曹祖寶，邵紅旗，朱明誠(chéng)

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院工程地質(zhì)研究所，陜西西安710077;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院水文地質(zhì)研究所，陜西西安 710054)

凍結(jié)井筒凍結(jié)孔涌水機(jī)理及逆流引流注漿封堵技術(shù)

曹祖寶1，邵紅旗1，朱明誠(chéng)2

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院工程地質(zhì)研究所，陜西西安710077;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院水文地質(zhì)研究所，陜西西安 710054)

針對(duì)我國(guó)西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒凍結(jié)孔涌水水害技術(shù)難題，以胡家河礦主立井井筒凍結(jié)孔水害治理工程為實(shí)例，分析了凍結(jié)孔環(huán)狀導(dǎo)水通道生成及涌水機(jī)理，進(jìn)而提出一種創(chuàng)新性的逆流引流注漿封堵技術(shù)，并介紹了該技術(shù)的原理及施工工藝。工程實(shí)踐證明，該技術(shù)能高效快速治理凍結(jié)孔涌水水害。

凍結(jié)井筒;凍結(jié)孔涌水;環(huán)狀導(dǎo)水通道;逆流引流注漿

0 前言

隨著我國(guó)煤炭行業(yè)的蓬勃發(fā)展，凍結(jié)法施工的全深立井井筒越來越多，目前凍結(jié)井采用雙層井壁基本上解決了我國(guó)西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒井壁開裂滲漏水難題［1～3］。但是井筒施工完成之后，由于礦井建設(shè)需要，一些與井筒相配套的巷道或硐室與其貫通，揭露凍結(jié)孔環(huán)狀導(dǎo)水通道，造成凍結(jié)孔涌水水害。該種水害的特殊性是通道垂深大、水流速度高、沖刷力大、涌水中夾雜大量黃泥循環(huán)液及泥沙等巖石碎屑物，極易把井筒壁后掏空危及井筒整體穩(wěn)定性，造成井筒不均勻下沉及開裂等事故。如不及時(shí)治理，礦井投產(chǎn)后，極易將上部含水層水源導(dǎo)通到煤系地層，對(duì)安全生產(chǎn)造成極大水患威脅。

本文以胡家河礦深基巖全深凍結(jié)主立井兩次凍結(jié)孔涌水水害治理工程成功實(shí)例為背景，在分析我國(guó)西部地區(qū)深基巖全深凍結(jié)井筒凍結(jié)孔環(huán)狀導(dǎo)水通道生成及涌水機(jī)理基礎(chǔ)上，提出并應(yīng)用一種創(chuàng)新性的逆流引流注漿封堵技術(shù)。

1 工程背景及地層條件［4］

胡家河礦主立井井筒采用全深凍結(jié)法施工，井筒設(shè)計(jì)凈直徑6.5 m，掘進(jìn)荒徑8.4 m，凈斷面33.2 m2，外壁厚350 mm，內(nèi)壁厚600 mm，采用雙層鋼筋混凝土雙塑料夾層復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)支護(hù)形式，井筒深539 m，屬于典型的西部礦區(qū)深基巖大井徑凍結(jié)井筒。2010年3月30日主井井筒箕斗裝載硐室Ⅰ號(hào)檢修通道出現(xiàn)一涌水點(diǎn)(井筒里程位置－471.8 m)，如圖1所示，出水口流出大量黃泥水并夾雜有小塊灰綠色泥巖碎石，井筒最大涌水量達(dá)158 m3h。硐室北墻右上角有一條裂縫，寬30 mm，長(zhǎng)1.2 m;井筒東北部與箕斗硐室拱部肩窩連接處有開裂現(xiàn)象，開裂部位面積約有0.7 m2。2011年1月23日，上倉(cāng)通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷(井筒里程位置－432 m)貫通施工中揭露9、10號(hào)凍結(jié)管時(shí)再次發(fā)生類似涌水事故，涌水強(qiáng)度約100 m3h。

