深厚表土層井壁出水注漿加固技術(shù)研究

張 建，朱昌元

(山東公信安全評價有限公司，山東 棗莊 277100)

井壁出水不僅造成井壁混凝土粉化、剝落而影響井筒安全運行，嚴(yán)重時可能造成井筒潰砂突水，威脅礦井的安全生產(chǎn)。自1980年以來，在華東地區(qū)的淮北、大屯、兗州和徐州等地已有超過100個井筒井壁發(fā)生破壞，諸多破壞的井壁經(jīng)注漿加固治理后不足3a便再次發(fā)生了井壁破壞，均反復(fù)多次進(jìn)行了加固治理，不但井壁安全不能得到保障，更對生產(chǎn)造成較大影響[1，2]。深厚表土層井壁相較其他井壁來說，井壁承受的水壓力更大，井壁出水問題頻繁且涌水量大，其治理難度更艱巨。本文以張集煤礦副井井壁出水為例，分析深厚表土層井壁出水機(jī)理，制定和設(shè)計深厚表土層井壁注漿加固方案、注漿參數(shù)和施工工藝，分析和研究深厚表土層井壁注漿加固技術(shù)。

1 井壁出水特征分析

張集煤礦副井井筒深度671.2m，凈直徑6.50m，表土層厚度460m，采用凍結(jié)法施工，凍結(jié)深度619m，于2012年4月建設(shè)完成。副井凍結(jié)段井壁為內(nèi)外雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁結(jié)構(gòu)，外層井壁后施工有泡沫塑料板，內(nèi)外層井壁間鋪設(shè)高密度塑料薄板。

2014年3月，在副井井筒垂深268m處(井筒西側(cè))的混凝土井壁接茬處有出水點，水壓較大且水流連續(xù)，經(jīng)過幾天連續(xù)觀察出水量明顯加大。隨后幾天井筒內(nèi)不但環(huán)向出水點增多，出水范圍沿井壁豎直范圍也有增加，其中有4個出水點出現(xiàn)噴水現(xiàn)象(射程約1.5m)，井筒綜合涌水量約18m3/h，并有進(jìn)一步增加趨勢。井壁出水有以下幾個特點：

1)井深268m混凝土接茬出水呈分散集中式，其中，井深266m接茬在東南側(cè)局部出水，井深267m及268m接茬除東北方向出水不明顯外，其余方向多處沿井壁接茬集中出水，且水壓較大。

2)井深280m井壁接茬多處集中出水，水壓較大。

3)在井深268～290m段高，井壁接茬出現(xiàn)明顯環(huán)向裂隙，但無滲水現(xiàn)象。

4)兩道可縮井壁外噴水泥漿未發(fā)現(xiàn)有脫落現(xiàn)象，可判斷可縮井壁未有明顯變形。

2 井壁出水機(jī)理分析

根據(jù)井田勘探資料，井深266～290m段高處于新生界松散層第三含水層，相對應(yīng)的巖層為砂層，該含水層富水性中等，水壓大，經(jīng)水質(zhì)化驗證實井壁出水為第三含水層。在井筒建成后，第三含水層中水壓力直接作用在井壁上，由于礦井采動和疏排水引起含水層的水位下降，特別是在表土層厚度大的情況下，含水層水位下降明顯，土層固結(jié)壓縮引起地表沉降，因井筒周圍地層整體下移與井壁豎直位移不同步，使井壁受到方向向下的摩擦力增強(qiáng)，即產(chǎn)生豎直向下的附加應(yīng)力[3-6]。另外，井筒在施工時受季節(jié)性氣溫變化(熱脹冷縮)、混凝土強(qiáng)度等因素影響，井壁中可能存在著裂紋。井壁出水多集中在井深280m井壁接茬處，水壓較大。

綜合以上分析，張集煤礦副井井壁出水主要是由于表土層段含水層水位下降導(dǎo)致井壁承受附加應(yīng)力增大，同時井壁還承受表土層段含水層水壓力；附加應(yīng)力和含水層水壓力加速了井壁接茬處裂紋的擴(kuò)張和貫通，在二者的長期作用下達(dá)到了井壁結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，最終導(dǎo)致井壁在接茬處附近最先破壞，從而出現(xiàn)井壁出水現(xiàn)象。

