冻结封水箍在富水砂层斜井冻结中的应用.pdf

第4 4卷第4期 建 井 技 术 V o l.4 4 N o.4 2 0 2 3年 8月 M I N EC ON S T R U C T I ONT E CHNO L OG YA u g.2 0 2 3冻结封水箍在富水砂层斜井冻结中的应用陈晓峰1,2,3,4,王宗金1,2,3,4,亓燕秋1,2,3,4,徐 林1,2,3,4(1.中煤特殊凿井有限责任公司,安徽 合肥 2 3 0 0 0 1;2.中煤矿山建设有限责任公司,安徽 合肥 2 3 0 0 0 1;3.矿山深井建设技术国家工程研究中心,北京 1 0 0 0 1 3;4.安徽省特殊凿井工程技术研究中心,安徽 合肥 2 3 0 0 0 1)摘 要:目前矿山斜井冻结技术广泛应用于西北地区,但是在斜坡道井筒开拓施工中,存在地表水沿着已成型井筒外侧流至施工迎头,影响井筒正常掘进的难题。为减小或避免井筒迎头面、底板、侧板等位置的地下水影响,提出在冻结斜井中增设封水箍,在不同开挖区间分别增设明挖段、明转暗段及暗洞段止水箍,可阻断底板、侧帮的地下水流对井筒施工的不利影响。通过实际应用案例证明了该工艺方法的可行性与科学性,表明封水箍工艺技术可用于解决富水砂层井筒渗流难题。关键词:斜井冻结;冻结封水箍;富水砂层;井筒外渗流 中图分类号:T D 2 6 5.3+4 文献标识码:B 文章编号:1 0 0 2 6 0 2 9(2 0 2 3)0 4 0 0 3 6 0 5A p p l i c a t i o no f f r e e z i n gw a t e r s e a l b a n d i n i n c l i n e ds h a f tf r e e z i n g i nw a t e r r i c hs a n d l a y e rCHE NX i a o f e n g1,2,3,4,WANGZ o n g j i n1,2,3,4,Q IY a n q i u1,2,3,4,XUL i n1,2,3,4(1.C h i n aC o a lS p e c i a lD r i l l i n gC o m p a n yL i m i t e d,H e f e i 2 3 0 0 0 1,C h i n a;2.C h i n aC o a lM i n eC o n s t r u c t i o nG r o u pC o r p o r a t i o nL i m i t e d,H e f e i 2 3 0 0 0 1,C h i n a;3.N a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fD e e pS h a f tC o n s t r u c t i o n,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3,C h i n a;4.A n h u iE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e ro fS p e c i a lD r i l l i n g,H e f e i 2 3 0 0 0 1,C h i n a)收稿日期:2 0 2 3 0 4 1 4 修回日期:2 0 2 3 0 5 1 2 责任编辑:张素玉 D O I:1 0.1 9 4 5 8/j.c n k i.c n 1 1-2 4 5 6/t d.2 0 2 3.0 4.0 0 6基金项目:安徽省重大科技成果工程化研发项目(2 0 2 0 0 3 c 0 8 0 2 0 0 0 7)作者简介:陈晓峰(1 9 8 9),男,陕西汉中人,大学本科,工程师。E m a i l:5 6 3 7 8 2 9 9 3q q.c o m引用格式:陈晓峰,王宗金,亓燕秋,等.冻结封水箍在富水砂层斜井冻结中的应用J.