井筒穿過的地層由新到老為:第四系為11.96 m厚粉土及砂礫石松散層含水層，白堊系329.02 m厚洛河組粗粒砂巖承壓含水層，白堊系20.41 m厚宜君組礫巖含水層，侏羅系安定組51.8 m厚粗粒砂巖及砂質(zhì)泥巖層，侏羅系直羅組32.98 m厚粗粒砂巖及砂質(zhì)泥巖層，侏羅系延安組111.18 m厚砂巖承壓含水層，侏羅系安定組為礦井相對(duì)隔水層。其中洛河組含水層是井筒掘進(jìn)通過的最長(zhǎng)含水層，富水性中等～強(qiáng)，靜止水位埋深7.1 m，其他含水層富水性中等～弱。

圖1 胡家河礦主立井三維實(shí)體模型示意圖

2 環(huán)狀導(dǎo)水通道生成及導(dǎo)水機(jī)理

2.1 導(dǎo)水通道生成機(jī)理分析

由前述工程及水文地質(zhì)概況可知，西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒(如胡家河礦、孟村礦及亭南礦等凍結(jié)井筒)與中東部地區(qū)新井建設(shè)相比，他們具有井筒直徑大、沖積層淺、軟弱基巖深、含水層多等特性。特別是基巖多為白堊系、侏羅系巖層，成巖晚、膠結(jié)程度差、強(qiáng)度低，多屬軟弱不穩(wěn)定巖層，遇水軟化，強(qiáng)度急劇下降，有的水解成為軟泥、砂和礫石;且含水層多為孔隙裂隙含水層，漿液擴(kuò)散難，預(yù)注漿效果差，當(dāng)基巖含水層涌水量大時(shí)，不得不采用全深凍結(jié)法鑿井［5］。

胡家河礦主立井屬于典型的西部地區(qū)深基巖全深凍結(jié)井筒，井筒一周布置36根凍結(jié)管，貫穿全井深的凍結(jié)孔(200 mm)與凍結(jié)管(133 mm)之間形成上下導(dǎo)通的環(huán)狀空間，本文其為原生導(dǎo)水通道。

次生導(dǎo)水裂隙生成機(jī)理分析如下。凍結(jié)井爆破施工過程中將會(huì)擾動(dòng)巖石介質(zhì)，造成巖體應(yīng)力和巖石強(qiáng)度的變化，產(chǎn)生巖體應(yīng)力轉(zhuǎn)移、集中和巖石強(qiáng)度的減小，使井筒周圍巖體發(fā)生變形破壞，進(jìn)而導(dǎo)致巖石物理狀態(tài)的改變，形成圍繞井筒周圍環(huán)狀破裂區(qū)。本文把這個(gè)由于應(yīng)力作用產(chǎn)生的環(huán)狀破裂帶稱為井筒圍巖松動(dòng)圈，見圖2。井筒輪廓面為應(yīng)力自由面，爆破開挖井筒對(duì)凍結(jié)壁來說是一種卸載過程，解除了原巖應(yīng)力場(chǎng)，使環(huán)狀破裂圍巖松動(dòng)圈內(nèi)巖體產(chǎn)生開挖變形和開挖位移，對(duì)凍結(jié)壁中凍結(jié)孔圍巖體產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，促進(jìn)導(dǎo)水裂隙的發(fā)育生成。

