基于等厚度水泥土帷幕的斜井井筒水治理技术研究

1.1 斜井井筒渗漏水特征

我国西部地区煤层厚度大、埋藏浅，地质结构特殊，松散层和浅部风化基岩层含水丰富。表1 所示宋新庄煤矿流砂层富水性强，涌水漏砂严重，顶板喷层部分脱落，井帮底角局部垮塌，涌水量35 m3/h。杭来湾煤矿井筒施工至萨拉乌苏组含水层时涌水量为70 m3/h。榆树湾煤矿主斜井涌水量 26.8～86.8 m3/h，平均60.94 m3/h，副斜井涌水量49～85.2 m3/h，平均68.5 m3/h。曹家滩煤矿主副斜井形成后，地下水渗漏严重，主副斜井井筒总涌水量约350 m3/h，主要涌水层为保德组红土层底部的砂化含水层和安定组顶部风化基岩含水层，砂化层胶结性差，长期的流水携沙导致井筒壁后掏空，井筒存在失稳风险。金鸡滩煤矿副斜井230～320 m 段水沟处底板涌水中出现含砂现象，水量、含砂量持续增大，底板有裂缝发育，顶板有破裂及淋水现象，斜井最大出水量达72 m3/h，含砂量最大达到16%，且水量及含砂量持续快速增加，井壁多处出现破裂，斜井上覆地表发育11 个塌陷坑，总体积约650 m3，斜井顶板、底板最大移近量422.5 mm。榆阳煤矿采用斜井开拓，斜井穿过松散层厚度16 m 左右，井筒涌水量约 30 m3/h，2003 年井筒涌水量约 70 m3/h。甜水堡煤矿副斜井在流砂层区域段混凝土砌碹浇筑接缝多处渗水，井筒210～309 m 段混凝土出现破裂、剥落。朝川矿一井新施工带式输送机斜井明槽段回填后，第四系潜水通过疏松回填土渗漏涌入井筒内，涌水量达35 m3/h 左右。大佛寺煤矿斜井井筒穿过松散层孔隙含水层、基岩承压含水层时底板、两帮裂缝、拱顶等多处发生渗漏，主、副斜井渗漏量分别为120 m3/h和95 m3/h。骆驼山煤矿主斜井在掘进过程中穿过第四系及其下部基岩风化带时井筒涌水量较大，涌水量25 m3/h，雨季期间井筒实测涌水量达到91 m3/h，以底板出水、侧帮与底板接茬处出水为主。袁大滩煤矿主斜井、副斜井、进风立井和回风立井掘进过程的井筒涌水量预计分别为243、388、1 409、1 388 m3/h。

表1 我国部分煤矿斜井渗漏水情况及治理措施统计

可见，煤矿斜井井筒穿越地层主要为地表土层、砂层、黄土、红土、风化基岩和岩层，松散层和浅部风化基岩层含水丰富，井筒渗漏位置大多位于砂层、风化基岩等富水性强的地层，涌水量大，并伴有携砂现象。

1.2 斜井井筒渗漏水治理措施及缺陷

由于煤矿斜井井筒渗漏水位置大多位于富水松散层或风化基岩层，渗漏段地层埋深相对较浅、渗透系数大，大部分煤矿采用地面钻孔疏降的方式控制井筒渗漏水，降水量大、地下水位下降明显，水资源浪费。如表1 所示，部分煤矿采用井筒壁后注浆的方式治理井筒渗漏水，如宋新庄煤矿、金鸡滩煤矿、甜水堡煤矿、大佛寺煤矿。宋新庄煤矿壁后注浆采用双管注浆工艺，注浆材料包括单液水泥浆及C-S浆，井壁涌水量由35.0 m3/h 减少至1.3 m3/h，堵水率92.3%。金鸡滩煤矿通过壁后注浆封堵水砂通道，水量和砂量迅速降低，水量降至35 m3/h，砂量稳定在0.1%以下。甜水堡煤矿通过壁后注浆在硫酸盐腐蚀环境中注入抗腐蚀浆液，井筒的涌水量由20.9 m3/h 降至4.6 m3/h，堵水率78%。大佛寺煤矿通过壁后注浆封堵主斜井井筒拱顶及两帮主要出水点，主斜井壁涌水量由120 m3/h 减小为30 m3/h，堵水率75%左右。

