孔隙砂巖承壓含水層注漿堵水技術(shù)

韓敬濤

摘 要：為了破解孔隙含水巖層透水不進(jìn)水泥漿的難題，通過(guò)使用脲醛樹(shù)脂類(lèi)漿液并反復(fù)試驗(yàn)影響漿液凝膠時(shí)間的相關(guān)因素，掌握了脲醛樹(shù)脂類(lèi)漿液注漿堵水的操作方法，總結(jié)出了凝膠時(shí)間與pH值、溫度的關(guān)系和變化規(guī)律。使巷道順利穿過(guò)了孔隙含水層，加快了建設(shè)速度，節(jié)約了排水費(fèi)用。

關(guān)鍵詞：孔隙水；砂巖水，承壓水，注漿；堵水

長(zhǎng)城井田被落差300m的F5號(hào)逆斷層分割為東西兩區(qū)，新汶礦業(yè)集團(tuán)在這個(gè)井田開(kāi)發(fā)長(zhǎng)城煤礦300萬(wàn)噸/年改擴(kuò)建項(xiàng)目，在+920m水平施工一條長(zhǎng)2200m的膠帶運(yùn)輸石門(mén)，功能是連接?xùn)|西區(qū)，將東區(qū)的煤炭運(yùn)輸?shù)轿鲄^(qū)。

巷道揭穿二疊系石盒子組孔隙砂巖承壓含水層時(shí)，從掘進(jìn)工作面鑿取巖石樣本，切割成巖片，在顯微鏡下測(cè)量得到顆粒間的孔隙為0.2mm。水泥漿液能注入的最小孔隙為1.1mm。所以，水泥漿液不能充填砂巖孔隙，而水分子能夠在砂巖孔隙內(nèi)自由流動(dòng)。這正是孔隙砂巖含水層透水不進(jìn)水泥漿的原因，也是孔隙水治理難度高的原因。

現(xiàn)將長(zhǎng)城煤礦+920m水平膠帶運(yùn)輸石門(mén)孔隙砂巖承壓含水層注漿堵水技術(shù)介紹如下：

1 工程概況

1.1 水文地質(zhì)條件

石門(mén)揭穿的地層主要為：

石炭系太原組（C2t）：厚度69.09～136.82m，平均86.14m，與下伏地層整合接觸。為一套沉積穩(wěn)定的碎屑巖夾薄層石灰?guī)r，屬海陸交互相沉積。巖性為灰～灰白色中粗粒砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、灰?guī)r及煤層，是本區(qū)主要含煤地層之一，頂部以石灰?guī)r（一灰）或海相泥巖與山西組分界。在8煤層上、下發(fā)育有良好的砂巖層。粉砂巖主要位于中上部，厚層狀，具水平紋理及緩波狀層理，屬湖泊～沼澤相。泥巖多位于煤層的頂?shù)装逄?，較細(xì)膩，含粘土質(zhì)，具水平紋理，屬湖泊相沉積。共含煤6層，編號(hào)為7、8、9、10、11、12煤層，主要可采為9煤層。本組主要標(biāo)志層為7煤層頂板的一灰和9煤層頂板的四灰。

二疊系山西組（ P1s）：該組屬陸相碎屑巖系，沉積較穩(wěn)定，厚度44.55～72.52m，平均56.44m。巖性組合由灰白～深灰色細(xì)、中、粗砂巖，灰～灰黑色粉砂巖、泥巖及煤組成，其中以粗碎屑所占比例較大。共含煤3～7層?？刹烧?層（1、3、5煤層），是本區(qū)主要含煤地層之一。本組地層中的砂巖以3煤層之上的層位較發(fā)育，一般厚度較大，粒度較粗，但在橫向上穩(wěn)定性較差，有變薄尖滅現(xiàn)象；上部和下部之砂巖粒度較細(xì)， 局部為中粗粒，在橫向上常變?yōu)榉凵皫r或泥巖。泥巖、粉砂巖多為湖泊、沼澤相沉積，一般常為煤層頂?shù)装濉?/p>

