CN118997841B - 厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，包括如下步骤：步骤1，确定废弃立井井筒及地层基本情况；步骤2，废弃立井井筒全筒封堵，对废弃立井井筒采取自下而上的方式进行全筒封闭；步骤3，废弃立井井筒切割分段，对位于底部含水层以上的废弃立井井筒进行切割分段；步骤4，废弃立井内部注浆及底部含水层和底部隔水层重构注浆；步骤5，废弃立井井筒井盖封闭。该方法采用废弃立井井筒回填封堵、废弃立井井筒内部注浆、废弃立井井筒外部的底部含水层注浆加固技术，将被废弃立井井筒导通的底部含水层和底部隔水层重构为整体地层，避免在废弃立井井筒与地层间形成导水界面，确保了废弃立井压煤开采安全。

Description

厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法

技术领域

本发明涉及废弃矿井处理与煤炭资源开采领域，特别涉及一种厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法。

背景技术

随着煤炭资源长期高强度、大规模开采，部分老矿区的煤矿煤炭资源趋于枯竭，大量煤矿面临关闭或已关闭。在安全情况允许条件下，对即将报废立井的保护煤柱进行回收，能够减少资源浪费和资产流失。

目前，进行废弃立井保护煤柱时，一般采取全井筒内回填废石封闭，然后再对井口进行混凝土封堵。在上覆富水厚松散层且基岩较薄条件下，压煤开采引发的覆岩移动将导致废弃井筒与上覆地层应力场发生变化，存在触发厚松散含水层下泄导水通道、沿废弃井筒渗水，发生突水涌砂致灾风险，威胁井下生产安全。如何安全有效回收上覆富水厚松散层且基岩较薄废弃井筒下煤炭资源，已成为众多待闭老矿区亟待解决的技术难题。目前，针对废弃井筒压煤开采触发厚松散含水层下泄导水通道的水害防治鲜有研究，难以确保废弃立井压覆煤炭资源回采安全。

针对废弃立井压覆煤炭资源利用需求，鉴于目前尚无可避免废弃立井压煤开采触发厚松散含水层下泄导水通道、沿废弃井筒渗水的防治技术，急需一种厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，在废弃立井压煤开采前对废弃立井和厚松散含隔水层进行处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，该方法通过对废弃立井回填封堵并将被废弃立井井筒导通的底部含水层、底部隔水层重构为整体地层，避免在废弃立井井筒与地层间形成导水界面，确保了废弃立井压煤开采安全。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，包括如下步骤：

步骤1，确定废弃立井井筒及地层基本情况，根据废弃立井井筒的资料结合现场勘查确定废弃立井井筒及地层的基本参数；

步骤2，废弃立井井筒全筒封堵，对废弃立井井筒采取自下而上的方式进行全筒封闭，依次封堵马头门及井底段、煤系地层基岩段上层、厚松散层底部含水层、厚松散层底部隔水层和厚松散层中上部；

步骤3，废弃立井井筒切割分段，对位于底部含水层以上的废弃立井井筒进行切割分段；

步骤4，废弃立井内部注浆及底部含水层和底部隔水层重构注浆，通过施工地面垂直钻孔对废弃立井井筒内部进行注浆，通过施工地面定向钻孔对废弃立井井筒外部的底部含水层和底部隔水层进行注浆；

步骤5，废弃立井井筒井盖封闭。

进一步地，在上述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法中，在所述步骤1中，废弃立井井筒及地层的基本参数包括废弃立井井筒的内径R₁、外径R₂、井壁的厚度M、井筒的深度H、废弃立井的施工方法、地层的分层情况、厚松散层的厚度、底部含水层的厚度与底部隔水层的厚度。

进一步地，在上述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法中，在所述步骤2中，包括如下步骤：

步骤21，封堵马头门及井底段，在废弃立井井筒底部的马头门的两侧平巷各施工一道密闭墙，所述密闭墙采用C30钢筋混凝土，所述密闭墙的外缘与平巷的内壁连接，所述密闭墙的厚度为1m~2m，在废弃立井井筒的底部以及位于两道所述密闭墙之间的空间填充大块废料，大块废料的粒径为25cm~60cm，大块废料充填至马头门上部标高h₁处，h₁=5m~10m，向所述大块废料的间隙泵注混凝土；

步骤22，封堵煤系地层基岩段上层，在所述马头门上部标高h₁处的大块废料和混凝土的顶面铺盖防水卷材，在防水卷材上方的废弃立井井筒内填充混合填料，混合填料由物料和粉煤灰混合而成，物料为矸石、废石或尾砂，物料和粉煤灰的混合填料充填至厚松散层下界面以下标高h₂处，h₂=5m~10m，物料与粉煤灰的质量比为10∶1~20∶1；

步骤23，封堵厚松散层底部含水层，在厚松散层下界面以下h₂处的物料和粉煤灰的混合填料的顶面铺盖防水卷材，在防水卷材上填充物料和水泥的混合填料，物料和水泥的混合填料充填至底部含水层顶面上部标高h₃处，h₃=5m~10m，物料与水泥的质量比为5∶1~10∶1；

步骤24，封堵厚松散层底部隔水层，在底部含水层顶面上部标高h₃处的物料和水泥的混合填料的顶面铺盖防水卷材，在防水卷材上填充熟黄土并夯实，熟黄土充填至底部隔水层顶面处；