3 注漿方案和施工工藝設(shè)計

張集煤礦副井出水量已達(dá)18m3/h，井壁出水點埋深大、水壓高。隨著時間的推移，井壁裂紋會逐漸擴(kuò)展和貫通，涌水量進(jìn)一步增大，甚至可能造成井壁突水潰砂。因此，為確保張集煤礦副井井筒的安全使用，應(yīng)及早開展井筒防治水工作。

3.1 注漿方案的確定

結(jié)合井壁出水現(xiàn)狀、深厚表土層地質(zhì)條件及井壁受力分析的基礎(chǔ)上，選擇井壁壁間和壁后注漿相結(jié)合的注漿工藝[7-12]。井筒凍結(jié)段采取壁間注漿，封堵壁間滲水通道；對井筒深度250～290m處集中出水點進(jìn)行壁后注漿，通過壁后套孔復(fù)注方式對含水層段壁后空隙予以充填密實，提高井壁整體抗載和防水性能；對井筒深度270m處變徑段的井壁進(jìn)行充填加固，改善地層性質(zhì)，提高其自承載能力。

3.1.1 注漿方式

由于注漿位置對應(yīng)地層為表土層，在注漿時有可能發(fā)生涌水、涌砂的現(xiàn)象，為盡量減少注漿活動對井壁的擾動，并且增加井壁強(qiáng)度、減少漿液流動阻力，本次井壁注漿采用誘導(dǎo)注漿和單孔少注、群孔多注的注漿方式。

1)誘導(dǎo)注漿。在注漿造孔時同時造孔3個，中間一個用于注漿，兩側(cè)孔破壁后安裝壓力表和高壓閥門，實時監(jiān)測壁后串漿壓力，一旦發(fā)現(xiàn)壓力過大立即打開閥門進(jìn)行泄?jié){，每一循環(huán)先造2～3個孔進(jìn)行泄水、壓水，聯(lián)通孔與孔之間的通道，分出先注孔和后注孔。

2)單孔少注、群孔多注。即先增加鉆孔密度，然后對淺孔低壓注漿，最后深插管或套孔高壓注漿。采取控壓控量工藝，以低壓慢注方式進(jìn)行注漿，并爭取單孔進(jìn)漿量較為均衡確保壁間夾層或壁后空隙充填密實。

3.1.2 注漿順序

采取“總體下行、段內(nèi)上行”注漿順序，段內(nèi)采取“上行初注、下行復(fù)注”注漿方式，即：自下而上逐排進(jìn)行初注水泥漿，經(jīng)套孔后采取下行式進(jìn)行復(fù)注。首先對集中出水段250～290m進(jìn)行注漿，再依次上行230m(20m為一個段高，設(shè)計注漿層位12個)至井筒鎖口段進(jìn)行壁間注漿，最后再對300～610m段進(jìn)行上行式壁間注漿。

3.2 注漿施工工藝設(shè)計

3.2.1 注漿參數(shù)設(shè)計

注漿材料選擇水泥-水玻璃漿液，水泥漿液采用P.O 42.5R水泥，水玻璃濃度為40Be′(模數(shù)為2.8～3.4)。在注漿過程中，根據(jù)井筒出水水質(zhì)硬度大及出水裂隙局部發(fā)育的特點，隨時合理調(diào)整漿液濃度配比和注漿參數(shù)，提高注漿效果。對于壁間注漿，注漿壓力一般為靜水壓力的1.5～2倍；對于壁后注漿，一般為靜水壓力的2～3倍。井筒凍結(jié)段-6m至-610m段進(jìn)行壁間注漿，一層布孔6個，孔距3.40m，層間距20m，設(shè)計注漿層位30層，造孔180個；-250m至-290m段進(jìn)行壁后注漿，一層布孔6個，孔距3.40m，層間距3～4m，設(shè)計注漿層位10層，造孔60個?？紤]到副井在建井期間曾經(jīng)進(jìn)行過部分區(qū)段壁間注漿，根據(jù)現(xiàn)場實際及時調(diào)整注漿壓力及孔位，以保證合理的漿液擴(kuò)散范圍和井壁安全。

