楊廣祥 張樹勇 呂玉芝

(長城五號(hào)礦井,內(nèi)蒙古鄂托克前旗 016200)

斜井施工防治水關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用探討

楊廣祥 張樹勇 呂玉芝

(長城五號(hào)礦井,內(nèi)蒙古鄂托克前旗 016200)

本文結(jié)合蒙西南地區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)與長城五號(hào)礦工程實(shí)例,探討了蒙西南地區(qū)井筒過含水層的凍結(jié)法、注漿法、探水法等防治水關(guān)鍵技術(shù),為西部地區(qū)具有相似條件的井筒防治水施工提供了有力的參考依據(jù)。

含水層 凍結(jié)法 注漿法 探水法

近年來,隨著國家西部大開發(fā)的逐步深入,在蒙西南等西部地區(qū)新建礦井日益增多,該區(qū)域,基巖含水層多且含水層多為孔隙裂隙含水層,在井筒的建設(shè)過程中,不可避免的要穿越含水層,選擇正確的防治水方法在建井中顯得尤為重要。根據(jù)蒙西南地區(qū)地質(zhì)條件研究表明,對(duì)蒙西南地區(qū)含水地層進(jìn)行凍結(jié)、注漿,可以有效的創(chuàng)造無水施工條件,對(duì)井筒周邊圍巖起到加固的作用,同時(shí),必須注重前期的探水工作,將探水與防治水相結(jié)合,確保井筒安全通過含水層。

1 工程概況

長城五號(hào)礦井地處蒙西南毛烏素沙漠西南邊緣,第四系表土層深厚,砂巖裂隙水豐富,礦井采用斜井開拓,分別布置主斜井(1291米)、副斜井(1062米)和回風(fēng)立井(286米),斜井最大傾角26°,開采水平為+800m和+500m兩個(gè)水平。在長城五礦副斜井施工過程中,井口以下60米處(垂深25米,此出水點(diǎn)為第四系底部礫石層),井筒出現(xiàn)滲水,涌水量約3m3/h左右。副斜井開始對(duì)滲水處巷道附近進(jìn)行注漿堵水。由于水量不大,利用副斜井臨時(shí)水倉進(jìn)行排水。隨后,副斜井井口以下56米處左幫底板水突然加大,水量約50-60m3/h,水中夾帶泥沙增加,副斜井排水系統(tǒng)無法及時(shí)將水排出,水流向迎頭。由于水量加大,開始調(diào)集大功率潛水泵進(jìn)行排水,在調(diào)集水泵及安裝期間,擔(dān)心大量泥沙抽出導(dǎo)致井筒頂?shù)壮榭?可能造成井筒折斷的嚴(yán)重后果。

經(jīng)研究討論,決定采用待井筒涌水升至靜水位后進(jìn)行地面注漿封堵,對(duì)井壁帷幕凍結(jié)方式進(jìn)行修補(bǔ)的方案。

2 防治水關(guān)鍵技術(shù)

2.1 凍結(jié)法

2.1.1 凍結(jié)方案

根據(jù)涌水實(shí)際情況分析決定,主、副斜井自垂深113米至208米需采用凍結(jié)法施工,主斜井凍結(jié)范圍為斜長328.08m-621.08m,全長293m,副斜井凍結(jié)范圍為斜長269.093m-541.56m,全長272.467m。并對(duì)工作面進(jìn)行預(yù)注漿堵水,注漿目的是對(duì)壁后縫隙及凍結(jié)后的縫隙進(jìn)行充填,防止縫隙出水,保證安全施工。