步骤25，封堵厚松散层中上部，在底部隔水层顶面的熟黄土上铺盖防水卷材，在防水卷材上交替填充由物料和粉煤灰混合而成的混合填料和熟黄土，混合填料和熟黄土之间铺设防水卷材，厚松散层中上部的废弃立井井筒内的最上一层填充物为熟黄土，厚松散层内的每层混合填料的充填厚度H₁为20m~50m，每一层熟黄土的充填厚度H₂为5m~10m，最上一层的熟黄土的顶面与井口之间的距离为2m~3m。

进一步地，在上述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法中，在所述步骤23中，在对厚松散层底部含水层进行封堵前，首先对底部含水层对应的废弃立井井筒的井壁进行补强支护形成补强支护体系；所述补强支护体系包括注浆锚杆、槽钢井圈和竖向工字钢，所述注浆锚杆的一端位于废弃立井井筒的井壁内侧，所述注浆锚杆的另一端位于废弃立井井筒外侧的地层内，所述注浆锚杆沿废弃立井井筒的轴线方向均匀布设有N层，N=4~8，每层沿废弃立井井筒的周向均匀布置8个所述注浆锚杆；最顶层内的所述注浆锚杆的一端位于底部含水层段井壁上缘的下方的2m~3m处，最顶层内的所述注浆锚杆的轴线具有10°~20°的向上倾角，最顶层内的所述注浆锚杆的另一端延伸至底部隔水层内2m~3m处；最底层内的所述注浆锚杆的一端位于底部含水层段井壁下缘的上方的2m~3m处，最底层内的所述注浆锚杆的轴线具有10°~20°的向下倾角，最底层内的所述注浆锚杆的另一端延伸至煤系基岩层内2m~3m处；除最顶层和最底层外其他层位的所述注浆锚杆的轴线均与废弃立井井筒的井壁垂直；最顶层内的所述注浆锚杆与最底层内的所述注浆锚杆对称布置，其余层位的所述注浆锚杆交错布置，相邻的两层所述注浆锚杆的一端的垂直层距为2~3m；所述槽钢井圈为圆形结构，所述槽钢井圈水平设置在废弃立井井筒的内壁上，所述槽钢井圈的外径与废弃立井井筒的内径一致，所述槽钢井圈设置有多个，每一层所述注浆锚杆均设置有一个所述槽钢井圈，所述槽钢井圈布置在所述注浆锚杆的一端的下方，所述槽钢井圈与对应层内的所述注浆锚杆均连接；所述竖向工字钢竖向设置在废弃立井井筒的内壁上，所述竖向工字钢的长度与底部含水层段的厚度一致，所述竖向工字钢与多个所述槽钢井圈均连接，所述竖向工字钢设置有4条或8条，多条所述竖向工字钢沿废弃立井井筒的周向均匀设置。

进一步地，在上述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法中，在所述步骤2中，在对废弃立井井筒全筒封堵的过程中，在底部含水层下界面以下h₂处的废弃立井井筒的内壁上施工一层钻孔，在底部含水层顶面上部标高h₃处的废弃立井井筒的内壁上施工一层钻孔，底部隔水层顶面处的废弃立井井筒的内壁上施工一层钻孔，在底部隔水层以上的废弃立井井筒的内壁上竖向每间隔100m施工一层钻孔，每层所述钻孔的数量为8个~16个，每层内的多个所述钻孔沿废弃立井井筒的周向均匀分布，所述钻孔的深度为废弃立井井筒的井壁的厚度的4/5；在每个所述钻孔内填充膨胀剂或炸药，填充膨胀剂或炸药后采用水泥砂浆对所述钻孔进行封堵，膨胀剂或炸药的起爆引线经钢管引出地面；在所述步骤3中，通过起爆所述步骤2中预埋在所述钻孔内的膨胀剂或炸药对底部含水层下界面以下h₂处、底部含水层顶面上部标高h₃处和底部隔水层顶面处及底部隔水层以上的废弃立井井筒进行切割分段。

进一步地，在上述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法中，在所述步骤4中，所述地面垂直钻孔布置在废弃立井井筒的轴线处，所述地面垂直钻孔的下端位于底部含水层下界面以下（h₂-2）m处，位于底部含水层内的所述地面垂直钻孔的侧壁上均匀分布有若干注浆孔，对在所述步骤23中实施的矸石和水泥的混合填料进行注浆加固；在通过所述地面垂直钻孔进行注浆前需先进行废弃立井井筒内待注浆层位的地下水观测，确定地下水的静水压力p _a，所述地面垂直钻孔注浆压力为地下水的静水压力p _a的1.5~2.0倍。

进一步地，在上述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法中，在所述步骤4中，所述地面定向钻孔用于对废弃立井井筒的外部的底部含水层下界面以下（h₂-2）m至底部含水层顶面上部标高h₃之间的区域地层进行注浆加固；在通过所述地面定向钻孔注浆前需先进行废弃立井井筒外待注浆层位的地下水观测，确定待注浆层位的地下水的静水压力p _b，所述地面定向钻孔的注浆压力为待注浆层位的地下水的静水压力p _b的2.0~2.5倍。

进一步地，在上述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法中，在所述步骤4中，所述地面定向钻孔包括上部直孔段、斜孔段和下部直孔段，所述上部直孔段的轴线和所述下部直孔段的轴线均与废弃立井井筒的轴线平行，所述上部直孔段的下端位于底面隔水层的上方，所述下部直孔段的上端位于底部含水层的上方，所述下部直孔段的下端位于底部含水层的下方，所述斜孔段的两端分别连接所述上部直孔段和所述下部直孔段；所述地面定向钻孔设置有8~10个，所有所述地面定向钻孔在地面上的布置点均位于以废弃立井井筒中心为圆心、半径为R₃的圆周上，R₃=10m~20m，所述地面定向钻孔在地面上的布置点的孔间距为10m～15m，所述下部直孔段的轴线与废弃立井井筒的外壁之间的距离为R₃/2；所述下部直孔段的侧壁上均匀分布有若干注浆孔。

