孟村煤矿井筒施工水害治理对策

王 刚

(陕西能源职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

煤矿水害是与粉尘、火灾、矿压、瓦斯并列的五大井下灾害之一，由于我国水文和煤矿地质环境多样且复杂，煤矿开采活动普遍受到水害威胁[1-2]。据统计，在现已探明的煤炭含量中，受水害威胁的含量约占27%，压煤超过100亿t[3]。我国西北地区采掘煤层围岩处于高岩溶、高地温、高地压的地质力学环境中，极易因采掘振动而引起底板岩溶水事故[4-5]。西北矿区在高强度、规模化、现代化的开采条件下，遇到透水、溃砂、顶板涌水等新型水害的频率相对较高，严重威胁井下施工人员生命安全[6-7]。拟不完全统计，2016—2020年我国共计出现35起矿井水害事故，死亡高达200多人，在全部煤矿安全事件中占比15%以上，发生频率仅次于瓦斯事故，这也从侧面反映出煤矿井下水害对施工安全所产生的严重影响[8-11]。陕西省孟村煤矿主、副井与回风立井实际揭露水量大幅高于预测值，风井、主井掘进至下白垩统第一段含水层后，涌水量实测值分别高达116.57 m3/h和347.72 m3/h，井筒施工被迫停止。因此，研究模拟分析该煤矿井筒所穿遇的下白垩统第一段含水层的涌水量规律，进而提出相应的水害治理对策。

1 水害防治目标与治理方式选择

避免出现因涌水而造成的严重淹井事故，恢复井筒正常施工，工作面预注浆段每延米涌水量保持在0.5 m3/h以内，白垩系总涌水量维持在6 m3/h以内。假设井筒荒径9.6 m，预掘段为25 m，基于现有施工经验和现场排水能力，在段内涌水量超过50 m3/h的情况下采用预注浆施工方式；在段内涌水量低于50 m3/h的情况下，采用直接掘进再壁后注浆的施工方式。假设探水孔孔径为0.1 m，探水深度为40 m，则相应的掘进与探水计算模型如图1所示。

图1 掘进与探水计算模型Fig.1 Calculation model of excavation and water exploration

掘进与探水计算模型整体呈圆柱形，高60 m，半径100 m。基于多级外侧水压进行计算，发现在筒开挖25 m涌水量50 m3/h时，40 m深的探水孔的涌水量为19.98 m3/h。因此在40 m深探水孔出水量低于19.98 m3/h时，采用直接掘进的施工方式，此后通过壁后注浆来治理水害。若探水孔出水量超过19.98 m3/h，则立即针对预掘段实施预注浆处理。

2 井筒注浆

2.1 工作面探水

于井筒周边均匀设置4个探水孔，设定40 m为一个轮次，设计深度为40 m，倾角为85°，井筒荒径与探水孔之间保持1 m距离，井筒与终孔保持3 m距离，具体布设方案如图2所示。

在实施探水孔施工之前，首先以3.5 m的钎子对开孔位置实施短探，探孔深度3.5 m，钻孔直径42 mm。在探水孔布置参数的指导下，通过潜孔钻配合φ108 mm的钻头打造深3.2 m的孔洞。在此基础上，安装长3.2 m、φ89 mm的孔口管，通过返浆法固管，管头外露小于0.2 m，于孔口上部安装抗压12 MPa、φ80 mm的阀门。

静置24 h后通过注浆机试压，于孔深4 m位置设置高压阀门，试压时间20min，压力10MPa。通过φ75 mm无心钻实施套孔钻进，在孔内涌水量达40 m3/h的情况下钻机抽出，测量水压与水量并将阀门关闭。记录探水孔出水水量，基于返屑情况和钻进速度判别岩性层位。

图2 探水孔布设方案Fig.2 Layout scheme of water probe hole

2.2 壁后注浆

在实施掘进施工且涌水量处于30～60 m3/h时实施壁后注浆施工，对位于井壁的明水点实施封堵。预期理想效果如图3所示。

图3 壁后注浆预期效果Fig.3 Expected effect of back wall grouting

2.3 注浆高度

基于井筒涌水量预测结果，壁后注浆范围应覆盖下白垩统第一段位置，三井累计注浆段高为900 m。

2.4 布孔方式

(1)明水点封堵。通过打孔作业来封堵位于井壁的明水点，可采用直接打孔和侧边打孔2种钻孔布置方式，具体形式如图4所示。

直接打孔的处理方法为：在注浆孔进入壁后一定深度时安装孔口管并注入速凝浆液。而水流与水压的作用下，水口会逐渐被反流回来的浆液封堵。在此基础上原位套孔延伸1～2 m，以充分扩散浆液为目的实施二次注浆，使壁后出水通道被彻底封堵。侧边打孔的处理方法为：首先对深度较大的注浆孔实施水压疏导处理，沟通壁后水源，降低出水点水压与水量；在此基础上，针对深度较小的孔实施注浆处理，采取与直接打孔二浆注浆相同的处理方法。

图4 明水点封堵布孔方式Fig.4 Hole arrangement for open water point plugging

(2)排状布孔。在井壁横向布孔方面，风井和主井均各排均设置4个孔位，孔位间距4.7 m；副井各排设置5个孔位，孔位间距5.2 m。为确保各孔位注浆后所溢出的浆液能够相交，需要预先设定2 m的浆液扩散半径；在井壁纵向布孔方面，主井、副井和风井各段均布设2排孔位，为了确保渗漏集中位置能够实现井壁模板的充分接茬，需要在井壁接茬上、下0.6～0.7 m位置采用插花式的布孔方案。具体布设形式如图5所示。

