袁世冲1,张改玲1,2,郑国胜1,蔡逢华3,钱自卫1,2
(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州 221116; 2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221116; 3.兖矿集团陕西未来能源化工有限公司 金鸡滩煤矿,陕西 榆林 719000)
摘 要:陕西榆林金鸡滩煤矿副斜井井筒表层广泛分布厚层风积砂，由于短时间内载重运输车的重复碾压，导致斜井底板破裂，发生水砂突涌灾害，严重威胁矿井安全。针对金鸡滩煤矿副斜井水砂突涌灾害治理难题，工程前期采用水泥注浆治理，起到了很好的固砂减水效果，但是并未完全封堵涌水通道；后期通过补注化学浆液，成功封堵了残存涌水通道。结合工程实践与模型试验，分析了斜井底板破裂原因、注浆治理效果及不同种类浆液的固砂堵水机理。现场治理效果与模型试验结果表明，水泥浆液主要以树根状劈裂脉固砂为主；化学浆液以劈裂和渗透堵水为主，在封堵残存涌水通道上更具优势，因此两种类型浆液配合使用效果更佳。
关键词:注浆;风积砂;斜井;底板破裂;水砂突涌
矿井井筒是实现生产运输的重要工程,担负矿井的材料、设备等运输任务,兼主要进风井和安全出口,是整个矿井的“咽喉”[1]。而井筒破裂导致水砂突涌是一种经常发生于煤矿和隧道的特殊工程地质灾害,这种灾害往往具有突然性、承压性,并且破坏力强,严重影响矿井和隧道的生产与安全[2-5]。
据统计,近20年间,在中国已有数十个在建和已建成井筒和隧道发生过水砂突涌灾害,严重制约了煤炭资源的安全开采和基础道路建设[6]。1999年8月金桥煤矿副井井筒实施井壁注浆治理淋水工作中出现流砂涌出现象,主、副立井被淹没,造成巨大经济损失[7-9]。2013年11月李粮店煤矿井深272 m处进行壁后注浆过程中,井壁出现沿注浆孔涌水喷砂现象,短时间内涌水喷砂流量由20 m3/h发展到350 m3/h,致使副井井筒以及周边地表沉降、副井井筒及地面设施受损严重[10]。2006年1月宜万铁路马鹿箐隧道平导PDK255+978掘进工作面拱部围岩突然崩塌,发生突水突泥,总突水量7.2×105 m3,泥沙总量约7×104 m3[11]。2011年9月在建的胡麻岭隧道2号斜井重庆方向,掘进工作面拱部以上出现涌水涌砂,突涌量约为5 000 m3[12]。
破壁注浆和地面注浆是解决井筒水砂突涌的常用方法。王档良等[13]对杨庄煤矿副井深厚松散层破裂井壁治理中采用井圈加固+卸压槽+化学注浆的方案,起到了明显的堵水防渗效果。夏红春和周国庆[14]认为地面注浆加固井筒周围的含水层可以有效缓释和抑制井壁的竖向附加应力,浆液在井筒周围形成的帷幕可以封堵漏水通道,减少井壁破裂处的涌水,达到治理井壁破裂的目的。钱自卫等[15]分析了黑龙煤矿副斜井二次涌水的原因为初次注浆形成的软黏土与浆液共同的裂隙充填体稳定性差,掘进扰动后再次发生涌水,采用水泥-水玻璃双液浆成功封堵了涌水点。注浆可以有效的提高井筒周围岩(土)层的稳定性;利用注浆帷幕体承受部分附加应力,改善井壁的受力条件;利用浆液充填井壁裂隙,增强井壁自身的防水、抗渗能力和井壁的抗压、抗拉强度[16]。
由于注浆工程具有隐蔽性,浆液的扩散规律与加固机理难以借助现场观测进行研究,众多学者采用室内模型试验的方法进行研究。郭密文[17]利用室内相似模型试验研究了高压封闭环境下砂层注浆化学浆液的扩散机理,提出了浆液扩散的“置换推进”、“优势路径”、“分层富集”机制。李术才等[18]利用自主研发的准三维裂隙动水注浆模型试验台,进行裂隙岩体涌突水注浆模型试验,提出了浆液的U形扩散规律和水泥浆液的分层分区扩散机制。张改玲[19]采用GDS静态高压三轴试验系统研究了不同浆液含量的化学注浆固砂体高围压下的渗透特性。高岳等[20-21]采用透明土实验技术实现了注浆过程的可视化,对化学浆液在土层中的扩散机理进行了研究。
笔者以金鸡滩煤矿副斜井井壁破裂水砂突涌注浆治理为背景,结合现场破壁注浆施工治理措施,发现只是单纯的大量灌注水泥浆液可以起到很好的固砂效果,但是并不能将涌水完全封堵,灌注水泥浆液后再补注化学浆液可以很快的将涌水彻底封堵。针对以上工程现象,本文通过简易的模型试验研究了水泥浆液和化学浆液在风积砂中的扩散特征,对比分析了两种浆液固砂堵水方式的差异,获得的结果对现场注浆施工具有一定的指导意义。
