一種深基巖凍結井筒凍結孔水害治理技術*

路根奎 邵紅旗

(1.陜煤集團神木檸條塔礦業有限公司;2.中國煤炭科工集團西安研究院)

隨著我國西部煤炭行業的蓬勃發展，凍結法施工的深基巖全深立井井筒越來越多，凍結工程結束即井筒施工完成之后，限于技術或工程難度往往不能把凍結管完全拔出并充填水泥砂漿對凍結孔進行徹底封孔，形成封閉不良導水通道。后期由于礦井建設需要，與井筒相配套的巷道或硐室與其相貫通，必須揭穿凍結孔，溝通凍結孔環狀導水通道水，當地下水壓及涌水強度較大時，容易造成凍結孔涌水水害。該種水害的特殊性是通道垂深大、流速高、沖刷力大、涌水中夾雜大量黃泥循環液及泥沙等，極易把井筒壁后掏空危及井筒整體穩定性，造成井筒不均勻下沉及開裂災難性事故。如不及時徹底治理，礦井投產后，極易將上部含水層水源導通到煤系地層，對安全生產造成極大水患威脅。

本研究在分析凍結孔環狀導水通道生成及涌水機理基礎上，提出一種從根本上治理深基巖凍結井筒凍結孔涌水水害的新技術。以胡家河礦主立井井筒凍結孔水害治理項目為工程實例，證明該種新技術能從根本上治理深基巖凍結井筒凍結孔涌水水害，可取得巨大經濟效益和社會效益。

1 深基巖凍結井筒封閉不良凍結孔涌水機理分析

我國西部地區深基巖凍結井筒(如胡家河煤礦、孟村煤礦、亭南煤礦及塔然高勒煤礦等凍結井筒)與中東部地區新井建設相比，具有井筒直徑大、沖積層淺、軟弱基巖深、含水層多等特性。特別是基巖多為白堊系、侏羅系巖層，成巖晚、膠結程度差、強度低，多屬軟弱不穩定巖層，遇水軟化，強度急劇下降，有的水解成為軟泥、砂和礫石，且含水層多為孔隙裂隙含水層，漿液擴散難，預注漿效果差，當基巖含水層涌水量大時，不得不采用全深凍結法鑿井［1］。

胡家河礦主立井屬典型的西部地區深基巖全深凍結井筒，井筒一周布置36根凍結管，貫穿全井深的凍結孔(200 mm)與凍結管(133 mm)之間形成上下導通的環狀空間，這里稱其為原生導水通道;由后期施工影響及水文地質條件發生變化造成的環狀導水通道稱其為次生導水通道。如圖1所示。

圖1 原生及次生導水通道橫剖面

本研究認為次生導水通道主要由以下幾個方面的作用形成:

(1)抽水資料顯示白堊系洛河組砂巖含水層滲透系數較小，徑流條件緩慢。胡家河礦主立井井筒基巖部分筒身幾乎全部在這層大厚度白堊系洛河組砂巖含水層中穿過，凍結工程形成凍結壁后，壁內洛河組含水層內孔隙裂隙水被凍結，處于靜水凍結狀態，產生約9%的體積膨脹率，凍脹作用比動水凍結強烈，由于體積發生膨脹產生凍脹力對脆性巖石介質顆粒之間產生巨大局部拉、壓應力，使巖石顆粒受到破壞作用，造成巖石內部出現大量損傷裂隙［2-4］，為次生導水通道產生創造了客觀條件。

(2)在凍結壁內爆破開挖8～10 m大直徑井筒，必定會擾動已帶有大量損傷裂隙的凍結巖石介質，造成巖石內應力和強度發生變化，產生巖石應力轉移、集中及巖石強度的減小，使井筒周圍巖體發生變形甚至破壞，進而導致巖石物理狀態的改變，形成圍繞井筒周圍環狀破裂區。因井筒輪廓面為應力自由面，爆破開挖井筒對凍結壁而言是一種卸載過程，意味著解除原巖應力場，使環狀破裂圍巖松動圈內巖體產生開挖變形和開挖位移，對凍結壁中凍結孔圍巖體產生較大拉應力，使巖體中已具有的大量損傷裂隙進一步發育，裂隙寬度變大，互相溝通，進一步促進次生導水通道生成。

(3)工程后期凍結壁逐漸解凍，溫度升高，凍結壁內大量互相溝通的裂隙中的水發生融解，伴隨這一過程的是凍結應力的釋放和水分的遷移，局部損傷裂隙區域進一步上下連通成環狀連續裂縫［3-4］，即次生導水通道。

由于解凍使洛河組含水層水充滿原生及次生導水通道，此時巖土體綜合隔水能力仍大于導水通道中水的水頭壓力而處于平衡狀態。當采掘活動削弱或破壞采掘作業場所與該環狀含水(體)之間的隔水巖層(體)的原有阻隔水能力，不足以完全抗衡含水體的水頭壓力時，該含水體的一部分富余水頭壓力就會推動水流沿著最小阻力方向涌入失去平衡的采掘場所，強烈的動水沖刷作用不斷刷大次生導水通道斷面，使次生導水通道與原生導水通道溝通，形成更大的導水通道，造成凍結孔涌水水害。

