严重出水涌砂斜井修复过程研究

蔡逢华;官云章;岳宁;庞世界;闫国成;钱自卫

【摘 要】主要介绍了金鸡滩煤矿副斜井严重出水涌砂灾害发生的过程及机理,灾害治理的原理、过程及效果.研究发现超大吨位车辆多次循环通行造成底板多处破裂、壁后砂层液化是斜井发生水砂灾害的根本原因.副斜井出水涌砂灾害治理分为2个阶段,抢险阶段采用了“木垛内撑+帮部注浆”的方案,后期加固阶段采用“U型钢棚+壁后砂层注浆加固”的方案.副斜井治理完成后,斜井前后回收及安装2个工作面的整套采煤装备,斜井没有发生出水量增加、底板破裂、出砂等不良现象,实践表明斜井修复效果较好. 【期刊名称】《煤矿安全》 【年(卷),期】2018(049)012 【总页数】4页(P143-146)

【关键词】斜井;底板破裂;出水涌砂;抢险阶段;注浆 【作 者】蔡逢华;官云章;岳宁;庞世界;闫国成;钱自卫

【作者单位】兖矿集团陕西未来能源有限公司 金鸡滩煤矿,陕西 榆林 719000;兖州煤业股份有限公司,山东 邹城 273500;兖矿集团陕西未来能源有限公司 金鸡滩煤矿,陕西 榆林 719000;兖矿集团陕西未来能源有限公司 金鸡滩煤矿,陕西 榆林 719000;兖矿集团陕西未来能源有限公司 金鸡滩煤矿,陕西 榆林 719000;中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点试验室,江苏 徐州 221116 【正文语种】中 文

【中图分类】TD745+.26

井筒被称为矿井的“咽喉”[1-3]，井筒建成后运行使用或维护的过程中发生出水涌砂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[4-8]。2016年8月榆林金鸡滩煤矿副斜井发生严重出水涌砂灾害，井筒最大涌水量达到72 m3/h，最大携砂量达到16%，单日最大涌砂量达到276 m3，地面形成9个塌陷坑，且出水涌砂速度持续快速增大，随时有淹井的风险，后基于斜井出水涌砂机理分析，采取了注浆、架棚等一系列治理措施，目前副斜井已恢复正常通行。介绍了金鸡滩煤矿副斜井出水涌砂的情况及治理的过程，为类似灾害的预防及治理提供参考。 1 金鸡滩煤矿副斜井出水涌砂情况 1.1 副斜井概况

金鸡滩煤矿副斜井2014年7月竣工并投入使用。副斜井里程0～60 m砂层段为明槽法施工，里程60～350 m砂层段采用冻结法施工。副斜井坡度为5°。斜井里程0～350 m段壁后为土层，土层段以砂层为主。斜井里程60～350 m段断面为直墙-半圆拱型，设计净宽×净高=6 000 mm×4 600 mm。帮、顶采用18#工字钢支架+挂网、喷砼+单层钢筋混凝土支护，喷浆厚度为100 mm，混凝土厚度为550 mm，标号C40；底板采用500 mm片石砂浆铺垫后，浇筑400 mm厚单层钢筋混凝土，最后浇筑300 mm厚双层钢筋混凝土地坪，混凝土标号C40。副斜井里程60～350 m段断面如图1。 图1 副斜井里程60～350 m段断面图 1.2 副斜井出水涌砂过程

2016年8月初在通过副斜井运输整套工作面采煤装备的过程中发现，在副斜井里程250～300 m段水沟处底板出水中出现含砂现象，后续持续观测发现水量、砂

量持续快速增大，底板开始有裂缝发育，顶板有破裂及淋水现象，斜井最大水量达到72 m3/h，最大携砂量达到16%，且水量及砂量快速增加，井壁多处出现破裂。至8月17日在斜井里程240～290 m段地表发育了9个塌陷坑，总体积约为650 m3，斜井顶板、底板最大移近量达到400 mm。

副斜井实际出水涌砂点位于斜井底板的水沟槽位置及底板破裂位置。出水涌砂点多、分散、跨度长。实际观察发现斜井底板顶层300 mm厚混凝土层与其下覆的400 mm的混凝土层出现离层，在水沟槽部位两者离层的距离可以达到50 mm。 2 副斜井出水涌砂抢险治理过程

副斜井出水涌砂抢险采用了“木垛内撑+帮部注浆”的方案。木垛内撑的目的是减缓顶底板的移近速度，帮部注浆的目的是封堵斜井出水涌砂点，降低斜井出水量，消除出砂现象。

2.1 斜井顶底板内撑木垛施工

木垛采用宽×高=300 mm×300 mm的方松木，木垛的长×宽约为2.5 m×2.5 m，顶部采用木楔使得木垛与顶板接实。8月17—18日在斜井里程220～300 m段顶底板破裂严重区域共施工木垛10个。木垛施工后井筒顶底板的移近速度明显变慢，木垛起到很好的内撑作用。斜井260 m位置顶底板移近量变化曲线如图2。 图2 斜井260 m位置顶底板移近量变化曲线 2.2 抢险注浆施工

抢险注浆在斜井帮部进行，注浆段为斜井225～320 m段，钻孔距离底板0.5 m，钻孔间距2.0 m，根据出水涌砂严重程度逐段注浆，优先注严重区段。根据出水涌砂通道及来源分析，斜井帮部及顶板外围的水、砂通过斜井帮部外围进入斜井底板，然后通过底板的裂隙流出。斜井的帮部外围既是水砂的来源也是主要流动通道。在斜井帮部破壁注浆，灌注速凝浆液能同时起到“堵路、封源”的双层效果，抢险注浆的原理如图3。抢险注浆自8月18日开始，副斜井里程225～320 m段共施工

