CN102518470A - 环形截水巷处理冻结管防治水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形截水巷处理冻结管防治水方法，包括以下步骤：一、测量放线：根据冻结法凿井过程中预埋的多个冻结管布设位置及冻结圈结构尺寸，确定需开挖环形截水巷道和多个耳硐的布设位置；二、环形截水巷道开挖；三、环形隔水体施工：利用已开挖完成的环形截水巷道由前至后分别对多个耳硐进行开挖及开挖后防治水处理；待完成多个耳硐的开挖及开挖后防治水处理过程后，则在所施工区域形成一个环形隔水体；四、环形截水巷道回填：采用混凝土对所开挖的环形截水巷道进行回填。本发明方法步骤简单、施工方便、施工成本较低且防治水效果好，能有效解决现有冻结管防治水处理方法存在的施工成本高、施工难度大、防治水效果较差等实际问题。
Description
技术领域
本发明属于煤矿施工防治水技术领域，尤其是涉及一种环形截水巷处理冻结管防治水方法。
背景技术
冻结法凿井是在井筒开挖之前，首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结管，低温盐水在冻结管中流动，吸收其周围地层的热量，在松散、含水不稳定地层中形成冻结圆柱，冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的、满足设计厚度和强度的圆筒--冻结壁，以抵抗土、水压力，隔绝地下水和井筒的联系，并在冻结壁的保护下进行井筒掘砌，以便安全穿过含水地层，其是一种特殊的凿井方法。
我国自1955年从波兰引进冻结凿井技术并在开滦煤矿林西风井首次应用成功后，很快在陕西、河北、安徽、江苏、山东、河南、山西、辽宁、黑龙江、内蒙古、吉林等省区推广应用。由于人工地层冻结法适应性强，形成的冻结壁具有良好的承载、密封性能，可减少其它临时支护和排水措施，能够满足多种边界条件和多种工程需要，而且施工中没有附加物质进入地层，不污染环境，因此，早已成为复杂地质条件下立井建设的重要施工方法。我国的冻结法凿井经历了引进探索、改进推广、完善提高的发展过程，冻结深度由浅变深，冻结控制地层由砂土层向深厚粘土层、含水岩层转化，冻结工艺由单一型向复合型过渡，矿井发生水害的可能性相应增大。
立井冻结施工中井壁与围岩之间产生的缝隙、冻结管环形空间形成具有水力联系的导水通道，将立井从地面到井底所有的含水层连成一体，原来的隔水层失去隔水作用。建井期间井筒冻结形成的隔水帷幕，水源被禁锢，水力通道未被打开；随着时间推移井筒冻结形成的隔水帷幕被解冻，各含水层之间通过导水通道成为统一的含水体，对井壁及地下空间进行侵蚀，并产生缝隙，一旦裂缝贯通，即开始渗水。
近几年出现冻结管外环形空间串水的事情较多，有的甚至造成了淹井事故，现在已经引起了人们的高度重视。封堵冻结管及管外环形空间目前还是一个新课题，许多方法都在探索和完善过程中，常用的堵水方法主要有以下两种：
第一种、深孔注浆：建井施工中暂时不对冻结管进行处理，待井筒进行壁间、壁后注浆时，采用在井筒内打深孔(4m～6m)，对冻结管环形空间进行注浆，若发生集中涌水时再进行综合治理。该方案的优点为：①治理费用低；②工期短；③操作方便。缺点为：①注浆帷幕范围小，长期效果小，若冻结管出现偏斜效果更差；②处理冻结管环形空间不及时，对马头门、井壁薄弱点等影响无法估计，隐患较大；③注浆钻孔较多，对井壁整体性影响大；④对生产影响较大，必须拆除部分永久装备，停产处理。
第二种、射孔注浆：冻结管射孔注浆技术是将专用的射孔枪沿冻结管内下放到预定的注浆地层部位，采用聚能式爆破射孔技术，通过引爆射孔枪中的电雷管，使枪中一定数量的射孔弹同时定向爆破，穿透枪体及冻结管，并进入地层一定深度；然后利用冻结管及射孔弹道作为注浆管道，在地面进行注浆，加固预定地层。该项技术是从石油系统引进的。该方案的优点为：①注浆帷幕范围大，长期效果好；②对生产影响小；③地面施工安全性好。缺点为：①治理费用高；②施工中不确定因素较多，封堵效果不直观，易产生漏浆、孔间窜浆；③若采用强行解冻，则工艺复杂；若等待自然解冻则需在停冻12个月之后才能施工，且安全隐患大；④全部冻结管射孔实施难度大，部分冻结管射孔消除隐患不彻底；⑤应用范围受外界因素影响大，如出现冻结管变形、断裂或堵塞等情况将很难使用。
综上所述，冻结法适应性强，形成的冻结壁具有良好的承载、密封性能，可减少其它临时支护和排水措施，能够满足多种边界条件和多种工程需要，而且施工中没有附加物质进入地层，不污染环境，已成为复杂地质条件下立井建设的重要施工方法。但井筒冻结形成的隔水帷幕被解冻后，各含水层之间通过井壁与围岩之间产生的逢隙、冻结管环形空间形成导水通道成为统一的含水体，在静水压力作用下侵蚀井壁、地下空间的薄弱地点，出现渗水，甚至涌水现象。现有的堵水方法存在很大局限性：深孔注浆很难阻断导水通道，很难彻底治水，在静水压力和开采扰动下会从新的裂隙涌水，需要反复注浆，影响生产正常进行；射孔注浆技术难度大，注浆位置位于冻结孔地面数百米下，影响因素多，治水费用高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种环形截水巷处理冻结管防治水方法，其方法步骤简单、施工方便、施工成本较低且防治水效果好，能有效解决现有冻结管防治水处理方法存在的施工成本高、施工难度大、防治水效果较差等实际问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、测量放线：根据冻结法凿井过程中预埋在所施工井筒四周侧的多个冻结管的布设位置以及在所施工井筒四周侧所形成冻结圈的结构尺寸，确定需开挖环形截水巷道和多个耳硐的布设位置，并按常规的测量放线方法对所述环形截水巷道和多个所述耳硐相应进行测量放线；
