论文部分内容阅读
前言
平煤八矿二井井明斜井开口位置位于八矿工业广场东北围墙内，矿井由平煤设计院设计，设计井型规模为年产150万t。开口标高为+118.500m，施工坡度～15°，半圆拱形断面，净宽5000mm，净高3700mm。设计工程量约2850m。设计支护形式主要为锚网喷支护和锚网喷+金支喷支护。斜井井筒施工至1361m处，工作面标高约～233.75m，工作面处于田家沟砂岩顶板中。工作面开始出现涌水，出水点两个，一个在巷道左侧距帮0.5m，距工作面1m，一个在巷道右侧，距帮0.8m，距工作面3.5m。工作面最大涌水量50m3／h，水压0.2MPa。通过对井筒己揭露的砂岩采用水泥一水玻璃双液浆底板注浆和未揭露的砂岩采用单液水泥浆工作面超前预注浆的治水处理，使斜井顺利通过了田家沟砂岩含水层段，取得了较好的效果。
1、地质概况
根据井筒地质预想剖面图可知，该段巷道处于上石盒子组，本组主要为浅灰白色中细粒砂岩，粉砂岩，砂质泥岩，泥砂和薄煤层组成，与下伏的下石盒子组呈整合接触，含七层煤。
工作面实际揭露的地质情况为工作面现处于砂质泥岩中，工作面底板下约1.5m为砂岩含水层，预计该含水层厚度约30m。工作面岩层倾角约13～16°，与巷道水平夹角约18°。预计将在工作面前5m处揭露砂岩含水层。
由于砂岩构造裂隙发育，在井筒施工揭露该岩层时，水即从构造裂隙和钻孔中涌出，涌水量将随井筒工作面的不断延深而增大。
2、第三系泥灰岩含水特征
(1)田家沟砂岩由于岩石硬度较大、性脆，在构造应力作用下，岩层中产生密集的裂隙、节理，且相互切割，裂隙宽度2～20mm，多为2～8mm，并可见有小的溶洞和溶孔。
(2)砂岩岩层较厚，不仅含水量较大，而且具有良好的补给条件。
3、治水方案的确定
依据工作面情况、对田家沟砂岩及其含水特征分析，以及含水层涌水情况和井筒施工工艺，确定采用水泥一水玻璃双液浆底板注浆与水泥单液浆工作面超前预注浆相结合的治水方案。
3.1 工作面巷道底板注浆
根据巷道底板岩石稳定情况和工作面出水情况，首先将工作面后5m范围内巷道底板的浮砟清理干净，在巷道底板出水点位置打设一根长度不小于0.5m的直径不小于φ59mm的导水管，导水管外漏端安设一个阀门。导水管打入底板后，在工作面后5m范围内打混凝土止浆垫，止浆垫厚度不小于0.5mm，强度不小于C30°导水管安装完毕后开始向底板注浆加固底板。根据巷道底板岩石情况，本次工作面底板注浆段长确定为5m，共布置注浆孔2排，第一排距工作面3m，第二排距工作面1.5m，每排布置5个注浆孔，注浆孔竖直夹角600，其中每排最外侧两个注浆孔终孔控制在巷道轮廓线外2m。
3.2 工作面预注浆
工作面预注浆采用分次注浆的方法向前施工，分次注浆段长20m，掘进段长15m，预留注浆超前距5m，每次掘进完毕后再按上述方案继续注浆，依次类推，直至该含水层施工完毕。第一次工作面预注浆孔共布置四排，每排五个孔。第二次预注浆及继续向下掘进时的预注浆为正常注浆段，正常注浆段注浆孔共布置五排，每排五个孔。每排注浆孔最外两个孔终孔布置在巷道轮廓线外2m位置，最下边一排注浆孔终孔布置在巷道底板下2m位置。工作面预注浆完毕后每次向前掘进前必须打探水钻孔，探孔布置3个，探孔深度20m，如探孔出水量大于5m3／h，利用探孔进行注浆封水，封水完毕后重新补打探孔，当探孔出水量小于5m3/h时方可向前掘进。
4、壁后注浆
4.1 注浆参数的选择
4.1.1 注浆范围
根据井筒揭露地质和水文地质情况，将注浆范围划分为重点注浆区域和一般注浆区域，即将涌水较大的部分定为重点注浆区域，涌水较小的部分定为一般注浆区域。注浆段总长78.4m(井筒斜长106.6～185.0m)。
4.1.2 注浆压力
注浆压力选用下式计算，即：
