（神華杭錦能源有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古杭錦旗017400）

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塔然高勒煤礦是神華集團(tuán)首座千萬噸級(jí)豎井，礦井采用立井開拓方式。建設(shè)初期采用普通法施工，之后由于所揭露的實(shí)際水文地質(zhì)情況發(fā)生變化，改為凍結(jié)法施工，在主井周圍共施工32個(gè)凍結(jié)孔。為了給井塔基礎(chǔ)施工創(chuàng)造有利條件，對(duì)井筒凍結(jié)壁強(qiáng)制解凍并進(jìn)行了射孔注漿，但在解凍過程中，井筒出現(xiàn)不同程度的涌水，采用井筒壁間注漿與壁后注漿封堵。為砌底治理凍結(jié)孔突水采用在有利地層施工環(huán)狀隔離體阻斷不良凍結(jié)孔導(dǎo)水通道方案。工程達(dá)到了很好的治理效果，可以對(duì)受凍結(jié)孔環(huán)狀空間水害威脅的礦井提供參考。

凍結(jié)孔環(huán)狀空間環(huán)狀隔離體阻斷

1 主井基本概況

主井于2007年6月18日開工建設(shè)，井筒掘進(jìn)受四個(gè)含水層影響：第四系松散層潛水含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群孔隙潛水～承壓水含水層、侏羅系中統(tǒng)～侏羅系中下統(tǒng)延安組裂隙孔隙承壓含水層、三疊系上統(tǒng)延長組碎屑巖類承壓水含水層，其中侏羅系含水層對(duì)開采影響最大。侏羅系中統(tǒng)～侏羅系中下統(tǒng)延安組裂隙孔隙承壓含水層平均厚度174.20m，單位涌水量q=0.03～0.2L/s·m，滲透系數(shù)K=0.0154～0.2327m/d；富水性弱到中等，導(dǎo)水性中等。

在施工過程中，隨著井筒逐漸向下延伸，所揭露的水文地質(zhì)條件發(fā)生了較大變化，特別是井筒涌水量方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了地質(zhì)報(bào)告提供的預(yù)計(jì)涌水量（15～20m3/h），當(dāng)井筒掘至488m時(shí)，實(shí)際涌水量達(dá)到118m3/h，后經(jīng)專家經(jīng)論證，-488m以下井筒由普通法改為凍結(jié)法施工。

2009年1月11日在主井周圍開始施工凍結(jié)孔，共施工鉆孔32個(gè)，單孔深度658m，2011年2月16日開始對(duì)井筒凍結(jié)壁強(qiáng)制解凍并射孔注漿，強(qiáng)制解凍的深度為80m，為做井塔基礎(chǔ)創(chuàng)造條件，射孔注漿的深度為610m，封堵裝載硐室以上凍結(jié)管環(huán)狀空間。在解凍過程中，井筒出現(xiàn)不同程度的涌水，后采用井筒壁間注漿與壁后注漿封堵，壁間孔深度以穿過內(nèi)層井壁50～100mm，壁后孔深度1.5m。注漿后主井涌水量顯著變小，涌水量減小為13.4m3/h，

2013年7月21日，在主井井筒深度631m處（西裝載硐室南幫及井筒處）出水，水量為156m3/h，井壁裂縫寬度10～120mm，長度約為9m。此次出水嚴(yán)重制約了主井的正常施工，影響到整個(gè)礦井的工期計(jì)劃，為了確保主井今后能更加安全有效地投入正常的生產(chǎn)，有必要從根本上解決主井凍結(jié)孔水害問題。