所述环形截水巷道为沿所述冻结圈的外边线开挖且横断面尺寸不大于5mm2的环形巷道，多个所述耳硐沿圆周方向进行均匀布设，且多个所述耳硐布设在位于环形截水巷道内侧的一个环形耳硐开挖带上；多个所述耳硐的结构和尺寸均相同，多个所述耳硐均利用已开挖完成的环形截水巷道由外至内进行开挖且能对多个所述冻结管分别进行揭露，每个所述耳硐的内壁距所施工井筒中心线之间的间距均为d1，且d1不小于d2，其中d2为多个所述冻结管中距离所施工井筒最近的冻结管与所施工井筒中心线之间的间距；
步骤二、环形截水巷道开挖：按照常规煤矿巷道开挖方法，由前至后对环形截水巷道进行开挖；
步骤三、环形隔水体施工：步骤二中所述环形截水巷道开挖过程中，利用已开挖完成的环形截水巷道由前至后分别对多个所述耳硐进行开挖及开挖后防治水处理；多个所述耳硐的开挖及开挖后防治水处理方法均相同，且每个耳硐的开挖及开挖后防治水处理过程完成后均相应形成一个结构稳固的隔水体结构；且待完成多个所述耳硐的开挖及开挖后防治水处理过程后，则在所施工区域形成一个环形隔水体；对于任一个耳硐而言，其开挖及开挖后防治水处理过程包括以下步骤：
301、耳硐开挖：对当前所开挖的耳硐进行开挖时，利用已开挖完成的环形截水巷道由外至内对耳硐进行开挖；
302、开挖后防治水处理，其防治水处理过程如下：
3021、冻结管处理：步骤301中所述的耳硐开挖完成后，对所开挖耳硐内所揭露冻结管的上下部分别进行割管处理；
其中，对所述冻结管上部进行割管时，在所述耳硐顶板以下300mm～400mm处进行割管，割管位置以上的冻结管为上部冻结管；割管完成后，采用封堵板对所述上部冻结管的下部管口进行封堵，并相应分别在所述上部冻结管的管内和管外环形钻孔空间内预埋注浆管一和注浆管三；且对所述冻结管上部进行割管之前，先采用固定装置一对所述上部冻结管进行固定；
对所述冻结管下部进行割管时，在所述耳硐底板以上150mm～200mm处进行割管，割管位置以下的冻结管为下部冻结管；割管完成后，用盖板对所述下部冻结管的上部管口进行封盖，并在所述下部冻结管的管内预埋注浆管四和返浆管，同时在所述下部冻结管的管外环形钻孔空间内预埋注浆管二；且对所述冻结管下部进行割管之前，先采用固定装置二对所述下部冻结管进行固定；
3022、冻结管内注浆：通过所述注浆管一向所述上部冻结管内进行注浆直至注满为止，同时采用置换注浆方法且通过所述注浆管四和返浆管向所述下部冻结管内进行注浆直至注满为止；
3023、耳硐回填：采用混凝土砂浆对耳硐进行回填；
3024、冻结管外钻孔环形空间注浆：步骤3023中耳硐回填完成后，再分别通过注浆管三和注浆管二分别向所述上部冻结管和下部冻结管的管外钻孔环形空间内注浆；待所注浆凝固后，便形成一个所述隔水体结构；
步骤四、环形截水巷道回填：采用混凝土对步骤二中所开挖的环形截水巷道进行回填。
上述环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征是：步骤三中利用已开挖完成的环形截水巷道由前至后分别对多个所述耳硐进行开挖及开挖后防治水处理时，采用间隔开挖处理的方式进行开挖及开挖后防治水处理，且待前后相邻两个耳硐的开挖及开挖后防治水处理均完成后，再对二者之间的耳硐进行开挖及开挖后防治水处理。
上述环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征是：步骤二中对环形截水巷道进行开挖时，以冻结法凿井过程中开挖形成的通风联络巷为界，将所述环形截水巷道分成两个半圆环形巷道，且两个所述半圆环形巷道分别为半圆环形巷道一和半圆环形巷道二；实际对环形截水巷道进行开挖时，先自通风联络巷由前至后对所述半圆环形巷道一进行开挖，且所述半圆环形巷道一开挖过程中，同步对已开挖形成的巷道进行支护；待所述半圆环形巷道一开挖完成后，再对所述半圆环形巷道二进行开挖，且所述半圆环形巷道二开挖过程中，同步对已开挖形成的巷道进行支护。
上述环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征是：步骤二中对环形截水巷道进行开挖时，循环进尺为0.75m±0.1m；步骤301中对耳硐进行开挖时，循环进尺为0.5m±0.1m。
上述环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征是：步骤二中对所述半圆环形巷道一和半圆环形巷道二进行开挖时，均采用常规的爆破开挖方法，且对已开挖形成的巷道进行支护时，采用常规的锚网支护方法对已开挖形成的巷道顶部进行支护。
