趙迎春 ，錢自衛(wèi) ，徐建國 ，高樹磊 ，谷云鵬

(1.兗礦集團(tuán) 兗煤鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.徐州中礦地科巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221000)

井筒是礦井的咽喉，是礦井人、料運(yùn)輸及通風(fēng)的主要通道，井筒的安全運(yùn)行是礦井安全的基礎(chǔ)。由于井筒井壁不合理的造孔[1-4]、井筒超載荷通行[5-9]、沖積層水位下降引起地層壓縮[10-15]及井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不科學(xué)合理[5，6]等原因，造成井壁結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而引起井壁出水、潰砂，可能造成礦井減產(chǎn)、停產(chǎn)、礦井被淹、井筒報(bào)廢等事故[6]。

井筒在壁后砂層段破裂、裂隙出水?dāng)y砂是極為危險(xiǎn)的信號。砂層具有流動(dòng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，一旦井壁破裂，動(dòng)水將帶砂發(fā)生出水?dāng)y砂現(xiàn)象，當(dāng)出砂點(diǎn)通暢，水壓較高時(shí)，將產(chǎn)生噴砂，出水出砂口將被快速刷大，進(jìn)而演化為惡性出水潰砂的事故。目前針對煤礦斜井出水?dāng)y砂災(zāi)害主要存在治理不及時(shí)、不科學(xué)的問題：一是，認(rèn)識不到其可能演化為惡性災(zāi)害而不重視，而一旦發(fā)生災(zāi)變，控制將極為困難；二是，治理過程中方案不合理，治理時(shí)往往出現(xiàn)加劇底板破裂的現(xiàn)象，治理效果無法保證。比如榆林金雞灘煤礦副斜井在出水?dāng)y砂現(xiàn)象持續(xù)2年多后，在2016年8月約1周時(shí)間內(nèi)快速災(zāi)變?yōu)榈装鍑?yán)重出水涌砂災(zāi)害，最大出水量達(dá)到72m3/h，最大攜砂量達(dá)到16%，地表形成9個(gè)塌陷坑，礦井隨時(shí)有發(fā)生突水突砂進(jìn)而淹井的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)時(shí)已預(yù)設(shè)在副斜井中施工長度12m的防淹井墻的方案(淹井保礦)[5-9]。由于轉(zhuǎn)龍灣煤礦副斜井存在底板破裂及出水?dāng)y砂的現(xiàn)象與金雞灘煤礦副斜井在出水涌砂災(zāi)害前所呈現(xiàn)的現(xiàn)象基本一致，借鑒金雞灘副斜井出水涌砂災(zāi)害的教訓(xùn)，轉(zhuǎn)龍灣副斜井有隨時(shí)災(zāi)變的可能，必須盡早啟動(dòng)治理工作，避免較大事故的發(fā)生。

1 副斜井概況

轉(zhuǎn)龍灣煤礦副斜井于2014年建成并交付使用。井口底板標(biāo)高+1301.00m，井筒長度1513.7m，斜井段傾角為5.5°，凈寬6000mm，凈高4800mm，表土段(0～408m)采用明槽法施工，基巖段采用鉆爆法施工。

副斜井明槽開挖段幫頂采用C30鋼筋混凝土支護(hù)，厚500mm；副斜井眀槽開挖后將底部夯實(shí)，鋪設(shè)100mm厚片石砂漿，再鋪設(shè)鋼筋籠，鋼筋籠中鋼筋間距為0.1m，寬度7m，澆灌200mm厚混凝土，井筒施工完成后，由底部開始向上鋪設(shè)厚300mm混凝土作為地坪。副斜井(里程0～408m)明槽段井壁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 副斜井(里程0～408m)明槽段井壁結(jié)構(gòu)(mm)

根據(jù)副斜井施工實(shí)際揭露情況，施工362m處底板開始揭露第四系底界面風(fēng)化狀粉砂巖，395m處頂板至第四系底界面位置，向前施工完全進(jìn)入穩(wěn)定的延安組粉砂巖。副斜井附近有水井1口，位于副斜井246m處，2019年1月靜止水位標(biāo)高為1277.4m，水位相對穩(wěn)定，以水位推算，斜井400m處底板的水頭高度約為15m，副斜井250m向下處于地下水位以下。

2 井筒破裂及出水?dāng)y砂情況

根據(jù)井下實(shí)際觀察，副斜井破裂主要集中于底板里程290～400m段。里程290～330m段底板發(fā)育裂縫一條，張開度小于2mm，僅有滲水現(xiàn)象；里程330～350m段底板發(fā)育裂縫一條，張開度小于1～4mm，有明顯出水現(xiàn)象；里程350～400m段底板發(fā)育多條交錯(cuò)裂縫，有底鼓現(xiàn)象，裂縫出水量較大，且段內(nèi)水溝槽上覆混凝土地坪與下覆支護(hù)結(jié)構(gòu)有明顯離層，離層出水量較大。