P=(2～3)Hγ=(1.8～2.7)MPa
式中：P为注浆压力，MPa：H为受注点至静止水位的水柱高，m；γ为水的容重，0.01MN／m3。根据计算结果，取中间值，注浆压力选定为2.25MPa。根据有关资料，对涌水较大的出水点，注浆压力为静水压力的3～5倍，即2.7～4.5MPa：因此，对重点注浆区域，选择注浆终压为4.5MPa。
4.2 注浆材料
采用水泥一水玻璃双液浆，其中，水泥用优质425号普通硅酸盐水泥，水玻璃用35～45玻美度、模数2.3～2.8的水玻璃。
4.3 注浆施工
4.3.1 注浆设备选择
选用2TGZ～60／210型和QZB～50／60型注浆泵。注浆孔造孔用气腿式凿岩机。
4.3.2 注浆孔造孔及其布置
(1)注浆孔造孔。对大的涌水点，在施工井筒碹体时，采用预埋直径φ102mm导水管作为注浆管；对于注浆区域，采用风钻造孔的方法。
(2)注浆孔布置。裂隙密集部分碹接茬处，片状漏水，采用密集式造孔，孔距、排距分别为0.6m和2.0m，孔深1.5～2.0m。布孔形式为三花眼放射状。
4.3.3 注浆方法、顺序及直接堵涌工艺
(1)注浆方法。因主斜井断面较大，垂高较高，不利于注浆施工和安全，所以，注浆施工前首先搭设可移动的注浆工作台。将注浆工具堆放在工作台上，利用工作台进行造孔注浆。用风钻造孔，直径φ25.4mm或φ19mm钢管作注浆插管，插管长度0.7m。插管插入注浆孔内并固定紧后，用阀门连接注浆管进行注浆。
(2)注浆顺序。先进行注浆段涌水的堵截，即先两头后中间，先顶板后底板；先注较小的出水点，后注较大的出水点。 (3)直接堵涌工艺。注浆前一次完成全部造孔工作，间隔插管，用木楔、破布、道钉堵漏，最后关闭大涌水点预埋注浆管的阀门，连接注浆管直接顶水注浆。待注浆压力达到设计压力并稳定15min后，便可停止注浆。
4.3.4 对1 80.73～1 85.73m注浆段的处理
106.6～180.73m段注浆完成后，对180.73～185.73m段进行注浆处理。施工时涌水量大，底板铺底及两帮碹体质量差，多处灰浆被冲失，仅剩石子，并且此段井筒断面小于设计断面许多，工作面墙高1.2m，底板也相差0.9m。据此，拟先进行注浆处理，然后拉底补墙；但注浆施工中发现，此段底板混凝土承受不了注浆压力，采取几次补救措施均未达到注浆堵水的目的。为此，进行了两帮和底板混凝土的加固。依据具体涌水情况采用下列加固方法：
(1)将该段铺底混凝土全部揭去，并按井筒设计断面进行挖掘；
(2)因该段涌水量约100m3／h，加之30°的坡度，用常规方法无法进行拉底及铺底工作，必须从铺底工艺及结构上采取有效措施，才能保证铺底工作的顺利进行及铺底混凝土的质量，为注浆工作创造良好条件。为此，在拉底方式和铺底结构上采取了如下工艺：①拉底。拉底前，先用风镐挖0.5m深的水窝，把吸水笼头置于水窝中抽水，此时可进行其它部～位的挖掘。待拉底达到吸水笼头的吸水极限时，仍挖0.5m深的水窝，把吸水笼头再置于其中抽水而开挖其它部位。如此不断移动水窝及吸水笼头，直至按设计将底板拉好。②铺底。先进行两侧墙体的浇筑。立模浇筑前，将两帮涌、淋水导入底板。两侧墙浇筑完成后，进行铺底工作。底板设计厚度为1.0m，包括0.5m厚的混凝土和在其下方铺设的0.5m厚的砾石层。在工作面附近放置1个尺寸0.4mx0.4mxl.0m、底部带有长条形密集式透水槽的吸水桶，将吸水笼头置于吸水桶底部抽水，此时，可进行铺底工作。首先铺设0.5m厚的砾石层，与此同时，在底板裂隙涌水点及裂隙部位预置注浆管。为防止砾石层上铺设的混凝土掉入砾石缝隙而减少过水或堵塞过水通道，铺设混凝土前，在砾石层上先铺设1层石棉瓦。由于采用了快干水泥混凝土，待混凝土凝固12h后即可进行注浆工作。注浆一次即达到了堵水目的。