建井技术,2 0 2 3,4 4(4):3 6 4 0.C HE NX i a o f e n g,WAN GZ o n g j i n,Q IY a n q i u,e t a l.A p p l i c a t i o no f f r e e z i n gw a t e r s e a l b a n d i n i n c l i n e ds h a f t f r e e z i n g i nw a-t e r r i c hs a n d l a y e rJ.M i n eC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(4):3 6 4 0.A b s t r a c t:A tp r e s e n t,m i n e i n c l i n e ds h a f t f r e e z i n g t e c h n o l o g y i sw i d e l yu s e d i nN o r t h w e s tC h i n a,b u t i nt h ee x c a v a t i o no fr a m ps h a f t s,t h e r ei sap r o b l e mt h a ts u r f a c ew a t e rf l o w sa l o n gt h eo u t s i d eo ft h ef o r m e ds h a f t t ot h ec o n s t r u c t i o nf r o n t a l a n da f f e c t s t h en o r m a l e x c a v a t i o no f t h es h a f t.I no r d e r t or e-d u c eo ra v o i dt h e i n f l u e n c eo fg r o u n d w a t e ro nt h e f r o n t a l s u r f a c e,f l o o r,s i d ep l a t ea n do t h e rp o s i t i o n so f t h es h a f t,i tw a sp r o p o s e d t oa d daw a t e r s e a l b a n d i nt h e f r o z e n i n c l i n e ds h a f t.T h ew a t e r s e a l b a n dw e r ea d d e d i no p e ne x c a v a t i o ns e c t i o n,o p e nt od a r ks e c t i o na n dd a r ks e c t i o nr e s p e c t i v e l yi nd i f f e r e n te x c a v a t i o ns e c t i o n s,w h i c hc o u l db l o c kt h ea d v e r s ei n f l u e n c eo fu n d e r g r o u n dw a t e rf l o wo ff l o o ra n ds i d ep l a t eo ns h a f t c o n s t r u c t i o n.T h e f e a s i b i l i t ya n ds c i e n t i f i c i t yo f t h e t e c h n o l o g yw e r ep r o v e db yp r a c-t i c a l a p p l i c a t i o nc a s e s,w h i c hs h o w e d t h a t t h e t e c h n o l o g yo fw a t e r s e a l b a n dc o u l db eu s e d t os o l v e t h ep r o b l e mo f s e e p a g e i nt h es h a f to fw a t e r r i c hs a n d l a y