如表1 所示，部分煤矿采用地面注浆的方式治理井筒渗漏水，如曹家滩煤矿、朝川矿一井、骆驼山煤矿。曹家滩煤矿以帷幕注浆为主、井筒壁后补充注浆为辅进行注浆堵水，采用SJP 黏度时变浆液和浮石材料，主斜井治理段水量由97 m3/h 降至14 m3/h，堵水率85.5%，返砂现象消除，副斜井治理段水量由初始98 m3/h 降至25 m3/h，堵水率74.5%。朝川矿一井采用大密度浅孔、水泥−粉煤灰与水泥−水玻璃不同浆液、低注浆压力的方式，对井筒疏松回填段进行注浆封堵，渗水量由35 m3/h 降至1 m3/h 以下。骆驼山煤矿采用以旋喷注浆为主、壁后注浆为辅封堵井筒涌水，主斜井治理段涌水量由62.94 m3/h降至4.93 m3/h，堵水率92.1%。

表1 中列出的成功案例只是现实中的一小部分，仍存在部分斜井井筒治理效果不佳的情况。主要是因为井筒壁后注浆需要在井筒钻孔、下入注浆管对井筒外侧松散层注浆封堵，破坏井筒结构、降低井筒强度、增大了进一步渗漏水的风险。地面注浆需在井筒渗漏水位置的上方地面施工垂直或倾斜钻孔至渗漏水位置，从地面下入注浆管进行注浆封堵漏水点外侧松散层，由于松散层孔隙发育，浆液在松散层中的扩散方向、范围不可控，难以注入浆液或注浆量不可控。

▍2 斜井井筒水治理技术

为有效解决壁后注浆和地面钻孔注浆在煤矿斜井井筒过富水松散层段渗漏水治理方法存在的问题，提出了一种基于等厚度水泥土帷幕的斜井井筒水治理技术。

2.1 斜井井筒水治理原理及帷幕结构

如图1 所示，通过在煤矿斜井井筒外侧一定范围的松散层和风化基岩段构筑圈闭的等厚度水泥土帷幕，将斜井井筒与松散层水和风化基岩层水之间的水力联系隔断，同时，在等厚度水泥土帷幕范围内地表铺设防渗膜、浇筑一定厚度的防渗砂浆或混凝土层，隔绝大气降水对帷幕内侧地层的补给。等厚度水泥土帷幕通过施工机械的刀具和链条围绕切割箱旋转切割斜井井筒外侧的地层，使地层混合均匀，然后从切削箱底端喷射水泥浆和高压气体，让地层中的岩土体颗粒与水泥浆充分混合搅拌，在斜井井筒外侧形成连续的原位水泥土帷幕墙。等厚度水泥土帷幕自地面开始，穿过黄土、砂层、风化基岩等含水层进入泥岩（或黏土）隔水层1～2 m，形成环绕斜井井筒、顶底有界、圈闭连续的隔水保护圈层。

图1 煤矿斜井井筒渗漏水治理结构示意

等厚度水泥土帷幕适用于标贯击数N值不大于100 击的软、硬质土层，中粗砂质土层，颗粒直径小于100 mm 的卵砾石层和全风化及强风化基岩以及抗压强度不大于5 MPa 的岩层中施工，垂向深度不大于100 m。

如图2 所示 斜井井筒的等效半径为R，井筒外侧塑性区半径为Rp，等厚度水泥土帷幕施工过程中机械扰动半径为RD。为避免斜井井筒附近地层受到等厚度水泥土帷幕的施工扰动，导致井筒井筒发生变形破坏，要求等厚度水泥土帷幕内壁距离斜井井筒的水平距离S不得小于井筒外侧塑性区范围和施工扰动范围之和。

图2 等厚度水泥帷幕与斜井井筒位置关系

因此，煤矿斜井井筒等厚度水泥土帷幕内壁与斜井井筒外壁的最小间距通过下式确定：

S=Rp−R+RD （1）

式中：S为帷幕内壁与斜井井筒外壁的最小间距，m；Rp为斜井井筒围岩塑性区半径，m；R为斜井井筒等效半径，m；RD为帷幕施工扰动半径，m。

根据《水电水利工程高压喷射灌浆技术规范》，在透水地层中进行围井抽水（或注水）试验，帷幕墙的渗透系数k按式（2）进行计算。

式中：k为渗透系数，m/d；Q为渗水量，m3/d；t为帷幕墙平均厚度，m；L为围井周边帷幕墙轴线长度，m；H为围井内试验水位至井底的深度，m；h0为地下水位至井底的深度，m。

