环形巷道在生产矿井冻结孔水害治理中的应用

2023-09-18张旺余韩定锋余智秘张宝锋

陕西煤炭 2023年5期

张旺余,韩定锋,余智秘,张宝锋,郭震

(1.陕西彬长矿业集团有限公司,陕西咸阳 713200;2.陕西彬长胡家河矿业有限公司,陕西咸阳 713602)

0 引言

冻结工程完成后井筒会自然解冻,贯穿全井深的每个冻结孔与冻结管之间都可能形成环状空间,即导水通道,将从地面到井底所有的含水层连成一体[1-4]。环状导水通道使原来的隔水层失去隔水作用,任何一个导水通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,上面含水层的地下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,造成井筒下部混凝土构筑物无法承受高水压而破裂损毁,导致井筒突发性涌水,由于上部地层静储量的参与,初期涌水量往往较大。采用冻结法施工的井筒冻结圈解冻以后,容易发生冻结孔涌水水害[5]。该种水害的特殊性是通道垂深大、水流速度高、冲刷力大、涌水中夹杂大量泥沙等岩石碎屑物,极易把井筒壁后掏空,危及井筒整体稳定性,造成井筒不均匀下沉及开裂,甚至发生突水事故,对矿井安全生产造成极大的水害威胁[6-8]。

胡家河煤矿冻结管穿过巨厚(厚度可达329 m)洛河组含水层,含水层富水性中等、水头压力高,冻结管导水环形空间导水能力随时间变化较大,一旦副立井冻结管水害影响显现,将影响矿井的正常生产。基于胡家河煤矿巷道布设、使用情况及施工需求,在副立井合理位置、合理层位开挖环形措施巷,由措施巷向井筒方向开挖耳硐逐根揭露并截断冻结管,通过回填混凝土的方式彻底阻断副立井井筒冻结管环形空间导水通道,阻挡洛河组含水层水源通过该通道流向井下工作空间,以根治胡家河煤矿副立井冻结管水害,彻底解除副立井冻结管水害对矿井正常生产的潜在威胁。

1 工程概况

胡家河煤矿副立井井筒净直径8.5 m,总深度568.3 m,全井筒冻结施工,井口设计标高+868.3 m。井壁结构设计为内、外双层钢筋混凝土井壁:外层厚度0.4 m,为单层钢筋混凝土;内层厚度0.7 m,为双层钢筋混凝土。井筒施工期间,在井筒外围布设44个用于装置冷冻管的φ190 mm钻孔,孔深比副立井深度略大,内置φ133 mm冷冻管实现冷冻施工,井筒周边还施工3个测温井,共47个钻孔。副立井施工结束后,井筒逐渐出现涌水量增大及混凝土变形等异常现象。由于副立井冻结孔环形导水通道导水能力受多种因素影响,随时间变化较大,对副立井正常使用有着严重影响,加之冻结孔环形空间充水水源、导水通道的存在,如不彻底治理该冻结孔水害,副立井井筒将始终存在发生井筒失稳的潜在威胁。为了彻底封堵洛河组与下部地层之间冻结管环状空间,修补有效隔水层,恢复原地层隔水特性,切断洛河组含水层与下部地层的水力联系,矿井通过环形措施巷系统工程对副立井冻结孔水害进行彻底治理。

2 冻结孔水害形成机理

天然条件下安定组泥岩和侏罗系地层作为阻隔洛河组含水层水进入井下采掘工程的主要隔水层,其自身富水性极弱且隔水性良好,洛河组含水层水不会进入井筒下段造成马门头变形、淋水。冻结工程完成6个月后自然解冻,贯穿全井深的每个冻结孔与冻结管之间可能形成环状空间。这些环状空间便成了水力联系导水通道,将立井从地面到井底所有含水层连成一体,使原来的安定组、侏罗系隔水层失去隔水作用。由于环状空间形成的联通导水通道将立井的所有含水层连成一体,就如同在立井井壁外围有一圈导水管道,将所有的含水层连成一体,任何一个导水管道与巷道沟通都有可能出现较大的涌水。初期冻结孔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。随着时间推移洛河组含水层通过冻结孔环状空间逐渐下渗,环状空间导水通道在多种因素的影响下逐渐畅通,导致冻结孔井筒下部涌水出现反复,对井筒安全生产带来隐患。洛河组含水层水头+812～+854 m,环状空间的导水作用使得井底马门头顶板承受较高的静水压力。同时,洛河组含水层水通过钻孔缓慢渗透补给延安组地层,由于侏罗系泥岩遇水软化,在一定程度上降低了砂泥岩的力学强度,导致井筒底部构筑物出现变形。

3 环形措施巷治理工程

胡家河煤矿副立井冻结孔水害治理的关键在于堵截冻结孔环状空间,封闭导水通道。要封堵导水通道,就要在富水含水层以下的位置揭露冻结管,截断冻结管后对冻结管套筒与冻结管之间形成的环状空间进行注浆充填[9-12]。沿副立井冻结管外围开挖一条环形措施巷道,再通过开挖耳硐的形式逐个揭露冻结管及环状空间。在采取一定安全措施及应急预案的基础上,固定冻结管并逐根割断,然后用混凝土对耳硐及环状空间进行浇筑充填,在原冻结管位置形成一个环状混凝土隔水体,从而达到阻断上、下地层的导水通道,有效阻断洛河组含水层地下水流向井下工作空间的目的。