副斜井(里程400m位置測點(diǎn))出水量實(shí)測曲線如圖2所示，由圖2可知，治理前副斜井涌水量約為10m3/h，且呈現(xiàn)增大趨勢，并伴有零星攜砂現(xiàn)象，在高強(qiáng)度通行期間砂量明顯增大。出水點(diǎn)主要集中于斜井底板破裂及水溝槽位置。

圖2 副斜井(里程400m位置測點(diǎn))出水量實(shí)測曲線

3 副斜井治理方案及實(shí)施情況

3.1 治理思路

根據(jù)相關(guān)類似工程的治理經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)龍灣煤礦副斜井宜采用“底板強(qiáng)化加固+壁后砂層注漿加固”的總體治理方案。

底板強(qiáng)化加固的目的是提高底板強(qiáng)度，以抵抗斜井高強(qiáng)度運(yùn)行的壓力及底板注漿時(shí)的注漿壓力。底板強(qiáng)化加固的常用措施為“架設(shè)工字鋼地梁+梁間混凝土充填”，通過工字鋼強(qiáng)大的抗撓、抗彎能力，起到抵抗注漿壓力及運(yùn)行載荷的作用。金雞灘煤礦采用與斜井內(nèi)斷面一致的U型鋼棚和12#礦用工字鋼地梁進(jìn)行加固。

在底板強(qiáng)化加固后，則可考慮開展注漿工作，注漿的主要目的是加固、減滲，通過破壁造孔，向壁后砂層中注入漿液，漿液在砂層中劈裂擴(kuò)散，最終起到減滲及提高壁后砂層自身穩(wěn)定性的目的。金雞灘煤礦在里程70～450m段壁后砂(土)層段采用注漿的方式進(jìn)行加固，注漿孔排間距2.5m左右，每排造孔5～9個(gè)，單孔均采用二次套孔復(fù)注工藝[6-8]。

3.2 治理段選擇

副斜井底板破裂及出水段為里程290～400m段，該段需進(jìn)行治理。根據(jù)副斜井246m處水井水位推測斜井底板里程250m以下段均處于水位以下。由于斜井底板支護(hù)強(qiáng)度有限，后期通行過程中同樣有破裂及出水?dāng)y砂的可能，因此副斜井治理的區(qū)段選擇為里程250～400m段。

3.3 底板強(qiáng)化加固

3.3.1 強(qiáng)化加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

副斜井治理段底板強(qiáng)化加固采用“架設(shè)工字鋼地梁+梁間混凝土充填”的措施。底板加固結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要采用12#礦用工字鋼為主體，兩根12#礦用工字鋼并焊為一體，單根長度6000mm，作為地梁；工字鋼兩端部垂直焊接[20b型槽鋼作為支腿，槽鋼長度1.2m，槽鋼支腿與井壁采用3根與井壁垂直的錨桿固定。間隔工字鋼地梁之間采用5根12#礦用工字鋼焊接連接(兩端部的兩根在地梁上)。在澆筑前，工字鋼方格狀間隔塊內(nèi)，縱向焊接一根、橫向焊接兩根25#螺紋鋼進(jìn)行加筋強(qiáng)化。底板加固結(jié)構(gòu)架設(shè)的間距為500mm，梁間充填混凝土的強(qiáng)度等級為C40。

圖3 副斜井底板強(qiáng)化加固結(jié)構(gòu)(mm)

3.3.2 加固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)材料力學(xué)正應(yīng)力計(jì)算公式：

式中，σmax為工字鋼許用應(yīng)力，MPa；W為工字鋼抗彎截面系數(shù)，cm3；Mmax為工字鋼最大彎矩，Mmax=0.125ql2，N·m；l為工字鋼長度，m；q為垂直均布作用在工字鋼上的壓力，N/m。

12#礦用工字鋼的σmax=510MPa，W=144.5cm3，底板工字鋼地梁長度l按6.0m計(jì)算，帶入式(1)，可計(jì)算獲得：

12#礦用工字鋼兩根并焊，間距d=0.5m，工字鋼可承受的底板反向均布應(yīng)力p為：

p=2q/d=65508N/m2=0.066MPa

通過上述計(jì)算，在不考慮梁間填筑混凝土的情況下，底板強(qiáng)化加固結(jié)構(gòu)至少額外可為底板提高0.066MPa的抵抗能力。比如100t設(shè)備在副斜井通行，跨度10m，則其對底板的壓應(yīng)力為0.016MPa，對比可見底板強(qiáng)化加固結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的加固能力。