2.1.2 治理過程

(1)凍結(jié)深度確定,齊腿凍結(jié)。所有凍結(jié)孔均穿過表土段碎石層底板深入隔水層7.2m,所有凍結(jié)孔形成有效凍結(jié)帷幕,即凍結(jié)深度41.35m(以井口標(biāo)高計(jì)算)。(2)凍結(jié)技術(shù)參數(shù)的確定,根據(jù)副斜井井筒工程地質(zhì)條件,凍結(jié)參數(shù)確定如下:①鹽水溫度:積極凍結(jié)期鹽水溫度為-24～-28℃,維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度為-20～-22℃。②凍結(jié)壁厚度設(shè)計(jì):根據(jù)斜井井筒傾向穿入不同地層特點(diǎn)及地壓值不同計(jì)算凍結(jié)壁厚度。③地壓計(jì)算:兩幫側(cè)壓力按似重液公式計(jì)算:計(jì)算公式:P＝γ(H＋h)tg2[(90-β)/2]。④凍結(jié)壁平均溫度:經(jīng)計(jì)算,凍結(jié)壁平均溫度設(shè)計(jì)為:-8℃。⑤表土段凍結(jié)壁厚度:根據(jù)副斜井傾角為23°,井筒掘進(jìn)斷面為馬蹄形,計(jì)算表土段凍結(jié)壁厚度公式如下:兩幫凍結(jié)壁厚度:E1= h1tg(90-β)/2凍結(jié)壁厚度確定:兩排端頭孔封堵確保凍結(jié)段與非凍結(jié)段隔開;兩排邊排孔封斜井的側(cè)壁,凍結(jié)壁厚度2.4m,經(jīng)有限元分析并結(jié)合公司相應(yīng)帷幕凍結(jié)的施工經(jīng)驗(yàn),證實(shí)安全可靠,同時(shí)利于減少工程量,既安全又經(jīng)濟(jì)。⑥測(cè)溫孔設(shè)計(jì),布置原則:1)外側(cè)測(cè)溫管布置在外排凍結(jié)管外側(cè),內(nèi)側(cè)測(cè)溫管布置在凍結(jié)管排間;2)最大孔間距處;3)盡量對(duì)稱布置;4)盡可能反映整個(gè)井筒的溫度場(chǎng)情況。對(duì)測(cè)溫孔施工的要求:1)為了準(zhǔn)確掌握凍結(jié)溫度場(chǎng)變化情況,副斜井帷幕凍結(jié)區(qū)段均設(shè)置10個(gè)測(cè)溫孔,測(cè)溫管采用Φ108×5mm無縫鋼管,外管箍連接。測(cè)溫孔具體布置依據(jù)實(shí)際施工情況而定。2)管內(nèi)嚴(yán)禁灌水,必須保證焊接質(zhì)量,確保無滲漏。⑦凍結(jié)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本凍結(jié)工程凍結(jié)管全部采用GB8163-2008標(biāo)準(zhǔn)流體用無縫鋼管,采用外管箍連接;凍結(jié)管規(guī)格:Φ133×5mm。凍結(jié)管內(nèi)供液采用單供液管正循環(huán),供液管規(guī)格Φ63×5mm。⑧主要含水層凍結(jié)壁交圈時(shí)間及井筒試挖時(shí)間。預(yù)計(jì)開機(jī)至具備排水條件時(shí)間為45天。⑨井筒開挖標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測(cè)溫資料分析,井筒排水修復(fù)至各水平時(shí),凍結(jié)壁能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需要的強(qiáng)度和厚度。

2.1.3 修復(fù)情況

2012年7月24日,副井帷幕凍結(jié)造孔開工,8月27日副井開機(jī)凍結(jié),10月31日副井開始排水,11月4日副井開始修復(fù)井筒(套內(nèi)壁)。

2.2 注漿法

2.2.1 注漿方案

根據(jù)工程地質(zhì)條件,采用工作面預(yù)注化學(xué)注漿方法進(jìn)行施工?；瘜W(xué)注漿法過砂層,就是在井筒周圍的砂層中,造成一個(gè)半永久性的,具有一定強(qiáng)度的注漿帷幕,用以抵抗地壓和水壓,防止外部的水砂涌入井內(nèi),保證井筒順利開鑿、掘砌。