金鸡滩煤矿地处中国陕西省榆林市榆阳区东北部27 km的毛乌素沙漠南沿,南距榆林市区30 km。区内地势平坦开阔,主要的地貌单元有:滩地、沙丘沙地、黄土丘陵及河谷地貌,广泛分布第四系全新统风积砂
平均厚度为8.02 m。金鸡滩煤矿副斜井2014年7月竣工并投入使用,副斜井坡度为5°,斜长段里程0～60 m砂层段采用明槽法施工,里程60～350 m砂层段采用冻结法施工。水砂突涌段(斜长250～300 m)为直墙半圆拱型,净宽×净高=6 000 mm×4 600 mm,直墙段高1 600 mm,圆拱半径3 000 mm。斜井帮、顶混凝土厚度为550 mm,喷浆厚度为100 mm,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。副斜井井筒斜长3 028 m,井底埋深263.9 m。主采煤层平均厚度8.0 m左右,为侏罗系煤层,年生产能力1 200万t,可以实现综采一次性采煤8.2 m。
2016年8月初在通过副斜井运输大量采煤设备的过程中发现,在副斜井里程250～300 m段水沟处底板涌水中出现携砂现象,后续持续观测发现水量、砂量持续增大,底板开始有裂缝发育,顶板有破裂及淋水现象。水量砂量变化情况如图1所示,最大涌水量达到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11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。
副斜井水砂突涌点位于斜井底板的水沟槽位置及底板破裂位置,水砂突涌点多、分散、跨度长。副斜井揭穿的含水层从上到下主要包括第四系孔隙潜水含水层、风化基岩裂隙承压水含水层、侏罗系孔隙裂隙承压含水层。副斜井顶板、底板穿越水砂突涌段的地层情况见表1,主要揭穿的含水层为第四系孔隙潜水含水层,其主要接受大气降水补给,钻孔揭示此含水层单位涌水量为0.083 55～0.918 48 L/(s·m),富水性弱至中等。
图1 注浆前副斜井水量及砂量实测数据
Fig.1 Amount of sand and water inrush in of the auxiliary inclined shaft before grouting
表1 副斜井水砂突涌段穿越地层
Table 1 Strata of the section of water and sand inrush in the auxiliary inclined shaft
副斜井水砂突涌的原因主要是由于副斜井井壁结构设计不合理,在使用的过程中没有考虑其底板承载能力,大吨位车辆多次循环碾压的过程中,造成斜井底板破裂及下覆砂层液化,砂层稳定性减弱,加上降雨集中,超孔隙水压增高,地下水携带砂粒从底板裂隙喷出,随着底板被掏空,帮部及顶板砂层向底板不间断补给,进而造成地表塌陷,如图2所示。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达到50 mm。通过分析可知,斜井水砂突涌的水砂来源于风积砂含水层,通道是斜井底板和帮部的破裂裂缝。因此,在斜井底部和帮部施工破壁注浆孔,灌注浆液能同时起到“堵路、封源”的双重效果。
井筒水砂突涌段(斜长250～300 m),注浆孔垂向埋深21.8～26.2 m,布设方式如图3所示。注浆孔排状布置,相邻排孔布孔6个、7个,排间距2.5 m。注浆孔位展示图呈梅花桩式。以底板孔浆液扩散半径1.5 m、帮顶孔浆液扩散半径2.5 m计算,相邻注浆孔的浆液扩散能够形成交圈效果。
图2 副斜井水、砂来源
Fig.2 Sources of water and sand into the auxiliary inclined shaft
从注浆扩散充填效果的角度,提高注浆压力有利于浆液的扩散,但高压注浆对井壁的不利影响也较大,因此,壁后注浆压力控制要充分考虑井壁的受力程度。根据壁后砂层性质、静水压力、井壁结构及成井质量,确定副斜井底板注浆压力控制在0.5 MPa以内,瞬间冲击压力不大于1.0 MPa;两帮及顶板注浆压力控制在0.8 MPa以内,瞬间冲击压力不大于1.2 MPa。