圖2 深基巖凍結(jié)井筒凍結(jié)管環(huán)狀導(dǎo)水通道縱、橫剖面示意圖

另外一個(gè)次生導(dǎo)水通道成因?yàn)閮鋈谘h(huán)對(duì)凍結(jié)孔圍巖體劣化損傷破壞作用。在凍融循環(huán)條件下，巖石材料承受著循環(huán)凍融引起的物理風(fēng)化作用，內(nèi)部相變與水熱遷移及不同溫度歷史和不同含水(冰)狀態(tài)導(dǎo)致內(nèi)部材質(zhì)劣化、巖石損傷破壞嚴(yán)重。白堊系及侏羅系巖層多屬于孔隙裂隙含水層，本質(zhì)上屬于多孔脆性介質(zhì)，當(dāng)孔隙脆性介質(zhì)凍結(jié)時(shí)，儲(chǔ)存在其孔隙內(nèi)部的水發(fā)生凍結(jié)并產(chǎn)生約9%的體積膨脹率，而這種膨脹將導(dǎo)致凍結(jié)孔圍巖體內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力和微孔隙損傷;當(dāng)圍巖體介質(zhì)內(nèi)部的孔隙水(或裂隙水)融化時(shí)，水會(huì)在其內(nèi)部微孔裂隙中遷移，進(jìn)而加速這種損傷［6］。

從力學(xué)角度來看，凍結(jié)壁中凍結(jié)孔圍巖體的凍融破壞過程為:當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，巖石內(nèi)部的孔隙水開始發(fā)生凍結(jié)，因?yàn)槠潴w積發(fā)生膨脹對(duì)巖石顆粒產(chǎn)生凍脹力。由于這種凍脹力相對(duì)于某些膠結(jié)強(qiáng)度較弱的巖石顆粒具有破壞作用，故造成巖石內(nèi)部出現(xiàn)了局部損傷;當(dāng)溫度升高時(shí)，巖石內(nèi)部的水發(fā)生融解，伴隨這一過程的是凍結(jié)應(yīng)力的釋放和水分的遷移;局部損傷區(qū)域逐步連通成裂縫，巖石強(qiáng)度和剛度不斷降低，并最終造成巖石塊體斷裂、剝落等現(xiàn)象，從而影響其力學(xué)特性和工程應(yīng)用［7，8］。

從上述凍結(jié)壁中凍結(jié)孔圍巖體的凍融破壞機(jī)理上看，造成這種凍融破壞的原因是由于組成巖石凍結(jié)和融化狀態(tài)的三相介質(zhì)(水、空氣、含冰巖石)具有不同熱物理性質(zhì)，巖石礦物顆粒在溫度降低時(shí)，其體積發(fā)生收縮，而冰在溫度降低時(shí)，體積發(fā)生膨脹(約9%)，巖石礦物顆粒為了限制這種膨脹，在礦物顆粒之間產(chǎn)生了巨大的局部拉、壓應(yīng)力(即凍脹力)。由于這種凍脹力是作用在礦物顆粒及巖石微孔隙這一微觀尺度上，故孔隙水的存在及凍融循環(huán)條件會(huì)對(duì)巖石的損傷劣化產(chǎn)生深刻影響。

由前述2方面主要原因及凍結(jié)壁解凍引起較大垂深凍結(jié)管環(huán)狀空間上下水流沖刷作用生成的環(huán)狀裂隙導(dǎo)水通道稱之為次生導(dǎo)水通道。通過正在進(jìn)行中的胡家河礦主立井凍結(jié)管水害治理工程施工實(shí)踐驗(yàn)證，原生與次生導(dǎo)水通道在不同地層段對(duì)凍結(jié)管涌水水害起到不同的控制作用。原生導(dǎo)水通道范圍較小但初期影響較大，能直接引起涌水甚至淹沒部分采區(qū)。而次生導(dǎo)水通道是裂隙漸進(jìn)破壞而生成的，對(duì)隔水層段來說，由于含粘土成分遇水軟化膨脹使裂隙自動(dòng)彌合，次生導(dǎo)水裂隙通道對(duì)凍結(jié)管涌水作用不太強(qiáng)烈，但對(duì)于含水層段，范圍往往比原生導(dǎo)水通道大很多(如圖2所示)，若有些原生導(dǎo)水通道因?yàn)槟撤N因素而導(dǎo)致長(zhǎng)期充水(尤其是動(dòng)態(tài)水)，則將引起對(duì)立井及巷道危害更大、更難治理的水害，從水文地質(zhì)學(xué)中礦山水害充水條件分析(充水水源、充水途徑及充水強(qiáng)度)角度來看，次生導(dǎo)水通道是凍結(jié)管涌水的主要充水途徑。

