塔然高勒煤礦凍結孔突水綜合防治技術的應用與研究

（神華杭錦能源有限責任公司 內蒙古杭錦旗017400）

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塔然高勒煤礦是神華集團首座千萬噸級豎井，礦井采用立井開拓方式。建設初期采用普通法施工，之后由于所揭露的實際水文地質情況發生變化，改為凍結法施工，在主井周圍共施工32個凍結孔。為了給井塔基礎施工創造有利條件，對井筒凍結壁強制解凍并進行了射孔注漿，但在解凍過程中，井筒出現不同程度的涌水，采用井筒壁間注漿與壁后注漿封堵。為砌底治理凍結孔突水采用在有利地層施工環狀隔離體阻斷不良凍結孔導水通道方案。工程達到了很好的治理效果，可以對受凍結孔環狀空間水害威脅的礦井提供參考。

凍結孔環狀空間環狀隔離體阻斷

1 主井基本概況

主井于2007年6月18日開工建設，井筒掘進受四個含水層影響：第四系松散層潛水含水層、白堊系下統志丹群孔隙潛水～承壓水含水層、侏羅系中統～侏羅系中下統延安組裂隙孔隙承壓含水層、三疊系上統延長組碎屑巖類承壓水含水層，其中侏羅系含水層對開采影響最大。侏羅系中統～侏羅系中下統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K=0.0154～0.2327m/d；富水性弱到中等，導水性中等。

在施工過程中，隨著井筒逐漸向下延伸，所揭露的水文地質條件發生了較大變化，特別是井筒涌水量方面，遠遠超出了地質報告提供的預計涌水量（15～20m3/h），當井筒掘至488m時，實際涌水量達到118m3/h，后經專家經論證，-488m以下井筒由普通法改為凍結法施工。

2009年1月11日在主井周圍開始施工凍結孔，共施工鉆孔32個，單孔深度658m，2011年2月16日開始對井筒凍結壁強制解凍并射孔注漿，強制解凍的深度為80m，為做井塔基礎創造條件，射孔注漿的深度為610m，封堵裝載硐室以上凍結管環狀空間。在解凍過程中，井筒出現不同程度的涌水，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。此次出水嚴重制約了主井的正常施工，影響到整個礦井的工期計劃，為了確保主井今后能更加安全有效地投入正常的生產，有必要從根本上解決主井凍結孔水害問題。

2 主井出水原因分析

凍結孔孔徑190mm，凍結管（無縫鋼管）直徑140mm，壁厚7mm，為了給井塔基礎施工創造有利條件，對井筒凍結壁強制解凍，但因解凍效果不徹底就進行了射孔注漿，導致射孔注漿的效果也不理想，凍結管與凍結孔之間的環狀空間未完全封堵，從而形成了“環狀空間”，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。任何一個導水管道與巷道溝通都有可能出現較大的涌水。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水，但充填碎屑物幾乎沒有膠結強度，較松散上面含水層水會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，對混凝土構筑物造成威脅，造成井筒下部混凝土構筑物強度無法承受高水壓而破裂損毀導致井筒突發性涌水。

3 主井水害治理方案

主井凍結孔水害治理思路：在有利地層施工環狀隔離體阻斷不良凍結孔導水通道。在井筒欲保護的構筑物鄰近上方選擇一隔水且巖性較堅固地層，通過開掘斷面2m*2m的巷道，通過開挖耳硐揭露每一個凍結孔，截斷凍結管，然后施工混凝土或注漿體阻斷凍結孔導水通道，阻止上、下水力聯系，達到根治主立井凍結管水害的目的。

3.1 環形措施巷及耳硐布置與施工設計

3.1.1 環形措施巷布置

巷道開口中心線位于進風聯絡巷中心線以西15m處，沿正北方向1°上山施工10.15m到達措施巷位置。環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 環形措施巷及耳硐設計平面圖