上述环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征是：步骤3023中采用混凝土砂浆对耳硐进行回填时，使用风动振动棒振捣密实，且回填所用混凝土的标号不小于C20；待回填至耳硐内的混凝土完全凝固后，对充填空隙及收缩缝隙用素水泥浆进行注浆，注浆压力不大于2MPa；
步骤3024中分别通过注浆管三和注浆管二分别向所述上部冻结管和下部冻结管的管外钻孔环形空间内注浆时，注浆压力不小于3MPa，且注浆高度不小于30m。
上述环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征是：步骤一中所述的环形截水巷道布设在所述冻结圈外侧且结构稳定的岩层中；所述环形截水巷道的内侧壁与所施工井筒中心线之间的间距不小于6m。
上述环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征是：步骤301中对耳硐进行开挖时，采用常规的爆破开挖方法进行开挖，且开挖过程中，同步对已开挖形成的耳硐进行支护；且对已开挖形成的耳硐进行支护时，采用对耳硐进行全断面支护的钢拱架和对耳硐顶部进行支护的锚网支护结构进行支护。
上述环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征是：步骤301中对耳硐进行开挖时，先用常规的爆破开挖方法开挖，且待开挖至距离所施工井筒外侧壁小于3m时，改用风镐进行人工开挖。
上述环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征是：步骤一中所述环形截水巷道的横断面结构为正方形，且所述环形截水巷道横断面的横向长度与纵向高度均为2m±0.3m；多个所述耳硐的数量为24个～36个。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、施工步骤简单、施工方便且施工难度小、投入施工成本低。
2、设计合理，共分七个步骤：(1)开挖环形截水巷道；(2)开挖耳硐；(3)处理冻结管；(4)冻结管内注浆；(5)耳硐回填；(6)冻结管外环形空间注浆；(7)环形截水巷道回填。
3、实用价值高，其利用小断面掘进的巷道，形成环形截水巷道，再通过挖掘耳硐，揭露所有冻结管，对揭露冻结管进行封闭并在管外环形空间预埋注浆管，然后通过冻结管内注浆、耳硐回填、冻结管外环形空间注浆和环形截水巷回填，在原冻结管位置形成一个环形混凝土隔水体，彻底截断冻结管及环形空间形成的导水通道，解决立井水患问题的新方法。因而，本发明能到阻断上下地层的导水通道，有效阻断上覆含水层地下水流向井下工作空间的目的。
4、施工效果好，本发明治水成本低，堵水效果好，施工简单，安全可靠，能有效解决立井冻结法掘进时冻结管所带来的水害隐患及现有灾害防治技术的不足。
综上所述，本发明方法步骤简单、施工方便、施工成本较低且防治水效果好，能有效解决现有冻结管防治水处理方法存在的施工成本高、施工难度大、防治水效果较差等实际问题。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程框图。
图2为本发明需施工井筒四周侧的冻结管分布位置示意图。
图3为采用本发明进行防治水处理时主井筒外侧需开挖环形截水巷道与耳硐的布设位置示意图。
附图标记说明：
1-所施工井筒； 2-冻结管； 3-环形截水巷道；
4-耳硐； 5-通风联络巷； 7-管外钻孔环形空间。
具体实施方式
如图1所示的一种环形截水巷处理冻结管防治水方法，包括以下步骤：
步骤一、测量放线：根据冻结法凿井过程中预埋在所施工井筒1四周侧的多个冻结管2的布设位置以及在所施工井筒1四周侧所形成冻结圈的结构尺寸，确定需开挖环形截水巷道3和多个耳硐4的布设位置，并按常规的测量放线方法对所述环形截水巷道3和多个所述耳硐4相应进行测量放线。其中，所述耳硐4为横断面面积较小的硐室，所述环形截水巷道3和耳硐4的布设位置详见图3。
所述环形截水巷道3为沿所述冻结圈的外边线开挖且横断面尺寸不大于5mm2的环形巷道，多个所述耳硐4沿圆周方向进行均匀布设，且多个所述耳硐4布设在位于环形截水巷道3内侧的一个环形耳硐开挖带上；多个所述耳硐4的结构和尺寸均相同，多个所述耳硐4均利用已开挖完成的环形截水巷道3由外至内进行开挖且能对多个所述冻结管2分别进行揭露，多个所述耳硐4的内壁距所施工井筒1中心线之间的间距均为d1，且d1不小于d2，其中d2为多个所述冻结管2中距离所施工井筒1最近的冻结管2与所施工井筒1中心线之间的间距。
本实施例中，进行防治水处理的工程为胡家河矿井主立井井筒，其采用全深冻结法施工，冻结工程于2009年3月23日结束。主井井壁采用的是双层钢筋混凝土塑料夹层复合井壁支护结构形式(外壁厚350mm，内壁厚600mm)。2011年4月8日，已完成施工近两年的箕斗装载硐室(井筒里程-470m)顶板破裂，发生涌水(稳定涌水量约90m3/h)且夹杂大量黄泥水和岩石碎屑。箕斗装载硐室的贯通施工被迫中断，严重制约着主井的正常施工，影响到整个矿井的按时投产。