2.2 導(dǎo)水機(jī)理分析

煤礦井下涌水的本質(zhì)是地下水在原有平衡條件(地層的綜合阻隔水能力大于地下水的水頭壓力)遭受破壞后重新建立平衡的產(chǎn)物，當(dāng)采掘活動(dòng)削弱或破壞了采掘作業(yè)場(chǎng)所與某個(gè)含水層(體)之間的隔水巖層(體)的原有阻隔水能力，不足以完全抗衡含水層的水頭壓力時(shí)，該含水層的這一部分富余水頭壓力就會(huì)推動(dòng)水流沿著最小阻力方向涌入已失去平衡的采掘場(chǎng)所。

凍結(jié)孔環(huán)狀導(dǎo)水通道將主井深度范圍內(nèi)部分含水層甚至所有含水層水源上下溝通連成一體，使隔水層失去阻隔水能力，就如同在主井井壁外圍有一圈(36個(gè))導(dǎo)水管道，且具有很高的壓力水頭，當(dāng)與井筒配套的巷道或硐室貫通揭露凍結(jié)管時(shí)，打破了凍結(jié)孔環(huán)狀導(dǎo)水通道中地下水的原有平衡條件，使地層的綜合阻隔水能力小于通道中的水頭壓力，發(fā)生凍結(jié)管涌水水害。

3 逆流引流注漿封堵技術(shù)

引流注漿技術(shù)最早是在煤礦陷落柱特大突水災(zāi)害、封堵突水巷道及快速?gòu)?fù)礦工程中提出來的［9］。是指在礦井發(fā)生突水災(zāi)害淹井后，采取地面打鉆注漿的方法，在靜水條件下，成功封堵了井下突水點(diǎn)或突水點(diǎn)外的過水通道之后，在礦井主副井或突水點(diǎn)附近進(jìn)行引流排水，使靜水條件變?yōu)閯?dòng)水條件，在水流上游繼續(xù)實(shí)施注漿，讓漿液在水流的帶動(dòng)下自動(dòng)尋找細(xì)小過水裂隙通道并封堵加固之，從而進(jìn)一步提高注漿堵水效果，減少地面打鉆注漿的工作量，起到加快復(fù)礦速度的作用一種的注漿技術(shù)［9～11］。

本文提出的引流注漿封堵技術(shù)是在引流注漿原理的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出的逆流引流注漿技術(shù)。即從水流下游逆向注漿，通過上游泄壓孔引導(dǎo)漿液運(yùn)動(dòng)并觀測(cè)注漿效果。

3.1 逆流引流注漿封堵技術(shù)的施工順序

(1)在涌水點(diǎn)上方井筒內(nèi)20～30 m范圍內(nèi)打1～2個(gè)有效泄壓孔，命中凍結(jié)孔環(huán)狀導(dǎo)水通道次生松動(dòng)圈內(nèi)。泄壓孔主要起泄壓減小導(dǎo)水通道水流速度、確保在注漿水閘墻穩(wěn)定性及巷道或硐室圍巖安全無脹裂。其次，泄壓孔可起引流作用，促使?jié){液按設(shè)計(jì)沖填導(dǎo)水通道。

(2)凍結(jié)管涌水點(diǎn)附近的巷道或硐室圍巖加固，為砌筑水閘墻、埋設(shè)導(dǎo)水管做安全保障。

(3)根據(jù)測(cè)得的水壓及巷道或硐室的圍巖巖性條件設(shè)計(jì)計(jì)算并在出水點(diǎn)砌筑水閘墻并埋設(shè)導(dǎo)水管。

