深部矿井井筒突水原因研究

【摘 要】该文笔者结合某矿井筒突水原因进行了分析，提出采用壁间注浆技术，能达到了预期治水目的，治水效果显著，具有一定借鉴意义。

【关键词】井筒破裂；新地层孔隙水；温度应力；壁间注浆

0.井筒概况

某矿井田含水层（组）水由新生界松散砂层孔隙水、基岩砂岩裂隙水和灰岩岩溶裂隙水组成。第四系新地层厚度150m-394m，平均厚度295m，在井筒及其附近厚度约为330m，共有四个含水层、三个隔水层，自上而下相间分布。四含直接覆盖在基岩风化带之上，富水性不均一。回风井筒净直径Φ8.3m，设计累深1046.0m。累深369m以上为冻结段，井壁为复合钢筋砼井壁。其下井壁为素砼井壁。 回风井松散层厚328.65m，共有4个含水层。2008年12月15日回风井突水并逐渐增大。12月16日涌水量27.6m3/h，至12月20日达87m3/h，然后稳定在80m3/h。涌水中含有较少量泥砂，水质类型为K++Na+-Cl型。

出水段水温为25℃±。本区恒温带深度为30m，温度为16.8℃。平均正常地温梯度值2.83℃/100m，回风井“四含”底界328.65m，按公式t=16.8+2.83/100（H-30）。（t-温度，H-深度）求得25.3℃。

从水质、水量及温度特征可见：突水水源为新地层混合水，但第四含水层薄（工广区域厚度0 ～3.15m）且含水性弱，即其主要为第三含水层孔隙水。

1.井壁破裂特征与机理

1.1井壁受力分析

近年来，徐淮矿区冻结法施工的立井，在冻结壁解冻之后，井壁有关位置不同程度地均出现了裂缝，严重者涌水淹井。经归纳井壁主要受到5种外力作用：①在重力作用下，冲积层产生侧向水平作用力，水平地压对井壁产生影响；②该矿区处于平原南端，新构造运动活跃产生的地质构造应力对井筒产生影响；③内外井壁温度不一致，温度的变化引起井壁纵向、切向应力发生变化；④井壁本身受到井塔、井筒装备及井壁重量的影响，产生竖向应力⑤当冲积层下沉时，地层沉降对井壁产生垂直附加力。该矿回风井筒解冻后井筒发生了突水，主要原因井筒外壁一定深处产生了裂隙，水源从其裂隙突破进入壁间，然后从内壁注浆预埋管及井筒接茬缝突水。经分析：疏水沉降地层、井壁承受地压、自重等而引起的外力，但这些并不是破坏回风井筒所特有的，在此可不作重点研究。因此温度变化对其产生的影响――便成为一个不可忽视的因素（井壁温度应力）。

1.2中性层位置的确定

冻结法施工的井壁浇筑一般是-10℃。冻结壁解冻后，井筒周围的表土层温度将升高。此时，表土要热缩，而井筒却要热伸。这样井筒与表土之间必然会产生较大的摩擦力。势必井筒中表土段必产生一个平衡面的中性层（A―A），即最危险截面。此层上方，井筒所受摩擦力向下，此层下方，井筒所受的摩擦力向上。

由于表土段井壁下方为坚硬岩层，故在此可假设基座不会发生向下的位移，于是中性层至基岩基座之间的井筒段沿竖直方向的变形量ΔL=0，由截面内力分析得-αT（L-x）=0从而解得

R=αTEA+-（1）

[（1）式中，E―弹性模量（33.0GPa）；α―热膨胀系数（1.0×10-5）；A―井壁内外横截面积[1/4π（D2-d2）=27.59m2；ΔT―温差（℃）；N（s）―内应力]。联立求解式（2）、（4）、（5），经整理并代入朱集东矿回风井的具体参数可得

k′2-0.2628001k′-（0.8122838+0.0357504ΔT）=0 （2）

回风井进入井底车场施工后，掘进工作面由于受地热的影响而温度较高（岩温40℃±）。受此影响，表土段井壁的温度相应也较高，通常在20℃±。在此，取中性层的井壁平均温度为20℃，则此处的温差ΔT=20℃-（-10℃）=30℃，解式（2）得k′=1.25。因此，中性层位置由式（2）代入数据得X=280.3m。可见，突水大量过水断面在此深度。