e r.K e y w o r d s:i n c l i n e ds h a f tf r e e z i n g;f r e e z i n g w a t e rs e a lb a n d;w a t e r r i c hs a n dl a y e r;s e e p a g eo u t s i d eo f s h a f t0 引 言目前,我国斜井垂直孔冻结施工方法和工艺已经比较成熟,采用在开挖断面两侧、顶板、底板外形成冻结壁的方法保护开挖区域1,具有安全、可控等优点2,尤其对于在松散、富水岩层地质条 第4期 陈晓峰,等:冻结封水箍在富水砂层斜井冻结中的应用件中的矿建工程,冻结施工方法具有稳定围岩、提升地层强度的作用,使井筒施工得到了安全保障3 4。但大坡度斜井在井筒浇筑成型以后,混凝土水化热融化5底板冻土,造成水流冲刷底板,水流沿着井筒坡度流至迎头综掘机位置,不仅造成底板结冰打滑,还易积水,导致掘进迎头荒断面底板泡 水,承 载 力 下 降,给 井 筒 施 工 带 来 安 全隐患6 7。梅争贵等8结合围岩变形和支护结构受力监测成果,研究了富水软弱地层中围岩的失稳破坏机制;寇学超9针对隧道涌水问题,提出一种适用于长大富水斜井的分区注浆堵水技术;马小卫等1 0针对煤矿斜井多点渗漏问题,提出锚索眼专门注浆、壁后注浆及深孔帷幕防渗注浆相结合的治理方案;熊伟等1 1针对白垩系地层岩性物理力学性质,提出T BM斜井盾构施工方案。目前学者研究多集中于涌水、渗漏等问题出现后如何解决,针对如何避免渗漏的研究相对较少。针对如何避免渗漏问题,本文提出冻结封水箍的施工工艺方法,可有效避免涌水、渗漏等问题的发生,将隐患问题提前规避解决,提高了井筒施工效率与施工安全性。1 工程概况陕西省神木市升富矿业有限公司升富煤矿位于陕西省神木市西北部,归陕西省神木市锦界镇管辖。主斜井井筒倾角1 4,总斜长7 9 0m,掘进宽度71 6 0mm,掘进高度66 1 0mm,净宽52 0 0mm,净高43 0 0mm。其中井筒上段(部分)采用冻结法施工,斜长5 7 0m,下段采用普通法施工。升富煤矿主斜井井筒特征见表1。表1 主斜井井筒特征井筒特征备注井口坐标(8 0系)纬距(X)43 0 64 7 2.0 0 0经距(Y)3 74 2 41 8 1.0 0 0方位角9 0 3 3 3 6 井筒倾角/()-1 4井口标高/m+12 2 2.5自然地坪平均标高落底标高/m+10 6 6井筒深度冻结段井筒(垂深/斜长)/m1 3 7.5/5 7 0.0最大掘进荒断面/m27.1 66.6 1 主斜井工程明槽段原采用普通法进行施工,为方便施工,明槽段采用“地面旋喷桩+预注水泥浆”加固地层并封堵水流的方案,施工斜长2 4m。但在主斜井施工进入地下水位之后,工作面出水导致无法施工。根据水文地质资料以及结合邻近斜井井筒施工经验,建设单位研究决定改用冻结法施工。在实际施工中为保证快速掘进,在冻结段部分位置增设封水箍,达到了成巷快、巷道观感好、质量可靠的目的,日掘进进度达到5.8m。2 水文地质根据升富煤矿地质报告,主斜井井筒区地表全部被第四系风积沙覆盖,结合各层位含水层抽水报告,第四系松散沙层含水量较大,井筒涌水量达2 3.0 2m3/h,埋深达3 6m;直罗组砂层厚度大,层理为主要裂隙,富水性中等;延安组第四段含水层粉砂岩及砂质泥岩互层,裂隙发育微弱,富水性弱。根据水质化验,第四系松散砂层潜水、直罗组及延安组地下水水质均偏碱性,矿化度较小,为淡水。主斜井井筒涌水量计算见表2。表2 主斜井井筒涌水量井筒名称岩段涌水量/(m3/h)涌水量合计/(m3/h)主斜井沙层2 3.0 2黄土层1.9 1直罗组8 4.1 0延安组第四段0.5 81 0 9.6 13 冻结封水箍施工方案3.1 封水箍设计主斜井考虑表土地层风积沙较厚、含水丰富,为了保证冻结壁的有效厚度和强度,实现井筒安全、快速、连续掘砌施工,设计采用全断面冻结方式1 2。冻结孔沿井筒延伸方向布置,共布置5排,3排位于井筒内,剩余2排在井筒范围外,整体采用垂直钻孔冻结。考虑到井筒掘砌进度,进一步优化了冻结设计,每间隔4 0m设计布置冻结封水箍。