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任 胜 文
(神华杭锦能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017400)
摘 要：为了彻底消除塔然高勒煤矿主井冻结孔高压水水害危险，在揭露的高压突水钻孔旁施工向下倾斜的与其连通的引流孔进行引流泄压，引流孔内安装引流管和第1注浆管，引流孔下方填充有利于封堵高压突水钻孔的矿渣层，内插设有第2注浆管，在对引流管和矿渣进行注浆加固后，利用引流管对高压突水钻孔采用升压注浆的方法进行封堵。研究结果表明：对高压突水钻孔通过采用引流泄压后升压注浆封堵方法，将失控的高压突水钻孔转化为可控钻孔，有效地减少了工作量，提供了有利的施工条件，改善了注浆封堵效果，从而提高了封孔效率、封孔可操作性、封孔安全性和封孔可靠性，同时为孔口防突措施失效的钻孔处理提供一种可行的处理思路。
关键词：突水钻孔；高压水；引流注浆；封孔
中图分类号：TD265.1
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)06-0213-06
REN Shengwen
(Shenhua Hangjin Energy Co., Ltd.，Ordos 017400,China)
Abstract:In order to thoroughly eliminate the danger of high-pressure water and water hazard in the freezing hole of the main shaft of Tarangaole Coal Mine, the downward inclined drainage holes that were connected with them were constructed beside the exposed high-pressure water inrush boreholes for drainage and pressure relief.Drainage pipes and first grouting pipes were installed in the drainage holes.The slag layer beneath the drainage holes was filled to block the high-pressure water inrush drilling holes, and the second grouting pipe was inserted therein.After the drainage pipe and slag were grouted and reinforced, the drainage pipe was used to plug the high-pressure water inrush borehole by boosting grouting.The research results show that the high pressure water inrush drilling hole converts the uncontrolled high pressure water inrush into a controllable drilling hole by adopting the pressure-relieving pressure-injection plugging method after drainage and pressure relief, which effectively reduces the workload and provides favorable construction conditions.This improves the effect of grouting plugging, thereby promoting the efficiency, sealing operability, sealing safety and reliability.At the same time, it also provides a feasible way to deal with the failure of borehole anti-burst measures.