5、工作面超前预注浆
依据己揭露的泥灰岩构造发育状况，在完成壁后注浆处理后，为防止主斜井井筒施工中再次出现较大的涌水而造成淹井事故，以及为加快井筒施工速度、改善井下作业条件和减少排水费用，决定对主斜井井筒实施工作面超前预注浆。
5.1 注浆方案
(1)注浆浆液。选用单液水泥浆，水泥浆中加外加剂氯化钙和三乙醇胺。
(2)注浆方式及段长。据主斜井施工己揭露的地质和水文地质情况，并考虑注后能形成一定厚度的注浆帷幕，选择长、短段相结合的注浆方式，短段长10m，长段长50m。短段注浆孔钻成1个注1个，一次钻注完成。
(3)注浆孔数及其布置。考虑裂隙发育程度、浆液有效扩散半径和井筒断面大小，注浆孔数定为10个，其中，短孔(长10m)4个，长孔(长50m)6个，终孔孔位距井筒外轮廓2.0m。
5.2 注浆参数
(1)注浆压力。依据有关技术资料，注浆终压应为静水压力的2～5倍。为达到较好的注浆效果，选用较高的系数，即注浆终压选定为5～6MPa。
(2)浆液浓度。依据岩体裂隙发育情况及涌水量，水泥浆水灰比选择为0.5：1～1：1，浆液相应的初凝时间为7h41min～14h56min。
(3)注浆结束标准。根据经验，注浆结束标准为，维持注浆终压和吸浆量的时间大于15min。
6、注浆效果
对井筒己揭露的泥灰岩段壁后注浆和井筒未施工段泥灰岩含水层超前预注浆处理取得较好效果。纯注浆共用时间22d。消耗水泥72.7t，其中壁后注浆用水泥40.7t，工作面超前预注浆用水泥32.0t：消耗水玻璃20.07t。壁后注浆前涌水量为287m3／h，注浆后减小为10m3／h，堵水率约达97％，每年可节省排水费用20万元以上；工作面超前注浆前钻孔总的涌水量为148m3／h，注浆后，经井筒施工揭露后实测，总涌水量不足4m3/h，堵水率达97％以上，每年可节省排水费用15万元以上。
平煤八矿二井井明斜井开口位置位于八矿工业广场东北围墙内，矿井由平煤设计院设计，设计井型规模为年产150万t。开口标高为+118.500m，施工坡度～15°，半圆拱形断面，净宽5000mm，净高3700mm。设计工程量约2850m。设计支护形式主要为锚网喷支护和锚网喷+金支喷支护。斜井井筒施工至1361m处，工作面标高约～233.75m，工作面处于田家沟砂岩顶板中。工作面开始出现涌水，出水点两个，一个在巷道左侧距帮0.5m，距工作面1m，一个在巷道右侧，距帮0.8m，距工作面3.5m。工作面最大涌水量50m3／h，水压0.2MPa。通过对井筒己揭露的砂岩采用水泥一水玻璃双液浆底板注浆和未揭露的砂岩采用单液水泥浆工作面超前预注浆的治水处理，使斜井顺利通过了田家沟砂岩含水层段，取得了较好的效果。
1、地质概况
根据井筒地质预想剖面图可知，该段巷道处于上石盒子组，本组主要为浅灰白色中细粒砂岩，粉砂岩，砂质泥岩，泥砂和薄煤层组成，与下伏的下石盒子组呈整合接触，含七层煤。
工作面实际揭露的地质情况为工作面现处于砂质泥岩中，工作面底板下约1.5m为砂岩含水层，预计该含水层厚度约30m。工作面岩层倾角约13～16°，与巷道水平夹角约18°。预计将在工作面前5m处揭露砂岩含水层。
由于砂岩构造裂隙发育，在井筒施工揭露该岩层时，水即从构造裂隙和钻孔中涌出，涌水量将随井筒工作面的不断延深而增大。
2、第三系泥灰岩含水特征
(1)田家沟砂岩由于岩石硬度较大、性脆，在构造应力作用下，岩层中产生密集的裂隙、节理，且相互切割，裂隙宽度2～20mm，多为2～8mm，并可见有小的溶洞和溶孔。
(2)砂岩岩层较厚，不仅含水量较大，而且具有良好的补给条件。
3、治水方案的确定
依据工作面情况、对田家沟砂岩及其含水特征分析，以及含水层涌水情况和井筒施工工艺，确定采用水泥一水玻璃双液浆底板注浆与水泥单液浆工作面超前预注浆相结合的治水方案。
