大斷面立井井筒綜合治水技術(shù)研究

周志利

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083;2.山西潞安集團(tuán)公司,山西省長(zhǎng)治市,046204)

大斷面立井井筒綜合治水技術(shù)研究

周志利1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083;2.山西潞安集團(tuán)公司,山西省長(zhǎng)治市,046204)

針對(duì)多富水層和多流砂層的復(fù)雜水文地質(zhì)條件,提出大斷面立井綜合防治水技術(shù):表土層和風(fēng)化基巖段采用凍結(jié)法施工,富水層段采用復(fù)合井壁和工作面預(yù)注漿技術(shù),最后對(duì)井筒集中出水區(qū)域壁后、壁間注漿和全井筒分區(qū)域整體注漿。實(shí)踐表明,取得了較好的封水效果。

大斷面立井 復(fù)雜水文地質(zhì) 井筒施工 凍結(jié)法 復(fù)合井壁 工作面預(yù)注漿

隨著煤礦建井技術(shù)的不斷發(fā)展成熟,大斷面立井井筒的施工越來越多,煤礦立井井筒防治水理論日趨豐富,針對(duì)不同水文地質(zhì)條件,提出多種立井井筒防治水技術(shù),預(yù)注漿、壁后注漿和綜合防治水技術(shù)等均獲得良好的工程試驗(yàn)效果。但針對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)條件下大斷面立井井筒治水技術(shù)方面的研究則相對(duì)較少。

潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司南風(fēng)井兩井筒直徑均為7.5 m,進(jìn)風(fēng)井埋深577 m,回風(fēng)井埋深561 m,共分布9個(gè)含水層,7個(gè)流砂層,其中有3個(gè)富水層,累計(jì)涌水量約為240 m3/h,大斷面多富水層、多流砂層的復(fù)雜水文地質(zhì)條件已嚴(yán)重制約了立井井筒的施工進(jìn)度。

為加快立井井筒施工進(jìn)度,在表土段和風(fēng)化基巖段采用凍結(jié)法施工,富水層段采用復(fù)合井壁和工作面預(yù)注漿技術(shù)治水,最后對(duì)集中出水區(qū)域壁后壁間注漿和全井筒分區(qū)域注漿,取得了較好的封水效果,保證了井筒建設(shè)安全順利地進(jìn)行。

1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司為高瓦斯礦井,為保證礦井的安全生產(chǎn),在井田南部建設(shè)一對(duì)風(fēng)井以解決通風(fēng)及瓦斯抽采問題,兩井筒作為余吾煤業(yè)井田南部三個(gè)采區(qū)的進(jìn)、回風(fēng)井筒之用,兼做安全出口,進(jìn)風(fēng)井后續(xù)安裝提升系統(tǒng),下井部分材料和人員。

1.2 水文地質(zhì)條件

余吾煤業(yè)南風(fēng)井選址于屯留縣城西高店村附近,兩井筒鎖口設(shè)計(jì)標(biāo)高+960 m,高于當(dāng)?shù)貧v年最高洪水位12 m,井筒施工場(chǎng)地以北1.5 km處有一條季節(jié)性河流,河水流量較小,不足以影響到井筒施工,區(qū)域內(nèi)無大的導(dǎo)水裂隙帶,因此地表水不會(huì)成為建井期間的來水通道。井筒表土層厚74.5 m,風(fēng)化基巖段厚47.2 m。

井筒開工前,對(duì)該施工區(qū)域進(jìn)行了三維地震和瞬變電磁勘探,另外還專門施工了井筒檢查孔,根據(jù)三維地震勘探顯示,井下無明顯地質(zhì)構(gòu)造和異常區(qū)域,瞬變電磁結(jié)果顯示井下無老窯及重大富水區(qū),井筒檢查孔實(shí)際揭露巖性表明,共分布9個(gè)含水層,7個(gè)流砂層,其中富水區(qū)3層,富水層位置分別為 192.6～222.6 m、269.5～307.5 m和355 m,流砂層均位于表土層段,累計(jì)厚度約為11.3 m。

2 綜合治水技術(shù)