进一步地，在上述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法中，在所述步骤4中，所述地面定向钻孔包括竖直段、倾斜段和水平段，所述竖直段的下端位于底部隔水层的上方，所述水平段位于底部含水层内，所述水平段的轴线与废弃立井井筒的井壁垂直，所述地面定向钻孔的终孔点距离废弃立井井筒的外壁2m~4m；所述地面定向钻孔包括4个孔组，4个孔组沿废弃立井井筒的周向均匀分布，每个孔组包括4个地面定向钻孔，一个孔组内的4个在地面上的布置点的圆心均位于废弃立井井筒的一条半径的延长线上，在同一横截面上，4个孔组相对应的布置点位于同一以废弃立井井筒的中心的圆周上，所述地面定向钻孔的布置点的圆心与废弃立井井筒的中心之间的距离R₄为30m~40m；一个孔组内的4个所述地面定向钻孔的终孔点均位于底部含水层内，一个孔组内的4个所述地面定向钻孔的终孔点由上至下依次排列，相对于底部含水层的高度，一个孔组内的4个所述地面定向钻孔的终孔点分别位于底部含水层的1/8、3/8、5/8和7/8处，一个孔组内的4个所述地面定向钻孔的终孔点的圆心和布置点的圆心位于同一垂直剖面上。

进一步地，在上述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法中，在所述步骤5中，具体包括如下步骤：

步骤51，开挖环形井盖坑，沿废弃立井井筒的外缘向外开挖宽度为2m~3m、深度为d的环形井盖坑；

步骤52，铺设井盖篦子，在废弃立井井筒的井口用工字钢梁搭设井盖篦子，所述井盖篦子采用I22b工字钢梁横竖垂直搭设，工字钢梁的间距为0.5m；

步骤53，浇筑井盖混凝土，向环形井盖坑和废弃立井井筒内浇筑混凝土，混凝土型号为C30，混凝土厚度为(d+1)m~(d+2)m；

所述井盖篦子伸入在环形井盖坑内的混凝土内不小于0.3m；

所述井盖篦子的外缘位于所述环形井盖坑的外壁和内壁之间的中间位置；

在所述步骤5中，根据实际需求，将废弃立井井筒的井口1m~2m深度的井壁进行切割，使得所铺设的所述井盖篦子位于地面以下，控制浇筑在环形井盖坑内的混凝土的上表面与地表齐平。

分析可知，本发明公开一种厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，从废弃立井压煤开采下废弃立井与厚松散层相互作用出发，在废弃立井压煤开采前，利用该方法采用废弃立井井筒回填封堵、废弃立井井筒内部注浆、废弃立井井筒外部的底部含水层注浆加固技术，将被废弃立井井筒导通的底部含水层和底部隔水层重构为整体地层，避免在废弃立井井筒与地层间形成导水界面，确保了废弃立井压煤开采安全。该方法填补了目前尚无可避免废弃立井压煤开采触发厚松散含水层下泄导水通道、沿废弃井筒渗水的防治技术的空白，为后续回收即将报废立井的保护煤柱提供了技术参考。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法的流程图。

图2为本发明一实施例的废弃立井井筒回填封堵的示意图。

图3为本发明一实施例的补强支护体系的结构示意图。

图4为本发明一实施例的补强支护体系的俯视示意图。

图5为本发明一实施例的在废弃立井井筒的井壁钻孔并填充膨胀剂或炸药的示意图。

图6为本发明一实施例的实施地面垂直钻孔和地面定向钻孔的示意图。

图7为本发明另一实施例的实施地面垂直钻孔和地面定向钻孔的示意图。

图8为图7的俯视示意图。

图9为本发明一实施例的废弃立井井筒井盖封闭的示意图。

图10为本发明一实施例的废弃立井井筒的井口切割后的井盖封闭的示意图。

图11为本发明一实施例的废弃立井井筒井盖封闭的俯视示意图。

附图标记说明：1废弃立井井筒；2马头门；3密闭墙；4煤系地层基岩段；5厚松散层；6底部含水层；7底部隔水层；8井盖篦子；9栅栏；10中上部含水层与隔水层；11注浆锚杆；12槽钢井圈；13竖向工字钢轨；14膨胀剂或炸药；15水泥砂浆；16钢管；17地面垂直钻；18地面定向钻孔；19上部直孔段；20斜孔段；21下部直孔段；22注浆孔；23竖直段；24倾斜段；25水平段；26环形井盖坑。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。

如图1至图11所示，根据本发明的实施例，提供了一种厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，发明名称中的含隔水层是指在地质结构中具有不同隔水性能的地层组合，即含水层和隔水层，一般厚松散层中具有多个含水层和隔水层，最下面的含水层为底部含水层，最下面的隔水层为底部隔水层。该方法采用废弃立井井筒回填封堵、废弃立井井筒内部注浆、废弃立井井筒外部的底部含水层注浆，将被废弃立井井筒1导通的底部含水层6、底部隔水层7重构为整体地层，避免在废弃立井井筒1与地层间形成导水界面。如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤1，确定废弃立井井筒及地层基本情况。

根据废弃立井井筒1的资料结合现场勘查确定废弃立井井筒及地层的基本参数，废弃立井井筒及地层的基本参数包括废弃立井井筒1的内径R₁、外径R₂、井壁的厚度M、井筒的深度H、废弃立井的施工方法、地层的分层情况、厚松散层5的厚度、底部含水层6的厚度与底部隔水层7的厚度等。