2 主井出水原因分析

凍結(jié)孔孔徑190mm，凍結(jié)管（無縫鋼管）直徑140mm，壁厚7mm，為了給井塔基礎(chǔ)施工創(chuàng)造有利條件，對(duì)井筒凍結(jié)壁強(qiáng)制解凍，但因解凍效果不徹底就進(jìn)行了射孔注漿，導(dǎo)致射孔注漿的效果也不理想，凍結(jié)管與凍結(jié)孔之間的環(huán)狀空間未完全封堵，從而形成了“環(huán)狀空間”，將從地面到井底所有的含水層連成一體，使原來的隔水層失去隔水作用，形成約4.3MPa的高壓水。任何一個(gè)導(dǎo)水管道與巷道溝通都有可能出現(xiàn)較大的涌水。井筒完成施工后初期雖然管道的下部多被沉渣充填而不易導(dǎo)水，但充填碎屑物幾乎沒有膠結(jié)強(qiáng)度，較松散上面含水層水會(huì)透過這些充填物慢慢地向下滲透并將壓力傳遞至井筒下部，對(duì)混凝土構(gòu)筑物造成威脅，造成井筒下部混凝土構(gòu)筑物強(qiáng)度無法承受高水壓而破裂損毀導(dǎo)致井筒突發(fā)性涌水。

3 主井水害治理方案

主井凍結(jié)孔水害治理思路：在有利地層施工環(huán)狀隔離體阻斷不良凍結(jié)孔導(dǎo)水通道。在井筒欲保護(hù)的構(gòu)筑物鄰近上方選擇一隔水且?guī)r性較堅(jiān)固地層，通過開掘斷面2m*2m的巷道，通過開挖耳硐揭露每一個(gè)凍結(jié)孔，截?cái)鄡鼋Y(jié)管，然后施工混凝土或注漿體阻斷凍結(jié)孔導(dǎo)水通道，阻止上、下水力聯(lián)系，達(dá)到根治主立井凍結(jié)管水害的目的。

3.1 環(huán)形措施巷及耳硐布置與施工設(shè)計(jì)

3.1.1 環(huán)形措施巷布置

巷道開口中心線位于進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷中心線以西15m處，沿正北方向1°上山施工10.15m到達(dá)措施巷位置。環(huán)形措施巷施工位置在3-1煤層底板，巷道中心線距主井井筒中心線之間的距離為13m（詳見圖1），斷面為2.0m（高）×2.0m（寬）。

圖1 環(huán)形措施巷及耳硐設(shè)計(jì)平面圖

3.1.2 耳硐布置

在平面上共布置30個(gè)耳硐，斷面為2.0m（高）×2.0m（寬），控制最大開挖寬度不大于2.5m，耳硐深度不超過3.5m，以揭露凍結(jié)管為目的。

3.2 措施巷及耳硐支護(hù)方案設(shè)計(jì)

環(huán)形措施巷的支護(hù)方式為采用主動(dòng)錨桿加金屬網(wǎng)片支護(hù)方式；耳硐支護(hù)采用主動(dòng)錨桿支護(hù)加被動(dòng)鋼棚支護(hù)方式。

3.3 主井井筒變形預(yù)防方案

環(huán)形措施巷和耳硐的開挖中，周圍巖體的應(yīng)力重分布，會(huì)使得圍巖產(chǎn)生變形并導(dǎo)致井筒變形。但據(jù)模擬計(jì)算，絕對(duì)變形量在0.001mm級(jí)別，小于目前測量儀器的誤差允許值。因此，在本次水害治理施工時(shí)，井筒內(nèi)不安設(shè)固定監(jiān)測點(diǎn)，采取巡視檢查的方法，對(duì)措施巷高程上下5m范圍進(jìn)行定期巡查，同時(shí)，在環(huán)形措施巷與耳硐的開挖過程中，采用收斂計(jì)對(duì)巷道變形進(jìn)行監(jiān)測。

3.4 探水孔施工設(shè)計(jì)

在掘進(jìn)聯(lián)絡(luò)巷時(shí)，布置超前探放水孔4個(gè)，傾角為+5°，孔徑Φ32mm，孔深6m；在環(huán)形措施巷施工過程中，超前探測每個(gè)循環(huán)布置4個(gè)鉆孔，鉆孔以探測掘進(jìn)巷道前方可能存在的凍結(jié)孔水害威脅為主要目的，探測孔孔深均為5m；耳硐探水在布設(shè)超前探放水孔個(gè)數(shù)為4個(gè)，探水孔深3.5m。