2.2.2 施工流程

采用工作面預(yù)注化學(xué)漿的施工方法對(duì)含水層進(jìn)行治理,從而達(dá)到正常開挖條件。施工流程如下:(1)在斜井施工到距第一層含水砂層垂深5m時(shí)停止掘進(jìn)施工,預(yù)留粘土層,修建止?jié){墊,采用水泥-水玻璃雙漿液對(duì)止?jié){墊與井筒接觸面以及井筒壁后進(jìn)行充填,防止鉆進(jìn)注漿孔和注漿過程中漿液滲出;(2)采用坑道鉆機(jī)進(jìn)行注漿孔鉆進(jìn),埋設(shè)孔口管,并進(jìn)行固管,試壓,超過設(shè)計(jì)最大注漿壓力;(3)套管試壓合格后繼續(xù)鉆進(jìn)注漿孔,穿過預(yù)留粘土層,進(jìn)入含水砂層,下入注漿花管,注入化學(xué)漿液對(duì)含水砂層進(jìn)行治理,注漿過程中控制漿液的壓力和注入量,保證注漿質(zhì)量;(4)通過檢查鉆孔對(duì)注漿治理質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn),達(dá)到開挖條件時(shí)可組織人員進(jìn)行井筒掘進(jìn),若仍有涌水,可重復(fù)上述(2)、(3)步,繼續(xù)注入化學(xué)漿液,最終達(dá)到開挖條件。

2.2.3 施工方案

(1)注漿工藝。本方案共設(shè)計(jì)兩種漿液,采用水泥-水玻璃漿液充填止?jié){墊與井筒接觸面,采用化學(xué)漿液對(duì)含水砂層進(jìn)行治理。

注漿起始位置為注漿孔進(jìn)入含水砂層,結(jié)束位置為超過含水砂層1.0m,一次注漿段高暫定1.0m,注漿方式為下行式,可根據(jù)注漿實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

漿液擴(kuò)散距離取0.5m,布置兩圈注漿孔,帷幕厚度為1.5m,沿井筒方向帷幕長度為3.1m,注漿工程量計(jì)算公式為:

Q= m·A·π·r2·H·n

式中:Q——注漿工程量,m3;

m——注漿孔個(gè)數(shù),取108;

A——漿液耗散系數(shù),取1.3;

H——帷幕長度,取3.1m;

S——帷幕截面積,為帷幕厚度*布孔周長,1.5*26.9m;n——砂層孔隙率,取40%。

則Q=108*1.3*3.14*0.5*0.5*3.1*0.4=137.7m3。

(2)止?jié){墊設(shè)計(jì)。止?jié){墊的作用是在于封閉含水層涌水,安裝注漿孔口管和保證在用最大壓力注漿時(shí),不使?jié){液從含水層翻入井內(nèi)。

止?jié){墊一般為整體澆筑混凝土,結(jié)構(gòu)形式分為單級(jí)平底型和單級(jí)球面型,為施工方便,選用單級(jí)平底型止?jié){墊,C40混凝土澆筑,厚度Bn可根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算:

Bn=P0·r/［σ］+0.3r

式中:Bn——止?jié){墊厚度,m;

P0——最大注漿壓力,取18kg/cm3;

r——井筒掘進(jìn)半徑,取2.5m;

［σ］——混凝土的允許抗壓強(qiáng)度,一般為3-7天的極限抗壓強(qiáng)度280kg/cm3除以安全系數(shù)3。

計(jì)算可得: B=18×2.5/(280/3)+0.3×2.5=1.23m,取1.5m。

(3)注漿孔設(shè)計(jì)。采用兩圈注漿孔進(jìn)行布置,外圈井筒弧頂、兩幫和底板開孔點(diǎn)距離斷面邊緣分別為1.0m、0.5m和0.5m,內(nèi)圈開孔點(diǎn)距離外圈0.5m。鉆孔深度超過含水砂層1.0m,進(jìn)入含水砂層時(shí)注漿孔落點(diǎn)孔間距為0.5m,內(nèi)圈布孔數(shù)為50個(gè),外圈布孔數(shù)為58個(gè),合計(jì)108個(gè)。施工順序?yàn)橄葍?nèi)圈孔,后外圈孔,各圈注漿孔采用間隔和逐步加密的方法進(jìn)行施工,后序施工注漿孔可對(duì)已注漿鉆孔注漿情況和質(zhì)量進(jìn)行檢查,根據(jù)砂層涌水情況進(jìn)行施工。注漿孔施工過程中,孔口管安裝防突水裝置,防止發(fā)生突水事故。

