高河煤礦進(jìn)風(fēng)井突水防治技術(shù)研究

趙愛軍，魏森森

（山西高河能源有限公司，山西 長治 047001）

1 礦井概述

高河煤礦是亞美大陸與潞安集團(tuán)合資的特大型現(xiàn)代化礦井，設(shè)計生產(chǎn)能力6Mt/a，立井、單水平開拓。礦井屬高瓦斯礦井，采用分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)，抽出式通風(fēng)，由主、副立井和小莊進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，中央回風(fēng)立井和小莊回風(fēng)立井回風(fēng)。小莊進(jìn)風(fēng)立井為西一盤區(qū)服務(wù)，井筒凈直徑7.5m，2007年4月開工，6月3日凍結(jié)段外壁掘砌施工230.54m；同日，進(jìn)行整體澆筑段穩(wěn)模工作時，垂深234m開始出水，經(jīng)實測涌水量3.6～16.8 m3/h。由于涌水量變化較大，給施工帶來很大困難，急尋有效辦法防止涌水量突增造成事故。

2 突水的防治原則

針對小莊礦進(jìn)回風(fēng)立井的實際，確定施工中必須堅持“有疑必探，先探后掘”的原則。當(dāng)探測出涌水量小于10m3/h時，轉(zhuǎn)入井筒掘砌施工，強(qiáng)行通過含水層；當(dāng)涌水量大于10m3/h時，先設(shè)置止?jié){墊并在其后進(jìn)行工作面注漿；施工時采取“邊探邊掘”、“短探短掘”進(jìn)行。可用傘鉆施工超前探水孔，孔深10m，超前一個掘砌段高的距離不小于6 m。施工中井幫出水、但水量又不大時，可對出水點預(yù)埋導(dǎo)水管將水導(dǎo)出，待吊盤通過導(dǎo)水管時在吊盤上進(jìn)行壁厚注漿封堵。

3 治水技術(shù)的研究及施工

3.1 止?jié){墊厚度的確定與施工

3.1.1 止?jié){墊厚度的確定

當(dāng)涌水量大于10m3/h時，采用設(shè)置止?jié){墊、并在其后進(jìn)行工作面注漿的方案。止?jié){墊質(zhì)量的好壞決定了治水的成功與否，而其質(zhì)量的好壞取決于止?jié){墊的厚度：

式中：B為止?jié){墊厚度，m；P0為注漿終壓，MPa；R為井筒荒半徑，取4.35m；[σ]為止?jié){墊混凝土允許抗壓強(qiáng)度，MPa；一般取混凝土28 d強(qiáng)度的2/3再除以安全系數(shù)2，得16.7 MPa。P0由式（4）得出，最終算得止?jié){墊厚度3.7m。

3.1.2 止?jié){墊施工

止?jié){墊厚3.7m，采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥配制成C50混凝土澆筑。澆筑混凝土止?jié){墊時要保持連續(xù)、不得中斷，并振搗均勻，并應(yīng)防止孔口管位移或偏斜。在止?jié){墊上部預(yù)留一個0.8m見方、深0.5m的水窩，以備注漿施工時排水。

3.1.3 濾水層厚度及慮水桶的設(shè)計

井筒排水到底后，先將工作面浮矸及淤泥清理至硬底，然后根據(jù)注漿孔和濾水桶設(shè)計位置（見圖1）在工作面挖出濾水桶窩。

式中：A為濾水層厚度，m；R為井筒荒半徑，m；β為碎石層的孔隙率，取0.4；Q為停泵時間內(nèi)涌水量，m3；q為井筒涌水量，m3/min；t為停泵時間，一般取t=15 min；通過計算并結(jié)合以往經(jīng)驗確定濾水層厚度為0.5m。

圖1 混凝土漿墊施工示意圖/mm

再把濾水桶放入坑中，按設(shè)計放好孔口管，固定牢固并確保鉛垂。固定孔口管時，要在每個孔口管底端100mm的位置，使用φ20鋼筋將六根孔口管相互焊接成整體。然后便可鋪設(shè)粒徑為20～40mm的碎石濾水層。濾水桶花眼部分的頂端要低于濾水層上平面100mm。濾水層碎石鋪好后，還在碎石上密鋪一層彩條布，然后再鋪紅磚把彩條布壓住，最后澆筑混凝土止?jié){墊。混凝土井壁與止?jié){墊聯(lián)接部分還要鑿毛。

濾水桶采用φ630 mm×12 mm×4 000 mm加工而成，為止?jié){墊澆筑時下放水龍頭排水用。直徑φ=630mm的濾水桶上端焊有高壓法蘭，下端為濾水花眼段，下端埋入濾水層中，待止?jié){墊澆筑好后從桶中抽出龍頭。濾水桶花眼部分不準(zhǔn)超出濾水層上平面，確保起到濾水作用。選用φ108mm×6mm×4000 mm無縫鋼管，上端焊有高壓法蘭做打鉆注漿孔口管，上端高出止?jié){墊0.5m，管身用φ20螺紋鋼纏繞并焊牢?？卓诠茉阡佋O(shè)濾水層之前，按設(shè)計孔位固定牢靠、并確保鉛垂，在孔口管中心距離井壁為0.5m。

3.2 注漿參數(shù)的設(shè)計及施工

3.2.1 注漿液選擇

本次注漿選用單液水泥漿，若遇大構(gòu)造、漿液消耗量大時，為控制擴(kuò)散范圍，可考慮摻速凝劑。單液水泥漿水灰比選用 3/1、2/1、1.75/1、1.5/1、1.25/1、1/1等六個級配。注漿時視壓水吸水量確定其實漿液濃度。為提高可灌性、增大注入量，除濾層加固注漿外，每次注漿前應(yīng)注入1～2m310Be的水玻璃予以處理。速凝劑選用減水早強(qiáng)速凝劑FS—E，其用量為水泥的0.5%。