3.5 凍結(jié)孔水害處理方案

3.5.1 凍結(jié)孔揭露

在巷道掘進(jìn)過程中，執(zhí)行先鉆探，后揭露的方法，對(duì)巷道掘進(jìn)前方與側(cè)幫位置進(jìn)行超前探測。對(duì)無水的凍結(jié)孔，直接揭露處理；對(duì)有水的凍結(jié)孔，如果水量及水壓不大，則通過耳硐直接揭露凍結(jié)孔，如果凍結(jié)孔內(nèi)涌水量太大，無法直接揭露，則根據(jù)現(xiàn)場情況，進(jìn)行引流注漿后再通過其他耳硐揭露該凍結(jié)管。

3.5.2 凍結(jié)孔割管

揭露凍結(jié)管且采取相應(yīng)固管措施后，對(duì)底板凍結(jié)管外圍進(jìn)行掏槽，掏槽深度500mm，將凍結(jié)管割除。

3.5.3 凍結(jié)孔注漿

凍結(jié)孔的注漿分三種情況進(jìn)行。

3.5.3.1 上部孔注漿

第一步，對(duì)凍結(jié)管外部的環(huán)狀空間進(jìn)行注漿；第二步，對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行注漿封堵。整個(gè)注漿均采用插管注漿方式進(jìn)行，即在環(huán)狀空間與凍結(jié)管內(nèi)注漿時(shí)，均向注漿空間插入2根注漿管，一高一低，對(duì)環(huán)狀空間或凍結(jié)管進(jìn)行注漿封堵，插管的下部用棉紗等封堵，形成孔口密閉注漿。

3.5.3.2 下部孔注漿

下部孔注漿工藝采用充填注漿。

3.5.3.3 引流注漿

如果措施巷或耳硐掘進(jìn)中出現(xiàn)大量涌水，如無其他凍結(jié)孔泄水，需在井筒內(nèi)實(shí)施泄壓孔施工。其施工工藝如下：在巷道或耳硐內(nèi)將凍結(jié)孔全部揭露，向凍結(jié)孔上方后下入108mm引流管1，將凍結(jié)管水流導(dǎo)入108mm引流管1，在措施巷內(nèi)高于措施巷頂板3m位置進(jìn)行引流孔施工，揭露凍結(jié)孔后下入引流注漿管2，進(jìn)行水泥-水玻璃雙液漿固管，從引流注漿管1進(jìn)行雙液漿注漿，至引流注漿管2返漿暫停。待強(qiáng)24小時(shí)。通過引流管2接通注漿管進(jìn)行升壓注漿，注漿終壓6MPa。（詳見圖2）

圖2 引流注漿圖

3.6 環(huán)形措施巷及耳硐施工順序及回填注漿

為避免一次性措施巷開挖進(jìn)尺很大，對(duì)主井井筒周圍巖體造成較大的破壞或擾動(dòng)，將環(huán)形措施巷分成東、西兩個(gè)部分掘進(jìn)成巷，由環(huán)形措施巷聯(lián)絡(luò)巷向兩邊分別進(jìn)行施工，在正北方向貫通。凍結(jié)孔的處理從正北方向開始，沿東西方向后退式處理。耳硐施工采用間隔處理的方式進(jìn)行。耳硐開挖在東、西方向均采用跳挖方式進(jìn)行，但在整個(gè)環(huán)形措施巷內(nèi)，不允許同時(shí)揭露2個(gè)凍結(jié)孔。耳硐回填注漿采用硐口支單模封閉注漿。硐內(nèi)采用袋裝礦渣充填。硐口采用37紅磚支模；拱頂及兩幫頂角部位上掏150mm，預(yù)埋注漿返流管，下部預(yù)埋注漿管。注水灰比0.5:1水泥漿進(jìn)行固結(jié)密實(shí)。

4 主井水害治理完成情況

4.1 環(huán)形措施巷及耳硐掘進(jìn)

4.1.1 環(huán)形措施巷

環(huán)形措施巷起初按原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工，8月17日，揭露22號(hào)凍結(jié)孔，環(huán)形空間出水量在100m3/h，最大水量160m3/h，處理過程中環(huán)形措施巷交叉點(diǎn)處及環(huán)形措施巷東側(cè)5m左右頂板出現(xiàn)較大淋水，水量在70m3/h左右。19:05，交叉點(diǎn)處垮落。

