一种煤矿斜井井筒水治理方法与流程

本发明属于矿山水害防治与井筒加固治理，涉及一种煤矿斜井井筒水治理的方法。

背景技术：

1、我国西部煤炭资源丰富，主要分布在内蒙古、陕西、山西、宁夏、新疆等地，煤层厚度大、埋藏浅、易于开采，多采用斜井开拓方式。斜井开拓过程中需穿过富水松散层、风化基岩、孔隙裂隙基岩等含水层，建设过程水量大，施工困难。同时，斜井井筒建成后，井筒外侧松散层、基岩层的水位不断抬升，由于斜井井筒接茬缝隙、引水孔、砌碹裂缝、施工缺陷等影响，斜井井筒非常容易发生渗漏水情况。长期渗漏水的斜井井筒将会引发涌水携砂现象出现，导致矿井涌水量增大、排水费用增加。并且会使井内工作环境恶化、环保压力增大、井筒设备设施腐蚀、井筒设备设施维修成本增大，减少斜井井筒和矿井设备的服务年限，甚至引发斜井井筒破裂、诱发水害事故，影响安全生产、井筒报废。

2、针对煤矿斜井井筒渗漏水问题，目前主要有井筒壁后注浆、地面注浆等方式。斜井井筒壁后注浆是按一定间距在斜井井筒钻孔、下入注浆管将浆液注入井筒外侧松散层和风化基岩层。井筒壁后注浆方式损伤了井筒结构、使井筒强度降低、井筒渗漏水的风险增大。地面注浆是在地面施工垂直或倾斜钻孔至斜井井筒渗漏水位置，从地面漏水点外侧松散层和风化基岩层注入浆液封堵。强富水强补给地层的孔隙极为发育，浆液扩散方向复杂，扩散范围难控制，很难封严堵实斜井井筒外侧孔隙渗流通道，达不到理想的防渗堵漏效果。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种煤矿斜井井筒水治理方法，解决现有技术中存在的井筒渗漏水、携砂涌水、结构损伤、强度降低，地面垂直钻孔注浆浆液扩散范围复杂、浆液难注入、渗流通道难封闭等问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种煤矿斜井井筒水治理方法，包括以下步骤：

4、步骤1，探测强富水强补给松散层煤矿斜井井筒工程地质水文地质条件，划分斜井井筒周围岩土的分层位置，查明斜井井筒掘进断面高度h筒、斜井井筒掘进断面宽度b，测试斜井井筒周围岩土体的力学参数粘聚力c和内摩擦角监测斜井井筒渗漏点的数量n、斜井井筒周围松散层水位高度h外；

5、步骤2，计算斜井井筒围岩松动圈理论半径

6、式中：rb理—斜井井筒围岩松动圈理论半径，m；

7、r0—斜井井筒掘进断面等效半径，m，r0＝(h筒+b)/4；

8、h筒—斜井井筒掘进断面高度，m；

9、b—斜井井筒掘进断面宽度，m；

10、p—斜井井筒围岩初始地应力，mpa，p＝γh埋；

11、γ—斜井井筒周围岩体重度，n/m3；

12、h埋—斜井井筒埋深，m；

13、p1—斜井井筒初期支护反力，mpa；

14、c—斜井井筒围岩粘聚力，mpa；

15、—斜井井筒围岩内摩擦角，°；

16、步骤3，计算斜井井筒岩土体塑性区理论半径

17、式中：r0—斜井井筒掘进断面等效半径，m，r0＝(h筒+b)/4；

18、p0—斜井井筒围岩应力，mpa，p0＝γh埋/1000；

19、p1—斜井井筒支护反力，mpa；

20、c—斜井井筒周围岩土体粘聚力，mpa；

21、—斜井井筒周围岩土体内摩擦角，°；

22、γ—斜井井筒上覆岩土体的重度，kn/m3；

23、h埋—斜井井筒顶部到地表的垂向距离，m；

24、步骤4，确定斜井井筒的围岩松动圈理论半径rb理为井筒外侧孔隙裂隙发育区域的边界范围，斜井井筒的岩土体塑性区理论半径rp理为孔隙裂隙发育外边界区域的边界范围；

25、步骤5，在斜井井筒外侧布设施工水位水质在线监测孔，并在水位水质在线监测孔内安设全自动监测系统，实时动态监测斜井井筒周围地下水位、水质和流场参数；

26、步骤6，在斜井井筒外侧孔隙裂隙发育区域沿着井筒倾斜方向布设定向钻孔且定向钻孔平行于斜井井筒外侧筒壁，采用分序分段的方式施工定向钻孔，并注浆构筑环状注浆帷幕体；

27、步骤7，通过水位水质在线监测孔监测斜井井筒治理前、治理过程中和治理后的水位、水质变化情况，绘制地下水流场、地下水化学场，监测、评价强富水强补给地层煤矿斜井井筒水治理效果，确保强富水强补给地层的煤矿斜井井筒安全运营。

28、本发明还包括如下技术特征：

29、具体的，所述定向钻孔有多个并分别布设在斜井井筒的顶部、两侧和底端。

30、具体的，所述定向钻孔的数量m根据斜井井筒尺寸大小确定，当斜井井筒半径为2～4时，m取值3～5，当斜井井筒半径为4～7时，m取值5～6。

31、具体的，所述定向钻孔的轨迹在斜井井筒与井筒外侧孔隙裂隙发育区域边界的范围内。

32、具体的，所述环状注浆帷幕体包括环状注浆帷幕核心区和环状注浆帷幕外围区；环状注浆帷幕核心区为斜井井筒外壁至井筒外侧孔隙裂隙发育区域外边界的范围，环状注浆帷幕外围区为井筒外侧孔隙裂隙发育区域外边界至孔隙裂隙发育外边界区域外边界的范围。