水泥要求用新出廠的P.O32.5普通硅酸鹽水泥，禁止使用失效結(jié)塊的水泥。

3.2.2 注漿壓力計算

注漿加固圈是防止水涌出的第一道屏障，因地下水有一定的壓力，加固圈的抗壓能力必須要大于這水壓力，注漿孔的壓力值決定了加固圈的質(zhì)量，文獻(xiàn)得出算式：

式中：P0為結(jié)束注漿時孔口的最大壓力，MPa；PH為結(jié)束注漿時注漿泵上的表壓力，MPa；H為計壓點以上的漿液柱高度，m；Hs為受注點至靜水位的高度，m；rc為注漿液相對密度，取1.3。通過計算得出終壓為9.3MPa，結(jié)合以往注漿經(jīng)驗，決定本次注漿終壓取為10MPa。濾水層充填注漿壓力，按靜水壓力2倍考慮，取終壓為4MPa。

3.2.3 注漿孔數(shù)

式中：N為井筒凈徑，取7.5 m；S為孔口距井筒凈徑距離，取 0.5 m；L 為孔間距，取 1.4·rm，rm為漿液擴(kuò)散半徑，取4.9。通過計算并結(jié)合以往經(jīng)驗，確定注漿孔數(shù)為6個。并在6.5m井圈徑上鉆6孔（見圖2）。采用φ90mm鉆頭成孔。鉆注順序為1號、2號、3號、4號、5號和6號，切記亂鉆不注。其中6號孔兼作注漿質(zhì)量檢查孔。

圖2 注漿鉆孔布置圖

3.2.4 井壁強(qiáng)度驗算

式中：[σ']為井壁實際承受壓應(yīng)力，MPa；D 為井壁凈直徑，7.5 m；E為井壁厚度，1.3 m；P為濾水層注漿終壓，取4 MPa；h為球面矢高，1.125 m。計算出的井壁實際最大承受應(yīng)力9.4MPa，小于井壁材料允許抗壓強(qiáng)度50MPa，所以井壁強(qiáng)度能夠滿足注漿要求。

3.2.5 泵量和注入量

1）泵量。一般情況下，可壓水試驗結(jié)果確定泵量。在壓水相同情況下，初期泵量為壓水泵量的80%左右為正常，以后隨著泵液注入量的不斷增加，壓力漸升，泵量逐減，直至結(jié)束為止。

2）注入量。目前注入量的精確計算尚有一定困難，可用粗略算式如下：

式中：Q為注入量，m3；R為漿液擴(kuò)散半徑，取3.5 m；H為注漿段高，66m；η為巖石裂隙率，取2%；β為漿液有效充填系數(shù)，取0.9%；m為結(jié)石率，取0.8%；λ為漿液損失系數(shù)，取1.5。平均按水灰比1.5/1折算，注漿段水泥用量約為331.7t。

濾水層充填注漿計算如下：

式中：r為井筒荒半徑，取4.35 m；h為濾水層厚度，取0.5 m；η為濾水層孔隙率，取43%；其他符號意義同上。按水灰比1/1折算，注漿段水泥用量約為16.2t。此次注漿共需水泥約348t。

3.2.6 注漿施工

1）壓力試驗。每孔終孔測水后，接通輸漿管路進(jìn)行壓水試驗，壓力由小到大逐步升壓到最大注漿終壓，測定各不同參數(shù)時的吸水量曲線，壓水時間為2～3h。

2）注漿工藝。①工藝流程：單液水泥漿，經(jīng)二次攪拌→注漿泵→輸漿管→控制閥→孔口管→巖層裂隙。②據(jù)壓水結(jié)果，確定起始漿液配比。③壓力調(diào)整：注漿壓力變化有時漸變，有時呈波狀，調(diào)整壓力應(yīng)與孔內(nèi)情況、漿液濃度等密切配合，當(dāng)漿液濃度確定后，用人為的方法控制泵量，使壓力達(dá)到終壓。④漿液調(diào)整：漿液在巖層裂隙中充填階段時，如壓力和進(jìn)漿量穩(wěn)定不變時，應(yīng)逐級加大濃度；如壓力上升快，進(jìn)漿量很快減小，應(yīng)依次降低漿液濃度，每改變一次漿液濃度可持續(xù)20min。⑤注漿結(jié)束前應(yīng)壓注清水，使管路大部分漿液注入巖層裂隙中，但要防止清水壓入地層。當(dāng)壓清水時需及時通知井下準(zhǔn)備閉閥瀉漿。然后清理整個注漿系統(tǒng)。⑥養(yǎng)護(hù)、打孔、復(fù)注：每孔首次注漿結(jié)束后，養(yǎng)護(hù)2～3 h用鉆機(jī)掃孔到底，沖孔測水后進(jìn)行復(fù)注，復(fù)注次數(shù)可一至多次，復(fù)注時采用稀漿，水灰比選用3/1或2/1。⑦注漿結(jié)束后，由記錄員及技術(shù)員整理各孔鉆注全部數(shù)據(jù)資料，填表繪圖上報、存檔。

4 結(jié)束語

小莊進(jìn)風(fēng)井開鑿到井深234m出水段時，開始采用本文提出的解決方案，直到井筒最終建成也沒有出現(xiàn)由于涌水而影響施工的現(xiàn)象，保證了進(jìn)風(fēng)井順利地高質(zhì)量完成，結(jié)論如下：第一，針對井筒開鑿過程中經(jīng)常受到地下水的危害，提出了采用“先探后掘”的原則。第二，提出了動態(tài)治水方案，降低成本，提高施工安全系數(shù)。

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