二疊系石盒子組（P1-2s）：厚度303.78～509.16m，平均389.46m，與下伏地層整合接觸。該組可劃分上、下兩個(gè)巖段。上段：厚179.30～231.52m，上部以紫、暗紫色粉砂巖、細(xì)砂巖為主夾薄層泥巖、中粗粒砂巖，含少量礫石；中、下部以紫、灰綠色泥巖為主，夾薄層中細(xì)粒砂巖，花斑狀泥巖包體；底部厚層狀粗～巨粒砂巖，成分以石英為主，長(zhǎng)石次之。下段：厚 124.48～277.64m，呈紫、灰紫色，夾少量灰綠色條帶，以粉砂巖為主，次有泥巖、砂質(zhì)泥巖；中部灰白色細(xì)砂巖與灰綠色粉砂巖互層，夾有1～2層薄煤。。本組底部為厚層狀灰白色細(xì)～粗粒砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，層理面富集白云母片。

巷道揭穿二疊系石盒子組地層時(shí)，單層粗～巨粒砂巖涌水量180m3/h。探水鉆孔孔口儀表測(cè)得水壓為1.8MPa。水溫16℃。

1.2 巷道特征

+920m水平膠帶運(yùn)輸石門(mén)，以方位104°向東施工，坡度5‰。半圓拱形斷面，凈寬4.6m，凈高3.8m，凈斷面15.21m2。采用錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)，支護(hù)厚度120mm。使用直徑22mm、長(zhǎng)2200mm的螺紋鋼錨桿；錨桿間排距800mm；使用Z2835型樹(shù)脂錨固劑加長(zhǎng)錨；使用6號(hào)鋼筋菱形網(wǎng)，網(wǎng)孔100mm×100mm；使用直徑17.8mm、長(zhǎng)6300mm的鋼絞線錨索，錨索間距3000mm；噴射混凝土強(qiáng)度C20。

+920m水平膠帶運(yùn)輸石門(mén)橫斷面如圖1所示。

2 注漿工藝及參數(shù)

2.1 止?jié){墻

止?jié){墻使用C25混凝土人工砌筑。水壓1.8MPa，注漿終壓取水壓的1.5倍，即2.7MPa；巷道荒斷面面積17.19m2；止?jié){墻混凝土標(biāo)號(hào)C25，抗壓強(qiáng)度25MPa，止?jié){墻混凝土抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值為0.095～0.121[1]，取最小值0.095，則止?jié){墻混凝土抗壓強(qiáng)度為2.375MPa；巷道荒周長(zhǎng)15.74m。止?jié){墻厚度應(yīng)為2.7×17.19÷2.375÷15.74=1.242 m。

在巷道周邊掏槽，深度0.5m。立模板并支撐牢固，砌筑混凝土止?jié){墻。

2.2 注漿孔布置

注漿方式采用分段前進(jìn)式。注漿孔數(shù)量為10個(gè)。鉆孔間距800mm，均勻排列，向巷道前方放射狀布置。單孔長(zhǎng)度100m，允許掘進(jìn)距離70m，超前鉆距及預(yù)留止?jié){巖柱30m。

2.3 鉆探設(shè)備和注漿設(shè)備

使用ZLJ-1100型煤礦用坑道鉆機(jī)，2TGZ-60/210型雙液注漿泵，Φ75mm鉆桿，Φ91mm終孔鉆頭，Φ127mm開(kāi)孔鉆頭及導(dǎo)向管。

2.4 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔結(jié)構(gòu)：開(kāi)孔直徑127mm，孔口用水泥砂漿埋設(shè)直徑108mm的無(wú)縫鋼管20m并用錨桿固定，終孔直徑91mm?？卓谟梅ㄌm盤(pán)安裝4MPa高壓球閥。支管處安裝壓力表。使用固定卡和止退銷(xiāo)預(yù)防高壓水頂出鉆桿。使用鐵板預(yù)防高壓水噴射傷人，鐵板通過(guò)鏈環(huán)和錨桿固定。

