地面預注漿技術(shù)在朱集主井井筒基巖破碎帶的應用

摘要：淮南礦業(yè)集團朱集礦主井在掘進過程中遇到基巖破碎帶，該破碎帶在距地表400～442m的位置。由于破碎帶厚度大且含水豐富，采用地面預注漿加固破碎帶巖體，使用分支孔對注漿孔進行施工；根據(jù)注漿深度、段高的劃分、注漿壓力等確定注漿量。在地面預注漿施工技術(shù)應用后，朱集礦主井破碎帶堵水率達到99.2%，起到了很好的加固堵水效果。

關(guān)鍵詞：基巖破碎帶；地面預注漿；注漿壓力；堵水率

中圖分類號：TD265.47文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0034-04

基金項目：安徽省高校省級自然科學重點資助項目（KJ2011A099）

作者簡介：韓曉靜（1987-），女，河南洛陽人，在讀碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

隨著礦井開采規(guī)模的加強和開采深度不斷加深，在巷道掘進中經(jīng)常遇到破碎帶的巖體，當巖體發(fā)生破碎時，巖心破碎致使巖層失去堅固性異常松軟，巷道變形較大，支護困難。而且地下含水層多，在遇到破碎巖體時，井內(nèi)會大量涌水，嚴重影響煤礦安全建設和生產(chǎn)。采用地面預注漿技術(shù)一方面可以對破碎帶的基巖進行加固，同時又能提高了井筒注漿堵水的效果。

1地面預注漿技術(shù)

地面預注漿技術(shù)是指當井筒通過較大的裂隙含水層或流砂層時，在井筒開鑿以前，用鉆機沿井筒的周圍鉆孔，然后將配好的漿液靠設在地面的注漿泵經(jīng)過各注漿孔注到地層內(nèi)的裂隙或孔隙中充填固結(jié)，在未開挖的井筒周圍形成不透水的注漿隔水帷幕，最后再進行井筒開鑿。

地面預注漿技術(shù)優(yōu)點有：①全部工作均在地面上進行，工作條件好、效率高、鉆進速度快；②可以根據(jù)裂隙方向布置鉆孔，鉆孔偏斜影響小，且鉆孔、注漿工程量較小；③鉆孔和注漿工作可在井筒掘進前進行，不影響工程進度，可連續(xù)施工；④使用生產(chǎn)效率高的大型鉆機使注漿孔孔徑加大，鉆孔可以交叉更多的含水層裂縫，提高充填效果；⑤不需修筑止水墊或預留保護巖柱，避免了注漿時止水墊跑漿等復雜情況的發(fā)生；⑥注漿效果可以從后期注漿孔和檢查孔的涌水量直接觀察到。地面預注漿堵水主要適用于井筒穿過厚度較大的裂隙含水層，或含水層厚度不大但層數(shù)多并與不透水層互層，或多層裂隙含水層，或大的斷層構(gòu)造帶加固，一般要求預計涌水量超過100m3/h時采用地面預注漿。

2工程水文地質(zhì)概況

淮南礦業(yè)集團朱集礦位于安徽省淮南市潘集區(qū)境內(nèi)，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造位置屬華北板塊南緣，東起郯廬斷裂帶，西至阜陽斷層，北接蚌埠隆起，南以老人倉—壽縣斷層與合肥坳陷相鄰。煤田構(gòu)造形式為近東西向的對沖構(gòu)造盆地，南北兩側(cè)均為推覆構(gòu)造組成的疊瓦扇，盆地內(nèi)部則為較簡單的復向斜構(gòu)造。南北邊緣發(fā)育走向逆沖斷層，內(nèi)部發(fā)育北—北東向正斷層。

多為花斑狀泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，上部風化較強烈，巖芯較破碎，下部巖芯較完整。裂隙發(fā)育，巖體破碎，富含水和瓦斯。瓦斯地質(zhì)、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件較為復雜。