注浆孔194个，注水泥700 t，水玻璃180 t、脲醛树脂浆液124 t。帮部注浆后，斜井出水量、水中的含砂量均持续下降，首日水量减小了10.5 m3/h，水中的含沙量由16%减小至5.6%，至8月27日，水量减小至34.8 m3/h，水中已不含砂，抢险工作结束。斜井出水量及水中含砂量变化如图4。 图3 抢险注浆原理示意图 图4 副斜井水砂量变化曲线 3 抢险结束后的治理措施 3.1 U型钢棚加固

木垛属于临时支撑加固措施，在斜井不出砂后，采用U型钢棚替换木垛。U型钢棚加固区段自130 m开始，至350 m结束，全长220 m。U型钢棚由支腿、拱梁及地梁组成。支腿及拱梁均由36U型钢加工，支腿长度为3 998 mm，拱梁长度为5 167 mm。地梁为12#矿用工字钢加工，长度为6 000 mm。副斜井里程130～240 m段、300～350 m段U型钢棚的密度为700 mm/道，240～300 m段U型钢棚的密度为500 mm/道。U型钢棚施工后的现场图如图5。 图5 U型钢棚施工后的现场图 3.2 壁后土层注浆加固

U型钢棚施工为进行斜井底板注浆创造了条件，斜井壁后土层注浆加固段长为斜井里程130～350 m段，与U型钢棚加固段一致。壁后注浆孔布置如图6。注浆工作于2017年1月2日结束，段内共施工注浆孔572个，注水泥-水玻璃双液浆3 500 m3，消耗水泥 2 265 t，水玻璃 220 t。 各孔均注浆 2次，钻孔穿过井壁即进行首次注浆，待浆液固化后，在原位套孔钻进进入壁后土层2.0 m进行二次注浆，注浆时注浆终压控制在1.0 MPa。注浆的过程中井壁没出现新生破裂现象，注浆后段内出水量由34.8 m3/h减小至2.5 m3/h。 图6 130～350 m段注浆孔布孔示意图

4 治理后斜井通行情况

副斜井壁后土层、砂层加固注浆结束后，2017年1月15日—30日，金鸡滩煤矿从副斜井运输回收的123工作面的整套采煤装备，运至地面进行检修，123工作面采煤装备统计见表1。本次为井筒修复后首次通过副斜井运输大吨位设备，运输时按由质量从小到大顺序运输，运输的过程中在斜井120～350 m修复段安排专人进行斜井出水涌砂情况观测，整个123工作面装备的运输没有造成斜井水量增加、底板破裂、出砂等不良现象。

表1 金鸡滩煤矿123工作面采煤装备统计序号 设备名称 数量 质量/t 运输车重/t 12345液压支架采煤机刮板输送机转载机运输机174架1台套164节1台套1台套42 160 4 60 80 32 60 30 60 60

2017年4月15日—30日，矿方利用原123工作面回收的设备新安装108工作面，从副井把1月从副井回收的设备，又从副井运输至井底，运输过程同样安排专人进行斜井出水涌砂情况观测，整个108工作面装备的运输同样没有造成斜井水量增加、底板破裂、出砂等不良现象。 5 结论

1）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，斜井发生出水涌砂灾害。斜井出水量及水中的含砂量快速增加，井壁多处出现破裂，最大出水量达到72 m3/h，最大携砂量达到16%，地表形成9个塌陷坑，矿井随时有淹井的风险。

2）副斜井出水涌砂抢险治理采用了“木垛内撑+帮部注浆”的方案。木垛内撑有效地减缓了斜井顶底板的移近速度，抑制顶底板的变形破坏；帮部注浆有效地封堵了水、砂的来源及流动通道，减小了斜井的出水量，消除了出砂现象。

3）副斜井后期治理采用了“U型钢棚加固+壁后土层注浆”的方案。永久性的U型钢棚替换临时性的木垛进行斜井内撑加固；壁后注浆有效减小了斜井的出水量，

浆液在土层中劈裂扩散有效地加固了壁后的土层。

4）副斜井治理完成后，通过斜井运输了2个工作面的整套采煤装备，斜井没有发生出水量增加、底板破裂、出砂等不良现象，实践表明斜井修复效果较好。

【相关文献】

［1］ 张鹏.工业广场煤柱开采井筒损害特征及治理技术研究［D］.焦作：河南理工大学，2009. ［2］ 涂心彦.新义煤矿副井井壁治理技术研究［D］.徐州：中国矿业大学，2008. ［3］ 张辉.宿南矿区钱营孜煤矿井壁变形机理研究［D］.徐州：中国矿业大学，2016. ［4］ 方运买，陶荣安.立井修复工程冻结监测与控制［J］.建井技术，2014（4） ：8-11. ［5］ 徐光济.潘一东风井淹井修复经验［J］.煤炭科学技术，1983（9） ：7-10.

［6］ 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（2） ：90-93.

［7］ 栾元重，赵会兴，韩李涛.井筒涌水引起的地表移动与变形计算［J］.有色金属（矿山部分)，2001（4） ：24-26.

［8］ 王志堂，刘文静.大掺量粉煤灰注浆材料在河南李粮店副井周围地层注浆加固的成功应用［J］.工程技术（引文版），2017（1）：307.