2.5 注漿材料 （下轉(zhuǎn)第292頁(yè)）

（上接第25頁(yè)）

根據(jù)巖石切片顯微鏡下測(cè)量的孔隙大小，選擇脲醛樹(shù)脂類(lèi)漿液，可以注入的最小孔隙為0.06mm。脲醛樹(shù)脂類(lèi)漿液在注入鉆孔前分甲液和乙液。甲液是由脲素和甲醛按照1：2的比例制成的脲醛樹(shù)脂。乙液是硫酸水溶液。注漿時(shí)，將甲乙兩種液體混合注入鉆孔，硫酸水溶液作固化劑，混合液體在地層內(nèi)凝膠固化，改變巷道圍巖的透水性。脲醛樹(shù)脂類(lèi)漿液粘度0.005Pa·s，滲透系數(shù)0.005cm/s，凝膠時(shí)間可以在十幾秒至幾十分鐘之間調(diào)節(jié)，抗壓強(qiáng)度2～8MPa。endprint

2.6 影響漿液凝膠時(shí)間的因素

為了達(dá)到預(yù)期的堵水效果，破解砂巖孔隙水治理難題，對(duì)可能影響漿液凝膠時(shí)間的因素都做了反復(fù)探索。先后試驗(yàn)過(guò)的因素有：

甲液和乙液的比例：2：1，3：1，4：1，5：1

甲液中脲素和甲醛的比例：1：1.8，1：2，1：2.2

甲液的溫度（℃）：15，25，35，45

乙液中硫酸的濃度（%）：2，3，4，5

通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)提高乙液比例、提高乙液中的硫酸濃度、降低甲液溫度可以加快脲醛樹(shù)脂類(lèi)漿液的凝膠速度；降低乙液比例、降低乙液中的硫酸濃度、提高甲液溫度可以延緩脲醛樹(shù)脂類(lèi)漿液的凝膠速度。由此得出了pH值和溫度影響脲醛樹(shù)脂類(lèi)漿液凝膠時(shí)間的結(jié)論。

2.7 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿終壓2.7MPa；最終吸漿量20L/min；維持終壓、終量10min。

鉆孔結(jié)束一段注漿后，鉆進(jìn)掃孔，向孔內(nèi)壓水，耗水量小于20L/min時(shí)完成本段注漿，耗水量大于20L/min時(shí)復(fù)注，循環(huán)反復(fù)直到達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2.8 壁后注漿

使用7665型氣腿式鑿巖機(jī)鉆注漿孔，單孔深度2000mm，使用直徑42mm、長(zhǎng)500mm的注漿管，使用2TGZ-60/210型雙液注漿泵注入常規(guī)水泥-水玻璃漿液，封堵壁后空隙涌水，加固圍巖。

3 注漿效果

通過(guò)在掘進(jìn)工作面預(yù)注漿，在工作面前方封堵孔隙，隔絕水源，使巷道涌水量由180m3/h降為掘后剩余涌水量12m3/h；通過(guò)壁后注漿，使巷道涌水量由12m3/h降為3m3/h。在巷道前方形成封閉的隔水帷幕，改善了巷道的施工條件，保障了巷道的順利掘進(jìn)，減輕了全礦井的排水壓力。封堵了7個(gè)含水巖層地段后，每年可節(jié)約排水費(fèi)用685萬(wàn)元。

4 結(jié)論

使用脲醛樹(shù)脂類(lèi)漿液可以有效地封堵砂巖孔隙涌水，但是應(yīng)用條件比水泥類(lèi)漿液、水玻璃類(lèi)漿液復(fù)雜。其凝膠時(shí)間受硫酸水溶液固化劑用量（pH值）和溫度的影響。pH值越小，溫度越低，則凝膠時(shí)間越短。pH值越大，溫度越高，則凝膠時(shí)間越長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]施士昇.混凝土的抗剪強(qiáng)度、剪切模量和彈性模量[J].土木工程學(xué)報(bào)，1994，32（02）：51.endprint