3地面預注漿方案

3.1注漿深度及段高的劃分

主井斷層破碎帶的加固范圍400～442m。為使?jié){液滲透均勻，注漿段長不宜太長。巖體注漿一般采用5m左右的段長，在孔口附近可采用2～4m的段長。注漿段高原則上采用小段高，這樣可以縮短鉆孔的暴露時間，避免塌孔等事故；另外，采用小段高便于把注漿壓力集中于泥質(zhì)斷層破碎帶的軟弱層面上，漿液呈擠壓、脈狀擴散，以達到改良泥質(zhì)軟層物理力學性能的目的。

采用小段高，定量注入單液水泥漿進行加固。當井底為含水層時，為防止井底涌水，注漿深度應大于10m以上。當注漿深度較大時，由于各土層的裂隙發(fā)育不同及靜水壓力隨深度增加而增大，所以，在一定壓力下漿液擴散距離不相同。上部擴散遠，下部擴散較近；大裂隙擴散遠，而小裂隙擴散近，應采用分段注漿。而主井斷層破碎帶現(xiàn)場實際情況采用先注粘土漿，再注入水泥漿。水泥漿注漿加固段高原則上10～20m一個段高，以不塌孔和埋鉆為原則。

3.2固管注漿段造孔

在注漿施工中，依據(jù)注漿的目的不同及注漿地層的不同，采用不同的鉆孔方法及鉆孔要求。

主井地面預注漿鉆孔分兩級結(jié)構(gòu)。

開孔直徑191mm，鉆進至套管深度382m，下入直徑168mm套管；套管以下用直徑130mm鉆頭鉆進。

井筒直孔固管段終孔偏斜率不大于0.2%，注漿段終孔偏斜率不大于0.5%。

為防止鉆孔偏斜，在鉆進過程中，嚴格遵守技術(shù)操作規(guī)程，注意鉆具的同心度與垂直度，根據(jù)巖層軟硬的變化調(diào)整鉆壓、鉆速，保證鉆具呈垂直狀態(tài)。

固管段表土層段采用牙輪鉆頭鉆進，直孔鉆至382m。護壁管中用單液水泥漿固管；養(yǎng)護后換 130mm牙輪鉆頭，無芯鉆進至終孔。朱集礦主井地面預注漿，共完成固管安裝2292m，完成注漿段造孔4018m。

3.3分支孔施工

因斷層破碎帶加固的需要，在382～442m增加了6個分支孔。1#孔在完成全孔注漿任務后從382m開始到442m，先向2#孔施工一個分支孔，注漿結(jié)束后再向6#孔施工一個分叉孔，注漿結(jié)束后完成注漿任務；2#孔在全孔注漿結(jié)束后從382m開始到442m，向3#孔方向施工一個分支孔，分支孔注漿結(jié)束后完成注漿任務；4#孔382m至1028m注漿結(jié)束后，在382m開始定向至442m結(jié)束，向3#孔方向施工一個分支孔，分支孔注漿結(jié)束后完成注漿任務；5#孔在382～1028m注漿結(jié)束后，從382m開始先向4#孔方向施工一個分支孔，注漿結(jié)束后再向6#孔方向施工一個分支孔，分支孔注漿結(jié)束后完成注漿任務。各分支孔終孔落點均在相鄰兩孔442m中間部位附近，滿足偏斜要求。

3.4注漿壓力

注漿壓力是漿液在地層中擴散的動力，它直接影響注漿加固效果，但是注漿壓力受注漿地層條件、注漿方法和注漿材料等因素的影響和制約。注漿壓力高有利于漿液更好地注入地層，增加漿液的擴散范圍，能使?jié){液中水分更快、更多地析出，而使結(jié)石密實、飽滿。如果注漿壓力過高可使?jié){液過度脈狀擴散和浪費，會使建筑物地基固結(jié)不均勻，使得受力不均，產(chǎn)生不均沉降。

