在底板设置8组观测点，截止2019年1月21日，共进行8次观测，底板变形量最大10mm，平均约为5mm。

表1 副斜井井壁破裂及出水情况统计

2 斜井底板破裂的危害

井筒在富水松散砂层段井壁破裂，裂隙出水携砂是一个极为危险的信号。井壁出水通道形成初期，出砂流动强度较弱，但随着时间推移，水砂流量快速增加，严重矿井报废等恶性灾害。特别是当出水涌砂层埋深较大时，壁后砂层所处的水压环境及地压较大，一旦井壁形成出水涌砂通道，水砂将呈现喷射状外涌。水砂外涌过程中，通道被逐渐刷大，水砂流量快速增大。同时随着水砂的涌出，壁后砂层逐渐被掏空，壁后土层发生沉降，井壁应力状态改变，可能造成井壁进一步破裂，进而持续增大出水涌砂强度。综上所述，井壁水砂突涌过程一般呈现出水涌砂流量及通道规格的“双增”过程[3]。

比如，2016年8月，兖矿集团金鸡滩煤矿副斜井在短时间多次通行超大吨位车辆过程中，斜井在底板发生破裂现象，底板承载能力减弱，底板下覆砂层发生液化现象，斜井发生严重出水涌砂灾害。最大出水量达到72m3/h，最大携砂量达到16%，地表形成9个塌陷坑，矿井随时有发生突水突砂进而淹井的风险，后及时采取有效的注浆抢险措施，避免了井筒报废、矿井被淹等潜在事故[2-3、6-10]。

综上对比，转龙湾煤矿副斜井的整体条件比金鸡滩副斜井要差，金鸡滩煤矿副斜井在出水涌砂灾害前，也曾长期出现与转龙湾副斜井类似的断续出水携砂的现象，重型车辆的多次通行，致使斜井发生灾变。根据金鸡滩副斜井出水涌砂灾害的教训，转龙湾副斜井有随时灾变的可能，必须立即开展治理工作，避免较大事故的发生。

3 底板破裂治理方案及效果

3.1 治理总体思路

转龙湾煤矿副斜井设计采用“底板强化加固+壁后砂层注浆加固”的总体治理方案，加固段长为斜井里程250～400m。底板强化以抵抗斜井高强度运行的压力及底板注浆时的注浆压力，向壁后砂层中注入浆液，浆液在砂层中劈裂扩散，最终起到减渗及提高壁后砂层自身稳定性的目的。

3.2 底板强化加固措施

破裂底板强化采用“工字钢梁+梁间填筑混凝土”加固方式治理。底板加固结构主要采用12#矿用工字钢为主体，两根12#矿用工字钢并焊为一体，单根长度6000m，作为地梁；工字钢两端部纵向焊接三根[20b型槽钢作为挡梁，槽钢挡梁与井壁采用锚杆固定。底梁架设间距500mm，地梁之间采用五根12#矿用工字钢制作的短接连接。工字钢梁架设完成后，在梁间填筑C40混凝土。

图1 副斜井底板强化加固设计断面图（单位：mm）

3.3 壁后砂层注浆加固措施

治理段注浆孔布设如图2所示，壁后注浆孔布置于斜井的帮部及底板，排状布置，排距2.5m，相邻排孔布孔5个、4个，注浆孔位展开图呈梅花桩式。底板注浆孔结构为“孔口管（Φ42×600/400）+裸孔”。注浆设计选用此类水泥浆液，辅助水泥-水玻璃双液浆。底板注浆设计终压0.5MPa，帮顶部注浆设计终压0.8MPa。

图2 壁后注浆孔布孔示意图

3.4 治理效果

底板强化加固主要以12#矿用工字钢为主体结构，共安装301架；壁后注浆孔排状布置，主注水泥浆液，注浆过程严格控制压力，同时进行底板严格监测，共消耗水泥1018t，水玻璃74.7t。副斜井治理完成后副斜井400m以上段已无任何出水现象，目前已安全通行了两个工作面的整套采煤装备，特别是2019年9月份，在副斜井治理完成后3个月时间，矿方从副斜井直接通行重达100t左右履带式采掘车，未出现返渗、底板破裂的现象。

4 结论

转龙湾煤矿副斜井在建成后仅5年左右时间，砂层段底板即出现严重破裂及出水现象，涌水量约为10m3/h，且呈现增大趋势，并伴有少量零星携砂现象，具有随时灾变并演化为恶性出水涌砂灾害的风险。副斜井采用“底板强化加固+壁后砂层注浆加固”的总体治理方案，治理完成后副斜井治理段无任何出水现象，目前已安全通行了两个工作面的整套采煤装备，实践表明治理效果较好。转龙湾煤矿副斜井治理经验可为类似斜井的治理提供参考。