将图1 所示的斜井井筒外侧圈闭的等厚度水泥土帷幕视作围井，将围井周边帷幕墙轴线长度L变为等厚度水泥土帷幕墙轴线长度C、帷幕墙平均厚度t变为等厚度水泥土墙体厚度最小值D、渗透系数k变为等厚度水泥土帷幕综合渗透系数K、围井内试验水位至井底的深度H变为等厚度水泥土帷幕内侧地下水位高度HN、地下水位至井底的深度h0变为等厚度水泥土帷幕外侧地下水位高度HW、渗水量Q变为等厚度水泥土帷幕许可涌水量QX，则可将式（2）变换为式（3）：

2.2 等厚度水泥土帷幕构筑方法

常规的截水帷幕主要采用横向分幅、垂向施工的方式构筑侧向截水帷幕，施工过程中截水帷幕墙体分幅分序施工，最终形成相互连接的截水帷幕。该种构筑方式存在大量接头位置，每幅截水帷幕墙体的接头位置是帷幕墙体的薄弱环节，常常是渗漏水的通道，降低截水帷幕的阻水效果。如图3 所示，为减少截水帷幕的接头数量，提高帷幕截水效果，等厚度水泥土帷幕采用先垂向切削、挖掘至帷幕设计深度，然后自地面至设计深度范围内横向连续切削挖掘，到设计位置后回撤，再将第一步切削挖掘的地层再次切削搅拌均匀，最后沿横向边切削搅拌边喷浆、混合成墙。通过往−返−往三步施工形成连续的等厚度水泥土帷幕墙体。

图3 等厚度水泥帷幕施工示意

式中：D为帷幕墙体厚度最小值，m；C为帷幕墙轴线长度，m；K为帷幕综合渗透系数，m/h；HN为帷幕内侧地下水位高度，m；HW为帷幕外侧地下水位高度，m；QX为许可涌水量，m3/h。

煤矿斜井井筒等厚度水泥土帷幕厚度最小值通过式(3)计算得到。

等厚度水泥土帷幕混合搅拌过程是将施工位置上下各地层打散重新分布，如图4 所示，各地层岩土体在刀具的切削作用下被剥离原有地层，土颗粒与注入膨润土浆液混合，如图4 中Ⅰ区，形成混合泥浆；含砾砂层中的砂、砾石颗粒一部分随刀具向上运动，如图4 中Ⅱ区；另一部分在重力作用下穿过截割齿之间空隙发生沉降，如图4 中Ⅲ区，与被链刀由另一侧带入的颗粒混合，如图4 中Ⅳ区，然后在刀具的作用下，向上移动，最终在刀具的搅拌作用与其他地层混合[21-25]。然后通过刀盘底部的注浆孔注入一定比例的水泥浆液，在链刀上下转动的作用下，水泥浆液与混合均匀的地层材料形成如图3d 所示的上下厚度均匀、接头数量少、截水率高的等厚度水泥土墙体。

图4 等厚度水泥土帷幕切削搅拌示意

2.3 等厚度水泥土帷幕墙体参数及性能

等厚度水泥土帷幕性能主要受地层、水泥掺量、综合含水率等因素控制。为研究不同地层条件下等厚度水泥土帷幕性能，选取了黏土、黄土和细砂3 种地层材料进行试验，分别进行了掺加地层材料质量的15%、20%、25%和30%水泥的帷幕强度和渗透系数测试。综合含水率为地层含水量、挖掘液含水量、水泥浆液含水量之和与地层及水泥的质量比。由于现场井筒渗漏水实测温度为10 ℃左右，因此本次试验研究的养护温度选择10 ℃，综合含水率取33%。

如图5 所示，制备了黏土、黄土和细砂3 种地层材料的水泥土抗压试样、抗渗试样，将3 种地层材料的水泥土试样在温度（10±1）℃、湿度大于95%的养护箱中养护。

图5 等厚度水泥土试样及养护照片

水泥土抗压试样和抗渗试样养护至规定龄期后，从养护箱中取出，先将试样擦拭干净，测量尺寸，试样尺寸测量精确至1 mm。将抗压试样安放在如图6a 所示的抗压强度试验机的下压板上（或下垫板上），试样的承压面与成型时的顶面垂直，试样中心与试验机下压板（或下垫板）中心对准。开动试验机，当上压板与试样接近时，调整球座，使接触面均匀受压。承压试验应连续而均匀加荷，直至试样破坏，测得水泥土试样的单轴抗压强度。将抗渗试样放入图6b 所示的岩石渗透仪，通过记录时间t内通过试样表面的水流量、水头高度，结合试样长度和试样过水断面面积计算得到水泥土试样的渗透系数。

