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斜井穿越风积砂层水砂突涌注浆治理研究

更新时间:2009-03-28

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]

王飞:现在,学校大体实施行政管理体制,教务处、总务处是一种行政管理模式,各个部门有一名主任。5个委员会是为学校董事会和学校做出最终决策提供建议的一种咨询机构,并不是行政机构。对管理人员来说是一种监督,必须成为学校的体制给予固定下来。它的确会给学校增加很大的负担,但却可以保证学校能够健康发展,这是我的一种想法。

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。

1 工程概况

1.1 地质背景

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。

2.以人为本,促进和谐。企业思想政治工作的核心对象是人,是广大员工。因此,企业应当坚持以人为本,以员工为本,以提升员工的思想政治素质为核心,只有这样才能够保证思想政治教育的效果,才能够促进企业在激烈的市场竞争中不断进步。

经过管理后,观察组的不良事件发生率为护理安全事故7.41%(2例),护理纠纷为3.70%(1例),不良事件发生率为11.11%(3例)。对照组患者的不良事件发生率为护理安全事故14.81%(4例),护理纠纷为11.11%(3例),不良事件发生率为25.92%(7例)。两组结果对比,观察组的不良事件发生率明显低于对照组,差异有统计学意义(χ2=7.269,P=0.007)。

近年来,阳江航标管理站的灯浮标受热带气候影响时有发生,当灯浮标附近风力达11级左右时,灯浮标就存在着移位的情况。如2014年“威马逊”台风7月18日在海南文昌登陆,阳西电厂附近当时风力12级左右,有部分灯浮标移位或直接吹上岸边;漭洲障碍物标移位1000多m。

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

  

岩性厚度/m岩性描述底板跨度/m顶板跨度/m细砂630灰黄色,以石英为主,长石次之,松散,分选性中等0~14440~1425中砂620灰褐色,以石英为主,长石次之,分选性较差,夹少量粉细砂颗粒1444~21961425~2135黄土775粉质黏土,松散,含少量钙质结核,硬塑,垂向节理发育2196~23342135~3025粉细砂183灰黄色,松散,具有流动性2334~25403025~3225黄土348粉质黏土,含少量钙质结核,松散,硬塑,垂向节理发育2540~29433225~3561砂岩193灰绿色,薄层状,水平层理,裂隙发育,见水易泥化2943~31443561~3783

1.2 副斜井水、砂通道与来源

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:

1.3 注浆设计

目前,我国建筑行业中可以单独处理建筑智能化系统中出现的问题的人员较少,很多人专业素养不够,少部分人虽然掌握了智能化技术,但在实践中对于具体的智能产品又了解甚少,无法熟练操控,导致即使熟悉设计图纸也无法达到预期要求。除此之外,还存在很多设计人员虽然可以上岗,却未经过专业的培训,无法完全理解智能系统工程中的子项目,设计出的图纸不能十分到位地协调系统之间的运作,智能系统的作用无法得到充分利用,进而无法为建筑施工带来便捷[1]。

  

图2 副斜井水、砂来源Fig.2 Sources of water and sand into the auxiliary inclined shaft

1.4 注浆压力

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)

1.5 注浆效果

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

2 注浆模型试验

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。

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。

2.1 试验材料

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

  

名称天然密度/(g·cm-3)干密度/(g·cm-3)内摩擦角/(°)孔隙比渗透系数/(10-3cm·s-1)压缩模量/MPa黏聚力/kPa细砂159~170153~1643220~3645056~08211~251942~25320~835

5号线站厅层与2号线站厅层均设在地下一层,并通过换乘厅及通道来连接。通过改造2号线站厅公共区,经换乘厅引出换乘通道进入5号线设备层,再进入站台层,以实现2号线到5号线的单向客流换乘。另外,将两线共用的出入口通道进行改造设计,在该出入口西侧设置5号线到2号线的单向换乘通道,该换乘通道及出入口施工方法为同期明挖。2—5换乘通道位于5号线Ⅱ号出入口通道的正下方,从2号线站厅接入5号线车站设备层(地下二层),并通过单向楼扶梯进入5号线站台层实现换乘。

  

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。

2.2 试验模型

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

3 试验结果与分析

3.1 水泥单液注浆

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。

  

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。

吃东西时,不管端到眼前来的是什么,都立刻“敬礼”似的在上面浇一圈酱油。有时,嫌不够味,还抓一撮盐拌进酱油里。

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。

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。

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。

3.2 化学浆液双液注浆

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

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。

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;

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。

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;

针对国外媒体认为中国共产党开展群众路线活动更多的是基于政治经济层面的考量这一观点,剖析其研究方法我们就会发现,这一观点走入了一个大部分研究中国共产党的国外学者都存在的误区,那就是用世界政党发展的一般规律来看待中国共产党的发展。诚然,世界上大部分执政党进行自身改革的最大动因必然存在于政治、经济方面。但是,由这一观点出发的国外学者往往忽略了一个问题,那就是中国共产党并不是一个一般性政党,它当然有着一般政党具有的特点,但是其特殊性也是显而易见的。因此,如果忽略了这一点,仅仅认为群众路线教育实践活动是中国共产党在面临政治经济困局的情况下的应时之作,这样得出的结论就难免会流于主观,缺乏说服力。

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。

3.3 结果分析

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

4 结 论

(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。

改善受端电网调峰裕度的特高压直流外送风火协调调度//崔杨,赵玉,邱丽君,王铮,仲悟之//(15):126

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袁世冲,张改玲,郑国胜,蔡逢华,钱自卫
《煤炭学报》 2018年第04期
《煤炭学报》2018年第04期文献

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