3.2.2 注漿設(shè)備

注漿采用QB50/18型氣動雙液注漿泵和2條高壓輸漿軟管，注漿泵放在罐籠內(nèi)，二次攪拌罐安置在地面，采用JS-1000型攪拌機(jī)，攪拌筒容量不低于0.5m3。此外，配置容量不低于1.0m3的攪拌箱配合輸漿。注漿系統(tǒng)設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 注漿系統(tǒng)設(shè)備布置圖

孔口管選用Φ42mm×4.5mm無縫鋼管制作，長度為700～900mm(視井壁厚度確定)，前部加工成400～500mm長的魚鱗扣，后部加工成50mm長的絲扣。注漿孔口管結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 注漿孔口管結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 注漿施工工藝流程

壁后(間)注漿施工利用罐籠搭建工作平臺，在注漿地點按設(shè)計的孔深和孔徑用風(fēng)錘造孔，然后安裝孔口管(孔口管進(jìn)入井壁部分不小于500mm)并在注漿管路上安裝孔口閥、三通閥和高壓閥，在進(jìn)行壓水耐壓試驗后，用Φ28mm釬頭從閥門內(nèi)套孔穿透井壁進(jìn)入地層。關(guān)閉閥門并連接好注漿設(shè)施，將配制好的漿液通過注漿泵壓入井壁內(nèi)。注漿施工工藝流程如圖3所示。

圖3 注漿施工工藝流程圖

注漿時，記錄壓力、濃度、流量的變化，根據(jù)注漿參數(shù)實時調(diào)整注漿材料濃度。注漿施工結(jié)束后，通過注漿體內(nèi)鉆孔，用壓水、注水或抽水等辦法測定圍巖的流量及滲透系數(shù)，不合格者進(jìn)行補(bǔ)充注漿。檢查孔的數(shù)目約為總注漿孔數(shù)的5%～10%，布孔的重點是地質(zhì)條件不好的地段以及注漿質(zhì)量較差或有疑問的部位。

3.2.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿量達(dá)到設(shè)計要求的80%～120%；出水得到有效治理，井壁無明顯出水孔，涌水量小于1.0m3/h，且不得受注漿壓力影響而造成井壁發(fā)生破壞。

4 注漿效果

注漿工作自2014年3月28日開始，至2014年5月6日結(jié)束，共注入水泥203.5t、水玻璃6.2t，各施工孔注漿量和總注漿量均達(dá)到設(shè)計要求。煤礦建立了井壁安全監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)置了壓力傳感器、溫度傳感器、應(yīng)變傳感器，實時測試和評估井壁的安全狀態(tài)，注漿完成后井壁未發(fā)生變化。注漿施工結(jié)束后，井壁無滲水，井筒涌水量為0m3/h，注漿效果理想，確保了井筒的安全運行。

5 結(jié) 論

1)張集煤礦副井在井深268～290m混凝土接茬處出現(xiàn)集中出水現(xiàn)象，通過從水文地質(zhì)條件、水質(zhì)化驗和井筒施工情況等方面進(jìn)行分析，井壁出水主要原因是由于表土層段含水層水位下降導(dǎo)致井壁承受的附加應(yīng)力增大，附加應(yīng)力和水壓力的共同作用加速了井壁接茬處裂紋的擴(kuò)張和貫通，最終出現(xiàn)滲水通道。

2)深厚表土層段壁間注漿阻斷了井筒內(nèi)外壁之間的水力聯(lián)系，對內(nèi)外層井壁間空隙及內(nèi)外層井壁裂隙進(jìn)行了充填加固，井壁承受的附加應(yīng)力得到緩釋；壁后注漿改善了地層的物理性質(zhì)，使井壁與壁后地層無間隙緊密接觸，達(dá)到了較好的充填防滲效果。

3)采用誘導(dǎo)注漿和單孔少注、群孔多注的注漿方式盡可能減少了注漿活動對井壁的擾動；根據(jù)井筒出水水質(zhì)硬度大及出水裂隙局部發(fā)育的特點，合理調(diào)整漿液濃度配比和注漿參數(shù)；建立了井壁安全監(jiān)測系統(tǒng)，實時測試和評估井壁的安全狀態(tài)。

4)深厚表土層井壁注漿加固技術(shù)在張集煤礦副井得到成功的應(yīng)用，確保了井筒的安全運行，延長了井壁的服務(wù)年限，并為國內(nèi)外相似條件礦井井壁出水治理提供借鑒。