3.4 井壁注漿

3.4.1 注漿孔布置

治理段注漿孔布置于斜井的幫部及底板，排狀布置，排距2.5m，相鄰排孔分別布孔5個(gè)和4個(gè)，注漿孔位呈梅花樁式。

3.4.2 注漿工藝

整體上先注底板孔，再注幫部孔。底板孔采用上行式注漿，逐排進(jìn)行，僅注一個(gè)輪次。幫部孔采用上行式注漿，分兩個(gè)輪次，初注、復(fù)注各一次，注漿時(shí)先注高位孔，再逐漸向下注低位孔。

底板孔采用單次注漿，工藝流程：鉆孔至0.6m(不破壁)→ 安裝孔口管、孔口高壓閥門→套孔延伸破底→注漿。

幫部孔采用二次復(fù)注工藝，工藝流程：鉆孔至孔口管深度(不破壁)→ 安裝孔口管、孔口高壓閥門→套孔延伸破壁→注漿→套孔延伸至進(jìn)入砂層2.5m深度→二次注漿。

3.4.3 注漿材料

壁后砂層可注性一般較好，普通純水泥漿液能夠大量注入。對于斜井底板破裂部位，先嘗試采用普通水泥漿液，如注漿量偏少、注漿壓力響應(yīng)明顯，則換注溶膠樹脂化學(xué)漿液。

3.4.4 注漿壓力控制

從注漿擴(kuò)散充填效果角度，提高注漿壓力有利于漿液的擴(kuò)散，但高壓注漿可能造成井壁破裂，因此，壁后注漿壓力控制要充分考慮井壁的受力程度。根據(jù)壁后砂層性質(zhì)、靜水壓力、井壁結(jié)構(gòu)及成井質(zhì)量，結(jié)合類似工程注漿經(jīng)驗(yàn)，確定轉(zhuǎn)龍灣副斜井幫部注漿終壓設(shè)計(jì)為0.8MPa，瞬間沖擊壓力不大于1.2MPa，以作為幫頂部位注漿的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.5 注漿過程底板監(jiān)測

底板為平板狀結(jié)構(gòu)，承壓能力較弱，為保證底板安全，在注漿過程中對地梁變形、位移進(jìn)行監(jiān)測。在治理段上下各設(shè)置一個(gè)礦用防爆型指向激光器，激光分立底板的左右兩側(cè)，激光器與底板固定，激光指向光線距離底板500mm左右。通過監(jiān)測激光線與底板的距離來判斷底板變形程度。注漿過程中安排專人實(shí)時(shí)進(jìn)行地梁變形監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)地梁變形，則加大測量的頻率，當(dāng)?shù)亓鹤冃瘟窟_(dá)到30mm時(shí)，則及時(shí)結(jié)束該位置底板注漿工作。

3.5 整體治理效果

副斜井治理自2019年2月至6月間進(jìn)行，共架設(shè)地梁強(qiáng)化結(jié)構(gòu)301架，實(shí)際施工注漿孔61排，共275孔，注水泥1018t，水玻璃74.7t，化學(xué)漿液75t。治理完成后副斜井400m以上段無任何出水現(xiàn)象。至2019年8月，已安全通行了兩個(gè)工作面的采煤裝備，未出現(xiàn)返滲、底板破裂的現(xiàn)象，實(shí)踐表明治理效果較好。

4 結(jié) 論

1)轉(zhuǎn)龍灣煤礦副斜井在建成后僅5a左右時(shí)間，砂層段底板即出現(xiàn)嚴(yán)重破裂及出水現(xiàn)象，涌水量約為10m3/h，且呈現(xiàn)增大趨勢，并伴有少量零星攜砂現(xiàn)象，通過與金雞灘副斜井基本條件對比來看，轉(zhuǎn)龍灣煤礦副斜井隨時(shí)有出水涌砂風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)開展治理很有必要。

2)轉(zhuǎn)龍灣煤礦副斜井采用“底板強(qiáng)化加固+壁后砂層注漿加固”的總體治理方案，治理總段長為斜井里程250～400m。底板強(qiáng)化加固主要以12#礦用工字鋼為主體結(jié)構(gòu)，共安裝301架；壁后注漿孔呈排狀布置，主注水泥漿液，注漿過程嚴(yán)格控制壓力，同時(shí)進(jìn)行底板監(jiān)測，共消耗水泥1018t，水玻璃74.7t，化學(xué)漿液75t。

3)副斜井治理完成后副斜井400m以上段已無任何出水現(xiàn)象，目前已安全通行了兩個(gè)工作面的整套采煤裝備，未出現(xiàn)返滲、底板破裂的現(xiàn)象，實(shí)踐表明治理效果較好。轉(zhuǎn)龍灣煤礦副斜井治理經(jīng)驗(yàn)可為類似斜井的治理提供借鑒。