2.1 凍結(jié)法施工

根據(jù)以上水文地質(zhì)資料,確定在表土層段和風(fēng)化基巖段采用凍結(jié)法施工,并深入基巖段10 m,具體包括1～8號(hào)含水層及7層流砂層,為了形成封閉的凍結(jié)圈,首先在井筒周圍鉆一定數(shù)量的凍結(jié)孔,以便在孔內(nèi)安裝凍結(jié)管和供液管。凍結(jié)管采用單圈插花差異凍結(jié)法。凍結(jié)管分長(zhǎng)短兩種,間隔布置,以南進(jìn)風(fēng)立井為例,凍結(jié)深孔193 m,淺孔112 m。凍結(jié)孔等距離布置在井筒同心的圓周上,井筒直徑7.5 m,凍結(jié)圈徑設(shè)計(jì)為(深孔/淺孔)13.6 m/13.0 m,深孔間距2.127 m,淺孔間距2.034 m,深淺孔之間 1.086m,凍結(jié)圈厚度2.5 m,鉆孔偏斜率不超過0.25%。

井筒凍結(jié)交圈時(shí)間為39 d,鹽水循環(huán)積極凍結(jié)溫度為-28℃,維護(hù)凍結(jié)溫度19～21℃,整個(gè)凍結(jié)工程歷時(shí)約5個(gè)月,工程質(zhì)量?jī)?yōu)良,凍結(jié)段施工完畢,完全解凍后最終井筒漏水量0.48 m3/h,效果非常理想。

2.2 復(fù)合井壁技術(shù)

為保證井筒防水效果,在井筒富水層采用復(fù)合井壁支護(hù),即先施工完成外壁后,從下至上再施工一層內(nèi)壁,復(fù)合井壁支護(hù)主要優(yōu)點(diǎn)為內(nèi)壁無接茬,井壁抗?jié)B性好。凍結(jié)段雙層井壁之間鋪設(shè)雙層防水板(1.5mm厚的聚乙烯塑料板),基巖段雙層井壁之間鋪設(shè)單層防水板。到進(jìn)風(fēng)井筒施工完畢,主要漏水點(diǎn)集中在基巖段單層井壁與凍結(jié)段雙層井壁接茬處或與基巖段雙層井壁接茬處,基巖單層井壁個(gè)別出水點(diǎn)充分說明復(fù)合雙層井壁良好的隔水效果。其它各段井壁支護(hù)具體參數(shù)見表1。

表1 井壁支護(hù)參數(shù)

2.3 工作面預(yù)注漿

井筒通過3個(gè)富水層時(shí),先行打超前探孔進(jìn)行導(dǎo)水探測(cè),然后根據(jù)涌水量情況進(jìn)行了3次工作面預(yù)注漿堵水,工作面預(yù)注漿采用預(yù)埋注漿管,管口安設(shè)閥門,注漿管埋設(shè)角度超出井筒掘進(jìn)輪廓線5 m以上,現(xiàn)澆混凝土止?jié){帽,凝固3 d后方可注漿施工,注漿終止壓力6.5 MPa,另外預(yù)注漿前必須先垂直井壁打設(shè)壁后注漿孔進(jìn)行注漿封堵,防止工作面注漿時(shí)漿液上返破壞井壁。工作面預(yù)注漿后,含水層單層涌水量均在0.5 m3/h以下,符合規(guī)范要求,保證了井筒的安全順利施工。工作面預(yù)注漿位置和注漿前后涌水量見表2。

表2 工作面預(yù)注漿位置和注漿前后涌水量

2.4 壁間、壁后和整體注漿

為保證井筒后續(xù)安裝使用,在進(jìn)風(fēng)井臨時(shí)改絞前,提升吊盤期間進(jìn)行壁間、壁后注漿堵水,同時(shí)也可對(duì)出水集中點(diǎn)復(fù)注、壁間注漿主要針對(duì)復(fù)合井壁段,復(fù)合井壁因中間填有100mm厚的瀝青板,受長(zhǎng)時(shí)間的壓縮,瀝青板收縮變形出現(xiàn)空隙,形成良好的過水通道,而造成向井筒內(nèi)涌水、漏水、滲水的情況;壁后注漿主要針對(duì)井壁和井壁圍巖間空隙,封堵來水通道;最后對(duì)整個(gè)井壁進(jìn)行整體注漿加固,注漿部位井壁能承受的壓力為:

式中:P——井壁材料的允許抗壓強(qiáng)度,MPa;

h——井壁厚度,取0.5 m;

R0——井筒的凈半徑,7.5 m;

P0——井壁材料極限抗壓強(qiáng)度,取 42.5 MPa;

n——安全系數(shù),取2。

由式(1)求得井壁材料的允許抗壓強(qiáng)度為1.94 MPa,確定最大注漿壓力為1.9 MPa,終止壓力1.5 MPa,注漿初始階段漿液為水泥漿單液漿,水灰比為1.5︰1;正常注漿水灰比為1︰1;封孔稠漿為0.75︰1,每次注漿先稀后濃,當(dāng)吸漿量大或跑漿時(shí)注入水泥水玻璃雙液漿,體積比為1︰1。水泥選用P042.5普通硅酸鹽水泥,水玻璃配成35 Be。注漿孔深大于井壁厚度500mm,對(duì)于不同段井壁結(jié)構(gòu)和滲水情況采取不同注漿方案。