Key words:water inrush hole; high pressure water; water diversion grouting; sealing hole
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任胜文.井下高压突水钻孔引流注浆封孔方法研究[J].煤炭科学技术,2019,47(6)：213-218.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.032
REN Shengwen.Study on borehole water diversion grouting sealing method for underground high pressure water inrush[J].Coal Science and Technology，2019，47(6)：213-218.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.032
收稿日期：2018-12-01
责任编辑：曾康生
作者简介：任胜文(1987—),男,满族,内蒙古赤峰人,工程师。E-mail:330701853@163.com
由于很多煤矿水文地质条件复杂，煤矿水害较为严重，矿井水害被列为煤矿安全生产五大灾害之一。为了查清矿井水文地质条件，矿井在勘探各个阶段需施工大量钻孔，导致井下揭露各类钻孔的频率和数量在逐年增加。但由于以前钻孔封孔要求和施工技术水平等原因导致钻孔往往为封闭不良钻孔，钻孔突水事故时有发生，有许多矿井甚至揭露钻孔导致井下淹井事故的发生[1]。这些封闭不良钻孔的存在使矿井水文地质条件复杂化，同时也恶化了煤矿的开采条件，增加了矿井突水的可能性和矿井的排水费用，另一方面短时间内较大的涌水量对矿井造成威胁，构成了矿井安全生产的重大隐患。
封闭不良钻孔含作为重要的导水通道，可能导通采空水、地表水、含水层水等多重水源，且垂向深度大，隐蔽性强，受充水水源、地质构造、采掘活动等因素影响，生产中很难防范，常导致重大事故[2]。对此，煤矿需要对封闭不良钻孔进行分类评价，并进行导水性研究，同时高等院校和科研单位等防治水工作者对钻孔突水机理做了许多研究和分析[3-5]，也对各种钻孔突水后的水害治理技术、方法进行了大量的工程实践，积累了许多经验 [6-9]。目前对井下钻孔突水后的注浆封堵通常采用超前探查[10]，孔口直接封堵[11-12]，建造阻水墙后封堵[13]，止浆塞注浆封堵出水段[14]等方法，这些方法存在着封堵困难 [15-16]、施工环境恶劣、对突水钻孔周边的围岩造成破坏、封堵效果差等缺点。由于水体的不可压缩性，孔内高压水会随着长期的震动、应力场变化等对岩体产生裂隙劈裂、剥离等效应，对岩体长时间的破坏，引起不定时的涌水与坍塌事故发生，严重威胁到矿山后期安全生产。
针对塔然高勒煤矿主井冻结孔突水后，水压高、水量大的特点，结合目前国内外钻孔突水后的注浆堵水研究现状，采用引流注浆封孔方法，将失控的高压突水钻孔转化为可控钻孔，提高了封孔的可操作性和安全性，保证了注浆效果，同时避免了高压注浆对巷道顶板的破坏和威胁，从根本上解除了高压突水钻孔的水害威胁。因此，深入研究高压水突水钻孔注浆封孔，防止发生水害事故，对有效预防和治理煤矿水害具有重要意义。