(4)利用導(dǎo)水管作為注漿管，實(shí)施逆流引流注漿封堵技術(shù)。

3.2 引流注漿封堵技術(shù)原理分析

由上述凍結(jié)管環(huán)狀導(dǎo)水通道生成及導(dǎo)水機(jī)理分析可知，在環(huán)狀空間內(nèi)由于松動(dòng)圈破壞作用、凍融循環(huán)劣化損傷破壞作用及強(qiáng)大水流沖刷等原因堆積了很多巖石碎屑物，使凍結(jié)管涌水點(diǎn)與泄壓孔垂直距離之間形成一定厚度的環(huán)狀篩網(wǎng)通道，從水閘墻底部埋設(shè)的導(dǎo)水管中逆流上行注水泥單液漿，同時(shí)打開泄壓孔閘閥以引導(dǎo)凍結(jié)管環(huán)狀空間導(dǎo)水通道水從泄壓孔中流出，起到引流泄壓作用，讓漿液在凍結(jié)管環(huán)狀空間篩網(wǎng)導(dǎo)水通道中逆流上行。由漿液充填排水機(jī)理及流動(dòng)沉積理論［12，13］可知:漿液進(jìn)入凍結(jié)管環(huán)狀導(dǎo)水通道以后的流動(dòng)速度和壓力是隨著離開鉆孔的距離增加而迅速降低，如圖3(a)所示。當(dāng)漿液流動(dòng)速度降低到某一臨界值時(shí)，漿液不能再繼續(xù)攜帶所包含的全部水泥顆粒向上流動(dòng)，其中的部分水泥顆粒在重力作用下首先在臨界流速處陸續(xù)向底部沉落，如圖3(b)所示;與此同時(shí)，已開始水化反應(yīng)的水泥顆粒己具有“活性”(吸附力)，促使它能被巖縫周壁和先于它沉積的其它顆粒所吸附，靠這兩種作用力，在流動(dòng)狀態(tài)下沉積下來的水泥顆粒或其絮團(tuán)

圖3 水泥漿沉積排水過程原理示意圖

4 引流注漿封堵效果

－432 m通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷與主立井井筒相貫通時(shí)，凍結(jié)孔導(dǎo)水通道注漿封堵效果良好，無滲漏水現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)采集的揭露9號(hào)凍結(jié)管實(shí)物照片及－471.8 m箕斗裝載硐室Ⅰ號(hào)檢修通道掘進(jìn)時(shí)揭露的5號(hào)凍結(jié)管實(shí)物照片(如圖4所示)可看出環(huán)狀導(dǎo)水通道注漿封堵效果很好。表明引流注漿封堵深基巖凍結(jié)井筒凍結(jié)管涌水技術(shù)具有很大的推廣和借鑒意義及應(yīng)用空間。

5 結(jié)論

(1)本文分析了我國(guó)西部地區(qū)深基巖全深凍結(jié)井筒凍結(jié)孔環(huán)狀導(dǎo)水通道生成機(jī)理及涌水機(jī)理。認(rèn)為其由原生導(dǎo)水通道和次生導(dǎo)水通道組成，原生導(dǎo)水通道在隔水層段對(duì)涌水、災(zāi)害起控制性作用;次生導(dǎo)水通道在含水層段是凍結(jié)管涌水水害的主要充水之間逐漸凝固。沉積的結(jié)果使?jié)B漿斷面縮小，注漿壓力和漿液流動(dòng)速度都發(fā)生變化，如圖3(c)所示;多余的水分在沉積層頂部或側(cè)部微小的裂縫內(nèi)以清水的形式從泄壓孔中流出，直至環(huán)狀空間全部充填滿為止，如圖3(d)所示。待泄壓孔返漿并逐漸變稠時(shí)，表明漿液顆粒已經(jīng)快堆積到泄壓孔孔口，這時(shí)開始注水泥－水玻璃雙液漿，并逐漸關(guān)小泄壓孔閘閥;待漿液凝固具有一定強(qiáng)度后，利用相同逆流引流注漿原理，從下面的泄壓孔逆流注漿，使上面的泄壓孔起到泄壓及引流作用，依次進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)快速有效地封堵凍結(jié)管涌水水害。途徑。