2.5 注浆材料参数

本次研究通过水泥—水玻璃双液浆和纯水泥浆两种材料对井壁裂缝和孔洞实施填补，其中水泥—水玻璃双液浆用于填充井壁微细裂隙，纯水泥浆用于填充较为宽大的井壁空洞和裂隙，2种注浆材料的具体配置参数见表1和表2。

3 工作面预注浆设计

3.1 注浆段选择及划分

基于既定的设计方案，本次研究在孔深40 m 的探水孔单孔涌水量超过19.98 m3/h时实施工作面预注浆处理。主立井注浆分2段施工，分别注浆45 m，开挖35 m，为形成预留岩帽，还需于2段之间交叉10m。副立井采用同样的注浆与开挖方案。风立井设10 m的额外注浆段和7 m的混凝土止浆垫，预计强含水层厚36 m，注浆钻孔总深度为53 m一次注浆。

图5 立井破壁注浆布孔设计Fig.5 Hole layout design of shaft wall breaking grouting

表1 单液水泥浆配制参数Tab.1 Preparation parameters of single liquid cement slurry

表2 水泥—水玻璃双液浆配置参数Tab.2 Configuration parameters of cement water glass double slurry

3.2 止浆垫设计

3.2.1 止浆垫厚度

采用强度等级为C50混凝土制作平底形止浆垫，止浆垫厚度的计算方法如下：

(1)

式中，Bd为止浆垫厚度；P0为注浆终压力；r为井筒掘进半径；[δ]为混凝土最高抗压强度。

混凝土最高抗压强度的计算方法如下：

(2)

式中，f3-7为3～7 d内混凝土的最高抗压强度；γk为荷载系数，通常取28 d强度的2/3，取2～3。

3.2.2 井壁强度验算

井壁强度验算公式如下：

(3)

式中，D为井筒直径；E为井壁厚度；h为球面度，通常取h=0.3。

3.2.3 止浆垫滤水层的厚度

止浆垫滤水层的厚度的验算方法如下：

(4)

式中，q为井筒水量；t为停泵时间；β为碎石层的孔隙率，r为井筒荒半径。

3.3 注浆孔布置

研究中，预注浆采用内外双帷幕封闭、径向斜切斜孔的布孔方式，注浆孔数的计算公式如下：

(5)

式中，A为井壁与注浆孔间距；L为注浆时间。

径向偏角计算公式如下：

(6)

式中，α为钻孔在径向上与竖直轴线的夹角；S为终孔位置在径向上超出净直径的距离；H为穿过底板岩层时段高。

以副立井193工作面为例，根据表3的各项参数布置注浆孔，预设井筒有效帷幕厚度4.5 m，预设浆液有效扩散半径R=2.0 m，以浆液均匀扩散的方式实施注浆，帷幕厚度要求如图6和图7所示，钻孔总进尺1 467 m，“J”表示检查孔，“Z”表示注浆孔。

表3 注浆孔布设参数Tab.3 Layout parameters of grouting hole

图6 副井注浆孔开孔位置Fig.6 Opening position of grouting hole in auxiliary shaft

图7 副立井193工作面预注浆孔布置Fig.7 Layout of pre grouting holes in 193 working face of auxiliary shaft

4 注浆治理效果

以主立井为例，该项目施工总计持续1年，共实施6次壁后注浆，月平均进尺22 m，白垩系地层厚度267 m，井筒全长684 m，最终顺利掘砌到底。

4.1 工作面预注浆

分别于井深227.3、245.3 m工作面实施预注浆处理，通过第1段和第2段注浆建立如图8所示的预留岩帽。

图8 主立井水下混凝土止浆垫施工方案Fig.8 Construction scheme of underwater concrete mortar stop pad for main shaft

在整个施工过程中，施工单位于井深227.3 m位置遇到爆破突水淹井问题，后通过水下混凝土止浆垫建立新的作业面，成功解决该问题；在进入注浆钻孔施工阶段后，于单个注浆孔12 m深度下，遇到涌水量125 m3/h且超过10 m的涌水现象，同样针对工作面采取两次预注浆的处理方案，成功将涌水量压制在10 m3/h以内。第1次注浆钻孔总钻孔深度3 289 m，建立注浆孔45个、顶部增设止浆垫3.5 m、浇注混凝土止浆垫7 m，注浆后段内掘进总涌水量15.25 m3/h，共注入水玻璃311.39 t、强度等级为C50混凝土1 799.40 t，施工时长共计2个月。第2次注浆总计钻孔深度5 122.5 m，建立工注浆孔45个、浇注混凝土止浆垫2.7 m，注浆后段内掘进总涌水量18.48 m3/h，水玻璃用量169.2 t，强度C50混凝土用量1 027.73 t，施工耗时1个月。

4.2 壁后注浆

壁后注浆共建立约600个注浆孔，消耗水玻璃约50 t，强度等级为C50混凝土约300 t，注浆后井筒涌水量被压制在10 m3/h以内，施工效果显著。

5 结论

陕西省孟村矿井在经过两段注浆施工后，井下涌水问题得到了根本性的解决，主、副、风井涌水量最终被控制在0.24、1.65、1.80 m3/h的水平线上，整个施工过程安全顺利，井筒施工质量合格，相比于传统的冻结法施工方案可节约附加费用70%以上，节约施工工程50%以上，显著提升了该矿区的生产效益。

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