2 環形截水巷治理凍結孔水害技術［5-6］

2.1 深基巖凍結井筒凍結孔水害治理技術的提出

胡家河礦主立井井筒采用全深凍結法施工，井筒設計凈直徑6.5 m，掘進荒直徑8.4 m，凈斷面33.2 m2，外壁厚350 mm，內壁厚600 mm，采用雙層鋼筋混凝土雙塑料夾層復合井壁結構支護形式，井筒深539 m，屬于典型的西部礦區深基巖大直徑凍結井筒［7］，見圖2。

圖2 胡家河礦主立井三維模型

井筒穿過的地層由新到老為第四系11.96 m厚粉土及砂礫石松散層含水層、白堊系329.02 m厚洛河組粗粒砂巖承壓含水層、白堊系20.41 m厚宜君組礫巖含水層、侏羅系安定組51.8 m厚粗粒砂巖及砂質泥巖層、侏羅系直羅組32.98 m厚粗粒砂巖及砂質泥巖層、侏羅系延安組111.18 m厚砂巖承壓含水層、侏羅系安定組為礦井相對隔水層。其中洛河組含水層是井筒掘進通過的最長含水層，富水性中等～強，靜止水位埋深7.1 m，其他含水層富水性中等～弱。

2010年3月30日主井井筒箕斗裝載硐室I號檢修通道出現一涌水點(井筒里程位置－471.8 m)，出水口流出大量黃泥水并夾雜有小塊灰綠色泥巖碎石。截至2010年4月9日，井筒涌水量達到158 m3/h，且有繼續增大跡象。硐室北墻右上角有1條裂縫，寬30 mm，長1.2 m;井筒東北部與箕斗硐室拱部肩窩連接處有開裂現象，開裂部位面積約有0.7 m2。2011年1月23日，上倉通風聯絡巷(井筒里程位置－432 m)貫通施工中揭露9號凍結管時再次發生涌水事故，涌水強度約100 m3/h。

通過對我國西部地區深基巖凍結井筒封閉不良凍結孔涌水機理分析可知，要徹底治理胡家河礦主立井凍結孔涌水水害，最關鍵最直接的治理措施就是對封閉不良凍結孔進行封堵。基于這種治理思路，提出一種在上覆含水層下方穩定巖層中沿凍結圈外掘進小斷面環形截水巷道(見圖3)，在截水巷道內采用綜合探查手段探測、揭露凍結管進而封堵凍結孔(見圖4)，對截水巷回填防滲混凝土形成一個環形隔水體(見圖5及圖6)，徹底截斷凍結管及環形空間導水通道，從根本上治理深基巖凍結井筒凍結孔涌水水害的新技術。

圖3 環形截水巷三維模型

圖4 揭露凍結管施工耳硐三維模型剖面

圖5 環形隔水體三維模型剖面

圖6 環形隔水體三維模型

2.2 環形截水巷及耳硐參數研究

環形截水巷參數研究包括合理的布置層位及距井壁的距離、巷道斷面、支護方式等關鍵參數。

2.2.1 環形截水巷布置層位選擇

環形截水巷的開挖位置應滿足以下條件:①在洛河組含水層底部以下，達到阻隔含水層目的;②選在巖性較好的巖層中，有利于巷道圍巖穩定;③巷道頂底板有良好隔水層，施工條件好，有利于混凝土澆筑;④與主井聯通通道通暢，利于環形空間涌水時臨時排水以及治理。綜合考慮以上幾點，選擇井筒里程位置－432 m通風聯絡巷施工環形截水巷。其位于洛河組含水層(井筒里程－350 m)以下，巖性為粗粒砂巖，上下均為較厚的泥巖隔水層，本身是上倉通風聯絡巷與主立井的通風聯絡巷，需與主井貫通。

2.2.2 環形截水巷與井壁的合理距離(L)研究

L的確定具有重要的意義，如果L較小，會導致新開拓環形巷道的塑性區與主井形成的塑性區相互重疊，產生更大的松動圈，從而導致主井井筒破壞;如果L較大，會造成環形截水巷的長度增加，工程量增大，不符合經濟性原則。采用巖土工程專業通用數值分析軟件FLAC3D對環形截水巷開挖過程進行仿真模擬，通道循環開挖分多個區段。計算過程中，主井井壁位移作為監測的重點，在主井內壁和主井外壁各布置1條監測線，每條監測線上布設7個點，計算模擬結果見圖7。

圖7 井壁變形與距離關系

從圖7可知，主井內壁和外壁的水平位移隨著L的增大逐漸減小，最終趨于0，曲線在10.75 m處有明顯的變化拐點，因此，可以得到L=10.75 m是環形截水巷的最佳位置。