现场勘查可采用物探和钻探验证相结合的方法，物探法可采用地震波法和电磁法确定废弃立井井筒1的完整性及其周围地层的结构，根据物探结果或者初步判断，在井筒周围合适的位置进行钻探，以获取岩芯样本，直观地观察地层岩石的特征，包括岩石的类型、颗粒大小、胶结程度等。同时，还可以在钻孔中安装监测设备，如水位计来确定含水层的水位，压力计来测量地层压力等，这些数据对于了解地层的水文地质条件和力学状态非常重要。

步骤2，废弃立井井筒全筒封堵，如图2所示，对废弃立井井筒1采取自下而上的方式进行全筒封闭，依次封堵马头门2及井底段、煤系地层基岩段上层、厚松散层底部含水层、厚松散层底部隔水层和厚松散层中上部，具体包括如下步骤：

步骤21，封堵马头门及井底段，在废弃立井井筒1底部的马头门2的两侧平巷各施工一道密闭墙3，密闭墙3采用C30钢筋混凝土，密闭墙3的外缘与平巷的内壁连接，密闭墙3的厚度为1m~2m。为确保马头门2的整体结构的稳定并避免井底透水，在废弃立井井筒1的底部以及位于两道密闭墙3之间的空间填充大块废料，大块废料的粒径为25cm~60cm，大块废料充填至马头门2上部标高h₁处，h₁=5m~10m，向大块废料的间隙泵注混凝土。如果待填充区域的深度大于400m，为了保证填充效果和防止大块废料在填充过程中发生过度滚动或位移，采用粒径为40cm~60cm的大块废料，大块废料在填充后能够相互支撑，提高封闭结构的稳定性。

步骤22，封堵煤系地层基岩段上层，在马头门2上部标高h₁处的大块废料和混凝土的顶面铺盖防水卷材，在防水卷材上方的填充混合填料，煤系地层基岩段4的上层的混合填料由物料和粉煤灰混合而成，物料就地取料，废物利用，物料可以为矸石、废石或尾砂等，物料和粉煤灰的混合填料充填至厚松散层5的下界面（即底部含水层6下界面）以下标高h₂处，h₂=5m~10m，物料与粉煤灰的质量比为10∶1~20∶1。

步骤23，封堵厚松散层底部含水层，在厚松散层5的下界面（即底部含水层6下界面）以下h₂处的物料和粉煤灰的混合填料的顶面铺盖防水卷材，在防水卷材上填充物料和水泥的混合填料，物料和水泥的混合填料充填至底部含水层6的顶面上部标高h₃处，h₃=5m~10m，物料与水泥的质量比为5∶1~10∶1。

在对厚松散层底部含水层进行封堵前，首先对底部含水层6对应的废弃立井井筒1的井壁进行补强支护形成补强支护体系，避免在后续煤层开采时，废弃立井井筒1与地层不同步沉降导致底部含水层6内的废弃立井井筒1的井壁发生破断，进而增加在底部含水层6处形成下泄导水通道，并沿废弃立井井筒1渗水，进而发生突水涌砂致灾风险，威胁井下生产安全。

如图3和图4所示，补强支护体系包括注浆锚杆11、槽钢井圈12和竖向工字钢13，注浆锚杆11的一端位于废弃立井井筒1的井壁内侧，注浆锚杆11的另一端位于废弃立井井筒1外侧的地层内，注浆锚杆11沿废弃立井井筒1的轴线方向均匀布设有N层，N=4~8，自上而下依次为1、2、3...N层注浆锚杆11，每层沿废弃立井井筒1的周向均匀布置8个注浆锚杆11；最顶层（第1层）内的注浆锚杆11的一端位于底部含水层段井壁上缘的下方的2m~3m处，最顶层内的注浆锚杆11的轴线具有10°~20°的向上倾角，最顶层内的注浆锚杆11的另一端延伸至底部隔水层7内2m~3m处。最底层（第N层）内的注浆锚杆11的一端位于底部含水层段井壁下缘上方的2m~3m处，最底层内的注浆锚杆11的轴线具有10°~20°的向下倾角，最底层内的注浆锚杆11的另一端延伸至煤系基岩层内2m~3m处；除最顶层和最底层外其他层位（第2~第N-1层）的注浆锚杆11的轴线均与废弃立井井筒1的井壁垂直。最顶层内的注浆锚杆11与最底层内的注浆锚杆11对称布置，其余层位的注浆锚杆11交错布置。相邻的两层注浆锚杆11的一端的垂直层距为2m~3m，注浆锚杆11的层距根据废弃立井井筒1的内径尺寸、井壁稳定性、围岩稳定性等因素进行合理调整，确保废弃立井井筒1的稳定性，保证后续施工安全。

槽钢井圈12为圆形结构，槽钢井圈12水平设置在废弃立井井筒1的内壁上，槽钢井圈12的外径与废弃立井井筒1的内径一致，槽钢井圈12设置有多个，每一层注浆锚杆11均设置有一个槽钢井圈12，槽钢井圈12布置在注浆锚杆11的一端的下方，槽钢井圈12与对应层内的注浆锚杆11均通过焊接或螺栓的方式进行连接。

竖向工字钢13竖向设置在废弃立井井筒1的内壁上，竖向工字钢13的长度与底部含水层段的厚度一致，竖向工字钢13与多个槽钢井圈12均通过焊接或螺栓的方式进行连接，竖向工字钢13设置有4条或8条，多条竖向工字钢13沿废弃立井井筒1的周向均匀设置。

