冻结管穿马头门注浆加固技术研究

孔庆杜

摘要：地面冻结管施工结束后，未进行置换注浆，多根冻结管直穿井下马头门顶板，冻结地层化冻时地表水会通过冻结管流入井下，造成马头门破坏甚至造成垮塌和淹井事故。本文主要针对以上情况进行的构件加工制作，特别是分层分段进行注浆技术的有效实施，避免冻结管化冻对马头门造成淹井、垮塌事故。

关键词：地面冻结管穿井下马头门；设计加构件工；分层分段注浆

1、概况

红一煤矿建设规模2.4Mt/a，工业广场内设主、副、风三个井筒，井筒净直径分别为6.0m、8.0m、6.0m，井筒设计深度分别为478m、477.765m和457.5m，穿过第四系及古近系深度分别为359.1m、361.2m和363.89m，三个井筒均采用冻结法施工，冻结深度分别为412m、432m和455m。

根据井壁结构图可知，风井基岩段冻结段高为112m，而根据井筒检查孔报告分析，井筒基岩段揭露地层岩性主要为砂质泥岩和粉砂岩，岩体裂隙发育，含水丰富。对于基岩段的冻结孔，在冻结壁解冻后，冻结孔的管壁环形空间将形成上下串通的导水通道，特别是风井外排冻结管穿过马头门，这样承压水将通过导水通道渗、涌入马头门两侧巷道和井筒，进而影响井筒正常提升，甚至造成淹井。因此，针对红一煤矿风井基岩段冻结壁正面临即将解冻和正在解冻的时期，采取对冻结孔管壁环形间隙形成的导水通道在冻结壁解冻期进行注浆。

2、工程地质与水文条件

2.1、工程地质条件

根据风井井筒检查孔资料和基岩段施工实际揭露岩性分析，揭露地层属于石炭系土坡组（Ct），岩性主要以泥岩、砂质泥岩和粉砂岩为主，下部以灰黑、黑色泥岩为主。从各岩层RQD值和实际岩样分析，揭露段岩性完整性较差，岩体较破碎，裂隙发育。各种岩性的岩石抗外力和抗变形能力一般，易坍塌，遇水易软化，为不稳定～弱稳定性岩体，工程地质性质较差。裂隙可能连通上下含水层，形成上下含水层的通道，富水性强、导水性好。

2.2、水文条件

红一矿井田内无常年性地表水体，分析认为地表水对井筒的充水影响不大。古近系含水层、石炭系土坡组砂岩含水层对井筒充水影响较大。冻结壁解冻后，随着马头门两翼巷道不断掘进和硐室的开挖，掘进对上部裂隙岩体造成的多次扰动可能会使上下含水层之间水力联系加强，承压水通过导水通道和裂隙会造成掘进工作面涌水量增大，进而对巷道掘进造成影响，造成大的损失。

通过井筒检查孔和施工资料分析，冻结壁解冻后，冻结孔、管环形间隙导水以及基岩段井筒和马头门渗、漏水的威胁主要来自古近系及基岩风化带孔隙裂隙含水层和石炭系土坡组砂岩裂隙孔隙含水层。

3、具体方案

3.1由于冻结段施工结束时，未从地面进行置换注浆，冻结管直穿井下马头门巷道顶板，化冻时地面水会通过冻结管流入井下，对马头门顶板形成破坏，甚至造成马头门垮塌和淹井事故。

3.2等井筒掘砌到底后，进行马头门掘砌施工，施工超过冻结管位置后，对整个马头门进行混凝土永久支护。

3.3、在浇筑混凝土施工前，在冻结管下口安设三角型凹槽，上口紧贴冻结管下口，下口用直径50mm的无缝钢管焊接，一头车丝扣，浇筑混凝土时埋设在混凝里，带丝扣一头留出混凝土外部。

3.4、永久支护后，由于混凝土养护期间热量散发，会对整个马头门周边冻结围岩造成最先化冻，根据预留观测孔（直径50mm预留孔）进行化冻观测，化冻时开始对马头门进行壁厚注浆加固；

3.5、马头门加固施工结束后，开始从马头门上部井筒内进行造孔对井筒四周冻结管进行深孔注浆加固。

4、壁后深孔注浆方案

4.1、注浆段高及注浆范围

由风井冻结孔布置平面及剖面圖4-1可知，采用全深冻结时，外圈单号孔共有21个冻结孔达到深度为455.0m，其中位于双层井壁壁座和马头门之间共有34.5m，冻结孔离井壁内缘设计距离为5.85m，开孔间距为2.412m。

实际施工中共有7根外圈冻结管穿过马头门，分别为W1、W3、W19、W21、W23、W39和W41，具体位置如图4-2所示，因此确定注浆段为壁座底至马头门顶板，共计34.5m。为有效封堵冻结孔的管、壁环形间隙，注浆孔深应超过外排冻结管一定范围，结合注浆封水设计理论和冻结孔钻孔偏斜情况，设计本次注浆孔深为8m，如图4-3所示

4.2、注浆孔布置

共设计6排注浆孔，排间距5.0m。每排布置8个孔，共设计注浆钻孔48个，上下排错孔布置，如图4-4～图4-5所示。

4.3、注浆材料选择

拟定先采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，以单液水泥浆为主，水灰比1：0.7～1：1，先进行试注，根据注浆效果（如注浆量小）考虑改用超细水泥浆液，水泥-水玻璃双液浆为辅。

4.4、注浆量

4.6、孔口防喷、防突装置

由于基岩段各含水层属于承压含水层，因此进行破壁钻孔作业时，壁后瞬时水压有可能较大，为防止钻孔在钻进过程中突然发生喷渣、突水事故，在注浆孔孔口管上需要安装孔口密封防喷、防突装置，可采用图4-6所示的防突装置孔口密封装置。

5、结语

5.1、本次注浆施工共用了380吨水泥、25吨水玻璃，该井筒已施工结束2年多，通过这次注浆施工，红一风井马头门及以上井筒段至今无渗水情况，注浆效果明显；

5.2、为其它类似工程积累了宝贵的施工经验。