转龙湾煤矿副斜井底板破裂及出水携砂治理技术

赵迎春 ，钱自卫 ，徐建国 ，高树磊 ，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；3.徐州中矿地科岩土工程技术有限公司，江苏 徐州 221000)

井筒是矿井的咽喉，是矿井人、料运输及通风的主要通道，井筒的安全运行是矿井安全的基础。由于井筒井壁不合理的造孔[1-4]、井筒超载荷通行[5-9]、冲积层水位下降引起地层压缩[10-15]及井壁结构设计不科学合理[5，6]等原因，造成井壁结构破坏，进而引起井壁出水、溃砂，可能造成矿井减产、停产、矿井被淹、井筒报废等事故[6]。

井筒在壁后砂层段破裂、裂隙出水携砂是极为危险的信号。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。目前针对煤矿斜井出水携砂灾害主要存在治理不及时、不科学的问题：一是，认识不到其可能演化为恶性灾害而不重视，而一旦发生灾变，控制将极为困难；二是，治理过程中方案不合理，治理时往往出现加剧底板破裂的现象，治理效果无法保证。比如榆林金鸡滩煤矿副斜井在出水携砂现象持续2年多后，在2016年8月约1周时间内快速灾变为底板严重出水涌砂灾害，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，当时已预设在副斜井中施工长度12m的防淹井墙的方案(淹井保矿)[5-9]。由于转龙湾煤矿副斜井存在底板破裂及出水携砂的现象与金鸡滩煤矿副斜井在出水涌砂灾害前所呈现的现象基本一致，借鉴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，必须尽早启动治理工作，避免较大事故的发生。

1 副斜井概况

转龙湾煤矿副斜井于2014年建成并交付使用。井口底板标高+1301.00m，井筒长度1513.7m，斜井段倾角为5.5°，净宽6000mm，净高4800mm，表土段(0～408m)采用明槽法施工，基岩段采用钻爆法施工。

副斜井明槽开挖段帮顶采用C30钢筋混凝土支护，厚500mm；副斜井眀槽开挖后将底部夯实，铺设100mm厚片石砂浆，再铺设钢筋笼，钢筋笼中钢筋间距为0.1m，宽度7m，浇灌200mm厚混凝土，井筒施工完成后，由底部开始向上铺设厚300mm混凝土作为地坪。副斜井(里程0～408m)明槽段井壁结构如图1所示。

图1 副斜井(里程0～408m)明槽段井壁结构(mm)

根据副斜井施工实际揭露情况，施工362m处底板开始揭露第四系底界面风化状粉砂岩，395m处顶板至第四系底界面位置，向前施工完全进入稳定的延安组粉砂岩。副斜井附近有水井1口，位于副斜井246m处，2019年1月静止水位标高为1277.4m，水位相对稳定，以水位推算，斜井400m处底板的水头高度约为15m，副斜井250m向下处于地下水位以下。

2 井筒破裂及出水携砂情况

根据井下实际观察，副斜井破裂主要集中于底板里程290～400m段。里程290～330m段底板发育裂缝一条，张开度小于2mm，仅有渗水现象；里程330～350m段底板发育裂缝一条，张开度小于1～4mm，有明显出水现象；里程350～400m段底板发育多条交错裂缝，有底鼓现象，裂缝出水量较大，且段内水沟槽上覆混凝土地坪与下覆支护结构有明显离层，离层出水量较大。

副斜井(里程400m位置测点)出水量实测曲线如图2所示，由图2可知，治理前副斜井涌水量约为10m3/h，且呈现增大趋势，并伴有零星携砂现象，在高强度通行期间砂量明显增大。出水点主要集中于斜井底板破裂及水沟槽位置。

图2 副斜井(里程400m位置测点)出水量实测曲线

3 副斜井治理方案及实施情况

3.1 治理思路

根据相关类似工程的治理经验，转龙湾煤矿副斜井宜采用“底板强化加固+壁后砂层注浆加固”的总体治理方案。

底板强化加固的目的是提高底板强度，以抵抗斜井高强度运行的压力及底板注浆时的注浆压力。底板强化加固的常用措施为“架设工字钢地梁+梁间混凝土充填”，通过工字钢强大的抗挠、抗弯能力，起到抵抗注浆压力及运行载荷的作用。金鸡滩煤矿采用与斜井内断面一致的U型钢棚和12#矿用工字钢地梁进行加固。

在底板强化加固后，则可考虑开展注浆工作，注浆的主要目的是加固、减渗，通过破壁造孔，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。金鸡滩煤矿在里程70～450m段壁后砂(土)层段采用注浆的方式进行加固，注浆孔排间距2.5m左右，每排造孔5～9个，单孔均采用二次套孔复注工艺[6-8]。

3.2 治理段选择

副斜井底板破裂及出水段为里程290～400m段，该段需进行治理。根据副斜井246m处水井水位推测斜井底板里程250m以下段均处于水位以下。由于斜井底板支护强度有限，后期通行过程中同样有破裂及出水携砂的可能，因此副斜井治理的区段选择为里程250～400m段。