步骤24，封堵厚松散层底部隔水层，在底部含水层6的顶面上部标高h₃处的物料和水泥的混合填料的顶面铺盖防水卷材，在防水卷材上填充熟黄土并夯实，熟黄土充填至底部隔水层7顶面处，熟黄土的顶面铺盖防水卷材。

本发明所使用的熟黄土是经过特殊处理的黄土，如通过暴晒、烘烤、加水闷润等方式对黄土进行处理，经过处理后的熟黄土的土粒会有一定程度收缩，空隙减小，结构变得相对紧密，且塑性增强。根据实际工程情况，也可以采用三七灰土代替熟黄土对废弃立井井筒1进行填充，提高抗压强度和防渗能力。

步骤25，封堵厚松散层中上部，在底部隔水层7顶面的熟黄土上铺盖防水卷材，在防水卷材上方的封堵厚松散层中上部（中上部含水层与隔水层10）的废弃立井井筒1内交替填充由物料和粉煤灰混合而成的混合填料和熟黄土，混合填料和熟黄土之间铺设防水卷材，厚松散层中上部的废弃立井井筒内的最上一层填充物为熟黄土，每层熟黄土填充完成后需要夯实。厚松散层5内的每层混合填料的充填厚度H₁为20m~50m，每一层熟黄土的充填厚度H₂为5m~10m。最上一层熟黄土的顶面与废弃立井井筒1的井口之间的距离为2m~3m。

在对废弃立井井筒1全筒封堵的过程中，在底部含水层6下界面以下h₂处的废弃立井井筒1的内壁上施工一层钻孔，在底部含水层6顶面上部标高h₃处的废弃立井井筒1的内壁上施工一层钻孔，底部隔水层7顶面处的废弃立井井筒1的内壁上施工一层钻孔，在底部隔水层7以上的废弃立井井筒1的内壁上竖向每间隔100m施工一层钻孔。每层钻孔的数量为8个~16个，每层内的多个钻孔沿废弃立井井筒1的周向均匀分布，钻孔的深度为废弃立井井筒1的井壁的厚度的4/5，钻孔的深度需要保证废弃立井井筒1的井壁的外壁未钻穿，使井壁厚度经强度验算满足水压作用稳定性要求。如图5所示，在每个钻孔内填充膨胀剂或炸药14，填充膨胀剂或炸药14后采用水泥砂浆15对钻孔进行封堵，膨胀剂或炸药14的起爆引线经钢管16引出地面，用于后续对废弃立井井筒1进行切割分段。

步骤3，废弃立井井筒切割分段，采用静态破碎法或爆破切割法对位于底部含水层6以上的废弃立井井筒1进行切割分段。通过起爆步骤2中预埋在井壁的钻孔内的膨胀剂或炸药14对底部含水层6下界面以下h₂处、底部含水层6顶面上部标高h₃处和底部隔水层7顶面处以及底部隔水层7以上的废弃立井井筒1（每100m）进行切割分段。采用静态破碎法或爆破切割法，在厚松散层5与煤系地层基岩段4的分界面附近、底部含水层6与底部隔水层7附近及底部隔水层7以上的废弃立井井筒1的部分关键层位对废弃立井井筒1进行切割，提前将废弃立井井筒1进行分段，一方面可避免开采沉降产生作用于废弃立井井筒1的竖向附加力导致废弃立井整体向下滑移，进而产生滑动导水界面；另一方面可防止后续井壁破裂层位与井筒内回填层位的不一致，进而导致底部含水层6、底部隔水层7重构失效。

步骤4，废弃立井内部注浆及底部含水层6和底部隔水层7重构注浆，通过施工地面垂直钻孔17对废弃立井井筒1内部进行注浆，通过施工地面定向钻孔18对废弃立井井筒1外部的底部含水层6和底部隔水层7进行注浆。

地面垂直钻孔17用于对废弃立井井筒1的内部的底部含水层6下界面以下（h₂-2）m至底部含水层6顶面上部标高h₃之间的区域进行注浆加固。地面定向钻孔18用于对废弃立井井筒1的外部的底部含水层6下界面以下（h₂-2）m至底部含水层6顶面上部标高h₃之间的区域地层进行注浆加固。通过施工地面垂直钻孔17和地面定向钻孔18对废弃立井井筒1内部以及废弃立井井筒1外部的底部含水层6和底部隔水层7的区域进行注浆，将由废弃立井井筒1导通的底部含水层6和底部隔水层7重构成一个整体地层。

地面垂直钻孔17布置在废弃立井井筒1的轴线处，地面垂直钻孔17的下端位于底部含水层6下界面以下（h₂-2）m处，位于底部含水层6内的地面垂直钻孔17的侧壁上均匀分布有若干注浆孔22，对在步骤23中实施的矸石和水泥的混合填料进行注浆加固。在通过地面垂直钻孔17进行注浆前需先进行废弃立井井筒1内待注浆层位的地下水观测，确定地下水的静水压力p _a，地面垂直钻孔17注浆压力为地下水的静水压力p _a的1.5~2.0倍。

在本发明的一实施例中，如图6所示，地面定向钻孔18为S型孔，地面定向钻孔18包括上部直孔段19、斜孔段20和下部直孔段21，上部直孔段19的轴线和下部直孔段21的轴线均与废弃立井井筒1的轴线平行，上部直孔段19的下端位于底面隔水层的上方，下部直孔段21的上端位于底部含水层6的上方，下部直孔段21的下端位于底部含水层6的下方，斜孔段20的两端分别连接上部直孔段19和下部直孔段21；地面定向钻孔18设置有8~10个，所有地面定向钻孔18在地面上的布置点均位于以废弃立井井筒1中心为圆心、半径为R₃的圆周上，R₃=10m~20m，地面定向钻孔18在地面上的布置点的孔间距为10m～15m，下部直孔段21的轴线与废弃立井井筒1的外壁之间的距离为R₃/2；下部直孔段21的侧壁上均匀分布有若干注浆孔22。