3.1 工作面巷道底板注浆
根据巷道底板岩石稳定情况和工作面出水情况，首先将工作面后5m范围内巷道底板的浮砟清理干净，在巷道底板出水点位置打设一根长度不小于0.5m的直径不小于φ59mm的导水管，导水管外漏端安设一个阀门。导水管打入底板后，在工作面后5m范围内打混凝土止浆垫，止浆垫厚度不小于0.5mm，强度不小于C30°导水管安装完毕后开始向底板注浆加固底板。根据巷道底板岩石情况，本次工作面底板注浆段长确定为5m，共布置注浆孔2排，第一排距工作面3m，第二排距工作面1.5m，每排布置5个注浆孔，注浆孔竖直夹角600，其中每排最外侧两个注浆孔终孔控制在巷道轮廓线外2m。
3.2 工作面预注浆
工作面预注浆采用分次注浆的方法向前施工，分次注浆段长20m，掘进段长15m，预留注浆超前距5m，每次掘进完毕后再按上述方案继续注浆，依次类推，直至该含水层施工完毕。第一次工作面预注浆孔共布置四排，每排五个孔。第二次预注浆及继续向下掘进时的预注浆为正常注浆段，正常注浆段注浆孔共布置五排，每排五个孔。每排注浆孔最外两个孔终孔布置在巷道轮廓线外2m位置，最下边一排注浆孔终孔布置在巷道底板下2m位置。工作面预注浆完毕后每次向前掘进前必须打探水钻孔，探孔布置3个，探孔深度20m，如探孔出水量大于5m3／h，利用探孔进行注浆封水，封水完毕后重新补打探孔，当探孔出水量小于5m3/h时方可向前掘进。
4、壁后注浆
4.1 注浆参数的选择
4.1.1 注浆范围
根据井筒揭露地质和水文地质情况，将注浆范围划分为重点注浆区域和一般注浆区域，即将涌水较大的部分定为重点注浆区域，涌水较小的部分定为一般注浆区域。注浆段总长78.4m(井筒斜长106.6～185.0m)。
4.1.2 注浆压力
注浆压力选用下式计算，即：
P=(2～3)Hγ=(1.8～2.7)MPa
式中：P为注浆压力，MPa：H为受注点至静止水位的水柱高，m；γ为水的容重，0.01MN／m3。根据计算结果，取中间值，注浆压力选定为2.25MPa。根据有关资料，对涌水较大的出水点，注浆压力为静水压力的3～5倍，即2.7～4.5MPa：因此，对重点注浆区域，选择注浆终压为4.5MPa。
4.2 注浆材料
采用水泥一水玻璃双液浆，其中，水泥用优质425号普通硅酸盐水泥，水玻璃用35～45玻美度、模数2.3～2.8的水玻璃。
4.3 注浆施工
4.3.1 注浆设备选择
选用2TGZ～60／210型和QZB～50／60型注浆泵。注浆孔造孔用气腿式凿岩机。
4.3.2 注浆孔造孔及其布置
(1)注浆孔造孔。对大的涌水点，在施工井筒碹体时，采用预埋直径φ102mm导水管作为注浆管；对于注浆区域，采用风钻造孔的方法。
(2)注浆孔布置。裂隙密集部分碹接茬处，片状漏水，采用密集式造孔，孔距、排距分别为0.6m和2.0m，孔深1.5～2.0m。布孔形式为三花眼放射状。
4.3.3 注浆方法、顺序及直接堵涌工艺
(1)注浆方法。因主斜井断面较大，垂高较高，不利于注浆施工和安全，所以，注浆施工前首先搭设可移动的注浆工作台。将注浆工具堆放在工作台上，利用工作台进行造孔注浆。用风钻造孔，直径φ25.4mm或φ19mm钢管作注浆插管，插管长度0.7m。插管插入注浆孔内并固定紧后，用阀门连接注浆管进行注浆。
(2)注浆顺序。先进行注浆段涌水的堵截，即先两头后中间，先顶板后底板；先注较小的出水点，后注较大的出水点。 (3)直接堵涌工艺。注浆前一次完成全部造孔工作，间隔插管，用木楔、破布、道钉堵漏，最后关闭大涌水点预埋注浆管的阀门，连接注浆管直接顶水注浆。待注浆压力达到设计压力并稳定15min后，便可停止注浆。
4.3.4 对1 80.73～1 85.73m注浆段的处理
