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新街台格庙矿区斜井施工防治水技术研究韩洲源(神华新街能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017200)摘要:受水文地质条件影响，矿产开采过程中如果没有做好充分的水害防治，会预埋严重的安全隐患。为提高新街台格庙矿区 TBM 试验井生产的安全性，严格落实安全生产方针，结合矿井的地质条件，科学应用防治水技术，启动了不同的安全防治预案，有效消除了富水地段的蔓延条件。本文从新街台格庙矿区斜井的工程概况、工程地质及水文条件出发，分析了防治水风险并探测了超前地质预报，探讨了矿区斜井施工防治水技术应用。关键词:矿区;斜井施工;防治水技术中图分类号:F4063;TD7452文献标识码:B文章编号:10080155(2023)02001603矿产资源是经济发展中不可或缺的重要能源，随着经济的快速发展，能源消耗越来越大，矿井开采的重要性越发凸显，斜井施工提高了煤矿开采的质量与效率。然而，矿产开采深受矿井水文地质条件的影响，而我国矿井的地质条件复杂多变，水害防治难度大，严重威胁矿产开采的安全。加强矿区斜井施工防治水技术的研究对提高水害防治水平具有现实意义。1 新街台格庙矿区斜井工程概况新街台格庙矿区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市，矿区面积达 432km2，蕴含的煤炭资源高达 138 亿 t。矿区水文地质条件相当复杂，井筒在下穿过程中会先后经过地表风积沙层、白垩系、侏罗系安定组、侏罗系直罗组、侏罗系延安组等围岩，试验区以裂隙含水层为主，富水性弱，间接充水含水层有突涌水风险。针对此种煤岩层的赋存条件，在斜井施工过程中，将 TBM 工法应用于 1号矿井主井、副井，采用 6下坡，两井中心间距 60m，副井由 1634m 的明挖段与 63946m 的 TBM 施工段构成，开挖断面直径 76m，衬砌后内径 6.6m，外径 73m1。2 水文条件21 裂隙含水层新街台格庙矿区的直接充水含水层以裂隙含水层为主，孔隙含水层次之。其中，松散层潜水含水层分为全新统风积砂层孔隙潜水含水层与全新统湖积物泥砂层孔隙潜水含水层，前者的富水性中等，地下水位埋深053m，水位每下降 1m 每秒涌水 025 1L，水质良好;后者的地下水位埋深 154m，水位标高 1269113185m。22 主要隔水层白垩系下统志丹群围岩结构中，砂质泥岩、泥岩为相对隔水层，厚 35227m，可以在一定范围内控制地层含水层水力联系。而侏罗系中统安定组隔水层分布在白垩系志丹群含水层与煤系地层含水层之间，稳定性较好，但连续性较差，以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩等泥质岩类为主2。3 防治水风险分析及超前地质预报探测31 防治水风险分析综合新街台格庙矿区地勘及水文地质资料，斜井施工有发生涌水的风险。比如，如果在掘进过程中没有及时预测预报涌水量或涌水量定位、定量不精准，则会影响防治水策略的应用。同时，管片的防水措施处理不到位、涌水量超过 TBM 设备排水能力等都可能引发水患问题。32 超前钻探方式、方法不同地质在钻进速度及钻孔出水量上存在差异，为提高斜井施工掘进过程中对涌水量预测预报的精准度，可以使用超前钻探提前探测掘进的水文地质，探测洞内涌水量，分析其变化规律，以掌握掘进前方掌子面涌水量，这样才能在技术部门的配合下，与掘进班组配合做好涌水预防与处置工作。在具体应用中，可以将360 度全方位钻孔的超前钻探设备安装在掘进机上，对一般的地质地段采用不取芯钻探法，对复杂的地质地段采用取芯钻探法，钻孔深度应达到 3040m3。将超前钻探设备与掘进机钻杆结合，配置传感器，可以接受掘进机钻孔压力、速度、钻杆波动等相关数据，并传输至专业系统分析软件，进而提前获取斜井施工区域的围岩、水文等技术指标，为防治水技术的应用提供依据。