图3 注浆孔布孔示意(单位:cm)
Fig.3 Schematic of the layout of grouting boreholes(Unit:cm)
2017-08-16—27,通过在斜井帮部破壁注浆,灌注水泥浆液,井筒的水量降低了50%左右,砂量降低至0.1%以下,井筒涌水已经返清。井筒变形基本稳定,地面塌陷坑不再发育,井筒顶板淋水大幅降低。8月27日后通过补注化学浆液,井筒的水量降低至3.8 m3/h,携砂量维持在0.1%以下。注浆后的水量和砂量变化如图4所示。
图4 注浆后副斜井水量及砂量实测数据
Fig.4 Amount of sand and water of the inclined auxiliary shaft after grouting
通过对金鸡滩煤矿副斜井井壁破裂水砂突涌的注浆治理实践发现,水泥浆液和化学浆液在固砂堵水方式上存在差异。因此,采用现场的注浆材料和风积砂设计了如下注浆模型试验。探究两种类型的浆液在风积砂中的扩散特点与加固机理,对现场注浆实践有一定的指导意义。
毛乌素沙漠是我国十二大沙漠和沙区之一,面积约为73 344 km2,该地区降雨量小,砂颗粒具有良好的透水性,砂粒表面对水几乎没有物理吸附性,保水能力低,表层一般都为干燥状态。颗粒的磨圆程度差,大多数粒径集中在0.075～0.25,0.25～0.5 mm之间,占总质量的90%以上,颗粒大小均匀,属于典型级配不良的细砂,不均匀系数Cu=1.80,曲率系数Cc=0.94。根据100～200 kPa级荷载下风积砂的压缩指标判断,风积砂属于低压缩性。风积砂的基本物理性质指标范围见表2。
表2 风积砂基本物理性质
Table 2 Basic physical properties of aeolian sand
通过对取自金鸡滩煤矿副斜井旁的天然风积砂样烘干、研磨,过325目的筛网。使用中国矿业大学现代分析测试中心的D8 ADVANCE型的X射线衍射仪分析风积砂的矿物组成。X射线衍射图谱如图5所示。X射线衍射分析表明风积砂物质组成以石英、长石为主,重矿物含量少但种类较多,达16～22种,以角闪石、绿帘石和石榴石为主,黏土矿物多为伊利石。
图5 风积砂X射线衍射图谱
Fig.5 X-ray diffraction pattern of aeolian sand
本次试验的水泥浆液选用金鸡滩煤矿副斜井注浆现场使用的42.5强度等级的普通硅酸盐水泥。化学浆液选用改性脲醛树脂浆液,浆液使用时的反应为:浆液+引发剂+添加剂→胶凝固化,引发剂采用5%浓度的草酸溶液,添加剂的作用主要是大幅提高浆液在溶水状态下的固结强度,增强浆液固结后的塑性。经测定化学浆液的起始黏度为12 mPa·s,抗渗系数10-7～10-8 cm/s。改性脲醛树脂与草酸溶液的体积比是4∶1,气温为7 ℃时,胶凝时间为160 s,可以满足试验要求。
为了探究水泥浆液和化学浆液在风积砂中的固砂堵水方式和扩散特点,设计了如图6所示的注浆试验模型,可以进行单液和双液注浆。试验模型由注浆系统和模型桶两部分构成。注浆泵采用SB型手动试压泵,注浆压力范围0～4 MPa,一次压注流量为32 cm3,最大操作力40 kg,水箱容积18 L;模型桶直径58 cm,高100 cm。由于一次压注的流量是固定的,通过调节两个注浆泵的压注次数,可以达到调节注浆比例的目的。注浆管由注浆泵引出后经三通连接,顺模型桶内壁埋设于距离模型桶底部20 cm的模型桶中心位置,注浆管采用外径6 mm、内径4 mm的PU管。采用现场地表天然风积砂分层填筑模型,分层厚度为10 cm,每层击实密度控制为1.62 g/cm3,填筑高度为90 cm。
图6 试验模型
Fig.6 Test model
将现场水泥配置成水灰比为1∶1的浆液。模型铺设完成后,匀速将浆液注入模型,注浆的过程中不断搅拌浆液,防止水泥颗粒沉淀,堵塞注浆管路。待模型顶部出现返浆后,立即停止注浆。本次试验注浆量为4.5 kg,注浆完成后,从模型的顶部逐层向下剥离,每次5 cm,切片图像如图7所示,切片位置如图6(a)所示。
图7 水泥浆在风积砂中的扩散切片图像
Fig.7 Slice pictures of cement slurry diffuse in aeolian sand
