南李莊鐵礦破碎段井壁堵水研究

盧 杰 馬艷思

(河北國控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司)

南李莊鐵礦破碎段井壁堵水研究

盧 杰 馬艷思

(河北國控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司)

南李莊鐵礦副井挖至-183 m水平時，上部富含水段-145 m水平發(fā)生大水淹井。由于透水處位于井底40 m以上位置，先向井筒內(nèi)填入骨料以保護(hù)井壁，再采用地表鉆孔注漿技術(shù)，距井筒東側(cè)10 m位置鉆主鉆孔，至-60 m水平鉆分支孔，至靶點后壓水注漿，直接作用于井壁外，形成一圈10 m厚的幕墻，攔截流向井筒的潛水,取得很好的效果。

破碎段井壁 堵水 骨料 主鉆孔 分支孔

2014年2月10日，南李莊鐵礦副井井筒-145～-147 m處開裂出水，涌水量達(dá)300 m3/h，并伴有井壁垮塌，垮塌面積為2 m×3 m，此后，涌水量突增至800 m3/h，由于排水能力有限，井筒迅速被淹，目前水位達(dá)98 m，基本趨于穩(wěn)定。該井筒現(xiàn)已掘至-183 m 水平，井筒主要水害是在-140～-153 m 段治理過程中的井壁開裂引發(fā)的。

為解決井筒被淹問題，采取快速高效的井上、井下綜合治理措施封堵-140～-153 m段井壁涌水，為排水創(chuàng)造條件，并盡量保護(hù)井下設(shè)備；在封堵出水點的過程中，鉆孔揭露-140 m以上裂隙帶、溶隙帶，探注結(jié)合，兼顧-140 m以上淋水處理。

1 治理方案

1.1 骨料阻水塞

在井筒內(nèi)灌注高于主要涌水點高度的砂石骨料，形成骨料阻水塞。目前，-145～-153 m段為主要涌水段，井筒穩(wěn)定水位在98 m，大量設(shè)備被淹?？紤]保護(hù)井下設(shè)備和水害治理任務(wù)，將井筒內(nèi)砂石骨料段灌注至約-135 m。骨料阻水塞-153～-183 m 段為中細(xì)砂，-140～-153 m為公分石子，-135～-140 m為中細(xì)砂。

1.2 水泥止?jié){塞

靜水壓差越往高處越小，骨料阻水塞頂部強度不夠，在其頂部灌注6 m厚的水泥漿，形成水泥止?jié){塞，完成對骨料段注漿蓋帽，在井筒內(nèi)完成垂向上截流封堵[1]。

1.3 地面定向分支鉆孔群

本工程采用地面多向分支鉆孔群技術(shù)，呈扇狀布置分支定向鉆孔，依序次施工[2]。

在地面布置向出水點范圍內(nèi)輻射的定向分支鉆孔群，即一個主孔，2個定向分支孔。通過孔口下行式靜壓注漿，對出水點進(jìn)行封堵改造。

以出水點封堵主鉆孔為主脈，向井筒東側(cè)圍巖一定范圍內(nèi)布置相應(yīng)定向分支鉆孔，進(jìn)行探查并注漿加固。地面鉆孔和向井筒內(nèi)灌骨料、水泥同時施工，縮短工期。

在地面定向鉆進(jìn)揭露-140 m以上段時，遇到大量消耗或漏失的情況，進(jìn)行注漿封堵。井筒內(nèi)阻流塞及地面鉆孔軌跡剖面示意見圖1。

圖1 井筒內(nèi)阻流塞及地面鉆孔軌跡剖面示意

2 鉆探工程設(shè)計

2.1 鉆孔布置

本工程主要分兩部分，即-140～-153 m段出水封堵和該段井筒東側(cè)帷幕注漿。總體來說，在地面布置一個主孔，二開套管下至垂深327 m，距井壁水平位移約8 m的位置。所有鉆孔進(jìn)入井壁外側(cè)8 m 為裸孔段，根據(jù)工作內(nèi)容及探查治理情況布置相應(yīng)的定向分支孔，見圖2。

首先封堵井筒北東側(cè)溶洞主要出水點，布置一個主孔D1和2個分支鉆孔D1-1、D1-2，靶點標(biāo)高均為-153 m，封堵結(jié)束后，向下延伸至-160 m；出水點封堵完成后，在井筒東側(cè)距井壁6～8 m南北兩側(cè)布置剖面上呈扇狀分布的帷幕鉆孔，鉆孔靶點標(biāo)高為-160 m，對井筒東側(cè)富水巖體進(jìn)行預(yù)注漿。

圖2 地面鉆孔軌跡平面示意

2.1.1 -140～-153 m段井壁涌水封堵鉆孔

從地面距離井壁一定位置布置一個扇狀鉆孔群，由一個主孔D1和2個分支孔D1-1、D1-2組成。

主孔設(shè)計靶點為預(yù)定主要涌水點井壁外側(cè)2～3 m(為防止井壁破損以及施工安全)。在鉆進(jìn)過程中，對-140～-153 m段實施分段探注結(jié)合的施工工藝，使?jié){液盡量把溶蝕裂隙、溶洞等儲水導(dǎo)水空間充填壓密。鉆孔最終向下延伸至-160 m，并進(jìn)行注漿加固。