2.2.3 環形截水巷斷面尺寸

L=10.75 m時對環形截水巷在開挖及支護過程中的穩定性進行仿真模擬，結果顯示，2 m×2 m的環形截水巷及耳硐在開挖采取錨桿(索)網支護后，圍巖穩定性滿足要求且對井筒井壁穩定性無影響。

2.3 環形截水巷及耳硐施工工序

2.3.1 施工原則及工序

本著盡量減小空頂面積、降低開挖擾動、減少工程量、嚴禁超挖、及時回填、減少巷道暴露時間的原則，確定施工工序如下:掘進1/4圈截水巷—開挖耳硐—處理凍結管—回填耳硐—再掘進1/4圈截水巷—開挖耳硐—處理凍結管—回填耳硐—回填1/2截水巷—…—回填余下的1/2截水巷，完成環形截水巷及耳硐的施工。兼顧施工進度、施工工藝及井筒穩定性等因素，采用“短進尺，弱爆破”的方案進行爆破開挖截水巷及耳硐。

2.3.2 揭露凍結管前的安全預防措施

為預防在在揭露凍結管時，固管、割管及混凝土回填過程中，凍結孔環形空間突然發生涌水、涌渣等事故，采取如下安全預防措施:在超前探放水孔探知剩余有500 mm厚巖柱揭露凍結管時停止掘進，用探水孔準確探到凍結管的具體位置。在耳硐端面上緣凍結管兩側(緊貼凍結管)，用42 mm鉆頭與頂板呈30°角度斜向上施工2個深約1 000 mm的注漿孔，孔內下入2根長1 500 mm直徑為25 mm注漿管，注漿管前500 mm制成花管，后端外露500 mm并帶絲頭，對環形空間進行預注漿。

2.4 凍結管位置探測試驗

為了減少工程量及開挖對圍巖和井壁的擾動，選用了地質雷達、電法、管線定位儀3種方法進行凍結管對比探測試驗，地質雷達探測結果見圖8，電法探測結果見圖9。經過開挖揭示實際凍結管位置與3種探測結果對比可知，電法探測及管線定位儀探測誤差較大，地質雷達能基本確定凍結管位置(誤差在500 mm以內)。

2.5 治理效果評價

2.5.1 變形監測成果分析

為了監測環形截水巷及耳硐圍巖變形情況，選擇典型斷面處對頂板下沉量及兩幫移近量進行監測，見圖10。斷面頂板累計下沉21.74 mm，兩幫累計收斂10.87 mm，在監測期間(至回填結束)變形很小，基本穩定。

圖8 地質雷達探測結果剖面

圖9 電法探測剖面圖

圖10 S2斷面圍巖變形曲線

2.5.2 井筒涌水量監測成果分析

為了保證環形截水巷施工安全、改善作業環境，在措施巷施工前，在井筒內壁先施工泄壓孔，用水龍帶將水導入主井水倉，待環形截水巷回填并注漿補強后，于2011年9月10日開始逐個關閉泄壓孔并進行了封堵注漿。如圖11所示，4月7日開始涌水至9月10日關閉泄水孔，涌水量保持在90 m3/h左右，9月10日開始減小，最終穩定在2 m3/h左右。

圖11 主井涌水量變化曲線圖

3 結論

(1)通過理論分析揭示了深基巖全深凍結井筒凍結孔涌水機理。

(2)基于凍結孔涌水機理分析結果，創新性提出一種根治深基巖全深凍結井筒凍結孔涌水水害新技術。

(3)對于深基巖全深凍結井筒凍結孔導水通道生成機理及涌水機理的分析，能對凍結孔涌水水害防治工程起到理論支撐和技術指導作用。

(4)利用本研究提出的水害治理技術治理胡家河礦主立井凍結孔水害，實踐表明該技術安全有效、經濟合理、技術可行。

［1］ 姚直書，程 樺，榮傳新.西部地區深基巖凍結井筒井壁結構設計與優化［J］.煤炭學報，2010，35(5):760-764.

［2］ Hori M.Micromechanical analysis on deterioration due to freezing and thawing in porous brittlematerials［J］.Int JEng Sci，1998，36 (4):511-522.

［3］ 徐光苗，劉泉聲.巖石凍融破壞機理分析及凍融力學試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(9):3076-3082.

［4］ 張繼周，繆林昌，楊振峰.凍融條件下巖石損傷劣化機制和力學特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(8):1688-1694.

［5］ 嚴廣勞，王 蓬，段王拴，等.環形截水巷處理凍結管防治水方法:中國，102518470A［P］.2012-06-27.

［6］ 武光輝，趙 強，張 健，等.一種地下工程揭露凍結管的封堵及注漿方法:中國，102418535A［P］.2012-04-18.

［7］ 陜西省彬長礦區開發建設有限責任公司胡家河礦井主立井井筒檢查孔勘察地質報告［R］.西安:陜西省煤田地質局186隊，2007.(收稿日期 2012-11-04)