井筒地面預注漿在漢水泉三號煤礦風井中的應用

邵晨霞 安許良

(1. 煤礦深井建設技術(shù)國家工程實驗室，北京市朝陽區(qū)，100013； 2. 北京中煤礦山工程有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

漢水泉三號煤礦位于新疆哈密地區(qū)巴里坤縣境內(nèi)，礦區(qū)內(nèi)布置主井、副井、風井3個立井井筒，井筒自上而下穿過的地層分別為第四系、新近系、中生代侏羅系。根據(jù)井檢孔地質(zhì)資料，風井的侏羅系地層預計涌水量為 25.62 m3/h。根據(jù)我國西部部分礦井建設的經(jīng)驗及教訓，我國西部煤礦部分礦井的水文地質(zhì)資料預測涌水量偏小，特別是中生代地層預測涌水量很小，在采用普通鑿井法施工時，地下水的危害卻很嚴重，諸如涌水、涌砂、巖壁垮塌、井筒變形等事故頻發(fā)，甚至造成井筒建設無法繼續(xù)；當事故發(fā)生后，再采取導水強排、工作面注漿等補救措施，施工難度非常大。為了保證漢水泉三號煤礦風井的順利掘進，同時為了縮短工期、節(jié)省成本，對風井第四系、新近系及上部侏羅系地層進行凍結(jié)法處理，下部侏羅系地層采用地面預注漿法處理。

1 地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

漢水泉三號井田揭露的地層從上到下依次是第四系、新近系、中生界侏羅系，風井侏羅系地層起始深度為196.75 m，從地質(zhì)年代看，屬于中生代侏羅紀中侏羅世(J2)早期地層，分為侏羅系西山窯組致密巖組和三工河組致密巖組。

侏羅系西山窯組致密巖組主要為湖沼相沉積，巖性上粗下細，為本區(qū)的含煤地層，地層厚度300～550 m；巖石以煤、粉砂巖、中砂巖為主，夾厚層砂礫巖。巖石成分以石英、長石為主，含植物化石和少量暗色礦物，局部可見黃鐵礦。巖石抗壓強度多為0.33～19.6 MPa，為不穩(wěn)固巖段。侏羅系三工河組致密巖組主要巖性以灰色粉砂巖、泥巖、砂巖與砂礫巖不等厚互層，局部夾炭質(zhì)泥巖。

1.2 水文地質(zhì)條件

漢水泉井田內(nèi)侏羅系共劃分為西山窯組基巖孔隙/裂隙含水層組(H3)和三工河組基巖孔隙/裂隙含水層組(H4)兩個含水層。根據(jù)井檢孔資料，風井含水層以粗砂巖、中砂巖及煤層為主，局部裂隙發(fā)育，具有儲水空間，雖然富水性弱，但含水層主要接受上部含水層組的垂直滲入補給，井筒開挖之后，一旦與上部含水層溝通，其導水性及富水性將隨之發(fā)生變化。風井預計涌水量如表1所示。

表1 風井涌水量預算

2 設計概況

2.1 總體設計

根據(jù)風井地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及西部煤礦井筒施工經(jīng)驗，同時結(jié)合中東部地區(qū)井筒建設情況，決定采用風井上部凍結(jié)下部注漿的鑿井方案，根據(jù)規(guī)范文件要求及中東部地區(qū)石炭二疊系地層施工經(jīng)驗，注漿起始深度與凍結(jié)段重合20 m，注漿終止深度超過井筒設計深度至少10 m。由此設計風井注漿起止深度為386～652 m，注漿段總高為266 m。根據(jù)現(xiàn)場情況，地面預注漿均采用全直孔施工方案，注漿孔均布置在井筒荒徑(井筒凈徑7.5 m)以外，風井注漿布孔圈徑為12.5 m，共設計注漿孔6個，相鄰孔間距為6.25 m；對于井筒上部、下部與井底車場連接處，采用增加單液水泥漿的方法進行加固；在井筒上部、下部與井底車場連接處注漿加固段高的選取上，均以連接處巷道頂板以上20 m、底板以下20 m，并結(jié)合巷道高度確定。鉆孔布置圖如圖1所示，注漿段高如圖2所示。

2.2 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，以及《立井井筒地面預注漿黏土水泥漿技術(shù)規(guī)范》對漿液注入量進行計算，關(guān)于馬頭門加固，上部和下部馬頭門均取加固高度47 m，在井筒設計黏土水泥漿的基礎(chǔ)上，井筒增加8 m3/m單液水泥漿。由此計算風井總的注漿量如表2所示。

圖1 風井井注漿鉆孔平面布置圖

井筒注漿段單液水泥漿/m3黏土水泥漿/m3合計/m3巖帽段641641正常段75290729824固管6060總計1453907210525

2.3 注漿段高及注漿壓力

注漿段高的劃分取決于含水層的位置、厚度、止?jié){層位、漿液性能以及注漿泵性能等諸多因素。根據(jù)不同的地質(zhì)條件，段高劃分遵循針對性、特殊性及一致性的原則。根據(jù)檢查孔地質(zhì)剖面圖及相應地質(zhì)報告，劃分不同的注漿段高。注漿壓力是影響漿液擴散范圍的因素之一，注漿壓力過小時，漿液擴散范圍縮小，無法達到帷幕厚度要求；注漿壓力過大時，漿液擴散范圍擴大，造成漿液浪費。根據(jù)規(guī)范文件要求，巖帽段注漿終壓為靜水壓力的1.5～2.0倍；正常注漿終壓為靜水壓力的2.0～2.5倍。風井段高劃分及注漿終壓值見表3。