结合图2，分析胡家河矿井主立井出水原因可知，天然状态下洛河组含水层与本区侏罗系开采煤层之间有约100m厚的良好隔水层，区域构造简单，岩层平缓，附近无断层。正常情况下该含水层的地下水不会对本区的掘进、开采造成影响。但是，由于胡家河矿主井开凿施工采用的是全深冻结法施工，在井筒外围布设的用于装置冻结管2的钻孔直径为Ф190mm，孔深与主井深度相同，内置直径为Ф133mm的冻结管2实现冻结施工。冻结工程完成6个月解冻后，贯穿全井深的每个冻结钻孔与冻结管2之间都可能形成“环形空间(即管外钻孔环形空间7)”，这些“环形空间7便成了上下水力联系导水通道，将所有的含水层连成一体，原来的隔水层失去隔水作用。由于“环形空间”形成的联通导水通道将主井的所有含水层连成一体，就如同在主井井壁外围有一圈导水管道，将所有的含水层连成一体，任何一个导水管道与巷道沟通都有可能出现较大的涌水。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，到一定时间或受到扰动就会在上面较大的水头压力下(约3～4MPa)冲出“环形空间”，上部汇集的洛河组砂岩承压裂隙水沿“环形空间”形成的联通导水通道出现涌水水害。若不根治，原本补给条件很差的煤系地层(侏罗系)含水层将会得到一个较为充分的补给源，这对胡家河矿井的后期开采将构成长期的危害。
本实施例中，步骤一中所述环形截水巷道3的横断面结构为正方形。实际施工时，也可选用其它结构形成的环形巷道。
实际施工时，所述环形截水巷道3横断面的横向长度与纵向高度均为2m±0.3m。本实施例中，所述环形截水巷道3横断面的横向长度与纵向高度均为2m，也可根据具体需要对所述环形截水巷道3横断面的横向长度与纵向高度进行相应调增。
实际施工过程中，多个所述耳硐4的数量为24个～36个，可根据具体需要对耳硐4的数量相应进行调整。本实施例中，结合图3，所述耳硐4的数量为24个，也就是说，围绕所施工井筒1每15°布设一个耳硐4。另外实际施工时，也可以每10°布设一个耳硐4，则所布设耳硐4的数量为36个。
实际施工时，步骤一中所述的环形截水巷道3布设在所述冻结圈外侧且结构稳定的岩层中；所述环形截水巷道3的内侧壁与所施工井筒1中心线之间的间距不小于6m。
步骤二、环形截水巷道开挖：按照常规煤矿巷道开挖方法，由前至后对环形截水巷道3进行开挖。
本实施例中，对环形截水巷道3进行开挖时，以冻结法凿井过程中开挖形成的通风联络巷5为界，将所述环形截水巷道3分成两个半圆环形巷道，且两个所述半圆环形巷道分别为半圆环形巷道一和半圆环形巷道二；实际对环形截水巷道3进行开挖时，先自通风联络巷5由前至后对所述半圆环形巷道一进行开挖，且所述半圆环形巷道一开挖过程中，同步对已开挖形成的巷道进行支护；待所述半圆环形巷道一开挖完成后，再对所述半圆环形巷道二进行开挖，且所述半圆环形巷道二开挖过程中，同步对已开挖形成的巷道进行支护。
具体施工时，所述半圆环形巷道一为位于通风联络巷5北侧的半圆环形巷道，所述半圆环形巷道为位于通风联络巷5南侧的半圆环形巷道。
施工过程中，对环形截水巷道3进行开挖时，循环进尺为0.75m±0.1m。本实施例中，对环形截水巷道3进行开挖时，循环进尺为0.75m。
本实施例中，对所述半圆环形巷道一和半圆环形巷道二进行开挖时，均采用常规的爆破开挖方法，且对已开挖形成的巷道进行支护时，采用常规的锚网支护方法对已开挖形成的巷道顶部进行支护。同时，对已开挖形成的巷道进行支护时，还需采用锚杆支护方法对已开挖形成的巷道左右两侧底部分别进行支护。
综上，实际施工时，环形截水巷道3布设在强度高、完整性好的岩层中，在能揭露所有冻结管2及其管外钻孔环形空间7的前提下，尽量远离所施工井筒1的井壁，沿冻结圈外沿掘进，内侧距所施工井筒1中心线之间的间距在6m以上。由于环形截水巷道3所布设位置的岩层条件好，巷道断面小，加以适当的支护，开挖对围岩产生的应力与应变较小，及时对环形截水巷道3进行混凝土充填并注浆，不会产生后期应力和应变，因此，对井壁的安全没有影响。施工时应采取有效的控制爆破，并辅以必要的监控措施。
对环形截水巷道3进行开挖时，由于环形截水巷道3离主井井筒较近，爆破过程中必须严格控制爆破产生的振动不对所施工井筒1产生破坏，故采用“短进尺，弱爆破”的方案进行爆破开挖。根据计算，开挖粗粒砂岩巷道，考虑到地层中含瓦斯的影响，爆破延迟时间不能超过130ms。
本实施例中，对环形截水巷道3进行爆破开挖时，其钻爆参数表见表1：
表1钻爆参数表(矿用II级乳化炸药)
另外，其爆破参数设计如下：
①选用炸药：设计炸药选用二号岩石炸药；
②炮眼直径：炮眼直径采用：d＝42mm；
③掏槽方式：掏槽眼采用斜眼掏槽，其他炮眼采用直眼扩槽；
④炮眼深度及角度：
掏槽眼：深1.0m；角度75°。
崩落眼：深0.9m；角度90°。
周边眼：深0.9m；角度87°。
⑤循环进尺：循环进尺为0.75m，炮眼利用率0.85。
实际爆破过程中，炸药单耗受岩石坚硬程度，节理裂隙发育程度等因素影响很大，在实际爆破过程中应根据实际爆破效果及时调整参数。