在本发明的另一实施例中，如图7所示，地面定向钻孔18包括竖直段23、倾斜段24和水平段25，竖直段23的下端位于底部隔水层7的上方，水平段25位于底部含水层6内，倾斜段24的两端分别与竖直段23和水平段25连接，水平段25的轴线与废弃立井井筒1的井壁垂直，地面定向钻孔18的终孔点距离废弃立井井筒1的外壁2m~4m；地面定向钻孔18包括4个孔组，4个孔组沿废弃立井井筒1的周向均匀分布，每个孔组包括4个地面定向钻孔18，如图8所示，一个孔组内的4个在地面上的布置点的圆心均位于废弃立井井筒1的一条半径的延长线上，在同一横截面上，4个孔组相对应的布置点位于同一以废弃立井井筒1的中心的圆周上，地面定向钻孔18的布置点的圆心与废弃立井井筒1的中心之间的距离R₄为30m~40m；一个孔组内的4个地面定向钻孔18的终孔点均位于底部含水层6内，一个孔组内的4个地面定向钻孔18的终孔点由上至下依次排列，相对于底部含水层6的高度，一个孔组内的4个地面定向钻孔18的终孔点分别位于底部含水层6的1/8、3/8、5/8和7/8处。一个孔组内的4个地面定向钻孔18由上至下分别为a号孔、b号孔、c号孔和d号孔，其中a号孔对注浆层段的1/8处注浆，b号孔对注浆层段的3/8处注浆，c号孔对注浆层段的5/8处注浆，d号孔对注浆层段的7/8处注浆，一个孔组内的4个地面定向钻孔18的终孔点的圆心和布置点的圆心位于同一垂直剖面上。

在本发明的其他实施例中，根据废弃立井井筒1及地层的基本情况，地面定向钻孔18还可以采用地面垂直钻孔17或其他类型的钻孔对底部含水层6和底部隔水层7进行重构注浆。

在通过地面定向钻孔18注浆前需先进行废弃立井井筒1外待注浆层位的地下水观测，确定待注浆层位的地下水的静水压力p _b，地面定向钻孔18的注浆压力为待注浆层位的地下水的静水压力p _b的2.0~2.5倍。

步骤5，废弃立井井筒1井盖封闭，具体包括如下步骤：

步骤51，开挖环形井盖坑26，如图9所示，沿废弃立井井筒1的外缘向外开挖宽度为2m~3m、深度为d的环形井盖坑26。

步骤52，铺设井盖篦子8，在废弃立井井筒1的井口用工字钢梁搭设井盖篦子8，废弃立井井筒1的井口的周围设置栅栏9，如图11所示，井盖篦子8采用I22b工字钢梁横竖垂直搭设，工字钢梁的间距为0.5m。

步骤53，浇筑井盖混凝土，向环形井盖坑26和废弃立井井筒1内浇筑混凝土，混凝土型号为C30，混凝土厚度为(d+1)m~(d+2)m。

井盖篦子8伸入在环形井盖坑26内的混凝土内不小于0.3m；井盖篦子8的外缘位于环形井盖坑26的外壁和内壁之间的中间位置。

在步骤5中，如图10所示，根据实际需求，将废弃立井井筒1的井口1m~2m深度的井壁进行切割，使得所铺设的井盖篦子8位于地面以下，控制浇筑在环形井盖坑26内的混凝土的上表面与地表齐平，待废弃立井下煤层开采后在井盖坑内的混凝土的上方铺设土体并进行植被种植，恢复生态。

在上述的方法中，根据工程实际情况，也可以在对废弃立井井筒1进行切割分段之前进行注浆，废弃立井井筒1切割分段完成后进行补注浆，即在步骤2完成后，首先实施步骤4，利用地面垂直钻孔17和地面定向钻孔18对底部含水层6和底部隔水层7进行注浆，然后再实施步骤3，对废弃立井井筒1切割分段，废弃立井井筒1切割分段完成后，利用地面垂直钻孔17和地面定向钻孔18进行补注浆，补注浆完成后实施步骤5，对废弃立井井筒1的井盖进行封闭。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

一种厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，从废弃立井压煤开采下废弃立井与厚松散层相互作用出发，在废弃立井压煤开采前，利用该方法采用废弃立井井筒回填封堵、废弃立井井筒内部注浆、废弃立井井筒1外部的底部含水层6的注浆加固技术，将被废弃立井井筒1导通的底部含水层6和底部隔水层7重构为整体地层，避免在废弃立井井筒1与地层间形成导水界面，确保了废弃立井压煤开采安全。该方法填补了目前尚无可避免废弃立井压煤开采触发厚松散含水层下泄导水通道、沿废弃井筒渗水的防治技术的空白，为后续回收即将报废立井的保护煤柱提供了技术参考。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，确定废弃立井井筒及地层基本情况，

根据废弃立井井筒的资料结合现场勘查确定废弃立井井筒及地层的基本参数；

步骤2，废弃立井井筒全筒封堵，

对废弃立井井筒采取自下而上的方式进行全筒封闭，依次封堵马头门及井底段、煤系地层基岩段上层、厚松散层底部含水层、厚松散层底部隔水层和厚松散层中上部；

在所述步骤2中，包括如下步骤：

步骤21，封堵马头门及井底段，在废弃立井井筒底部的马头门的两侧平巷各施工一道密闭墙，所述密闭墙采用C30钢筋混凝土，所述密闭墙的外缘与平巷的内壁连接，所述密闭墙的厚度为1m~2m，在废弃立井井筒的底部以及位于两道所述密闭墙之间的空间填充大块废料，大块废料的粒径为25cm~60cm，大块废料充填至马头门上部标高h₁处，h₁=5m~10m，向所述大块废料的间隙泵注混凝土；