封水箍设计分明挖段、明转暗洞口和暗挖段。具体斜井冻结封水箍铺设位置如图1所示。3.2 井筒渗流升富煤矿主斜井井筒冻结施工明槽段,采用大开挖工法,开挖深度59m,斜长1 5m。此时开挖荒断面侧壁体现了冻结工艺的优越性1 3,明槽段两侧壁为应力集中部位,该段采用绑扎模板整体一次浇筑,耗时2 5d,总体开挖到浇筑完成耗时5 5d,侧墙冻土表现良好的稳定性和牢固性。73建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷图1 斜井冻结封水箍铺设平面图但是在明挖段浇筑井筒底板混凝土时存在水流沿着已成型井筒向下渗流现象,冻结孔在割除1 1d后,斜井井筒底板最大渗流量连续检测为1.2 5m3/h,侧帮最大渗流量为1.2 2 m3/h,做了截水槽,依然影响斜井冻结井筒施工。冻结孔在割除1 1d后井筒浇筑底板渗流水量测定情况见表3。表3 冻结孔在割除1 1d后井筒浇筑底板渗流水量测定渗水部位检测时长/d平均渗水量/(m3/h)渗水点/个影响程度影响时长/(h/d)合计影响时长/(h/d)底板10.3 82偏小0.330.5 53偏小0.850.8 43中等1.171.1 53偏大1.891.2 24偏大2.11 11.2 55偏大2.48.5侧帮10.4 02偏小0.430.6 23偏小0.750.7 83中等1.271.1 14偏大1.491.1 74偏大1.81 11.2 14偏大2.27.73.3 明挖段封水箍在浇筑混凝土后,为防止上部风积沙层内地下水在后续掘砌施工过程中沿已成型井筒外壁渗流至迎头掘砌施工区,在已成型井筒尾端与明挖段交接处设置一道封水箍。通过测温孔温度变化曲线推算,开挖冻土与已成型井筒尾端无法形成完整、有效的隔水层,需在井筒底板下部及两帮预埋1根垂直于井筒方向的水平冻结管,以防止冻结壁与已成型井筒之间的缝隙透水,明挖段封水箍剖面如图2所示。在已成型井筒尾端未形成冻土位置垂直于井筒方向开挖出1条长于开挖荒径两端各5 0 0mm、宽约4 0 0mm、深度超过井筒底板荒径3 0 0 mm的沟槽,用于预埋1根冻结管作为封水箍,两头引至地面。若无明显出水现象,则预埋7 6mm4mm无缝钢管,否则可预埋1 4 0mm5mm无缝钢管。回填密实,然后投入运行。图2 明挖段封水箍剖面3.4 明转暗洞封水箍明挖区与已成型井筒尾端预留宽度不小于1m的冻结壁作为挡水墙,防止已成型井筒尾端有水进入掘进断面,待安装的明转暗洞口封水箍与已掘进段冻土发展形成有效封水层后,才可贯通83 第4期 陈晓峰,等:冻结封水箍在富水砂层斜井冻结中的应用已成型井筒和掘进断面。明转暗洞口封水箍剖面如图3所示。图3 明转暗洞口封水箍剖面3.5 暗洞封水箍利用原顶板割断的冻结孔作为盐水进出通道,进行废管再次利用。从明转暗洞口开始,井筒斜长每隔4 0m设置1道封水箍。风积沙层与黄土层交界处易出水点加密1道封水箍,防止窜水。在掘进中至少要保证有1道封水箍在前端运行,井筒内壁浇筑位置不超过下道封水箍,而且不宜关停上道冻结封水箍。暗挖段封水箍剖面如图4所示。井筒内壁浇筑位置不超过下道封水箍,而且不宜关停上道冻结封水箍。图4 暗挖段封水箍剖面4 封水效果在主斜井冻结施工中分段设置封水箍后,明显减小了沿井筒渗流水量,减少积水对综掘机的影响,加快了施工进度。增加封水箍以后井筒渗流水量情况见表4。表4 增加封水箍后井筒渗流水量测定渗水部位检测时长/d平均渗水量/(m3/h)渗水点/个影响程度影响时长/(h/d)合计影响时长/(h/d)底板11.2 05偏大2.231.1 24偏大1.951.0 43中等1.470.8 62偏小1.190.5 52偏小0.81 10.3 01偏小0.47.8侧帮11.1 64偏大2.031.0 94偏大1.750.9 13中等1.370.8 02偏小1.090.5 11偏小0.61 10.2 41偏小0.36.95 封水箍优化主斜井冻结封水箍沿着井筒方向布置,除明挖段和明转暗洞部位2条外,进入暗洞段铺设封水箍9条,根据主斜井月度施工进度,设计铺设主斜井封水箍间距是4 0m。