(2)提出并成功實(shí)施了一種創(chuàng)新性的逆流引流注漿封堵凍結(jié)孔涌水技術(shù)，治理了胡家河礦主立井凍結(jié)孔涌水水害。

(3)由于本逆流引流注漿封堵技術(shù)是初次提出且僅應(yīng)用于一個(gè)礦井，雖然應(yīng)用效果較好，但普及性有待于進(jìn)一步深入的工程驗(yàn)證。

［1］張榮立，何國(guó)緯，李鐸.采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2004.

［2］崔云龍，等.簡(jiǎn)明建井工程手冊(cè)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2003.1423－1429.

［3］王國(guó)際，黃小廣，等.礦井水災(zāi)防治［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.291－293.

［4］陜西省煤田地質(zhì)局186隊(duì).陜西省彬長(zhǎng)礦區(qū)開發(fā)建設(shè)有限責(zé)任公司胡家河礦井主立井井筒檢查孔勘察地質(zhì)報(bào)告［R］.2007.

［5］姚直書，程樺，榮傳新.西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，(5):760－764.

［6］Hori M.Micromechanical analysis on deterioration due to freezing and thawing in porous brittle materials［J］.Int.J.Eng.Sci.，1998，36(4):511－522.

［7］徐光苗，劉泉聲.巖石凍融破壞機(jī)理分析及凍融力學(xué)試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，(9):3076－3082.

［8］張繼周，繆林昌，楊振峰.凍融條件下巖石損傷劣化機(jī)制和力學(xué)特性研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，(8):1688－1694.

［9］陳立武，等.東龐礦特大突水災(zāi)害治理技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2005.118－124.

［10］趙蘇啟，武強(qiáng)，郭啟文，等.引流注漿快速治理煤礦水害技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，(2):27－29.

［11］郭啟文，趙蘇啟.引流注漿治理東龐礦特大陷落柱突水災(zāi)害［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2005，(8):1－4.

［12］管學(xué)茂.超細(xì)高性能灌漿水泥研究［D］.湖北武漢:武漢理工大學(xué)，2002.15－16.

［13］《巖土注漿理論與工程實(shí)例》協(xié)作組.巖土注漿理論與工程實(shí)例［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.86－89.

In-rushing Water Mechanism of Freezing Hole of Frozen Shaft and Counter-flow Water Diversion Grouting Sealing Technology

CAO Zu-bao，SHAO Hong-qi，ZHU Ming-cheng(1.Institute of Engineering Geology，Xi’an Research

Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Crop，Xi’an Shaanxi 710077，China;2.Institute of Hydrological Geology，Xi’an Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Crop，Xi’an Shaanxi 710054，China)

In order to solve the water disasters caused by freezing holes of full-depth bedrock frozen shaft in western China，analysis was made on the form of annular water-transmitting channels in freezing holes and the in-rushing water mechanism with the case of water disasters control project of Hujiahe coal mine.The paper presents an innovating counter-flow water diversion grouting sealing technology and introduced its principle and construction process.The project practice proved that this technology can effectively and quickly control the in-rushing water disaster of freezing hole.

frozen shaft;in-rushing water of freezing hole;annular water-transmitting channel;counter-flow water diversion grouting

TD745+.2

A

1672－7428(2012)08－0046－04123

2012－03－12

中煤科工集團(tuán)西安研究院青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2011XAYQN013)

曹祖寶(1979－)，男(漢族)，安徽六安人，中煤科工集團(tuán)西安研究院工程師，礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，碩士，從事井巷特殊支護(hù)與防治水工程施工技術(shù)工作，陜西省西安市高新區(qū)錦業(yè)一路86號(hào)，caozubao@cctegxian.com。