步骤22，封堵煤系地层基岩段上层，在所述马头门上部标高h₁处的大块废料和混凝土的顶面铺盖防水卷材，在防水卷材上方的废弃立井井筒内填充混合填料，混合填料由物料和粉煤灰混合而成，物料为矸石、废石或尾砂，物料和粉煤灰的混合填料充填至厚松散层下界面以下标高h₂处，h₂=5m~10m，物料与粉煤灰的质量比为10∶1~20∶1；

步骤23，封堵厚松散层底部含水层，在厚松散层下界面以下h₂处的物料和粉煤灰的混合填料的顶面铺盖防水卷材，在防水卷材上填充物料和水泥的混合填料，物料和水泥的混合填料充填至底部含水层顶面上部标高h₃处，h₃=5m~10m，物料与水泥的质量比为5∶1~10∶1；

在所述步骤23中，在对厚松散层底部含水层进行封堵前，首先对底部含水层对应的废弃立井井筒的井壁进行补强支护形成补强支护体系；

步骤24，封堵厚松散层底部隔水层，在底部含水层顶面上部标高h₃处的物料和水泥的混合填料的顶面铺盖防水卷材，在防水卷材上填充熟黄土并夯实，熟黄土充填至底部隔水层顶面处；

步骤25，封堵厚松散层中上部，在底部隔水层顶面的熟黄土上铺盖防水卷材，在防水卷材上交替填充由物料和粉煤灰混合而成的混合填料和熟黄土，混合填料和熟黄土之间铺设防水卷材，厚松散层中上部的废弃立井井筒内的最上一层填充物为熟黄土，厚松散层内的每层混合填料的充填厚度H₁为20m~50m，每一层熟黄土的充填厚度H₂为5m~10m，最上一层的熟黄土的顶面与井口之间的距离为2m~3m；

步骤3，废弃立井井筒切割分段，

对位于底部含水层以上的废弃立井井筒进行切割分段；

在所述步骤3中，对底部含水层下界面以下h₂处、底部含水层顶面上部标高h₃处和底部隔水层顶面处及底部隔水层以上的废弃立井井筒进行切割分段；

步骤4，废弃立井内部注浆及底部含水层和底部隔水层重构注浆，

通过施工地面垂直钻孔对废弃立井井筒内部进行注浆，通过施工地面定向钻孔对废弃立井井筒外部的底部含水层和底部隔水层进行注浆；

在所述步骤4中，所述地面垂直钻孔布置在废弃立井井筒的轴线处，所述地面垂直钻孔的下端位于底部含水层下界面以下（h₂-2）m处，位于底部含水层内的所述地面垂直钻孔的侧壁上均匀分布有若干注浆孔，对在所述步骤23中实施的矸石和水泥的混合填料进行注浆加固；

在所述步骤4中，所述地面定向钻孔用于对废弃立井井筒的外部的底部含水层下界面以下（h₂-2）m至底部含水层顶面上部标高h₃之间的区域地层进行注浆加固；

步骤5，废弃立井井筒井盖封闭。

2.根据权利要求1所述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，其特征在于，

在所述步骤1中，废弃立井井筒及地层的基本参数包括废弃立井井筒的内径R₁、外径R₂、井壁的厚度M、井筒的深度H、废弃立井的施工方法、地层的分层情况、厚松散层的厚度、底部含水层的厚度与底部隔水层的厚度。

3.根据权利要求1所述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，其特征在于，

在所述步骤23中，所述补强支护体系包括注浆锚杆、槽钢井圈和竖向工字钢，所述注浆锚杆的一端位于废弃立井井筒的井壁内侧，所述注浆锚杆的另一端位于废弃立井井筒外侧的地层内，所述注浆锚杆沿废弃立井井筒的轴线方向均匀布设有N层，N=4~8，每层沿废弃立井井筒的周向均匀布置8个所述注浆锚杆；

最顶层内的所述注浆锚杆的一端位于底部含水层段井壁上缘的下方的2m~3m处，最顶层内的所述注浆锚杆的轴线具有10°~20°的向上倾角，最顶层内的所述注浆锚杆的另一端延伸至底部隔水层内2m~3m处；

最底层内的所述注浆锚杆的一端位于底部含水层段井壁下缘的上方的2m~3m处，最底层内的所述注浆锚杆的轴线具有10°~20°的向下倾角，最底层内的所述注浆锚杆的另一端延伸至煤系基岩层内2m~3m处；

除最顶层和最底层外其他层位的所述注浆锚杆的轴线均与废弃立井井筒的井壁垂直；

最顶层内的所述注浆锚杆与最底层内的所述注浆锚杆对称布置，其余层位的所述注浆锚杆交错布置，相邻的两层所述注浆锚杆的一端的垂直层距为2~3m；

所述槽钢井圈为圆形结构，所述槽钢井圈水平设置在废弃立井井筒的内壁上，所述槽钢井圈的外径与废弃立井井筒的内径一致，所述槽钢井圈设置有多个，每一层所述注浆锚杆均设置有一个所述槽钢井圈，所述槽钢井圈布置在所述注浆锚杆的一端的下方，所述槽钢井圈与对应层内的所述注浆锚杆均连接；