为了便于冻结管2及管外钻孔环形空间7的处理，减少扰动对所施工井筒2的影响，环形截水巷道3的横断面为2m×2m。对开挖形成的巷道进行支护时，根据理论计算，砂岩中2m×2m的矩形巷道的塑性区范围很小，所以措施巷采用顶部锚网支护，帮部不支护方式。
实际进行支护时，由于小断面岩石巷道(即环形截水巷道3)需要锚杆长度很小，安全起见，锚杆选用20×1700mm的二级左旋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为600×700mm，矩形布置，每根锚杆使用一支K2335型、两支Z2335型树脂锚固剂，全长锚固，锚杆托盘采用150×150×8mm的Q235钢板，网片采用
6×1000×2000mm的钢筋网片。
实际施工时，为避免一次性环形截水巷道3的开挖进尺很大，对主井井筒围岩体造成较大的破坏或扰动，将环形截水巷道3分成两个部分掘进成巷，由通风联络巷5向两边分别进行，先掘进并处理半圈，再处理剩余半圈。所述环形截水巷道3的掘进要与耳硐4相配合，半圈内所有耳硐4回填、管外钻孔环形空间7注浆后，回填环形截水巷道3。
步骤三、环形隔水体施工：步骤二中所述环形截水巷道3开挖过程中，利用已开挖完成的环形截水巷道3由前至后分别对多个所述耳硐4进行开挖及开挖后防治水处理；多个所述耳硐4的开挖及开挖后防治水处理方法均相同，且每个耳硐4的开挖及开挖后防治水处理过程完成后均相应形成一个结构稳固的隔水体结构；且待完成多个所述耳硐4的开挖及开挖后防治水处理过程后，则在所施工区域形成一个环形隔水体，所述环形隔水体由多个所述隔水体结构组成。
本实施例中，利用已开挖完成的环形截水巷道3由前至后分别对多个所述耳硐4进行开挖及开挖后防治水处理时，采用间隔开挖处理的方式进行开挖及开挖后防治水处理，且待前后相邻两个耳硐4的开挖及开挖后防治水处理均完成后，再对二者之间的耳硐4进行开挖及开挖后防治水处理。
本实施例中，便于冻结管2及管外环形空7的处理，减少扰动对所施工井筒2的影响，沿环形截水巷道3每隔15°布置一个耳硐4，共计24个耳硐4，间隔开挖，比如1、3号耳硐4开挖并处理完冻结管2且耳硐4回填后，再开挖2号耳硐4。
对于任一个耳硐4而言，其开挖及开挖后防治水处理过程包括以下步骤：
301、耳硐开挖：对当前所开挖的耳硐4进行开挖时，利用已开挖完成的环形截水巷道3由外至内对耳硐4进行开挖。
实际施工过程中，对耳硐4进行开挖时，循环进尺为0.5m±0.1m。本实施例中，对耳硐4进行开挖时，循环进尺为0.5m。
步骤301中对耳硐4进行开挖时，先用常规的爆破开挖方法开挖，且待开挖至距离所施工井筒1外侧壁小于3m时，改用风镐进行人工开挖。本实施例中，
步骤301中对耳硐4进行开挖时，采用常规的爆破开挖方法进行开挖，且开挖过程中，同步对已开挖形成的耳硐4进行支护；且对已开挖形成的耳硐4进行支护时，采用对耳硐4进行全断面支护的钢拱架和对耳硐4顶部进行支护的锚网支护结构进行支护。
根据计算，开挖粗粒砂岩巷道，考虑到地层中含瓦斯的影响，爆破延迟时间不能超过130ms。
实际对耳硐4进行施工时，爆破参数设计如下：
①选用炸药：设计炸药选用二号岩石炸药；
②炮眼直径：炮眼直径采用：d＝42mm；
③爆破方式：本工程爆破中，先采用标准爆破漏斗爆破形成一个较大的自由面，然后依次起爆崩落孔和周边孔；
④炮眼深度及角度：
掏槽眼：深0.7m；角度90°；
崩落眼：深0.6m；角度90°；
周边眼：深0.6m；角度87°；
⑤循环进尺：循环进尺为0.5m，炮眼利用率0.85。
因而，对对耳硐4进行爆破开挖时，钻爆参数表见表2：
表2耳硐钻爆参数表(矿用II级乳化炸药)
实际爆破过程中，炸药单耗受岩石坚硬程度，节理裂隙发育程度等因素影响很大，在实际爆破过程中应根据实际爆破效果及时调整参数。
对耳硐4进行施工时，①放炮时必须遵循“一次成孔、两次装药、两次起爆”的原则。
②爆破时，严禁超挖。
③耳硐4掘进至距离井筒外侧壁3m时，开始用风镐人工挖掘，以避免爆破振动对井壁的影响以及对冻结管附近围岩的影响。
④耳硐4掘进过程中，坚持“先探水、后放炮”的原则，如在探水或打炮眼的过程中遇到冻结管应立即停止掘进耳硐，立即处理冻结管及其周围的环形导水空间。
实际对耳硐4进行支护时，根据理论计算，砂岩中2m×2m的矩形巷道的塑性区范围很小，所以耳硐4采用顶部锚网支护，帮部不支护方式。理论上小断面岩石巷道需要锚杆长度很小，安全起见，锚杆选用Ф20×1700mm的二级左旋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为600×700mm，矩形布置，每根锚杆使用一支K2335型、两支Z2335型树脂锚固剂，全长锚固，锚杆托盘采用150×150×8mm的Q235钢板，网片采用Ф6×1000×2000mm的钢筋网片。