3.1.2 耳硐布置

在平面上共布置30個耳硐，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，以揭露凍結管為目的。

3.2 措施巷及耳硐支護方案設計

環形措施巷的支護方式為采用主動錨桿加金屬網片支護方式；耳硐支護采用主動錨桿支護加被動鋼棚支護方式。

3.3 主井井筒變形預防方案

環形措施巷和耳硐的開挖中，周圍巖體的應力重分布，會使得圍巖產生變形并導致井筒變形。但據模擬計算，絕對變形量在0.001mm級別，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，井筒內不安設固定監測點，采取巡視檢查的方法，對措施巷高程上下5m范圍進行定期巡查，同時，在環形措施巷與耳硐的開挖過程中，采用收斂計對巷道變形進行監測。

3.4 探水孔施工設計

在掘進聯絡巷時，布置超前探放水孔4個，傾角為+5°，孔徑Φ32mm，孔深6m；在環形措施巷施工過程中，超前探測每個循環布置4個鉆孔，鉆孔以探測掘進巷道前方可能存在的凍結孔水害威脅為主要目的，探測孔孔深均為5m；耳硐探水在布設超前探放水孔個數為4個，探水孔深3.5m。

3.5 凍結孔水害處理方案

3.5.1 凍結孔揭露

在巷道掘進過程中，執行先鉆探，后揭露的方法，對巷道掘進前方與側幫位置進行超前探測。對無水的凍結孔，直接揭露處理；對有水的凍結孔，如果水量及水壓不大，則通過耳硐直接揭露凍結孔，如果凍結孔內涌水量太大，無法直接揭露，則根據現場情況，進行引流注漿后再通過其他耳硐揭露該凍結管。

3.5.2 凍結孔割管

揭露凍結管且采取相應固管措施后，對底板凍結管外圍進行掏槽，掏槽深度500mm，將凍結管割除。

3.5.3 凍結孔注漿

凍結孔的注漿分三種情況進行。

3.5.3.1 上部孔注漿

第一步，對凍結管外部的環狀空間進行注漿；第二步，對凍結管進行注漿封堵。整個注漿均采用插管注漿方式進行，即在環狀空間與凍結管內注漿時，均向注漿空間插入2根注漿管，一高一低，對環狀空間或凍結管進行注漿封堵，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中出現大量涌水，如無其他凍結孔泄水，需在井筒內實施泄壓孔施工。其施工工藝如下：在巷道或耳硐內將凍結孔全部揭露，向凍結孔上方后下入108mm引流管1，將凍結管水流導入108mm引流管1，在措施巷內高于措施巷頂板3m位置進行引流孔施工，揭露凍結孔后下入引流注漿管2，進行水泥-水玻璃雙液漿固管，從引流注漿管1進行雙液漿注漿，至引流注漿管2返漿暫停。待強24小時。通過引流管2接通注漿管進行升壓注漿，注漿終壓6MPa。（詳見圖2）

圖2 引流注漿圖

3.6 環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尺很大，對主井井筒周圍巖體造成較大的破壞或擾動，將環形措施巷分成東、西兩個部分掘進成巷，由環形措施巷聯絡巷向兩邊分別進行施工，在正北方向貫通。凍結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行。耳硐開挖在東、西方向均采用跳挖方式進行，但在整個環形措施巷內，不允許同時揭露2個凍結孔。耳硐回填注漿采用硐口支單模封閉注漿。硐內采用袋裝礦渣充填。硐口采用37紅磚支模；拱頂及兩幫頂角部位上掏150mm，預埋注漿返流管，下部預埋注漿管。注水灰比0.5:1水泥漿進行固結密實。

4 主井水害治理完成情況

4.1 環形措施巷及耳硐掘進

4.1.1 環形措施巷

環形措施巷起初按原設計方案進行施工，8月17日，揭露22號凍結孔，環形空間出水量在100m3/h，最大水量160m3/h，處理過程中環形措施巷交叉點處及環形措施巷東側5m左右頂板出現較大淋水，水量在70m3/h左右。19:05，交叉點處垮落。

經研究決定，對交叉點三個方向進行封閉，在現環形措施巷與進風巷位置分別重新開口。第一個開口位置在現環形措施聯絡巷西側10m，聯絡巷方位角0°。該聯絡巷從開口位置掘進12m后，方位角變為40°，垂直揭露環形措施，轉彎后揭露距離約1.324m。第二個開口位置在進風聯絡巷位置，巷道中心距離井底人車場中線約10.867m，巷道方位角270°，掘進3.6m后，方位角變為320°，再掘進約4.092m后揭露東側環形措施巷。