图6 等厚度水泥土试样测试仪器

如图7 所示，龄期3 d，水泥掺量25%的黏土地层水泥土的强度分别是水泥掺量15%、20%、30%的193%、121%和73%；龄期7 d，水泥掺量25%的黏土地层水泥土的强度分别是水泥掺量15%、20%、30%的182%、130%和91%；龄期28 d，水泥掺量25%的黏土地层水泥土的强度分别是水泥掺量15%、20%、30%的178%、128%和103%。水泥掺量20%、25%、30%的黏土水泥土的7、28 d 强度均达到1 MPa以上。龄期28 d 时，水泥掺量15%、20%、25%、30%的黏土水泥土渗透系数分别为6.16×10−6、4.15×10−7、4.11×10−8、3.12×10−8cm/s。

图7 黏土水泥土强度变化

如图8 所示，龄期3 d，水泥掺量25%的黄土地层水泥土的强度分别是水泥掺量15%、20%、30%的153%、137%和95%；龄期7 d，水泥掺量25%的黄土地层水泥土的强度分别是水泥掺量15%、20%、30%的161%、117%和87%；龄期28 d，水泥掺量25%的黄土地层水泥土的强度分别是水泥掺量15%、20%、30%的171%、122%和93%。水泥掺量20%、25%、30%的黄土地层水泥土的7、28 d 强度均达到1.4 MPa 以上。龄期28 d 时，水泥掺量15%、20%、25%、30%的黄土地层水泥土渗透系数分别为5.53×10−6、4.03×10−7、3.83×10−8、3.02×10−8cm/s。

图8 黄土水泥土强度变化Fig.8 Changes in strength of loess soil-cement

如图9 所示，龄期3 d 时，水泥掺量25%的细砂地层水泥土的强度分别是水泥掺量15%、20%、30%的153%、141%和108%；龄期7 d，水泥掺量25%的黄土地层水泥土的强度分别是水泥掺量15%、20%、30%的118%、109%和82%；龄期28 d，水泥掺量25%的黄土地层水泥土的强度分别是水泥掺量15%、20%、30%的123%、105%和80%。水泥掺量20%、25%、30%的黄土地层水泥土的7 d 强度达到1.63 MPa以上。龄期28 d 时，水泥掺量15%、20%、25%、30%的黄土地层水泥土渗透系数分别为6.83×10−6、3.82×10−7、6.17×10−8、5.09×10−8cm/s。

图9 细砂水泥土强度变化Fig.9 Strength changes of fine sand cement

由图7—图9 可知，当养护温度和综合含水率确定时，黏土地层的水泥土帷幕的强度较小、渗透系数相对较大。水泥掺量在20%～25%时，黏土、黄土、砂层的水泥土均有较好的强度和渗透系数，满足煤矿斜井井筒水治理要求。

▍3 现场示范应用

骆驼山煤矿位于内蒙古乌海市海勃湾区，如图10 所示，研究区缓坡斜井地表主要为黄土，地势较为平坦，缓坡斜井穿越黄土层、砂层，二叠系石盒子组风化泥岩层、泥岩和砂岩，最终进入山西组地层并在+920 m 水平落底。随着井筒外侧松散层水位的抬升，缓坡斜井井筒涌水量由不足5 m3/h 增长至16.8 m3/h 以上，井筒中心松散层水位较外围松散层水位低3 m。

图10 研究区平面和剖面

如图11 所示，骆驼山煤矿缓坡斜井在k0+130 m底板涌水1 m3/h、k0+169 m 帮部涌水0.77 m3/h、k0+187 m 帮部涌水0.5 m3/h、k0+214.5 m 躲避硐室涌水1 m3/h，井筒内涌水水温实测10 ℃左右，其中k0为0 斜井井筒口位置，将斜井井筒口作为里程起点。

图11 骆驼山煤矿缓坡斜井井筒渗漏水

随着松散含水层地下水位的上升，以及缓坡斜井涌水通道的冲刷、车载压裂变形扩大等影响，缓坡斜井涌水量将进一步增大甚至出现涌水携砂现象。为有效治理缓坡斜井井筒渗漏水问题，减少矿井排水费用、优化井内作业环境、减轻矿井水外排环保压力、降低井筒设备设施腐蚀破坏的维修成本，采用等厚度水泥土帷幕的方式彻底解决斜井井筒水问题。