2.3 探水

根據(jù)蒙西南地區(qū)礦井地質(zhì)特征及礦井直流電法、礦井瞬變電磁法、無線電波透視法等各種探水法的適用條件,最終確定采用礦井瞬變電磁法為建井期間的探水方法。

礦井瞬變電磁法探水,瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁測(cè)深法,又稱“純異常場(chǎng)法”,利用回線源向地下發(fā)送一次電磁場(chǎng),在一次電磁場(chǎng)間歇期間,用線圈對(duì)地下異常體所產(chǎn)生的二次渦流電磁場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè),通過對(duì)二次渦流電磁場(chǎng)特征的研究來預(yù)測(cè)地下礦產(chǎn)、地質(zhì)構(gòu)造、地下含水層等的分布。但是,礦井瞬變電磁法與地面瞬變電磁法相比具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):(1)由于井下測(cè)量環(huán)境不同于地表,不可能采用地表測(cè)量時(shí)的大線圈裝置,只能采用邊長小于3m的多匝小線框,數(shù)據(jù)采集勞動(dòng)強(qiáng)度小,測(cè)量設(shè)備輕便,工作效率高,成本低;(2)由于采用小線圈測(cè)量,點(diǎn)距更密(一般為2～10m),降低體積效應(yīng)的影響,提高勘探分辨率,特別是橫向分辨率;(3)由于受關(guān)斷時(shí)間的影響,無法探測(cè)到更淺部的異常體(淺部15m以內(nèi))。采用礦井瞬變電磁法可解決的主要地質(zhì)任務(wù)是煤層底板隱伏的斷層破碎帶、導(dǎo)水通道、含水層厚度、隔水層厚度等;可探測(cè)掘進(jìn)巷道迎頭前方150m范圍內(nèi)的含水構(gòu)造異常情況。

3 結(jié)語

(1)在蒙西南地區(qū)井筒過含水層的施工過程中,采用凍結(jié)法施工,能夠隔離含水層涌水,為涌水井筒治理創(chuàng)造有利條件,保證了井筒安全施工;斜井帷幕凍結(jié),在國內(nèi)是首次進(jìn)行嘗試,對(duì)相同條件的凍結(jié)施工具有指導(dǎo)意義。(2)采用工作面預(yù)注漿技術(shù)可有效地封堵出水通道,改善施工條件,消除安全隱患,并切實(shí)保障井筒施工質(zhì)量。在采用注漿法建設(shè)斜井過程中,要選擇正確的參數(shù),控制好注漿壓力,既要達(dá)到注漿的預(yù)期目的,又要減少漿液損失。(3)探水工程在建井中占據(jù)舉足輕重的地位,在探水過程中,應(yīng)加強(qiáng)關(guān)鍵部位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)采動(dòng)巖體力學(xué)分析、水文地質(zhì)研究、礦井物探的有機(jī)結(jié)合,結(jié)合開采方案設(shè)計(jì),準(zhǔn)確進(jìn)行采場(chǎng)突水的短期和中期預(yù)報(bào),最大限度地提高煤礦井下突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

[1]北京大地工程(開發(fā))公司《長城五號(hào)礦井初步設(shè)計(jì)》.

[2]陳祥恩,杜長龍.馬泰壕煤礦斜井凍結(jié)施工技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2009,11:21-23.

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[5]段建華.綜合物探技術(shù)在礦井防治水中的應(yīng)用[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2009,04:60-65.

[6]岳建華.礦井物探技術(shù)在煤礦防治水中的應(yīng)用[J].煤炭工程,2010,08:127.

This paper mainly combines the geological characteristics of Mengxinan District with the example of Changcheng Mine Five,ansysing some water prevention and control technology include freezing method, grouting method, water exploration when the shaft crossing water-bearing stratum. In order to provide reference for the prevention and control of shaft water construction which has similar conditions in western region.

Water-bearing stratum Freezing method Grouting method Groundwater exploration

楊廣祥,男,1964年生人,山東濟(jì)寧兗州市人,工程師,大專學(xué)歷,現(xiàn)在新汶礦業(yè)集團(tuán)內(nèi)蒙能源公司長城五號(hào)礦井籌建處主任。