富水砂层段副斜井底板破裂危害及治理技术 sup _sup _王小凤.pdf

煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 井筒被称为矿井的 “咽喉” ， 井筒发生水砂突涌灾 害将严重威胁整个矿井的安全，可能造成矿井停产、 井筒报废、 矿井被淹等恶性灾害[1-4]。据统计， 近 20 年 间，我国已有十余个已建成井筒发生了水砂突涌灾 害。 砂层具有流动性强、 稳定性差的特点， 一旦井壁破 裂， 动水将带砂发生出水携砂现象， 当出砂点通畅， 水 压较高时， 将产生喷砂， 出水出砂口将被快速刷大， 进 而演化为恶性出水溃砂的事故。 比如李粮店煤矿副立 井井壁破裂出水喷砂， 最大出水喷砂流量约 350m3/h， 致使副井井筒以及周边地表沉降、 副井井筒及地面设 施受损， 京广高速铁路限速运行， 目前该井筒仍未完 全修复[4-5]。 本文以鄂尔多斯转龙湾煤矿副斜井为例， 系统介 绍了井筒底板破裂及出水携砂的情况， 分析了其原因 及危害， 制定了科学合理的治理措施。 1副斜井底板破裂情况 转龙湾煤矿副斜井副斜井井筒长度 1513.7m， 斜 井段倾角为 5.5， 净宽 6000mm， 净高 4800mm。 表土 段 （斜长 0408m ） 主要为松散富水砂岩， 采用明槽法 施工， 明槽段 （0408m ） 开挖后将底部夯实， 同时铺设 0.1m厚片石砂浆， 再铺设钢筋笼， 钢筋笼中钢筋间距 为 0.1m， 宽度 8m， 浇灌 0.2m 厚混凝土， 井筒施工完 成后， 由底部开始向上铺设厚 0.3m、 宽 6.0m 混凝土 作为地坪。 转龙湾煤矿副斜井 2014 年建成并交付使用， 使 用过程中发现， 副斜井在松散层段底板出现了破裂及 渗漏现象， 并呈现恶化趋势。特别是 2018 年 12 月以 富水砂层段副斜井底板破裂危害及治理技术 * 王小凤 1， 赵迎春1， 钱自卫2， 谷云鹏1 （1. 兖矿集团 兖煤鄂尔多斯能化有限公司 ， 内蒙古 鄂尔多斯 017000 ； 2. 中国矿业大学 资源与地球科学学院 ， 江苏 徐州 221116 ） 摘要 转龙湾煤矿副斜井底板结构薄弱， 建成后短短几年时间内， 即出现严重底板破裂及出水携砂 现象， 且呈现恶化趋势， 有涌水溃砂风险， 严重威胁矿井的安全。副斜井治理采用 “底板强化加固 壁 后砂层注浆加固” 的总体方案， 底板强化加固主要以 12 矿用工字钢为主体结构； 壁后注浆孔排状布 置， 主注水泥浆液， 注浆过程严格控制压力， 同时进行底板监测。 副斜井治理完成后治理段已无任何出 水现象， 目前已安全通行了两个工作面的采煤装备， 未出现返渗、 底板破裂的现象， 表明治理效果较 好。相关治理经验可为类似问题斜井的治理提供参考。 关键字 副斜井 ； 底板破裂 ； 出水携砂 ； 底板强化 ； 注浆 中图分类号 TD262文献标识码 A文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0088-03 Jeopardize and treatment technology of inclined well floor fracture in water-rich sand interval WANG Xiaofeng1， ZHAO Yingchun1， QIAN Ziwei2， GU Yunpeng1 （1. Yankuang Group Ordos Energy Chemical Co., Ltd., Erdos 719000 ， China ; 2. School of Resources and Earth Sciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116 ， China） Abstract the auxiliary inclined well floor structure of zhuilongwan coal mine is weak, and the phenomenon of fracture and water carrying sand appears, and presents an increasing trend, with the risk of water gushing and sand blasting, which seriously threatens the safety of the mine. Auxiliary