根据式(1)计算得等厚度水泥土帷幕距离斜井井筒距离S为1.86 m，示范应用时取2 m；根据3 计算得等厚度水泥土帷幕厚度D为0.22 m，示范应用时取0.6 m。骆驼山煤矿缓坡斜井等厚度水泥土帷幕施工时每段长度10 m，深度约17 m。第1 步掺入膨润土浆液原位横向切割，20～30 min/m，10 m 分幅切削约耗时5 h；第2 步快速回撤切削搅拌，1 h 回切到位；第3 步喷浆搅拌成墙，注浆压力1.5～2.5 MPa，注浆流量为800～1 200 L/min，喷浆搅拌速度为30～40 min/m，约耗时 6 h。

如图12 所示，在缓坡斜井两侧和端头位置构筑圈闭松散层和风化基岩截水帷幕，帷幕内侧距离井筒2 m，帷幕墙厚度0.6 m，帷幕底部穿过风化基岩进入完整基岩1 m。等厚度水泥土帷幕将装有刀具和链条的切削箱插入地下，随主机横向移动，刀具和链条围绕切割箱旋转切割，并从切削箱底端向地层中喷射地层质量25%的水泥浆和高压气体，使地层中的岩土体颗粒与注入的水泥浆进行充分的混合搅拌，最终形成等厚度、高质量防渗、有一定承载力、无缝搭接的水泥土连续墙。骆驼煤矿缓坡斜井等厚度水泥土帷幕隔断了缓坡斜井井筒与松散层水和风化基岩水之间的水力联系，在缓坡斜井外侧形成一面新的阻水、支护墙体，有效地保护了斜井井筒的安全运营。

图12 骆驼山煤矿缓坡斜井等厚度水泥土帷幕鸟瞰图

▍4 应用效果分析

如图13 所示，在等厚度水泥土帷幕示范应用现场，取帷幕切削搅拌注浆混合完成后溢出地表尚未凝固的水泥土制作试块。每台班抽查1 延米墙身，每延米墙身制作水泥土试块3 组，试样尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，采用水下养护方式养护。

如图14 所示，分别测试现场水泥土试样的3、14、28 d 强度，3 d 的水泥土试样强度已大于5 MPa，28 d 的水泥土强度大于15 MPa。28 d 的水泥土渗透系为0.527×10−8cm/s。

图14 等厚度水泥土现场试样强度

如图15 所示，在骆驼山煤矿缓坡斜井等厚度水泥土帷幕中心位置钻孔取心，取出的等厚度水泥土帷幕墙体心样完整、取心率高达95%以上。帷幕墙体原状心样的抗压强度为8.62 MPa，渗透系数为2.69×10−8cm/s。

图15 等厚度水泥土帷幕取心效果

如图16 所示，骆驼山煤矿缓坡斜井井筒治理前的涌水量为16.8 m3/h 以上，自缓坡斜井井筒等厚度水泥土帷幕施工开始，井筒涌水量开始缓慢减少，完成井筒一侧的等厚度水泥土帷幕时涌水量降为8 m3/h 左右，减少约50%。坡斜井井筒等厚度水泥土帷幕完全封闭后，井筒涌水量降为2.5 m3/h，以后稳定在1.6 m3/h 左右，较治理前减少90.5%。

图16 示范项目斜井井筒治理段涌水量变化Fig.16 Changes of water inflow in treatment section of inclined shaft of demonstration project

▍5 结 论

1）等厚度水泥土帷幕适用于标贯击数值不大于100 击的软（硬）质土层、中粗砂质土层、颗粒直径小于100 mm 的卵砾石层、全风化及强风化基岩和抗压强度不大于5 MPa 的岩层，垂向施工深度100 m以浅。

2）等厚度水泥土帷幕内壁距离斜井井筒的水平距离大于等于井筒外侧塑性区范围和施工扰动范围之和，可避免斜井井筒附近地层受到等厚度水泥土帷幕的施工扰动，导致井筒井筒变形破坏。

3）等厚度水泥土帷幕通过横向切削、回撤切削搅拌、喷浆搅拌成墙3 个步骤将混合均匀的地层材料与水泥浆液在煤矿斜井井筒外侧地层中形成上下厚度均匀、接头数量少的等厚度水泥土墙体，具有施工效率高、截水率高、成本低的特点；等厚度水泥土帷幕性能主要受地层、水泥掺量、综合含水率等因素控制。

4）骆驼山煤矿缓坡斜井渗漏水段等厚度水泥土帷幕墙体取心率高达95%以上，原状心样的抗压强度8.62 MPa，渗透系数2.69×10−8cm/s，井筒涌水量由16.8 m3/h 降至1.6 m3/h 左右，较治理前减少90.5%，等厚度水泥土帷幕在煤矿斜井井筒水治理中取得良好应用效果。