經(jīng)研究決定，對(duì)交叉點(diǎn)三個(gè)方向進(jìn)行封閉，在現(xiàn)環(huán)形措施巷與進(jìn)風(fēng)巷位置分別重新開口。第一個(gè)開口位置在現(xiàn)環(huán)形措施聯(lián)絡(luò)巷西側(cè)10m，聯(lián)絡(luò)巷方位角0°。該聯(lián)絡(luò)巷從開口位置掘進(jìn)12m后，方位角變?yōu)?0°，垂直揭露環(huán)形措施，轉(zhuǎn)彎后揭露距離約1.324m。第二個(gè)開口位置在進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷位置，巷道中心距離井底人車場中線約10.867m，巷道方位角270°，掘進(jìn)3.6m后，方位角變?yōu)?20°，再掘進(jìn)約4.092m后揭露東側(cè)環(huán)形措施巷。

4.1.2 耳硐

8月17日原交叉點(diǎn)處頂板垮落后，為了保證巷道掘進(jìn)安全，對(duì)耳硐施工進(jìn)行設(shè)計(jì)變更：環(huán)形措施巷向前施工一段→開挖耳硐→處理凍結(jié)管→回填、注漿耳硐→再施工環(huán)形措施巷，如此循環(huán)。耳硐施工采用間隔處理的方式進(jìn)行。耳硐開挖在東、西方向均采用跳挖方式進(jìn)行，但在整個(gè)環(huán)形措施巷內(nèi)，不允許同時(shí)揭露2個(gè)凍結(jié)孔。耳硐累計(jì)開挖個(gè)數(shù)為34個(gè)，有些一個(gè)耳硐揭露2個(gè)凍結(jié)孔，個(gè)別耳硐有重復(fù)開挖。

8月17日原交叉點(diǎn)處頂板垮落后，對(duì)環(huán)形措施巷支護(hù)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)變更：環(huán)形措施巷與耳硐掘進(jìn)過程中支護(hù)形式全為頂部錨桿支護(hù)+鋼梁棚支護(hù)，側(cè)幫部采用錨網(wǎng)支護(hù)，并采用鋼筋混凝土塊、方木背實(shí)巷道頂與幫。為保證凈斷面符合支護(hù)要求，措施巷掘進(jìn)斷面變更為2.0（高）×2.0m（寬），控制斷面不大于2.3m。

4.2 探水孔施工

在掘進(jìn)環(huán)形措施巷聯(lián)絡(luò)巷時(shí)，每循環(huán)布置超前探放水孔4個(gè)，探6m掘3m；在環(huán)形措施巷施工過程中，超前探測每個(gè)循環(huán)布置4個(gè)鉆孔，探測孔孔深均為5m，每個(gè)循環(huán)允許掘進(jìn)距離為3m。耳硐探查孔施工過程中，為了更容易揭露凍結(jié)管，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行變更：在迎頭工作面布設(shè)超前探放水孔個(gè)數(shù)不少于4個(gè)，4個(gè)探查孔距離底板1m，上揚(yáng)角3°，1#、4#孔外偏8°，2#、3#孔外偏3°，孔與孔之間間距為0.42m，探水孔孔深3.5m。

4.3 凍結(jié)孔水害處理

凍結(jié)孔的處理分為有水和無水兩種情況，無水情況下，直接完全揭露凍結(jié)孔、割管、回填、注漿；有水情況下，先將水引出來，回填、注漿，等凝固之后從旁邊耳硐再開挖揭露、割管、回填、注漿。凍結(jié)孔揭露、割管、注漿都是按照原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行的。部分涌水凍結(jié)孔揭露及處理情況如表1所示。