在耳硐4开挖过程中，严格坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”十六字防治水工作原则及防、堵、疏、截、排的五字防治水综合治理措施进行施工。严格遵守并执行《井下探放水技术规范》(MT/T632-1996)规定的各项条款及技术要求，选用专业的钻机和专业的队伍施工并做好超前探放水工作，查明开挖耳硐4的顶板、侧帮和前方的含水构造(冻结管2和测温孔环形空间导水通道)的具体位置、水头压力等情况，在保证足够超前距、帮距和控制密度的钻孔掩护下，确认没有水害威胁后，开挖环形截水巷道3和耳硐4，其目的是做好水害分析预测预报，为有效防治矿井水害做好必要的准备工作。
开挖耳硐4时，在迎头工作面布设超前探放水孔个数不少于4个，迎头工作面正中距离底板1m施工第一个探水孔，上扬角3°；在迎头工作面距离左侧帮0.5m底板1.2m施工第二个探水孔，仰角3°，向左侧帮外插角30°；距离右侧板0.5m底板1.2m施工第三个探水孔，上仰角3°，向右侧帮外插角30°；迎头正中距离顶板0.5m施工第四个探水孔，上仰角30°。所以探水孔孔径Ф42mm，探水孔深3m。
如果探水孔探查结果表明无水，钻孔及岩壁无潮湿、挂汗、挂红、渗水及滴水等突水预兆现象，则正常掘进；如果出现上述突水预兆迹象或探水孔出水，涌水量较小时立即进行注浆封堵，注浆封堵后继续掘进并加强超前探放水工作，探查无水后继续进行正常施工；如果探水孔涌水量及水压较大出现喷孔现象，立即进行注浆封堵加固，在采用防突装置封闭探水孔的基础上，在井筒内耳硐水平位置上方相应冻结管方向5m和15m处施工两个Ф90泄压孔，将冻结管管外钻孔环形空间7中的水泄压引流至主井井筒内，减小措施巷一侧排水压力，改善施工条件。从下面泄压孔中用专用组合钻具投入保浆袋，对泄压孔与耳硐顶板之间环形空间进行注浆封堵，待探水孔探查无水后，立即进行正常割管和混凝土回填工作，回填混凝土待强后，对井筒内上面泄压孔安装孔口装置，进行注浆封孔。
302、开挖后防治水处理，其防治水处理过程如下：
3021、冻结管处理：步骤301中所述的耳硐4开挖完成后，对所开挖耳硐4内所揭露冻结管2的上下部分别进行割管处理。
其中，对所述冻结管2上部进行割管时，在所述耳硐4顶板以下300mm～400mm处进行割管，割管位置以上的冻结管2为上部冻结管；割管完成后，采用封堵板对所述上部冻结管的下部管口进行封堵，并相应分别在所述上部冻结管的管内和管外环形钻孔空间内预埋注浆管一和注浆管三；且对所述冻结管2上部进行割管之前，先采用固定装置一对所述上部冻结管进行固定。
对所述冻结管2下部进行割管时，在所述耳硐4底板以上150mm～200mm处进行割管，割管位置以下的冻结管2为下部冻结管；割管完成后，用盖板对所述下部冻结管的上部管口进行封盖，并在所述下部冻结管的管内预埋注浆管四和返浆管，同时在所述下部冻结管的管外环形钻孔空间内预埋注浆管二；且对所述冻结管2下部进行割管之前，先采用固定装置二对所述下部冻结管进行固定。
综上，开挖耳硐4对冻结管2进行揭露后，将上部冻结管在耳硐4内外漏300mm～400mm处割除，下部冻结管在耳硐4内外漏150mm～200mm处割除。
其中对上部冻结管口处理时，用300×300×12mm钢板将上部冻结管口进行焊接封堵，并预埋两根1时注浆管(带阀门)，其中一根(0.5m)与冻结管孔内相连，并车丝、安装阀门，一根(1.5m)通过Ф42mm钻孔进入冻结管壁外环形空间1.3m以上，注浆管前端0.5m设置花眼并对管外钻孔环形空间7进行密封处理，下端用同规格注浆管引出至耳硐口安装阀门。
对下部冻结管口进行处理时，用钢板将下部冻结管口盖严，防止杂物坠入，并用两根1时防坠钢管与冻结管焊接，吊挂到措施巷底板。同时，沿冻结管管外钻孔环形空间7内打1.5m深的Ф42mm钻孔，插入1根1.5m长的1时注浆管，并与防坠钢管焊牢，用同规格注浆管引出至耳硐口安装阀门，钻孔用注浆混凝土灌满后对管外钻孔环形空间7进行密封处理。
综上，揭露冻结管2后，要先对耳硐4顶底板的冻结管进行固定，才能继续进行割管和混凝土回填施工。具体是分别采用固定装置一和固定装置二对所述上部冻结管和所述下部冻结管进行固定，实际固定时，所述固定装置一和固定装置二可采用固定夹具、固定杆件、固定管等方式固定在位置固定的结构物上。
本实施例中，根据耳硐开挖揭露冻结管实际情况，采取以下固管措施：
对冻结管2济宁固定时，在截断冻结管2之前，为防止耳硐4底板处的冻结管2(即下部冻结管)下溜，在耳硐底板用1个固定夹板夹住冻结管2，将冻结管2支在耳硐4的底板上；耳硐4上部的冻结管2(即所述上部冻结管)在截断之前，用带耳朵的2个夹板夹住冻结管2，在耳硐4的底板上立两根钢管支撑在耳朵上，支撑住夹板，预防割断冻结管2或回填混凝土的过程中冻结管2下溜。所述耳硐4顶底板处的冻结管2固定好后，才能进行割断冻结管2及回填混凝土等施工工作。割断冻结管2时要采取相应安全措施，预防冻结管内高压水喷出，造成安全事故；冻结管2的上下夹板及钢管不需拆除，直接浇筑在混凝土中。在耳硐4顶板处的冻结管2内预埋1根1寸注浆管(顶板环形空间内在施工探孔时已提前买入两根注浆管)，注浆管尾端车丝，用以对冻结管2及管外钻孔环形空间7进行注浆充填封堵，预埋注浆管长度视注浆泵站实际布设情况而定。