塔然高勒井田位于东胜煤田的北缘，井田含煤地层为侏罗系中下统延安组，主要可采煤层为3-1、4-1、4-2和5-1煤，其中3-1煤为主采煤层。矿井含水层为第四系(Q)松散层潜水含水层、白垩系下统志丹群(K1zh)孔隙潜水～承压水含水层、侏罗系中统延安组(J2y)裂隙孔隙承压含水层、三叠系上统延长组(T3y)碎屑岩类承压水含水层；隔水层为侏罗系中下统顶部隔水层、侏罗系中统延安组顶部隔水层、侏罗系中统延安组底部隔水层，其中侏罗系中统延安组(J2y)裂隙孔隙承压水含水层是矿井直接和主要充水含水层，是矿井的主要充水因素。其中侏罗系中统延安组(J2y)裂隙孔隙承压含水层岩性为浅黄色、青灰色中粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩，紫红色、杂色粉砂岩及泥岩与砂质泥岩，在井田内分布广泛，厚度巨大且稳定；在许多地段直接覆盖于3-1煤层之上、构成3-1煤层的直接顶板。此含水层段在井田范围内厚度80.56～217.33 m，平均值为158.29 m，单位涌水量q=0.005 8～0.232 0 L/(s·m)，富水性弱到中等，渗透系数K=0.003 7～0.630 0 m/d，渗透性弱到中等。
塔然高勒煤矿为立井开拓方式，主井井筒净径8.2 m，井筒全深699 m。在施工过程中，随着井筒逐渐向下延伸，所揭露的地层与检查孔资料基本吻合，但水文地质条件发生了较大变化，实际涌水量大幅超过了原地质报告提供的15～20 m3/h预计涌水量，当井筒掘至488 m时，实际单井涌水量达到118 m3/h，给建井施工造成了极大的难题。经专家论证，在488 m深以下井筒由普通法改为冻结法施工，在主井周围共施工32个钻孔，其中测温孔2个，冻结孔设计孔深658 m，孔径190 mm，下部冻结管为133 mm×6 mm钢管，采用内箍焊接连接，冻结孔钻探施工结束，随即开始冻结沟槽施工和冻结设备安装，冻结时间20个月，冻结完成后对井筒冻结壁强制解冻并进行射孔注浆，射孔注浆的深度为610 m，封堵装载硐室以上冻结管环状空间。在解冻过程中，井筒出现不同程度的涌水，涌水的原因主要是冻结管外环状空间沟通上部的含水层并将混合水导入井下所致，后采用井筒壁间注浆与壁后注浆封堵，注浆完成后实测井筒涌水量为8.9 m3/h。
主井冻结孔壁间及壁后注浆完成后，开始主井进风巷和主井井筒掘进工作，2处地点先后发生突水。主井进风巷出水位置位于进风巷左侧帮顶掘进头位置，掘进巷道底板标高+910 m，位于3-1煤层底板(+916.786 m)底板以下约2.3 m(巷道高4.5 m)，初始水量约72 m3/h，最大涌水量约95 m3/h。该出水点距离主井井壁约9.5 m，距离冻结孔约7 m，由掘进巷道围岩裂隙沟通冻结孔含水层通道所致。在主井进风巷水害治理时，在主井井筒深度631 m处西装载硐室南帮及井筒处发生突水，初始水量约为40 m3/h，井壁有破损现象，随后涌水量逐渐增加，井壁出现明显裂缝，18 h后涌水量为156 m3/h，最大水量216 m3/h，裂缝宽度10～120 mm，长度约为9 m，同时主井进风巷处(井深581m位置)的冻结孔涌水由30 m3/h减小至19 m3/h。
塔然高勒煤矿井筒冻结孔水害经历多次治理，仍无法完全消除。此次出水导致正在施工的梁窝无法正常施工，下部井壁无法浇筑，严重制约着主井的正常施工，影响到整个矿井的按时投产。为加快塔然高勒煤矿主立井建设步伐，尤其是为了确保主井今后能更加安全有效地投入正常生产，有必要从根本上解决主立井冻结孔环形空间涌水问题。
立井开凿施工的井筒为解决因矿井水文地质条件复杂造成的井筒掘进施工困难而采用全深冻结法施工，在井筒外围布设了32个用于装置冻结管的钻孔。施工时先进行冻结孔钻孔施工，孔径约190 mm，而后下入底部封闭的140 mm直径、壁厚7 mm的冻结管(无缝钢管)，最后在冻结管中下入直径60 mm的塑料管材，冻结期冷冻液自塑料管内压入地层，再从冻结管内环状空间携带地层热量后返回地表达到对目标地层冻结的目的。但解冻后这些冻结孔中的冻结管(外直径140 mm)与冻结孔(直径190 mm)之间的环状空间就形成了垂直导水通道[17]。冻结工程完成约6个月后自然解冻，贯穿全井深的每个冻结孔与冻结管之间都可能形成“环状空间”，如图1所示。