圖2 風井注漿段高示意圖

注漿段起止深度/m段長/m設計終壓/MPa巖帽段386～4011561～821401～4555493～1162455～51055104～1303510～56050114～1434560～60444123～1545604～65248131～164

3 現(xiàn)場施工

漢水泉三號煤礦風井井筒地面預注漿工程于2014年6月16日開始施工，同年10月21日施工結(jié)束。設計6個鉆孔，分兩序施工，Z1、Z3、Z5為一序孔，Z2、Z4、Z6為二序孔，共進行116次注漿，注入單液水泥漿1506 m3，黏土水泥漿10468 m3，合計11974 m3，根據(jù)注漿結(jié)束的壓水試驗，預計風井井筒注漿段注后剩余涌水量為1.7 m3/h，滿足規(guī)范文件及施工組織設計井筒剩余涌水量小于10 m3/h的要求，注漿質(zhì)量優(yōu)良，風井各孔漿液注入量如表4所示。

表4 風井各孔漿液注入量統(tǒng)計表

4 注漿參數(shù)及注漿質(zhì)量分析

4.1 注漿量

漿液注入量是井筒地面預注漿形成隔水帷幕的物質(zhì)保證，是決定注漿堵水質(zhì)量的基礎(chǔ)，風井井筒注漿段注入量11974 m3，各段注入量達到設計要求，如表5所示，風井單位井筒注入量最大值為87.53 m3/m，最小值為34.71 m3/m，平均值為41.31 m3/m，與中東部地區(qū)井筒40～60 m3/m的經(jīng)驗值相比，屬于正常范圍。

表5 風井各段單位注漿量統(tǒng)計表

4.2 注漿壓力

漢水泉三號煤礦風井注漿段各孔各段高注漿技術(shù)壓力如表6所示。從表6中數(shù)據(jù)看，漢水泉三號煤礦風井各孔、各注漿段注漿終壓與中東部石炭二疊系地層相比，壓力相對較低，但均在設計終壓范圍內(nèi)，滿足設計要求。

表6 風井各孔各段注漿終壓匯總表

4.3 注漿范圍

漢水泉三號煤礦風井注漿鉆孔施工過程中，各鉆孔偏斜都得到了很好的控制，滿足了設計要求。根據(jù)鉆孔偏斜資料以及巖帽段擴散半徑8 m、正常段10 m的設計數(shù)據(jù)可知，風井最大注漿帷幕直徑為28.65 m，最小為26.36 m，如表7所示。而風井的井筒直徑分別為7.5 m，各段交圈帷幕均能滿足注漿堵水要求。

表7 風井各段注漿帷幕交圈統(tǒng)計表

4.4 水文地質(zhì)條件改善

4.4.1 鉆孔吸水率

注漿過程中常用巖層壓水吸水率評價注漿堵水效果和評價所注巖層水文地質(zhì)改善的程度。根據(jù)吸水率計算公式可計算出風井各孔各注漿段注漿前后吸水率變化情況，如表8所示。

由表8可以看出，風井注前壓水和注后壓水吸水率均有明顯變化，說明地層裂隙具有較好的連通性和滲透性，即地層具有適宜注漿的前提條件；注漿后吸水率變小，證明注漿對地層裂隙進行了封堵，保證了較好的堵水和加固效果。巖帽段的Z5孔降幅明顯，由1.231 L/m·m·min降為0.016 L/m·m·min，風井第一段Z5孔降幅明顯，由0.039 L/m·m·min降為0.005 L/m·m·min；單位鉆孔吸水率的最大降幅為98%。由此可見風井注漿堵水效果明顯。

表8 風井巖帽段及第一段吸水率對比表

4.4.2 井筒含水層剩余涌水量

為了檢驗井筒注漿段的注漿效果及質(zhì)量，計算井筒剩余涌水量，根據(jù)煤炭行業(yè)標準《立井井筒地面預注漿效果壓水試驗檢驗方法》，風井選取Z6孔為壓水試驗孔，壓水段386～652 m，風井剩余涌水量為1.70 m3/h。根據(jù)漢水泉三號煤礦井檢孔地質(zhì)報告可知，風井注漿段所經(jīng)過的侏羅系地層注前預計涌水量為25.62 m3/h，注漿后，風井注漿段井筒預計剩余涌水量為1.70 m3/h，比注前減少23.92 m3/h，堵水率達93%。風井注漿效果顯著，能達到注漿堵水的目的。

5 結(jié)論

我國西部煤炭資源豐富，但地層條件不同于中東部地區(qū)，尤其是中生代地層急需有效的特殊鑿井方法。地面預注漿技術(shù)是保證基巖段井筒安全快速建設、避免水害的主要方法，通過井筒地面預注漿技術(shù)在漢水泉三號礦井風井的成功應用，為安全快速鑿井提供了有利條件，同時也總結(jié)了注漿壓力、注漿量等一系列參數(shù)，實現(xiàn)了井筒地面預注漿工藝的推廣，為西部地區(qū)中生代地層的水害治理提供了更多的選擇依據(jù)和參考。

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