inclined shaft treatment adopts the overall plan of “bottom plate reinforcement shaft wall grouting“. The grouting holes in the wellbore are arranged in a row, the main cement grout is injected, the pressure is strictly controlled during the grouting process, and the bottom plate is monitored at the same time. After the completion of auxiliary inclined shaft treatment, there is no water out in the treat- ment section. At present, the coal mining equipment on the two working surfaces has been safely passed, and no water out or floor fracture has occurred, indicating that the treatment effect is good. This experience can provide reference for similar inclined Wells. Key words Auxiliary inclined well ; Floor fracture ; Water carrying sand ; Bottom plate strengthening; grouting 基金项目 国家自然科学青年基金项目 （41602299 ） 88 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 来原有裂缝增大， 底鼓裂隙段变形严重， 涌水量增加， 由 8m3/h 增加到 10m3/h，并且开始伴有少量砂出现， 特别是井筒通行重车后， 出水的含水量明显增加。在 底板设置 8 组观测点， 截止 2019 年 1 月 21 日， 共进 行 8 次观测， 底板变形量最大 10mm， 平均约为 5mm。 表 1副斜井井壁破裂及出水情况统计 2斜井底板破裂的危害 井筒在富水松散砂层段井壁破裂， 裂隙出水携砂 是一个极为危险的信号。井壁出水通道形成初期， 出 砂流动强度较弱， 但随着时间推移， 水砂流量快速增 加， 严重矿井报废等恶性灾害。特别是当出水涌砂层 埋深较大时，壁后砂层所处的水压环境及地压较大， 一旦井壁形成出水涌砂通道，水砂将呈现喷射状外 涌。 水砂外涌过程中， 通道被逐渐刷大， 水砂流量快速 增大。 同时随着水砂的涌出， 壁后砂层逐渐被掏空， 壁 后土层发生沉降， 井壁应力状态改变， 可能造成井壁 进一步破裂， 进而持续增大出水涌砂强度。 综上所述， 井壁水砂突涌过程一般呈现出水涌砂流量及通道规 格的 “双增” 过程[3]。 比如， 2016 年 8 月， 兖矿集团金鸡滩煤矿副斜井 在短时间多次通行超大吨位车辆过程中， 斜井在底板 发生破裂现象， 底板承载能力减弱， 底板下覆砂层发 生液化现象， 斜井发生严重出水涌砂灾害。最大出水 量达到 72m3/h， 最大携砂量达到 16， 地表形成 9 个 塌陷坑，矿井随时有发生突水突砂进而淹井的风险， 后及时采取有效的注浆抢险措施，避免了井筒报废、 矿井被淹等潜在事故[2-3、 6-10]。 综上对比， 转龙湾煤矿副斜井的整体条件比金鸡 滩副斜井要差，金鸡滩煤矿副斜井在出水涌砂灾害 前， 也曾长期出现与转龙湾副斜井类似的断续出水携 砂的现象， 重型车辆的多次通行， 致使斜井发生灾变。 根据金鸡滩副斜井出水涌砂灾害的教训， 转龙湾副斜 井有随时灾变的可能， 必须立即开展治理工作， 避免 较大事故的发生。 3底板破裂治理方案及效果 3.1治理总体思路 转龙湾煤矿副斜井设计采用 “底板强化加固 壁 后砂层注浆加固” 的总体治理方案， 加固段长为斜井 里程 250400m。底板强化以抵抗斜井高强度运行的 压力及底板注浆时的注浆压力， 向壁后砂层中注入浆 液， 浆液在砂层中劈裂扩散， 最终起到减渗及提高壁 后砂层自身稳定性的目的。 3.2底板强化加固措施 破裂底板强化采用“工字钢梁 梁间填筑混凝 土” 加固方式治理。