图1 井筒冻结孔水害剖面示意
Fig.1 Schematic diagram of water damage profile of freezing hole in shaft
这些“环状空间”便成了水力联系导水通道，将立井从地面到井底所有的含水层连成一体，使原来的隔水层失去隔水作用，形成约4.3 MPa的高压水。任何一个导水管道与巷道沟通都有可能出现较大的涌水。井筒完成施工后初期虽然管道的下部多被沉渣充填而不易导水，但充填碎屑物几乎没有胶结强度，较松散。上面含水层的地下水会透过这些充填物慢慢地向下渗透并将压力传递至井筒下部，对混凝土构筑物造成威胁，造成井筒下部混凝土构筑物强度无法承受高水压而破裂损毁导致井筒突发性涌水。
经过分析讨论，提出了以下治水思路：在有利地层施工环状隔离体阻断不良冻结孔导水通道。在井筒欲保护的构筑物邻近上方选择一隔水且岩性较坚固地层，通过开掘小断面巷道，在有其他孔泄水的条件下揭露冻结孔，截断冻结管，然后施工混凝土或注浆体阻断冻结孔导水通道，达到根治塔然高勒煤矿主立井冻结管水害的目的。实施方案[18]设计主要内容为以下3方面。
1)沿主井掘进一条环形措施巷，环形措施巷中心线半径为12.0 m，环形措施巷断面为1.8 m×2.0 m；环形措施巷施工包括：环形措施巷探水、环形措施巷掘进、环形措施巷支护、环形措施巷变形监测。
2)在环形措施巷内，利用电法探查主井冻结管位置，然后开挖耳硐，揭露冻结管，耳硐按照高1.8 m，宽2.0 m掘进，控制宽度不大于3.5 m；耳硐施工包括：探水、耳硐开挖、耳硐支护、耳硐变形监测。
3)冻结孔揭露完毕后，对冻结孔及其环状空间进行注浆封堵处理，处理完毕后对耳硐和环形措施巷进行回填及注浆。冻结孔水害治理内容包括：引流泄压孔施工、冻结孔及其环状空间注浆封堵，耳硐及环形措施巷的回填及注浆。
冻结孔水害处理以注浆封堵为主，根据不同情况，注浆封堵方案各不相同。在冻结管被从耳硐位置截断后，整个冻结孔将分为上、下2个孔，同时，由于在冻结孔处理过程中，需要预留一个出水量大的冻结孔作为泄压孔，泄压的冻结孔需要在最后做单独处理，因此冻结孔的注浆分3种情况进行。
3.3.1 上部孔注浆
上部冻结孔的注浆主要需要考虑冻结管掉管现象。因此注浆分2步进行，①对冻结管外部的环状空间进行注浆；②对冻结管进行注浆封堵。整个注浆均采用插管注浆方式进行，即在环状空间与冻结管内注浆时，均向注浆空间插入2根注浆管，一高一低，对环状空间或冻结管进行注浆封堵，插管的下部用棉纱等封堵，形成孔口密闭注浆(图2)。注浆工艺如下：
图2 上部冻结孔注浆方案
Fig.2 Grouting scheme for upper freezing holes
1)先进行固管注浆管(低管)注浆，浆液材料可选用水灰比(质量比)=1∶1的水泥浆液或水泥-水玻璃双液浆注浆。水泥采用PO.42.5R普通硅酸盐水泥。水泥浆配比为水∶水泥=1∶1(质量比)，C-S浆液配比为C∶S=1.0∶(0.2～0.5)(体积比)。至高位注浆管出浆停止。
2)待强24 h后，通过高位注浆管接通注浆管进行升压注浆。注浆采用水泥浆单液注浆。水泥采用PO.42.5R普通硅酸盐水泥。水泥浆配比为水∶水泥=1∶1(质量比)。注浆终压6 MPa。
3)通过冻结管注浆管接通注浆管进行注浆。注浆终压6 MPa。
3.3.2 下部孔注浆
下部孔注浆主要预防冻结管下掉，无法对冻结管进行注浆，导致冻结孔处理不彻底，或对下部硐室施工时构成威胁。因此需要在井口加工1个钢筋支架，用于固定冻结孔或环状空间的插管，具体如图3所示。注浆工艺采用充填注浆即可。浆液材料选用水灰比(质量比)=1∶1的水泥浆液或水泥-水玻璃双液浆注浆，水泥采用PO.42.5R普通硅酸盐水泥。
图3 下部冻结孔注浆方案
Fig.3 Grouting scheme for the lower freezing hole
3.3.3 引流注浆