4.1.2 耳硐

8月17日原交叉點處頂板垮落后，為了保證巷道掘進安全，對耳硐施工進行設計變更：環形措施巷向前施工一段→開挖耳硐→處理凍結管→回填、注漿耳硐→再施工環形措施巷，如此循環。耳硐施工采用間隔處理的方式進行。耳硐開挖在東、西方向均采用跳挖方式進行，但在整個環形措施巷內，不允許同時揭露2個凍結孔。耳硐累計開挖個數為34個，有些一個耳硐揭露2個凍結孔，個別耳硐有重復開挖。

8月17日原交叉點處頂板垮落后，對環形措施巷支護方式進行設計變更：環形措施巷與耳硐掘進過程中支護形式全為頂部錨桿支護+鋼梁棚支護，側幫部采用錨網支護，并采用鋼筋混凝土塊、方木背實巷道頂與幫。為保證凈斷面符合支護要求，措施巷掘進斷面變更為2.0（高）×2.0m（寬），控制斷面不大于2.3m。

4.2 探水孔施工

在掘進環形措施巷聯絡巷時，每循環布置超前探放水孔4個，探6m掘3m；在環形措施巷施工過程中，超前探測每個循環布置4個鉆孔，探測孔孔深均為5m，每個循環允許掘進距離為3m。耳硐探查孔施工過程中，為了更容易揭露凍結管，對原設計進行變更：在迎頭工作面布設超前探放水孔個數不少于4個，4個探查孔距離底板1m，上揚角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 凍結孔水害處理

凍結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。凍結孔揭露、割管、注漿都是按照原設計方案進行的。部分涌水凍結孔揭露及處理情況如表1所示。

表1 部分涌水凍結孔揭露及處理情況表

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

另外，在處理最后一個凍結孔時，由于東環形巷聯絡巷道的長期存在，使得東環形巷口松動圈范圍較大，導致東環形巷口頂板及周圍淋水較大，且注漿時漿液跑漿、漏漿嚴重。經研究決定，在距離現東環形巷口向北4.85m位置重新開口，掘進至12號孔引水管處，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，徹底封堵住凍結孔水，2014年1月4日，主井凍結孔水害治理工程全部完成。

4.4 巷道及耳硐回填注漿

每個耳硐都施工壁后注漿孔進行注漿，施工深1m的Φ42mm裸孔，預埋Φ25mm注漿管，待耳硐回填注漿完成后用1:1的水泥漿進行注漿，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，預埋注漿返流管，下部預埋注漿管。注水灰比0.5:1水泥漿進行固結密實。耳硐及環形措施巷回填密實，在頂部預埋Φ25mm注漿管，待下部注漿管注漿完成后用0.5:1～1:1的水泥漿進行注漿充填加固補強。待所有凍結管處理完成后再進行環形巷回填、注漿，回填距離為每隔10m回填一段。

5 水害治理效果評價

本次水害治理工程共揭露凍結孔32個（全部揭露），對31個凍結孔割管（其中一個凍結孔無管），32個全部進行注漿處理。

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，主井出水后即進行水害治理工程。水害治理過程中至8月15日13點20分，在W6耳硐掘進時，迎頭正前方出水，水量最大80m3/h，17點30分，主井出水點涌水量從218m3/h突降至3～4m3/h，此時耳硐涌水量達100m3/h，這之后主井7.21出水點處水量基本消失，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，累計降幅達65.5m。隨著工程的進展，WB6水文孔水位慢慢回升，至2014年1月4日最后一個凍結孔注漿封堵完成，水位明顯的上升，累計上升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到既定目標。

6 水害治理結論

本次利用環形措施巷逐個揭露凍結孔及進行割管、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孔水害問題，達到了堵截凍結管內及環狀空間，封閉導水通道的目的，確保主井安全有效的投入正常生產，為礦井的按時投產打下了堅實的基礎。對于類似的受凍結孔水害影響的礦井，有很大的參考價值。

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

塔然高勒煤礦凍結孔突水綜合防治技術的應用與研究

■韓克勇 任勝文

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-10-96-2