底板加固结构主要采用 12 矿用 工字钢为主体，两根 12 矿用工字钢并焊为一体， 单 根长度 6000m， 作为地梁； 工字钢两端部纵向焊接三 根[20b 型槽钢作为挡梁， 槽钢挡梁与井壁采用锚杆固 定。底梁架设间距 500mm， 地梁之间采用五根 12 矿 用工字钢制作的短接连接。工字钢梁架设完成后， 在 梁间填筑 C40 混凝土。 图 1副斜井底板强化加固设计断面图 （单位 mm ） 3.3壁后砂层注浆加固措施 治理段注浆孔布设如图 2 所示， 壁后注浆孔布置 于斜井的帮部及底板， 排状布置， 排距 2.5m， 相邻排 孔布孔 5 个、 4 个， 注浆孔位展开图呈梅花桩式。 底板 注浆孔结构为 “孔口管 （Φ42600/400 ） 裸孔” 。注 浆设计选用此类水泥浆液，辅助水泥 - 水玻璃双液 浆。 底板注浆设计终压 0.5MPa， 帮顶部注浆设计终压 0.8MPa。 图 2壁后注浆孔布孔示意图 斜井里程主要类型情况描述 0- 290m 顶帮无明显破裂现象， 底板仅发育横向的 施工缝 290- 330m底板裂缝 底板偏南半幅发育连续裂缝 1 条， 无出水 现象 330- 350m 底板裂缝 渗水 底板偏南半幅发育连续裂缝 1 条， 有渗水 现象 350- 400m 底板破裂 水沟离层 流水 底板多条裂缝交错发育，有底鼓现象， 底 板裂缝出水零星携砂， 水沟槽离层， 出水 明显， 400m位置实测总水量约 10m3/h 89 ChaoXing （上接第 87 页 ） 波透视探测获得该工作面的地质情况， 其中异常区域 会对工作面回采带来一定的影响， 由于无线电波透 视结果中异常选取为相对低场强值区， 在回采至异 常边缘时加强地质观测， 采取有效的安全措施。 并及 时对异常揭露情况进行编录， 同时做好顶板管理及 瓦斯监测等工作， 确保工作面安全高效回采。 参考文献 [1] 郑俊军.矿井无线电波坑道透视探测技术应用探讨[J].煤 炭与化工,2015,38 （1） 21- 27. [2] 丁宝国,叶展荣.YDT88 矿用无线电波透视仪在回采工作 面的应用.矿井物探技术应用快讯,2013 （58） . [3] 李四忠,陈茂.YDT88 矿用无线电波透视仪在唐安煤矿的 应用[J].山西煤炭,2014,34 （09） . [4] 施劲松.唐安矿 3301 工作面 YDT88 矿用无线电波透视仪 应用成果报告.矿井物探技术应用快讯,2014 （72） . 作者简介 李燕， 女， 毕业于山东科技大学泰山科技学院， 测绘工程 专业，现于山东省兖州市大统矿业有限公司从事地测工作， 工程师。 （收稿日期 2020- 2- 6） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 3.4治理效果 底板强化加固主要以 12 矿用工字钢为主体结 构， 共安装 301 架； 壁后注浆孔排状布置， 主注水泥浆 液， 注浆过程严格控制压力， 同时进行底板严格监测， 共消耗水泥 1018t， 水玻璃 74.7t。副斜井治理完成后 副斜井 400m以上段已无任何出水现象， 目前已安全 通行了两个工作面的整套采煤装备， 特别是2019 年 9 月份， 在副斜井治理完成后 3 个月时间， 矿方从副斜 井直接通行重达 100t 左右履带式采掘车，未出现返 渗、 底板破裂的现象。 4结论 转龙湾煤矿副斜井在建成后仅 5 年左右时间， 砂 层段底板即出现严重破裂及出水现象，涌水量约为 10m3/h， 且呈现增大趋势， 并伴有少量零星携砂现象， 具有随时灾变并演化为恶性出水涌砂灾害的风险。 副 斜井采用 “底板强化加固 壁后砂层注浆加固” 的总 体治理方案， 治理完成后副斜井治理段无任何出水现 象，目前已安全通行了两个工作面的整套采煤装备， 实践表明治理效果较好。 转龙湾煤矿副斜井治理经验 可为类似斜井的治理提供参考。 参考文献 [1] 栾元重,王宜振. 金桥煤矿井筒变形实时测量与井筒破坏 突变模型 [J]. 焦作工学院学报 自然科学版,2001, （02） 90- 93. [2] Qian Z W, Jiang Z Q, Guan Y Z, et al. Mechanism and Re- mediation of Water and Sand Inrush Induced in an Inclined Shaft by Large- Tonnage Vehicles[J]. 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