33、具体的，所述步骤6中，定向钻孔分为三序施工，一序和二序均采用对孔施工工艺，三序孔作为检查孔，当发现漏浆情况时三序孔作为注浆孔注浆补强；

34、定向钻孔分段钻进和注浆的每一段的段长l为10～50m，当地层渗透系数k＜10-2cm/s时，l取50m；当10-2cm/s≤k＜1cm/s时，l取40m；当1cm/s≤k＜5cm/s时，l取30m；当5cm/s≤k＜10cm/s时，l取20m；当10cm/s≤k时，l取10m。

35、具体的，所述定向钻孔分段注浆量

36、式中：q—定向钻孔分段注浆量；

37、k—钻孔周围地层渗透系数；

38、l—定向钻孔分段长度；

39、p浆—定向钻孔孔口注浆压力；

40、p水—钻孔扩散浆液与水接触锋面位置的水压力；

41、r—定向钻孔注浆浆液扩散半径；

42、r—定向钻孔半径；

43、μ—液体的动力粘度。

44、具体的，所述步骤6中，采用分序分段的方式施工定向钻孔和构筑环状注浆帷幕体包括以下步骤：

45、步骤6.1，在斜井井筒井口位置安放定向钻机，首先施工一序定向注浆孔的第一段段长l和一序定向抽水孔的第一段段长l，在一序定向注浆孔孔口安装注浆管、注浆压力表，通过注浆管向一序定向注浆孔的第一段段长l的钻孔中注浆，同时在一序定向抽水孔中下入抽水泵，通过抽水泵将一序定向抽水孔的第一段段长l附近地层中的水抽出钻孔，在井筒周围一序定向注浆孔中的浆液沿着井筒绕流至一序定向抽水孔，当一序定向抽水孔抽出的水由清水变为浑浊的浆液时，停止抽水，关闭一序定向抽水孔的孔口阀门，一序定向注浆孔继续注浆；直至注浆流量q≤15l/min或注浆压力≥2mpa时停止注浆，关闭一序定向注浆孔的孔口闸阀；

46、步骤6.2，在一序定向抽水孔的孔口安装注浆管和压力表，通过注浆管向一序定向抽水孔的段长l的钻孔中注入浆液，一序定向抽水孔中的浆液沿斜井井筒的四周扩散，填充环状注浆帷幕核心区和环状注浆帷幕外围区的空间，当孔口注浆流量q≤15l/min或注浆压力≥2mpa时停止注浆，关闭一序定向抽水孔的孔口闸阀；侯凝12h，重复步骤6.1～步骤6.2，完成一序定向注浆孔和一序定向抽水孔的下一段段长l的钻探、注浆，直至一序定向注浆孔和一序定向抽水孔完成治理段的钻探、注浆施工；

47、步骤6.3，施工二序定向注浆孔的第一段l和二序定向抽水孔的第一段段长l，在二序定向注浆孔孔口安装注浆管、注浆压力表，通过注浆管向二序定向注浆孔的第一段段长l的钻孔中注浆，同时在二序定向抽水孔中下入抽水泵，通过抽水泵将二序定向抽水孔的第一段段长l附近地层中的水抽出钻孔；重复步骤6.3，完成二序定向注浆孔的第和二序定向抽水孔治理段的钻探、注浆施工；

48、步骤6.4，施工三序定向检查孔的第一段段长l的钻孔，进行压水试验，当透水率＜0.1lu时，表明该段治理效果好，具有阻水防渗效果，当透水率≥0.1lu时，表明该段治理效果未达标，未达到有效的阻水防渗效果，需进行注浆补强；

49、步骤6.5，重复步骤6.4，完成三序定向检查孔的钻探、压水试验、治理效果评价、注浆补强，形成环状注浆帷幕体。

50、具体的，所述步骤6.4中，当治理段阻水防渗效果未达标时，在三序定向检查孔的孔口安装注浆管和压力表，对该段进行三序注浆补强，浆液通过注浆管进入三序定向检查孔中，补充环状注浆帷幕核心区和环状注浆帷幕外围区的残余空间。

51、具体的，所述水位水质在线监测孔水平间距80～100m。

52、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

53、(ⅰ)本发明的煤矿斜井井筒水治理方法能够科学、合理的圈定治理区位置，充分利用开挖扰动区、井筒围岩松动圈的空间范围，将原有对井筒安全的不利因素变为注浆扩散的有利条件，确保了斜井井筒涌水治理段的安全性和耐久性。

54、(ⅱ)本发明通过理论计算确定了煤矿斜井井筒水治理的空间位置，采用平行于斜井井筒的定向钻孔、分段、分序、前进式注浆方法在斜井井筒四周形成环状帷幕体，定向引流方式增加了浆液扩散范围和扩散效率，减小了强富水强补给松散层煤矿斜井井筒涌水量，克服了现有技术中存在的松散层浆液扩散范围广、浆液难注入、孔隙通道封堵不严的难题，解决了井筒渗漏水、携砂涌水、结构损伤破坏、强度降低的问题。

55、(ⅲ)本发明构建了煤矿斜井井筒环状空间帷幕截水防渗体系，实现了强富水强补给地层环向空间全方位阻水的煤矿斜井井筒治理方法，本发明既适用于强富水的松散层也适用于孔隙裂隙发育的岩层，解决了现有斜井治理方法无法同时满足松散层和岩层的难题，大幅提升强富水强补给地层斜井井筒渗漏水治理水平和治理效果。