3022、冻结管内注浆：通过所述注浆管一向所述上部冻结管内进行注浆直至注满为止，同时采用置换注浆方法且通过所述注浆管四和返浆管向所述下部冻结管内进行注浆直至注满为止。
所述耳硐4回填前，对下部冻结管进行插管置换注浆处理；对上部冻结管通过管内预埋注浆管进行注浆处理。注浆压力不小于3MPa，上、下部冻结管均应注满。
3023、耳硐回填：采用混凝土砂浆对耳硐4进行回填。
本实施例中，所述混凝土砂浆由混凝土和水泥浆按1∶1的重量比混合而成的混凝土砂浆。
本实施例中，步骤3023中采用混凝土砂浆对耳硐4进行回填时，使用风动振动棒振捣密实，且回填所用混凝土的标号不小于C20；待回填至耳硐4内的混凝土完全凝固后，对充填空隙及收缩缝隙用素水泥浆进行注浆，注浆压力不大于2MPa。
3024、冻结管外钻孔环形空间注浆：步骤3023中耳硐4回填完成后，再分别通过注浆管三和注浆管二分别向所述上部冻结管和下部冻结管的管外钻孔环形空间7内注浆；待所注浆凝固后，便形成一个所述隔水体结构。
本实施例中，步骤3024中分别通过注浆管三和注浆管二分别向所述上部冻结管和下部冻结管的管外钻孔环形空间7内注浆时，注浆压力不小于3MPa，且注浆高度不小于30m。
所述耳硐4回填完毕后，通过管外钻孔环形空间7内所预埋注浆管，对管外钻孔环形空间7及浇筑后可能产生的裂隙和空洞进行注浆充填，注浆前根据出水大小、水质等情况，采取压水或放水等冲孔(管)措施。
步骤四、环形截水巷道回填：采用混凝土对步骤二中所开挖的环形截水巷道3进行回填。
本实施例中，步骤四中对环形截水巷道3进行回填时，采用风动振动棒振捣密实，充填用混凝土的标号不小于C20；且对环形截水巷道3进行回填时，采用分段回填方法进行回填。
本实施例中，对环形截水巷道3进行回填时，采用分段回填方法，且每隔2m～3m为一段。对环形截水巷道3进行回填时，在需回填环形截水巷道3的顶板和内外两侧壁上均预埋注浆管，且注浆管长度应超过段长。本段回填完成后，用预埋注浆管对上段充填空隙及收缩缝隙进行注浆。
所述环形截水巷道3回填结束后，冻结管2的管内及管外钻孔环形空间7的注浆结构与耳硐和环形截水巷道回填的混凝土结构共同形成一个结构稳固的隔水层。
本发明与常规防治水方法的优缺点对比结果见表3：
表3本发明与常规防治水方法的优缺点对比表
通过对比与对安全、截流效果、工程量、工期及投资额度等因素综合分析可知，本发明所采用的有效截断所有冻结管及环形空间导水通道，保障所有上覆含水层通道在此处截流，封堵效果直观、可靠，施工工期较短，投资相对较小，消除隐患比较彻底，对后期施工可能造成的影响较小，安全性更好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、测量放线：根据冻结法凿井过程中预埋在所施工井筒(1)四周侧的多个冻结管(2)的布设位置以及在所施工井筒(1)四周侧所形成冻结圈的结构尺寸，确定需开挖环形截水巷道(3)和多个耳硐(4)的布设位置，并按常规的测量放线方法对所述环形截水巷道(3)和多个所述耳硐(4)相应进行测量放线；
所述环形截水巷道(3)为沿所述冻结圈的外边线开挖且横断面尺寸不大于5mm2的环形巷道，多个所述耳硐(4)沿圆周方向进行均匀布设，且多个所述耳硐(4)布设在位于环形截水巷道(3)内侧的一个环形耳硐开挖带上；多个所述耳硐(4)的结构和尺寸均相同，多个所述耳硐(4)均利用已开挖完成的环形截水巷道(3)由外至内进行开挖且能对多个所述冻结管(2)分别进行揭露，每个所述耳硐(4)的内壁距所施工井筒(1)中心线之间的间距均为d1，且d1不小于d2，其中d2为多个所述冻结管(2)中距离所施工井筒(1)最近的冻结管(2)与所施工井筒(1)中心线之间的间距；
步骤二、环形截水巷道开挖：按照常规煤矿巷道开挖方法，由前至后对环形截水巷道(3)进行开挖；
步骤三、环形隔水体施工：步骤二中所述环形截水巷道(3)开挖过程中，利用已开挖完成的环形截水巷道(3)由前至后分别对多个所述耳硐(4)进行开挖及开挖后防治水处理；多个所述耳硐(4)的开挖及开挖后防治水处理方法均相同，且每个耳硐(4)的开挖及开挖后防治水处理过程完成后均相应形成一个结构稳固的隔水体结构；且待完成多个所述耳硐(4)的开挖及开挖后防治水处理过程后，则在所施工区域形成一个环形隔水体；对于任一个耳硐(4)而言，其开挖及开挖后防治水处理过程包括以下步骤：
301、耳硐开挖：对当前所开挖的耳硐(4)进行开挖时，利用已开挖完成的环形截水巷道(3)由外至内对耳硐(4)进行开挖；
302、开挖后防治水处理，其防治水处理过程如下：
3021、冻结管处理：步骤301中所述的耳硐(4)开挖完成后，对所开挖耳硐(4)内所揭露冻结管(2)的上下部分别进行割管处理；
其中，对所述冻结管(2)上部进行割管时，在所述耳硐(4)顶板以下300mm～400mm处进行割管，割管位置以上的冻结管(2)为上部冻结管；割管完成后，采用封堵板对所述上部冻结管的下部管口进行封堵，并相应分别在所述上部冻结管的管内和管外环形钻孔空间内预埋注浆管一和注浆管三；且对所述冻结管(2)上部进行割管之前，先采用固定装置一对所述上部冻结管进行固定；