所述竖向工字钢竖向设置在废弃立井井筒的内壁上，所述竖向工字钢的长度与底部含水层段的厚度一致，所述竖向工字钢与多个所述槽钢井圈均连接，所述竖向工字钢设置有4条或8条，多条所述竖向工字钢沿废弃立井井筒的周向均匀设置。

4.根据权利要求1所述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，其特征在于，

在所述步骤2中，在对废弃立井井筒全筒封堵的过程中，在底部含水层下界面以下h₂处的废弃立井井筒的内壁上施工一层钻孔，在底部含水层顶面上部标高h₃处的废弃立井井筒的内壁上施工一层钻孔，底部隔水层顶面处的废弃立井井筒的内壁上施工一层钻孔，在底部隔水层以上的废弃立井井筒的内壁上竖向每间隔100m施工一层钻孔，每层所述钻孔的数量为8个~16个，每层内的多个所述钻孔沿废弃立井井筒的周向均匀分布，所述钻孔的深度为废弃立井井筒的井壁的厚度的4/5；

在每个所述钻孔内填充膨胀剂或炸药，填充膨胀剂或炸药后采用水泥砂浆对所述钻孔进行封堵，膨胀剂或炸药的起爆引线经钢管引出地面；

在所述步骤3中，通过起爆所述步骤2中预埋在所述钻孔内的膨胀剂或炸药对底部含水层下界面以下h₂处、底部含水层顶面上部标高h₃处和底部隔水层顶面处及底部隔水层以上的废弃立井井筒进行切割分段。

5.根据权利要求1所述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，其特征在于，

在所述步骤4中，在通过所述地面垂直钻孔进行注浆前需先进行废弃立井井筒内待注浆层位的地下水观测，确定地下水的静水压力p _a，所述地面垂直钻孔注浆压力为地下水的静水压力p _a的1.5~2.0倍。

6.根据权利要求1所述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，其特征在于，

在所述步骤4中，在通过所述地面定向钻孔注浆前需先进行废弃立井井筒外待注浆层位的地下水观测，确定待注浆层位的地下水的静水压力p _b，所述地面定向钻孔的注浆压力为待注浆层位的地下水的静水压力p _b的2.0~2.5倍。

7.根据权利要求1所述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，其特征在于，

在所述步骤4中，所述地面定向钻孔包括上部直孔段、斜孔段和下部直孔段，所述上部直孔段的轴线和所述下部直孔段的轴线均与废弃立井井筒的轴线平行，所述上部直孔段的下端位于底面隔水层的上方，所述下部直孔段的上端位于底部含水层的上方，所述下部直孔段的下端位于底部含水层的下方，所述斜孔段的两端分别连接所述上部直孔段和所述下部直孔段；

所述地面定向钻孔设置有8~10个，所有所述地面定向钻孔在地面上的布置点均位于以废弃立井井筒中心为圆心、半径为R₃的圆周上，R₃=10m~20m，所述地面定向钻孔在地面上的布置点的孔间距为10m～15m，所述下部直孔段的轴线与废弃立井井筒的外壁之间的距离为R₃/2；

所述下部直孔段的侧壁上均匀分布有若干注浆孔。

8.根据权利要求1所述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，其特征在于，

在所述步骤4中，所述地面定向钻孔包括竖直段、倾斜段和水平段，所述竖直段的下端位于底部隔水层的上方，所述水平段位于底部含水层内，所述水平段的轴线与废弃立井井筒的井壁垂直，所述地面定向钻孔的终孔点距离废弃立井井筒的外壁2m~4m；

所述地面定向钻孔包括4个孔组，4个孔组沿废弃立井井筒的周向均匀分布，每个孔组包括4个地面定向钻孔，一个孔组内的4个在地面上的布置点的圆心均位于废弃立井井筒的一条半径的延长线上，在同一横截面上，4个孔组相对应的布置点位于同一以废弃立井井筒的中心的圆周上，所述地面定向钻孔的布置点的圆心与废弃立井井筒的中心之间的距离R₄为30m~40m；

一个孔组内的4个所述地面定向钻孔的终孔点均位于底部含水层内，一个孔组内的4个所述地面定向钻孔的终孔点由上至下依次排列，相对于底部含水层的高度，一个孔组内的4个所述地面定向钻孔的终孔点分别位于底部含水层的1/8、3/8、5/8和7/8处，一个孔组内的4个所述地面定向钻孔的终孔点的圆心和布置点的圆心位于同一垂直剖面上。

9.根据权利要求1所述的厚松散层废弃立井回填封堵及含隔水层重构方法，其特征在于，

在所述步骤5中，具体包括如下步骤：

步骤51，开挖环形井盖坑，沿废弃立井井筒的外缘向外开挖宽度为2m~3m、深度为d的环形井盖坑；

步骤52，铺设井盖篦子，在废弃立井井筒的井口用工字钢梁搭设井盖篦子，所述井盖篦子采用I22b工字钢梁横竖垂直搭设，工字钢梁的间距为0.5m；

步骤53，浇筑井盖混凝土，向环形井盖坑和废弃立井井筒内浇筑混凝土，混凝土型号为C30，混凝土厚度为(d+1)m~(d+2)m；

所述井盖篦子伸入在环形井盖坑内的混凝土内不小于0.3m；

所述井盖篦子的外缘位于所述环形井盖坑的外壁和内壁之间的中间位置；

在所述步骤5中，根据实际需求，将废弃立井井筒的井口1m~2m深度的井壁进行切割，使得所铺设的所述井盖篦子位于地面以下，控制浇筑在环形井盖坑内的混凝土的上表面与地表齐平。