但在实际施工中,综掘机配套整体移动模板台车兼顾皮带机、施工工艺,克服了以往钻爆施工法凿岩机进眼困难、掘进慢、支护困难的弱点,在施工中表现出掘进速度快(达到月成井6 0m),实际封水箍设置间距可调至6 0m以上,减少人、料、机投入,节约成本。6 封水箍内注浆封水箍在铺设时,外侧铺设密实,做好防护93建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷层,在使用完后要进行管内注浆,在井壁温度为02时进行,这样能保证管内注浆效果。根据经验,注浆时间一般选择在封水箍停运后至少7d。注浆水灰比为11,水泥采用PO 4 2.5 R普通硅酸盐水泥,采用水泥浆液置换出管内介质即可。7 其他隔水技术(1)顶板隔水。在外壁与地层之间增加与顶板开挖断面相似的圆弧形冻结器,利用割除的中排冻结器作为冷量供应的输送通道,实现对外壁与地层之间土层进行二次冻结隔水。(2)侧帮隔水。利用边排孔或供应底板复冻的冻结器冷量输送管路对侧帮进行强化冻结,促使侧帮外壁与地层之间的土层与井壁交接,达到隔水的目的。(3)底板隔水。井筒底板在施工过程中较容易与地层接触密实,在底板施工后冻结壁很快回冻,并与井筒底板胶结,达到隔水目的。冻结壁若要达到回冻目的,关键要防止冻结壁冷量损失,设计采取延伸边排孔冻结深度方式或采取铺设横向冻结管的方式进行后期冻结,达到融化土层二次冻结隔水的目的。8 结 论在冻结斜井施工过程中,优化冻结方案,增加封水箍的工艺,能够有效地减少井筒在施工过程中受停冻部分涌水影响,提升了掘进效率。冻结斜井井筒增设封水箍,能够减少因已砌井筒涌水对掘砌施工的影响,提升了综掘机效率,使大坡度斜井掘砌速度提高到月成井6 0m,并为今后类似富水 砂层再次提 高冻结斜井 掘砌速度提 供了经验。参考文献:1 赵 玉 明.斜 井 冻 结 施 工 技 术 管 理 J.建 井 技 术,2 0 2 0,4 1(2):1 3 1 5.2 张亚涛.大断面斜井冻结掘砌支护设计与施工J.建井技术,2 0 2 2,4 3(5):2 5 2 9.3 林 佳,陈渝文,张昊霖.富水冲积层斜井冻结施工方案及优化设计J.建井技术,2 0 2 1,4 2(1):8 1 0.4 魏 斌.负角度掘进面综掘机后撤辅助推移装置研究及应用J.煤炭技术,2 0 2 2,4 1(1 1):2 2 0 2 2 3.5 张启航,李敏方,邓春林.白佛隧道暗埋段混凝土水化热及分层控裂技术研究J.建筑结构,2 0 2 2,5 2(增刊2):1 1 4 1 1 1 4 6.6 孙杰龙,任建喜,杨红霞,等.富水砂层斜井冻结壁变形有限元预测J.煤炭技术,2 0 1 9,3 8(9):1 7 2 0.7 魏世荣,金祥波,池明波,等.斜井井筒涌水特征及注浆治理方法研究J.煤炭工程,2 0 2 2,5 4(3):6 2 6 7.8 梅争贵,李建贺,郭 勇,等.富水软弱地层斜井围岩稳定控制技术研究J/O L.人民长江:1 92 0 2 3 0 3 2 8.h t t p s:/k n s c n k i n e t s.y c f w.a h l i b.c o m:4 4 3/k c m s/d e t a i l/4 2.1 2 0 2.T V.2 0 2 3 0 3 1 7.1 0 1 4.0 0 2.h t m l.9 寇学超.长大富水斜井分区注浆堵水技术研究:以松山隧道通风斜井工程为例J.工程技术研究,2 0 2 2,7(2 4):4 0 4 4.1 0 马小卫,惠金卫,王言龙,等.煤矿斜井顶板多点渗漏注浆治理技术J.能源技术与管理,2 0 2 2,4 7(5):2 2 2 4.1 1 熊 伟,牛 宾,杨 明,等.遇水软化砂岩地层煤矿斜井盾构始发关键技术J.建井技术,2 0 2 2,4 3(5):7 1 3.1 2 梁智鹏,程子厚,袁 帅.割孔注浆技术在西部全深冻结立井防治水中的应用J.煤矿安全,2 0 1 8,4 9(4):1 2 8 1 3 1.1 3 田海洋.冻结法加固技术在富水粉细砂层联络通道施工中的应用J.现代隧道技术,2 0 2 2,5 9(增刊2):2 1 4 2 2 2.04