从图7中可以看出,水泥浆液在风积砂中的扩散主要分为3个阶段:
第1阶段:球形挤密注浆阶段,如图7(l)～(n)。在此阶段,水泥浆液扩散主要以挤密为主,劈裂为辅,浆液在注浆压力作用下无法及时渗透到土体颗粒间的孔隙中,对砂土颗粒进行挤密。
第2阶段:指形优势通道形成阶段,如图7(i)～(k)。在此阶段,随着浆液扩散体积的增大,由于风积砂的各向异性,浆液在各个方向的渗透性逐渐显示不同,并在某些区域形成优势通道。这一阶段的浆液逐渐从球形扩散向指形扩散过渡。
第3阶段:半圆形劈裂脉形成阶段,如图7(a)～(h)。随着优势通道的逐渐发育,浆液沿其不断向远处扩散,当浆液在注浆压力的驱使下发育半圆形劈裂脉。
注浆量同样为4.5 kg,注浆过程中改性脲醛树脂注浆泵压注4次,草酸溶液注浆泵压注1次。注浆完成后,待浆液充分胶凝24 h,整体剥离出浆液固结体,固结体的整体形态和局部的剖面如图8所示。
图8 化学浆液注浆体整体形态与局部剖面
Fig.8 Whole shape and local profile of chemical grout body
从图8可以看出,化学浆液在风积砂中的扩散同样也分为3个阶段:
第1阶段:以渗透注浆为主,在本阶段初期,浆液主要以球形扩散为主,随着浆液的持续扩散,浆液在土体薄弱处形成劈裂脉,浆液开始沿“指形”扩散；
第2阶段:优势通道形成阶段,浆液沿优势通道上升,上升的过程中主要是渗透挤密和劈裂扩散为主,两者同时存在,同时进行；
第3阶段:随着浆液的持续扩散,当其达到桶壁附近时,受桶壁限制,优势通道方向发生变化,浆液沿桶壁向两侧扩展,形成半圆形优势通道。在此阶段,劈裂与渗透同时进行。
通过对金鸡滩煤矿副斜井水砂突涌的抢险注浆治理与后期的井筒帷幕注浆工程中发现以下工程现象。注浆治理的初期由于井壁的两帮与底板的破裂严重,水砂突涌情况严重,通过对两帮的大量灌注水泥浆液,有效封堵了水、砂的通道,水量与砂量迅速减小。只是单纯的大量灌注水泥浆液可以起到很好的固砂效果,但是并不能完全将涌水封堵,且水压回升后,在其余井壁薄弱部位发生新的涌水点,稍有不慎便会重新发生水砂突涌事故。经过实践发现,大量灌注水泥浆液后再补注化学浆液可以很快的将残余涌水彻底封堵。
通过以上工程现象结合模型试验,可以得到,水泥浆液与化学浆液在风积砂中的扩散模式、加固机理是有差异的。水泥和化学浆液在治理斜井井壁破裂水砂突涌中的固砂堵水机理对比如图9所示。水泥浆液在风积砂中的扩散主要是以劈裂为主,在注浆压力的作用下,发育各个方向的树根状劈裂脉,可以起到很好的快速固砂效果,但是并不能将涌水的通道完全封堵。在大量灌注水泥浆液后,通过定点补注化学浆液,可以有效的封堵残存的涌水通道,达到完全堵水固砂的效果。这是由于溶胶型化学浆液相比于颗粒型水泥浆液,更容易发生渗透现象,堵水效果也就更加明显。
图9 水泥和化学浆液扩散和堵水机理对比
Fig.9 Comparison of mechanism of propagation and waterplugging between cement and chemical grouts
(1)金鸡滩煤矿副斜井发生水砂突涌灾害,通过水泥和化学注浆治理,井筒的水量降低90%以上,携砂量降低至0.1%以下,保证了井筒的正常运行。
(2)注浆过程中采用初期大量灌注颗粒型水泥浆液,起到了快速固砂堵水的目的;后期定点灌注溶胶型化学浆液,达到了彻底封堵残存涌水通道的效果,现场施工结果表明两种类型浆液配合使用,可以达到理想的治理效果。
(3)模型试验结果表明两种类型的浆液在风积砂中的扩散模式存在差异。相比于颗粒型水泥浆液,化学浆液在优势通道形成阶段和半圆形劈裂脉阶段更容易发生渗透现象,堵水效果也更明显。
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YUAN Shichong1,ZHANG Gailing1,2,ZHENG Guosheng1,CAI Fenghua3,QIAN Ziwei1,2
(1.School of Resources and Geosciences,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 3.Jinjitan Coal Mine,Yankuang Group Shaanxi Future Energy Chemical Corp,Yulin 719000,China)