2.注浆方案设计

该井筒出水点特征：出水点多而分散、水源连通性强、静水压力较小。若进行壁后帷幕注浆，切断含水层与井壁之间的水力联系，难度大且费用高。因此采用壁间注浆，分两步进行：第一步封堵明显出水点；第二步进行壁间注浆。

（1）注浆总形式：封堵两处明显出水点（累深355.5m、180m）进行壁后充填加固（采用上行式）。

（2）钻孔布置方式：加固累深350～50m，每60m一个段高（累深350m、290m、230m、170m、110m、50m），每排均匀布置4个孔，方向垂直井壁。

（3）钻孔深度及结构：钻孔深度以穿过内壁不得大于100mm（双层聚乙烯塑料板不大于100mm）；造孔（YT-28型风钻，Ф42mm钻头，孔深500mm）送注浆管（缠麻，Ф42×550mm的注浆管，外带马牙扣）钻至设计孔深（Ф28mm钻头）。注浆管外露长度不得超过50mm。

（4）工艺流程：

总工艺流程：布置注浆站安装设备试验调整设备挖补井壁裂隙（挖“V”型槽，水胶泥封裂隙，不坚固井壁全部挖出，并封堵严密，糊缝水泥、水玻璃比采用1：1～1：0.5）开钻。

单孔注浆工艺流程：开孔安装孔口管扫孔并钻到设计深度测涌水量压水试验（静水压力的1.5～2倍，最大注浆压力控制在3Mpa，基岩段注浆压力最大为2.0Mpa，稳定10min）制备浆液注浆（结束）清洗注浆管路。

（5）注浆材料与浆液配比。

水泥浆、水泥-水玻璃双液浆两种。水泥为P.o42.5普通硅酸盐，水玻璃为40～45Be，模数为2.8～3.2，单液水泥浆浓度在1：1～0.6：1范围内，原则上按先稀后浓，水泥浆和水玻璃双液浆的体积比按现场需要在1：0.4～1：1范围内现场调节。对出水量较小注浆孔接好注浆系统，先压水试验，依据压水情况，确定浆液的起始浓度；对出水量较大钻孔可直接进行制浆、注浆，用双液浆堵水；壁间充填加固注浆以单液水泥浆为主。

（6）注浆结束标准。

单孔注浆结束标准是达到设计的注浆压力或距工作盘较远处漏浆；总注浆工程结束标准：井筒内无明显涌水点。

（7）封孔及废孔的处理。

注浆达到设计压力，采取间歇注浆或注双液浆，待注浆孔能稳住设计的注浆压力停止注浆，拆除孔口球阀后，把孔口管闷盖上紧。对打出的干孔用水胶泥或树脂封住。

3.存在问题及建议

（1）回风井井筒解冻后内壁大量出水，说明外井壁有大量渗透水裂隙。为防止裂隙进一步扩大，加强回风井水文地质跟踪调查，进行必要的水温测试、水质化验。从动态上把握涌水水源变化。

（2）目前四个井筒（风井、副井、回风井、主井）解冻后壁基之上部位都有不同程度出水，通过壁间注浆，涌水量控制在6m3/h以下，治水效果显著。

（3）中性层危险截面的形成，可很好地解释在冻结立井施工中上层井壁不断出现水平裂隙问题。因此提高井壁强度设计时应考虑到：增加中性层壁厚，且其上下一定范围内采用较高标号混凝土。 [科]

【参考文献】

[1]高磊.矿山岩石力学[M].北京：机械工业出版社，1987.

[2]黄定华等.淮北临涣矿区立井井壁破裂机理及治理技术的研究.淮南矿业学院，1994.5.

[3]经来旺等.冻结法施工中温度变化对井壁强度的影响，煤炭学报，2000.2.