对所述冻结管(2)下部进行割管时，在所述耳硐(4)底板以上150mm～200mm处进行割管，割管位置以下的冻结管(2)为下部冻结管；割管完成后，用盖板对所述下部冻结管的上部管口进行封盖，并在所述下部冻结管的管内预埋注浆管四和返浆管，同时在所述下部冻结管的管外环形钻孔空间内预埋注浆管二；且对所述冻结管(2)下部进行割管之前，先采用固定装置二对所述下部冻结管进行固定；
3022、冻结管内注浆：通过所述注浆管一向所述上部冻结管内进行注浆直至注满为止，同时采用置换注浆方法且通过所述注浆管四和返浆管向所述下部冻结管内进行注浆直至注满为止；
3023、耳硐回填：采用混凝土砂浆对耳硐(4)进行回填；
3024、冻结管外钻孔环形空间注浆：步骤3023中耳硐(4)回填完成后，再分别通过注浆管三(9)和注浆管二(8)分别向所述上部冻结管和下部冻结管的管外钻孔环形空间(7)内注浆；待所注浆凝固后，便形成一个所述隔水体结构；
步骤四、环形截水巷道回填：采用混凝土对步骤二中所开挖的环形截水巷道(3)进行回填。
2.按照权利要求1所述的环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于：步骤三中利用已开挖完成的环形截水巷道(3)由前至后分别对多个所述耳硐(4)进行开挖及开挖后防治水处理时，采用间隔开挖处理的方式进行开挖及开挖后防治水处理，且待前后相邻两个耳硐(4)的开挖及开挖后防治水处理均完成后，再对二者之间的耳硐(4)进行开挖及开挖后防治水处理。
3.按照权利要求1或2所述的环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于：步骤二中对环形截水巷道(3)进行开挖时，以冻结法凿井过程中开挖形成的通风联络巷(5)为界，将所述环形截水巷道(3)分成两个半圆环形巷道，且两个所述半圆环形巷道分别为半圆环形巷道一和半圆环形巷道二；实际对环形截水巷道(3)进行开挖时，先自通风联络巷(5)由前至后对所述半圆环形巷道一进行开挖，且所述半圆环形巷道一开挖过程中，同步对已开挖形成的巷道进行支护；待所述半圆环形巷道一开挖完成后，再对所述半圆环形巷道二进行开挖，且所述半圆环形巷道二开挖过程中，同步对已开挖形成的巷道进行支护。
4.按照权利要求1或2所述的环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于：步骤二中对环形截水巷道(3)进行开挖时，循环进尺为0.75m±0.1m；步骤301中对耳硐(4)进行开挖时，循环进尺为0.5m±0.1m。
5.按照权利要求3所述的环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于：步骤二中对所述半圆环形巷道一和半圆环形巷道二进行开挖时，均采用常规的爆破开挖方法，且对已开挖形成的巷道进行支护时，采用常规的锚网支护方法对已开挖形成的巷道顶部进行支护。
6.按照权利要求1或2所述的环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于：步骤3023中采用混凝土砂浆对耳硐(4)进行回填时，使用风动振动棒振捣密实，且回填所用混凝土的标号不小于C 20；待回填至耳硐(4)内的混凝土完全凝固后，对充填空隙及收缩缝隙用素水泥浆进行注浆，注浆压力不大于2MPa；
步骤3024中分别通过注浆管三(9)和注浆管二(8)分别向所述上部冻结管和下部冻结管的管外钻孔环形空间(7)内注浆时，注浆压力不小于3MPa，且注浆高度不小于30m。
7.按照权利要求1或2所述的环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于：步骤一中所述的环形截水巷道(3)布设在所述冻结圈外侧且结构稳定的岩层中；所述环形截水巷道(3)的内侧壁与所施工井筒(1)中心线之间的间距不小于6m。
8.按照权利要求1或2所述的环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于：步骤301中对耳硐(4)进行开挖时，采用常规的爆破开挖方法进行开挖，且开挖过程中，同步对已开挖形成的耳硐(4)进行支护；且对已开挖形成的耳硐(4)进行支护时，采用对耳硐(4)进行全断面支护的钢拱架(6)和对耳硐(4)顶部进行支护的锚网支护结构进行支护。
9.按照权利要求1或2所述的环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于：步骤301中对耳硐(4)进行开挖时，先用常规的爆破开挖方法开挖，且待开挖至距离所施工井筒(1)外侧壁小于3m时，改用风镐进行人工开挖。
10.按照权利要求1或2所述的环形截水巷处理冻结管防治水方法，其特征在于：步骤一中所述环形截水巷道(3)的横断面结构为正方形，且所述环形截水巷道(3)横断面的横向长度与纵向高度均为2m±0.3m；多个所述耳硐(4)的数量为24个～36个。
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