4 矿区斜井施工防治水技术应用41 井筒自防水设计411 管片自防水在斜井管片施工中，要加强对混凝土配置及质量61DOI:10.13487/ki.imce.023221控制的管理，严格把关混凝土 C40 等级及 P12 抗渗等级，并将限制裂缝控制在 025mm 以内。412 管片接缝防水管片接缝是易发生水患的重要部位，应加强接缝防水设计，采用防水能力超过80m 的防水材料，采用以框形弹性密封垫为主、嵌缝为辅的防水措施。对斜井普通段使用三元乙丙橡胶密封垫即可，对斜井变形缝则宜混合使用外贴遇水膨胀橡胶与三元乙丙橡胶，并将 3mm 的丁腈软木橡胶贴在接缝外。此外，为了防止相邻管片止水条错位过大，应纵向插入管片封顶块，并辅以减摩润滑剂，以最大限度地保障材料的防水效果。TBM 斜井普通段管片密封垫防水见图 1。图 1管片密封垫防水构造图值得注意的是，在接缝防水施工时要加强测量，尽可能减少斜井轴线的偏差与纠偏力度，为管片铺设、吊装创造稳定的环境，保障橡胶垫各部位受力均匀。比如，在吊装前要先清除管片凹槽接触面灰尘，并将密封垫、密封条牢固粘黏在内，以防止吊装过程中出现剥离或脱落。要加强管片拼装施工管理，严格控制拼装后的初始椭圆度，并多次拧紧连接螺栓，防止衬砌环脱出盾尾而出现椭圆度增大的情况。同时，TBM 在纠偏过程中油缸使用不平衡，环向间隙很难始终保持一致，因此务必加强衬砌环环面监测，保证环面平整。在错缝拼装时，通常需要在倾斜环面上推进千斤顶，操作不当可能引发管片顶裂破损，应加强对此环节的施工把控。此外，当衬砌环脱出盾尾后，应立即开展壁后回填注浆作业，加强对注浆过程压力与进浆量的控制，保障整体的受力均匀。对弱围岩段，一方面要封闭管片与开挖面空隙，另一方面要适当增加隧底注浆，提高隧底土体稳定性，以最大限度地规避管片出现沉降而影响防水性能4。413 管片嵌缝防水密封垫具有一定的使用寿命，一旦完成密封垫施工就无法再更新，但可以应用嵌缝防水技术构建接缝防水防线，剔除并重新嵌填嵌缝材料，提升二道防水防线的性能。本项目整条斜井都留设嵌缝槽，采用聚合物水泥如氯丁胶乳水泥作为密封材料，在拱顶 45范围、拱底 90范围内施做嵌缝，并在洞口 20 环范围及交叉口两侧 10 环范围全环施做嵌缝。在嵌缝前，要先洗刷干净缝槽，用界面处理剂处理混凝土结合面，并使用专用挤压枪压入密封胶，以保证嵌缝充填密实。如果嵌缝漏水，应先排出漏水再进行封堵与嵌缝。414 螺栓孔及吊装孔(注浆孔)防水使用遇水膨胀橡胶密封圈密封螺栓孔，将垫圈紧贴在法兰面上，通过压力将防水材料挤入螺栓孔与螺栓四周，通过压密与膨胀的双重作用，提高螺栓孔的防水性能。螺栓孔防水构造图如图 2 所示。图 2螺栓孔防水构造图注浆孔比较薄弱，容易发生渗水问题，应加强吊装孔的防水处理，混合使用吊装孔与注浆孔。要在吊装孔管片外侧留 30mm 素混凝土，在衬砌背后二次注浆时将其破开作为注浆孔使用，并加设一道水膨胀螺孔密封圈。415 联络巷与紧急避险硐防水新街台格庙矿区斜井工程试验井在横向联络通道与紧急避险硐施工时采用矿山法，复合衬砌支护，结合项目结构及施工特点设计加强了防水卷材、二衬结构及与 TBM 接头处的设计，在一定程度上提高了联络巷与紧急避险硐的防水性能。一方面，按照斜井施工的统一要求选择采用全封闭的无纺布+PVC 防水板，配合使用符合结构自防水需求的混凝土抗渗标号。另一方面，综合二衬结构设计在短期及长期载荷组合作用下的水压影响，将结构裂缝控制在 03mm 以内，在后期的投入使用中，有效降低了水压作用下混凝土裂缝出现的可能性。此外，在 TBM 接头处理上，借鉴了地铁通道的设计施工经验，对试验井的横向联络通道、紧急71避险硐防水板进行了创新处理，采用渐变式材质，由PVC 过渡至 ECB，最后变成能黏贴在斜井管片上的SBS 材质，使用两道框形遇水膨胀橡胶止水条进行固定5。416 管片背后充填注浆防水除了要在衬砌环脱出盾尾后立即开展壁后回填注浆作业，还应加强底拱块填充，以保障底拱块的稳定。