Abstract:There are widely distributed thick aeolian sand layer covering the surface of the auxiliary inclined shaft of the Jinjitan Coal Mine,Yulin,Shaanxi province.The floor of the auxiliary inclined shaft ruptured due to the repeat roller compaction of large tonnage vehicles on the floor during a short time,which resulted in water and sand inrush and seriously threatened the safety of the mine.Aiming at the problem of water and sand inrush of the Jinjitan Coal Mine,cement grouting treatment was implemented first and it played an important role in sealing water and sand inrush,but water inflow was not completely plugged.Then the remaining water inflow was successfully plugged by chemical grouting.Based on the engineering practice and model test,the reasons for the rupture of the floor,effect of the grouting treatment and reinforcement mechanism of different grout were analyzed in this paper.The results of field treatment and model test show that the cement grouting reinforced sand by tree-like propagated grout veins,the chemical grouting reinforced sand by splitting and infiltration,which is more advantageous to seal off the residual pathway of water inflow.Therefore the combining use of cement and chemical grouts has been proved a good efficiency.
Key words:grouting;aeolian sand;inclined shaft;floor rupture;water and sand inrush
中图分类号:TD745
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)04-1104-07
收稿日期:2017
0928
修回日期:20171121
责任编辑:常明然
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41472268)
作者简介:袁世冲(1992—),男,河北石家庄人,硕士研究生。E-mail:yuanshichong@cumt.edu.cn
通讯作者:张改玲(1963—),女,安徽芜湖人,教授。Tel:0516-83591017,E-mail:gailing-zhang@cumt.edu.cn
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