(1)單層井壁段集中出水點(diǎn)。在漏水點(diǎn)直接鉆孔,采用“頂水對(duì)點(diǎn)”注漿方式,及時(shí)調(diào)整注漿濃度,確保堵水效果。

(2)雙層井壁段。對(duì)于未滲水段,采取注漿充填內(nèi)、外壁之間空隙,堵水加固。每8 m布置1個(gè)注漿水平(三層吊盤間距8 m),在注漿水平內(nèi)(凈徑7.5 m,周長(zhǎng)23.55 m)平均分布6個(gè)注漿孔和6個(gè)卸壓孔,注漿孔和卸壓孔深8 m,注漿孔與卸壓孔為三花布置,間排距為3.925 m×8.000 m,孔深穿透內(nèi)壁即可。注漿過程中待卸壓孔冒出漿液后,停止注漿,封閉注漿孔(卸壓孔可作為下一段高內(nèi)注漿孔使用)。注漿壓力嚴(yán)格控制在1.5 MPa內(nèi)。對(duì)于滲水段,先集中采取壁后注漿堵水,待漿液凝固24 h后,再進(jìn)行壁間注漿。對(duì)于滲水嚴(yán)重段,一次注漿未達(dá)效果,必須復(fù)注,直至無明顯滲水。

3 注漿效果

通過壁間、壁后及井壁整體注漿后,全井筒總漏水量實(shí)測(cè)值為1.2 m3/h,堵水率為99.5%,堵水效果十分明顯,這對(duì)后續(xù)井筒裝備使用創(chuàng)造了極為有利的條件,節(jié)省了井筒排水費(fèi)用,延長(zhǎng)了設(shè)備適用年限,改善了井筒作業(yè)條件。

4 結(jié)語

科學(xué)準(zhǔn)確的水文地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能最大限度地保證施工方案和方法的決策準(zhǔn)確性,是井筒治水的前提條件,超前探測(cè)是井筒施工防治水必不可少的重要環(huán)節(jié)。凍結(jié)法施工、復(fù)合井壁技術(shù)非常適用于復(fù)雜水文地質(zhì)條件下大斷面井筒防治水施工。

[1]劉陽.新編水文地質(zhì)分析及煤礦重大水害預(yù)防與快速治理新技術(shù)及水害監(jiān)測(cè)預(yù)警實(shí)務(wù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007

[2]楊孟達(dá).煤礦地質(zhì)學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000

[3]仝洪昌.立井井筒施工中的綜合防治水技術(shù)[J].建井技術(shù),2007(5)

[4]張海力,趙曉舉.井筒過巨厚含水層工作面預(yù)注漿防治水[J].煤礦開采,2010(3)

[5]王喜林.注漿封水技術(shù)在井筒過含水層時(shí)的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2009(4)

[6]韓振先,王海軍,黃鵬飛等.深立井井筒鑿井高水壓工作面防治水實(shí)踐[J].中州煤炭,2009(8)

[7]周長(zhǎng)山,陳吉波.深含水巖層立井井筒預(yù)注漿封水設(shè)計(jì)與施工[J].能源技術(shù)與管理,2010(3)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

Study on comprehensive water control of large section vertical shaft

Zhou Zhili1,2
(1.College of Resources&Safety Engineering,China University of Mining&Technology(Beijing),Haidian district,Beijing 100083,China;2.Shanxi Lu’an Mining(Group)Co.Ltd,Changzhi,Shanxi 046204,China)

According to the complex hydrogeology conditions with many rich water seams,and many flow sand seams,comprehensive water control of large section vertical shaft is putted forward:the first is by using freezing construction method in surface soil seam and weathering bedrock seam,the second is by using composite shaft lining and face pre-grouting to control water,the last is by wall back and intramural grouting and whole shaft grouting.The practice shows that it obtained a good sealing effect of water.

large section vertical shaft,complex hydrogeology conditions,shaft sinking and drifting,freezing method,composite shaft lining,face pre-grouting

TD262

B

周志利(1962-),男,山西洪洞人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院2008級(jí)博士研究生,高級(jí)工程師。現(xiàn)任山西潞安集團(tuán)公司總經(jīng)理助理、調(diào)度室主任。