106.6～180.73m段注浆完成后，对180.73～185.73m段进行注浆处理。施工时涌水量大，底板铺底及两帮碹体质量差，多处灰浆被冲失，仅剩石子，并且此段井筒断面小于设计断面许多，工作面墙高1.2m，底板也相差0.9m。据此，拟先进行注浆处理，然后拉底补墙；但注浆施工中发现，此段底板混凝土承受不了注浆压力，采取几次补救措施均未达到注浆堵水的目的。为此，进行了两帮和底板混凝土的加固。依据具体涌水情况采用下列加固方法：
(1)将该段铺底混凝土全部揭去，并按井筒设计断面进行挖掘；
(2)因该段涌水量约100m3／h，加之30°的坡度，用常规方法无法进行拉底及铺底工作，必须从铺底工艺及结构上采取有效措施，才能保证铺底工作的顺利进行及铺底混凝土的质量，为注浆工作创造良好条件。为此，在拉底方式和铺底结构上采取了如下工艺：①拉底。拉底前，先用风镐挖0.5m深的水窝，把吸水笼头置于水窝中抽水，此时可进行其它部～位的挖掘。待拉底达到吸水笼头的吸水极限时，仍挖0.5m深的水窝，把吸水笼头再置于其中抽水而开挖其它部位。如此不断移动水窝及吸水笼头，直至按设计将底板拉好。②铺底。先进行两侧墙体的浇筑。立模浇筑前，将两帮涌、淋水导入底板。两侧墙浇筑完成后，进行铺底工作。底板设计厚度为1.0m，包括0.5m厚的混凝土和在其下方铺设的0.5m厚的砾石层。在工作面附近放置1个尺寸0.4mx0.4mxl.0m、底部带有长条形密集式透水槽的吸水桶，将吸水笼头置于吸水桶底部抽水，此时，可进行铺底工作。首先铺设0.5m厚的砾石层，与此同时，在底板裂隙涌水点及裂隙部位预置注浆管。为防止砾石层上铺设的混凝土掉入砾石缝隙而减少过水或堵塞过水通道，铺设混凝土前，在砾石层上先铺设1层石棉瓦。由于采用了快干水泥混凝土，待混凝土凝固12h后即可进行注浆工作。注浆一次即达到了堵水目的。
5、工作面超前预注浆
依据己揭露的泥灰岩构造发育状况，在完成壁后注浆处理后，为防止主斜井井筒施工中再次出现较大的涌水而造成淹井事故，以及为加快井筒施工速度、改善井下作业条件和减少排水费用，决定对主斜井井筒实施工作面超前预注浆。
5.1 注浆方案
(1)注浆浆液。选用单液水泥浆，水泥浆中加外加剂氯化钙和三乙醇胺。
(2)注浆方式及段长。据主斜井施工己揭露的地质和水文地质情况，并考虑注后能形成一定厚度的注浆帷幕，选择长、短段相结合的注浆方式，短段长10m，长段长50m。短段注浆孔钻成1个注1个，一次钻注完成。
(3)注浆孔数及其布置。考虑裂隙发育程度、浆液有效扩散半径和井筒断面大小，注浆孔数定为10个，其中，短孔(长10m)4个，长孔(长50m)6个，终孔孔位距井筒外轮廓2.0m。
5.2 注浆参数
(1)注浆压力。依据有关技术资料，注浆终压应为静水压力的2～5倍。为达到较好的注浆效果，选用较高的系数，即注浆终压选定为5～6MPa。
(2)浆液浓度。依据岩体裂隙发育情况及涌水量，水泥浆水灰比选择为0.5：1～1：1，浆液相应的初凝时间为7h41min～14h56min。
(3)注浆结束标准。根据经验，注浆结束标准为，维持注浆终压和吸浆量的时间大于15min。
6、注浆效果
对井筒己揭露的泥灰岩段壁后注浆和井筒未施工段泥灰岩含水层超前预注浆处理取得较好效果。纯注浆共用时间22d。消耗水泥72.7t，其中壁后注浆用水泥40.7t，工作面超前预注浆用水泥32.0t：消耗水玻璃20.07t。壁后注浆前涌水量为287m3／h，注浆后减小为10m3／h，堵水率约达97％，每年可节省排水费用20万元以上；工作面超前注浆前钻孔总的涌水量为148m3／h，注浆后，经井筒施工揭露后实测，总涌水量不足4m3/h，堵水率达97％以上，每年可节省排水费用15万元以上。