分支鉆孔的靶點位于主孔靶點兩側(cè)，距離主孔約1.5 m(因井壁坍塌大小為2 m×3 m)。探注結(jié)束后，各鉆孔均向下延伸至-160 m進(jìn)行注漿加固。D1-1鉆孔從主孔落底靶點以上30 m處開始定向?qū)边M(jìn)行分支。D1-2鉆孔從主孔落底靶點以上50 m處定向?qū)保M(jìn)行分支。見圖3。

圖3 出水點封堵鉆孔軌跡剖面示意

2.1.2 -140～-153 m段井筒東側(cè)圍巖帷幕鉆孔

-140～-153 m段井筒東側(cè)通過相應(yīng)分支鉆孔探注結(jié)合，對-140～-153 m段井筒北側(cè)及東側(cè)圍巖富水巖體注漿改造。

以封堵-140～-153 m段井壁涌水地面鉆孔為主脈，鉆南北2組分支鉆孔。分支鉆孔在主孔二開套管底口定向?qū)?，鉆孔軌跡距井壁6～8 m。

2.1.2.1 北側(cè)帷幕鉆孔

北側(cè)帷幕注漿鉆孔布置W1、W1-1孔。W1孔位置較遠(yuǎn)，先探注。探注結(jié)束之后，W1-1孔從W1孔落底靶點以上50 m處定向?qū)保M(jìn)行分支。對井筒北東側(cè)進(jìn)行富水巖體帷幕注漿。

2.1.2.2 南側(cè)帷幕鉆孔

南側(cè)帷幕注漿鉆孔布置W2、W2-1和W2-2孔。W2孔位置最遠(yuǎn)，先探注。探注結(jié)束后，W2-1孔和W2-2孔依次從W2孔落底靶點以上50和80 m處定向?qū)?，進(jìn)行分支，對井筒南東側(cè)富水圍巖帷幕注漿。見圖4。

圖4 南側(cè)帷幕注漿鉆孔軌跡剖面示意

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

一開直孔段，孔深0～30 m，孔徑為311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，至基巖層段，水泥固井，隔離第四系表土地層。

二開定向?qū)倍危咨?～327 m，孔徑為216 mm，至主要出水點以上約80m，下入φ177.8 mm×8.05 mm套管，水泥固井。

三開裸孔段，孔深0～420m，孔徑為152mm，封堵鉆孔進(jìn)入出水點位置。注漿后延深至-160m終孔。

本工程定向分支斜孔從二開套管底口分段定向?qū)?進(jìn)入預(yù)定靶位附近[3]。出水點封堵主孔鉆孔及分支鉆孔結(jié)構(gòu)示意見圖5。

圖5 出水點封堵主孔鉆孔及分支鉆孔結(jié)構(gòu)示意

3 注漿工程設(shè)計

3.1 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿總壓是由孔內(nèi)漿柱自重壓力和注漿泵所產(chǎn)生的壓力組成[4]。根據(jù)本次注漿工程實際，孔口壓力為4 MPa，持續(xù)15～30 min，即當(dāng)孔口壓力達(dá)到以上值時，認(rèn)為該受注層段注漿已達(dá)到壓力結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，應(yīng)逐次換檔降低泵量，直至泵量達(dá)到40～60 L/min，并維持30 min[4]。之后進(jìn)行壓水試驗，試驗壓力為結(jié)束壓力的80%，全孔單位吸水率不大于0.01 L/min 時，即達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 注漿材料及參數(shù)

工作面出水封堵注漿材料主要為PO42.5普通硅酸鹽水泥。注漿工程采用分段下行式、孔口封閉靜壓注漿法，注漿目標(biāo)層位是-145～-153 m段出水點，鉆探中有漏失或涌水的其他地層，也進(jìn)行注漿。

-140 m以上段，漿液濃度較高，一般為(0.6～1)∶1，壓力控制在2～3 MPa；-140～-153 m段，漿液濃度變化較大，一般濃度高，升壓和加固階段濃度降低，壓力控制在3～5 MPa。

4 結(jié) 論

采用主孔+定向分支孔的施工技術(shù)，鉆孔速度快，孔內(nèi)注漿量大。后期發(fā)現(xiàn)漿液已擴散至井筒，漿液擴散半徑更大。針對井壁破碎段的分支鉆孔注漿作業(yè)，封堵了水流通道，且對破碎段井壁起到了加固保護(hù)的作用。該方法具有較好的借鑒作用。

[1] 李海燕.立井工作面預(yù)注漿止?jié){墊的設(shè)計與施工技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008(3):48-70.

[2] 金有忠，田文浩.若爾蓋鈾礦區(qū)復(fù)雜易斜地層定向分支鉆孔施工技術(shù)[J].探礦工程，2009(8):22-24.

[3] 陳風(fēng)云，王 虎，谷天本.小秦嶺地區(qū)深部鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].探礦工程，2011(7):11-13.

[4] 盧 杰，唐良勇.南李莊鐵礦富含水段施工技術(shù)研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2014(1)：109-112.

2014-08-27)

盧 杰(1985—)，男，工程師，碩士，050035 河北省石家莊市。