選擇注漿壓力要綜合考慮土層的埋深、孔隙度及靜水壓力等因素。目前注漿界還沒有統(tǒng)一的計算標準，但主要遵循隨注漿深度增加而增大的原則。一般來說，注化學漿比注水泥漿時的注漿壓力要小得多；淺部注漿比深部地層注漿壓力要?。粷B透系數(shù)大比滲透系數(shù)小的地層注漿壓力要小。

由于是對斷層破碎帶進行堵水加固，地質(zhì)條件非常復雜，所以式（1）可確定終壓為靜水壓力值的2.5～3.0倍，且根據(jù)注漿施工中的實際情況進行調(diào)節(jié)。

3.5注漿材料與配比

注漿材料也稱漿液，它是注漿成敗的基礎。注漿材料之所以能起到堵水和加固的作用，主要是由于注漿材料在注漿過程中發(fā)生由液相到固相再轉(zhuǎn)變成結(jié)石體的結(jié)果。

斷層破碎帶堵水注漿以粘土水泥漿為主，加固以單液水泥漿為主，并注入部分塑性早強水泥漿（主要成分水泥、粉煤灰、早強劑、塑性劑）。

塑性單液水泥漿比常規(guī)的單液水泥漿吸水率低，懸浮性好，早期強度高，可以適當提高注漿段高，減少重復注漿次數(shù)，提高施工效率。具體單液水泥漿配比如表1所示。

3.6注漿量

漿液注入量根據(jù)漿液有效徑向擴散距離和注漿段平均裂隙率，可用下式進行計算：

利用式（2）計算得：斷層破碎帶加固應以水泥漿為主，少量多次方式注入，防止?jié){液擴散過遠，每次注入量以30～40m3為宜，達不到加固效果時，應采用多次復注的方式，單液水泥漿液注入量為1873m3，其中注入塑性單液水泥漿500m3。

4注漿堵水效果

4.1注漿結(jié)束標準

主井破碎帶加固注漿，單液水泥漿加固注入量實行定量控制，達到設計的注漿終壓（靜水壓力的2.5～3倍），終量不大于60L/min，并繼續(xù)以同樣的壓力注入較稀的漿液20min以上。

4.2注漿效果

井筒剩余涌水量和注漿堵水率是檢驗評價注漿質(zhì)量的重要標準，通過注漿質(zhì)量檢查孔的壓水試驗來預計井筒剩余涌水量和注漿堵水率，進而定量評價井筒注漿效果。主井注漿工程對3#孔382～705m段進行了壓水試驗，試驗成果如表2所示。

根據(jù)表2中計算結(jié)果，結(jié)合主井其它段注漿結(jié)果計算，主井井筒涌水量為2.26m3/h。

礦井井筒涌水量的預計一般采用穩(wěn)定流完整井承轉(zhuǎn)無壓井的裘布依公式計算出的涌水量作為參考水量。主井井筒地面預注漿工程設計鉆孔6個，漿液注入量22118m3，鉆孔工程量6310m。實際完成鉆孔6個，漿液注入量224606m3，注入11.2%；鉆控工程量6331.1m，共增加漿液注入量2488m3，全井筒平均注入量達到38.1m3/m時，該井注漿后注漿段井筒剩余涌水量預計為2.26m3/h，達到小于4m3/h的質(zhì)量標準，與注前井筒檢查孔提供的基巖段井筒涌水量297.57m3/h相比，堵水率達99.2%。壓水試驗后，進行了局部復注和全孔封孔，進一步提高了井筒注漿堵水的效果。

5結(jié)論

通過在工程的成功應用，證明了采用地面預注漿技術(shù)對破碎帶基巖進行處理，技術(shù)上是可行的。不僅很好的對基巖破碎帶進行加固，基本消除了掘進工作面突水、大涌水量等隱患，同時又能提高井筒的堵水效果。為相似條件下基巖破碎帶的加固處理開辟了新途徑，并且取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，具有較高的推廣應用價值。

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（責任編輯：何學華，吳曉紅）