3.1 环形措施巷层位选择及施工

胡家河煤矿副立井环形措施巷位于洛河组含水层以下,层位选择时须避开二号壁座应力扩散范围,在阻隔冻结管下泄通道的同时对井筒影响最小;环形措施巷应位于岩性较坚硬的岩层中,且上下发育有稳定、隔水层性能良好的地层,施工条件好,同时有利于混凝土浇筑;井下巷道施工、运输、排水等便利条件,有利于环状空间涌水时的临时排水。结合井下巷道施工条件,选择的开挖层位是自主立井检修硐室处开挖,向上斜至副立井环形措施巷位置,环形措施巷的底板高程选择在二号壁座以上5 m的位置,地层为粗砂岩层,底板相对标高-503 m,如图1所示。

图1 副立井井筒环形措施巷及辅助巷剖面示意

结合相似条件井筒水害治理经验及数值模拟计算分析表明,在井筒中心线至环形措施巷内侧帮距离L=10.75 m时,2 m×2 m的环形截水巷道和2 m×2 m的耳硐在开挖支护后,其自身的稳定性满足要求且对井筒井壁的稳定性影响最小。井筒中心线距离环形措施巷内侧帮距离L=10.75 m是水平方向上环形截水巷道的最佳位置。主要施工工序为掘进辅助巷→掘进环形措施巷→开挖耳硐→处理冻结管→回填耳硐……开挖耳硐→处理冻结管→回填耳硐→回填环形措施巷→回填辅助巷。

3.2 冻结孔探查

冻结孔由于施工深度较大,孔斜造成的位置偏移也可能较大,冻结孔揭露方案以超前探水孔的揭露为主,即在巷道掘进过程中,执行先钻探、后揭露的方法。每个耳硐均需开展冻结管位置探查,在每个耳硐迎头工作面均布设超前探水孔个数不少于4个,孔径φ32 mm,孔深3.5 m,孔间距0.5 m。若不能探查出冻结管位置,则在原探查密度基础上均等加密探查。对无水的冻结孔,可直接揭露处理;对涌水量小于30 m3/h且无水压的冻结孔,通过耳硐直接揭露冻结孔。如果测算后冻结孔内涌水量太大,无法直接揭露,可进行引流注浆后再通过耳硐揭露冻结管。

3.3 冻结孔注浆

由于在冻结孔处理过程中,需要预留一个出水量大的冻结孔作为泄压孔,泄压的冻结孔需要在最后做单独处理,因此冻结孔的注浆分2种情况进行。

3.3.1 常规注浆

对于可以直接揭露、割管的冻结孔,耳硐封闭前应提前进行注浆。因此注浆分2步进行,首先对冻结管外部的环状空间进行注浆,然后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,插管下部用棉纱等封堵,形成孔口密闭注浆。

3.3.2 引流注浆

如果措施巷或耳硐掘进中出现大量涌水,可进行巷道内短距引流注浆后进行升压注浆处理,如图2所示。向冻结孔上方施工短距引流孔,孔径φ130 mm,引流孔导出水流后下入108 mm引流管;在φ108 mm引流管上方插入φ25 mm引流注浆管1,通过引流注浆孔1进行双液浆注浆固管,引流注浆至φ108 mm引流管出浆,关闭引流注浆管1;巷道前方施工400 mm厚挡浆墙,下部用矿渣、上部采用袋装水泥挡浆,通过引流注浆管2进行水泥-水玻璃双液浆注浆,至φ108 mm引流管出浆,关闭引流注浆管2,候凝24 h;通过φ108 mm引流管孔口法兰安装截止阀,接通注浆管进行升压注浆,待注浆结束后24 h,可按原设计恢复巷道掘进。

图2 引流注浆方法示意

3.4 耳硐及措施巷回填

由于环形措施巷及耳硐距离副立井井壁较近,围岩受开凿副立井施工时的破坏及扰动较大,对于裂隙较发育的部位需要进行壁后注浆处理。耳硐施工完成后从耳硐向井筒井壁施工钻孔,孔径φ42 mm,相邻孔间距1 m,呈双层三花眼布置,预埋φ25 mm注浆管,用1∶1的纯水泥浆和体积比1∶0.5的水泥浆、水泥-水玻璃双液浆进行注浆,注浆压力不得大于3 MPa。耳硐回填注浆采用耳硐口支单模封闭,硐内采用水泥浆液充填。硐口采用37红砖支模,拱顶及两帮顶角部位掏槽深度150 mm,预埋注浆返流管,下部预埋注浆管,注水灰比1∶1的纯水泥浆固结密实。耳硐及环形措施巷回填注浆必须回填密实,不得“空帮”“空顶”,在易于形成空帮、空顶的部位预埋φ25 mm注浆管,待下部注浆管注浆完成后,用1∶1的纯水泥浆进行注浆充填加固。

4 治理效果评价

胡家河煤矿副立井冻结孔水害治理工程施工辅助巷、环形措施巷等总长度为295.78 m,揭露并注浆封堵冻结管及测温管共46个(其中C1管并未施工至该层位),如图3所示。通过环形措施巷系统工程查明了副井马头门涌水水源为覆岩洛河组含水层水,导水通道为冻结孔及冻结管,揭露情况表明其导水通道具体为E17、E4、E5、C3管内及环状空间,自C3测温管割管引流后,副井马头门淋水情况完全消失,至今未出现淋水现象,达到了工程预期目的。