如果措施巷或耳硐掘进中出现大量涌水，如无其他冻结孔泄水，需在井筒内实施泄压孔施工，在巷道内进行模袋压管引流注浆[19-21]施工后进行升压注浆处理。在有其他孔泄压时，可进行巷道内短距引流注浆后进行升压注浆处理。方案具体实施步骤如下(图4)：
1)在巷道内将冻结孔全部揭露，以确定高压突水钻孔的位置。
2)在揭露的高压突水冻结孔旁的岩壁上开设向下倾斜的短距引流孔，孔径130 mm，至引流孔导出水流后下入108 mm引流管。
3)在108 mm注浆管上方插入25 mm引流注浆管1，封闭引流注浆孔孔口进行双液浆引流注浆固管。水泥采用PO.42.5R普通硅酸盐水泥。水泥浆配比为水∶水泥=1∶1(质量比)，C-S浆液配比为C∶S=1∶(0.2～0.5)(体积比)。引流注浆至108 mm引流管出浆，关闭引流注浆管。
4)巷道前方下部用矿渣回填上部采用袋装水泥挡浆通过引流注浆管2进行水泥-水玻璃双液浆引流注浆。注浆工艺如第3)条，待时24 h。
5)通过108 mm引流管关口法兰安装截止阀，接通注浆管对高压突水钻孔进行升压注浆。注浆采用水泥浆单液注浆。水泥采用PO.42.5R普通硅酸盐水泥。水泥浆配比为水∶水泥=1∶1(质量比)。注浆终压6 MPa。
6)待注浆结束后24 h，可按设计处理下一孔。
图4 引流注浆方案
Fig.4 Water diversion grouting scheme
本次水害治理工程共揭露冻结孔32个(全部揭露)，对31个冻结孔割管(其中1个冻结孔无管)，32个全部进行注浆处理，处理过程中共揭露出水钻孔8个，水量20～160 m3/h，总水量约为43万m3，注浆量共计1 136 m3，注浆完成后主井水量明显减少，附近水文孔水位缓慢上升，主井周边的巷道淋水明显减少或者消失，根据水量、水位及注浆量等资料，认为主井出水孔环形空间已封堵，解除了环形空间水对主井的威胁。
主井西翼装载硐室南帮及井筒处出水，初始涌水量156 m3/h，主井出水后即进行水害治理工程。水害治理过程中在揭露22号冻结孔时，掘进头正前方出水，初始涌水量80 m3/h，主井出水点涌水量从218 m3/h突降至3～4 m3/h，此时22号冻结孔处涌水量达100 m3/h，这之后主井出水点处水量基本消失，主井水害治理完成后井筒涌水量11 m3/h左右，治水效果明显。
WB6水文孔位于主井西北方向，距离主井472 m，主井出水后，WB6水文孔水位有明显的下降，累计降幅达65.5 m。随着工程的进展，WB6水文孔水位慢慢回升，至最后一个冻结孔注浆封堵完成，水位明显的上升，累计上升13.5 m，说明很好地封堵住了下含水层段的出水通道。
另外，冻结孔水害治理之前主井马头门、配电室等地方淋水较大，水害治理之后这些地方的淋水有明显减少或者消失，副井的淋水也有减少，主井的给煤运输巷也顺利贯通，无涌水出现。
本次利用环形措施巷逐个揭露冻结孔及进行割管、注浆的方案，彻底解决了困扰塔然高勒煤矿已久的主井冻结孔水害问题，保障了井底浇筑及井筒正常安装工程，确保主井安全有效的投入正常生产，为矿井日后安全生产打下了坚实的基础。
1)在高压突水钻孔存在高压水大量涌出的情况下，采用引流孔先进行引流泄压，将失控钻孔转变为可控钻孔，封孔的各阶段施工均在可控条件下进行，从而有效地减少了工作量，提高了高压突水钻孔的封孔效率和可操作性。
2)采用引流注浆方法对高压突水钻孔不进行直接封堵，因此孔内的高压力水就不会沿井下工作场所周边的三维网状裂隙网络流入、渗入周围岩体，从而避免了冒落、片帮、底鼓等次生灾害发生，提高了高压突水钻孔的封孔安全性。
3)由于前期对高压突水钻孔进行了引流注浆，同时对高压突水钻孔的周边岩体进行了加固，从而为后期的高压升压注浆提供了有利的施工条件，后期高压注浆封孔压力高，注浆量大，保障了封孔水泥浆的高度,有效地改善了注浆封堵效果，提高了高压突水钻孔的封孔可靠性。
4)由于该封孔方法将失控的高压水转变为可控的高压水钻孔，可为井下施工的孔口防突措施失效(含无防突装置)的钻孔处理提供一种可行的处理思路。
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