3.3 底板强化加固

3.3.1 强化加固结构设计

副斜井治理段底板强化加固采用“架设工字钢地梁+梁间混凝土充填”的措施。底板加固结构如图3所示，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6000mm，作为地梁；工字钢两端部垂直焊接[20b型槽钢作为支腿，槽钢长度1.2m，槽钢支腿与井壁采用3根与井壁垂直的锚杆固定。间隔工字钢地梁之间采用5根12#矿用工字钢焊接连接(两端部的两根在地梁上)。在浇筑前，工字钢方格状间隔块内，纵向焊接一根、横向焊接两根25#螺纹钢进行加筋强化。底板加固结构架设的间距为500mm，梁间充填混凝土的强度等级为C40。

图3 副斜井底板强化加固结构(mm)

3.3.2 加固结构强度计算

根据材料力学正应力计算公式：

式中，σmax为工字钢许用应力，MPa；W为工字钢抗弯截面系数，cm3；Mmax为工字钢最大弯矩，Mmax=0.125ql2，N·m；l为工字钢长度，m；q为垂直均布作用在工字钢上的压力，N/m。

12#矿用工字钢的σmax=510MPa，W=144.5cm3，底板工字钢地梁长度l按6.0m计算，带入式(1)，可计算获得：

12#矿用工字钢两根并焊，间距d=0.5m，工字钢可承受的底板反向均布应力p为：

p=2q/d=65508N/m2=0.066MPa

通过上述计算，在不考虑梁间填筑混凝土的情况下，底板强化加固结构至少额外可为底板提高0.066MPa的抵抗能力。比如100t设备在副斜井通行，跨度10m，则其对底板的压应力为0.016MPa，对比可见底板强化加固结构具有较强的加固能力。

3.4 井壁注浆

3.4.1 注浆孔布置

治理段注浆孔布置于斜井的帮部及底板，排状布置，排距2.5m，相邻排孔分别布孔5个和4个，注浆孔位呈梅花桩式。

3.4.2 注浆工艺

整体上先注底板孔，再注帮部孔。底板孔采用上行式注浆，逐排进行，仅注一个轮次。帮部孔采用上行式注浆，分两个轮次，初注、复注各一次，注浆时先注高位孔，再逐渐向下注低位孔。

底板孔采用单次注浆，工艺流程：钻孔至0.6m(不破壁)→ 安装孔口管、孔口高压阀门→套孔延伸破底→注浆。

帮部孔采用二次复注工艺，工艺流程：钻孔至孔口管深度(不破壁)→ 安装孔口管、孔口高压阀门→套孔延伸破壁→注浆→套孔延伸至进入砂层2.5m深度→二次注浆。

3.4.3 注浆材料

壁后砂层可注性一般较好，普通纯水泥浆液能够大量注入。对于斜井底板破裂部位，先尝试采用普通水泥浆液，如注浆量偏少、注浆压力响应明显，则换注溶胶树脂化学浆液。

3.4.4 注浆压力控制

从注浆扩散充填效果角度，提高注浆压力有利于浆液的扩散，但高压注浆可能造成井壁破裂，因此，壁后注浆压力控制要充分考虑井壁的受力程度。根据壁后砂层性质、静水压力、井壁结构及成井质量，结合类似工程注浆经验，确定转龙湾副斜井帮部注浆终压设计为0.8MPa，瞬间冲击压力不大于1.2MPa，以作为帮顶部位注浆的结束标准。

3.4.5 注浆过程底板监测

底板为平板状结构，承压能力较弱，为保证底板安全，在注浆过程中对地梁变形、位移进行监测。在治理段上下各设置一个矿用防爆型指向激光器，激光分立底板的左右两侧，激光器与底板固定，激光指向光线距离底板500mm左右。通过监测激光线与底板的距离来判断底板变形程度。注浆过程中安排专人实时进行地梁变形监测，一旦发现地梁变形，则加大测量的频率，当地梁变形量达到30mm时，则及时结束该位置底板注浆工作。

3.5 整体治理效果

副斜井治理自2019年2月至6月间进行，共架设地梁强化结构301架，实际施工注浆孔61排，共275孔，注水泥1018t，水玻璃74.7t，化学浆液75t。治理完成后副斜井400m以上段无任何出水现象。至2019年8月，已安全通行了两个工作面的采煤装备，未出现返渗、底板破裂的现象，实践表明治理效果较好。

4 结 论

1)转龙湾煤矿副斜井在建成后仅5a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，通过与金鸡滩副斜井基本条件对比来看，转龙湾煤矿副斜井随时有出水涌砂风险，及时开展治理很有必要。

2)转龙湾煤矿副斜井采用“底板强化加固+壁后砂层注浆加固”的总体治理方案，治理总段长为斜井里程250～400m。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；壁后注浆孔呈排状布置，主注水泥浆液，注浆过程严格控制压力，同时进行底板监测，共消耗水泥1018t，水玻璃74.7t，化学浆液75t。

3)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，未出现返渗、底板破裂的现象，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借鉴。