为加速 C20 细石混凝土硬化、加大初凝的强度，应适当掺入早强剂，并将 C20 细石混凝土中的水泥、骨料、外加剂、水比例控制在 304 1117 54 186。同时，为保障管片结构的稳定，应在管片背后的其他区域吹填豆砾石，并每隔 34 环使用双液浆或马格尼进行封堵，最后再使用水泥浆封堵环，实现分层、分区的精准注浆填充。42 洞内抽排水技术针对斜井施工中产生的洞内渗涌水、施工废水，一般会使用强制抽排方式，先将这些积水汇集至 TBM 尾部，通过储存沉淀装置对积水进行初步处理，再通过抽水泵排到地面。新街台格庙矿区斜井工程试验井斜井长约 63km，水泵抽水扬程达 660m，排水输送距离长，每小时输水量需达到 100m3以上，暂时没有满足要求的水泵，单级泵送效果不佳。因此，针对本项目专门设计了多级泵送的排水方案。在管路设计上，单机泵送管道压力会达到 20MPa，虽然大多数输水管最高承受压力为 16bar，但长时间使用时只能经受 10bar 以内的压力，因此多级泵送排水方案设计以 10bar 压力为标准进行配置。斜井洞内渗涌水、施工废水中泥沙混杂，在排水过程中必然会损伤管路与水泵，影响其性能，因此专门在 TBM 后配置了污水处理系统对积水进行过滤沉淀，并结合排水设备的耐久性需求同步配置了多级处理装置。此外，还综合地勘资料、煤安规程及自配排水设备等因素，在巷道内设置 8 级固定水箱+临时水箱串联处治方案，大大提高了涌水风险的防范能力。43 地面疏干降水技术在超前地质预报的探测阶段发现，矿井在穿越含砂砾岩层、粗砂岩层等富水区时，每小时的涌水量超过200m3，远超项目施工水泵的排水能力，在此状况下，需要提前一个月采取地面试验疏干降水技术，在不影响施工的情况下保障了 TBM 安全、平稳穿越。在应用过程中，先进行降水试验，将试验结果上报设计单位审批，并对孔间距进行调整。在斜井两侧布置了地面疏干降水井，间距控制在 1530m，并使用 T685WS 钻机进行定向钻孔成井施工。在钻进开孔时，要最大限度地保障开孔钻进的垂直度，并严格控制泥浆密度，使其处于 11 115，这样一旦钻具停工，孔内就会压满泥浆。在穿越含砾砂岩的施工过程中，使用发电机发电，持续不间断地实施降水井的降水措施，进行分段分级的降水管理，将水位控制在开挖深度10m 以内，保障了掘进顺利。要加强对降水试验及实际地层的监测，调整钻进深度并在井孔钻成后及时、高质量地安装井管，确保其不会出现倾斜或弯曲。同时，要同步均匀、连续地填充滤层材料，测量滤料面高度，确保滤料顺畅填入，不存在堵塞等问题。完成降水井布置后，专门设置了水位观测井及水位检测岗位，由专人负责地下水位的检测工作。并在井内放置潜水泵，结合施工需求进行排水，保障施工的安全性。当完成掘进进程、井内达到稳定状态后，再实施井点封堵与封孔操作。5 结语总而言之，斜井施工极大提高了煤矿开采质量与效率，但容易受到水灾影响，一旦发生灾害就会造成严重损失，加强对矿区斜井施工防治水技术的研究已成为新时期矿产开采企业实现长远发展的必然路径。本文以新街台格庙矿区斜井工程为例，分析了该项目的工程概况、地质及水利条件，探讨了该施工项目在防治水风险分析、超前地质预报探测及防治水技术方面的具体做法。当然，矿区地质的水利条件存在差异，在水灾害防治时应做到因地制宜，进行差异化处理，切实提高防治水技术的应用效果。参考文献:1 严其伍红庆梁煤矿主斜井井筒过白垩系地层施工技术研究 J 城市建设理论研究(电子版)，2014(32):914915 2 武善元，刘磊，陈军涛，等黄河北煤田定向钻进精准注浆防治水技术研究 J 煤炭科学技术，2019，47(5):3440 3 刘清涛立井井筒过平顶山砂岩富含水层防治水技术研究与应用 J 内蒙古煤炭经济，2020(20):1416 4 王培培地面帷幕注浆技术治理煤矿井筒壁后出水问题应用研究 J 工业技术与职业教育，2019，17(4):1314 5 贺静兵柳林县整合煤矿区防治水分析及治理措施 J 山西煤炭，2021，41(3):2529作者简介:韩洲源(1989)，男，内蒙古鄂尔多斯人，本科，工程师，研究方向:煤炭安全技术。81