表1 部分涌水凍結(jié)孔揭露及處理情況表

處理過程中共揭露出水孔8個(gè)，水量20～80 m3/h，總水量約為43萬m3/h。

另外，在處理最后一個(gè)凍結(jié)孔時(shí)，由于東環(huán)形巷聯(lián)絡(luò)巷道的長期存在，使得東環(huán)形巷口松動(dòng)圈范圍較大，導(dǎo)致東環(huán)形巷口頂板及周圍淋水較大，且注漿時(shí)漿液跑漿、漏漿嚴(yán)重。經(jīng)研究決定，在距離現(xiàn)東環(huán)形巷口向北4.85m位置重新開口，掘進(jìn)至12號(hào)孔引水管處，將引水管引出來之后回填、砌墻、注漿巷道，再從引水管處注漿，徹底封堵住凍結(jié)孔水，2014年1月4日，主井凍結(jié)孔水害治理工程全部完成。

4.4 巷道及耳硐回填注漿

每個(gè)耳硐都施工壁后注漿孔進(jìn)行注漿，施工深1m的Φ42mm裸孔，預(yù)埋Φ25mm注漿管，待耳硐回填注漿完成后用1:1的水泥漿進(jìn)行注漿，注漿壓力不得大于3MPa。耳硐回填采用袋裝礦渣充填，硐口采用50紅磚支模，拱頂及兩幫頂角部位上掏150mm，預(yù)埋注漿返流管，下部預(yù)埋注漿管。注水灰比0.5:1水泥漿進(jìn)行固結(jié)密實(shí)。耳硐及環(huán)形措施巷回填密實(shí)，在頂部預(yù)埋Φ25mm注漿管，待下部注漿管注漿完成后用0.5:1～1:1的水泥漿進(jìn)行注漿充填加固補(bǔ)強(qiáng)。待所有凍結(jié)管處理完成后再進(jìn)行環(huán)形巷回填、注漿，回填距離為每隔10m回填一段。

5 水害治理效果評(píng)價(jià)

本次水害治理工程共揭露凍結(jié)孔32個(gè)（全部揭露），對(duì)31個(gè)凍結(jié)孔割管（其中一個(gè)凍結(jié)孔無管），32個(gè)全部進(jìn)行注漿處理。

5.1 主井水量變化情況

7月21日，主井西裝載硐室南幫及井筒處出水，最大水量156m3/h，主井出水后即進(jìn)行水害治理工程。水害治理過程中至8月15日13點(diǎn)20分，在W6耳硐掘進(jìn)時(shí)，迎頭正前方出水，水量最大80m3/h，17點(diǎn)30分，主井出水點(diǎn)涌水量從218m3/h突降至3～4m3/h，此時(shí)耳硐涌水量達(dá)100m3/h，這之后主井7.21出水點(diǎn)處水量基本消失，2014年2月28日涌水量主井井筒涌水量11.9m3/h左右，說明該治水方案合理，治水效果明顯。

5.2 WB6水文觀測孔水位變化

WB6水文孔位于主井西北方向，距離主井472m，觀測下含水層段水位，2013年7月21日出水后，WB6水文孔水位有明顯的下降，累計(jì)降幅達(dá)65.5m。隨著工程的進(jìn)展，WB6水文孔水位慢慢回升，至2014年1月4日最后一個(gè)凍結(jié)孔注漿封堵完成，水位明顯的上升，累計(jì)上升13.5m，說明很好地封堵住了下含水層段的出水通道。從主井涌水量變化情況、WB6水文孔水位變化情況都可以看出，主井水害治理前后效果明顯，說明本次水害治理工程達(dá)到既定目標(biāo)。

6 水害治理結(jié)論

本次利用環(huán)形措施巷逐個(gè)揭露凍結(jié)孔及進(jìn)行割管、注漿的方案徹底解決了困擾塔然高勒煤礦已久的主井凍結(jié)孔水害問題，達(dá)到了堵截凍結(jié)管內(nèi)及環(huán)狀空間，封閉導(dǎo)水通道的目的，確保主井安全有效的投入正常生產(chǎn)，為礦井的按時(shí)投產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于類似的受凍結(jié)孔水害影響的礦井，有很大的參考價(jià)值。

[1]梁振宏.基于巷道掘進(jìn)過程中的綜合防水技術(shù)研究 [J].科技與企業(yè),2014,09:204-204.

塔然高勒煤礦凍結(jié)孔突水綜合防治技術(shù)的應(yīng)用與研究

■韓克勇 任勝文

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-10-96-2