回風立井井筒堵水注漿工藝應用

郭 洪

(陽煤集團和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700)

0 引言

為解決礦井隨著開采深度增加，瓦斯涌出量增大，現(xiàn)有風量不能滿足安全生產(chǎn)需要的問題，陽煤集團決定在生產(chǎn)礦井井田中部架垴村附近新建一個井筒，即新大地公司架垴回風立井。新大地公司架垴回風立井井筒設計凈直徑為8 m、井深為472 m，采用C25素砼進行支護，井筒筒壁支護厚度為500 mm。當回風立井掘進至286 m時，井底揭露2 m泥巖，泥巖上部為18 m厚砂巖巖層，在當班放炮后作業(yè)工作面出現(xiàn)突水現(xiàn)象，測得涌水量高達50 m3/h，嚴重影響掘進工作面的施工。在突水后，施工隊立即采取水樣送至該礦水文地質(zhì)部門進行化驗，經(jīng)過分析掘進工作面涌水為砂巖層涌水。為了保證掘進的正常進行，根據(jù)回風立井井筒檢查孔X2孔提供的水文地質(zhì)資料，經(jīng)過研究論證，決定采用工作面構(gòu)筑止?jié){墊后進行預注漿堵水施工，對構(gòu)筑止?jié){墊的施工方法以及所采用的注漿材料進行了系統(tǒng)介紹。

1 止?jié){墊厚度的計算

止?jié){墊厚度計算公式[1]如式(1)

B=(P·r)/σ+0.25r

(1)

式中：B—止?jié){墊厚度，m;P—注漿終壓，一般取4 MPa；r—井筒凈半徑，取4 m;σ—止?jié){墊混凝土允許抗壓強度，取8.3 MPa，該參數(shù)是混凝土28 d強度的2/3再除以安全系數(shù)2得到的。

將這些計算參數(shù)代入式(1)可得，B=(4×4)/8.3+0.25×4=2.928 m，為了計算方便取值3 m。一般情況下，在澆注砼止?jié){墊前需要先鋪濾水層[2-3]，這個過程需要在回風井井底拋入碎石的厚度為0.5 m，可得止?jié){墊的總高度為3.5 m。在回風立井工作面注漿施工中構(gòu)筑厚度為3.5 m止?jié){墊(含濾水層)時，澆注砼止?jié){墊采用的單級平底型混凝土止?jié){墊，混凝土強度等級C25，添加早強減水劑?？紤]到本次出水靜水壓預計為1.7 MPa，注漿最終壓力設計為4 MPa。

2 注漿孔施工方案

考慮到回風立井的凈斷面直徑設計為9 m，根據(jù)國內(nèi)外有關注漿施工規(guī)程和以往的施工經(jīng)驗，地層中注漿漿液的最大擴散半徑一般為3.0 m左右[7-8]。設計了帷幕直徑為12 m，帷幕周長37.68 m，沿井筒一周均勻布孔16個，孔距為1.5 m，井筒中心位置布檢查鉆孔1個。井筒周圍的注漿鉆孔的施工參數(shù)見表1，1～16號孔為注漿孔，17號孔為注漿檢查孔，用來檢查注漿的效果。

根據(jù)井筒檢查孔地質(zhì)資料分析，注漿孔應深入K8深灰色中砂巖下方黑色泥巖5 m左右，確保能有效地封堵本次砂巖涌水。為確保能有效的通過K8砂巖，設計注漿鉆孔深度為49 m，其中止?jié){墊為3.5 m，巖層段45.5 m。設計施工注漿孔數(shù)16個，檢查孔1個，鉆孔直徑94 mm，鉆孔工程量833 m。注漿的鉆孔布置示意圖如圖1所示，由圖可知，檢查孔正好位于井筒工作面的正中央，這樣能檢查注漿的范圍，確保施工的安全可靠性。

表1 布孔參數(shù)一覽表

備注：1.沿井筒一周均勻布鉆注孔16個；2.井筒中心位置布檢查鉆孔1個。

圖1 井筒注漿鉆孔布置示意圖

2.1 注漿材料及漿液配制

本次注漿采用水泥單液漿為主，水泥和水玻璃混合的雙液漿為輔。在單漿液多次注漿后注漿壓力不增加的情況下，需要采用注入水泥和水玻璃混合的雙漿液。

本次注漿所采用的水泥，選用陽煤集團亞美水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，并分批次送檢測試，直至所用水泥全部符合相關規(guī)定。本次注漿選用模數(shù)2.4～2.8，濃度為46Bè的液態(tài)鈉質(zhì)水玻璃，選用的是邢臺市巨星化工有限公司生產(chǎn)的水玻璃，經(jīng)檢測各項指標符合設計要求。注漿所用水為新大地公司礦井主工業(yè)廣場內(nèi)地面消防水池用水，經(jīng)化驗滿足設計要求。

根據(jù)現(xiàn)井筒出水特征，壁后注漿堅持單液漿為主，雙液為輔的原則[4-6]，遵循“單液稀漿—單液稠漿—雙液漿—封孔”的原則，單漿液時水灰比取1.0∶0.5～1.0∶1.5，雙漿液時水泥與水玻璃的體積比取1.0∶0.4～1.0∶1.0。

本次注漿設計終壓4 MPa，在現(xiàn)場經(jīng)過壓水實驗后可做出相應的調(diào)整?？傮w情況下，注漿重量不大于10 L/min，持續(xù)時間不少于15 min。注漿完成后，通過檢查孔內(nèi)的終孔水量，一般以孔內(nèi)的終孔水量小于0.5 m3/h，作為鉆注施工結(jié)束的標準。

2.2 施工工藝及過程

在堵水注漿施工過程中，要嚴格按照注漿的流程進行[7-8]。在注漿前應該選擇布孔，然后等待孔內(nèi)的注漿液冷凝，最后對注水口進行加固。注漿的整個流程如下：構(gòu)筑止?jié){墊濾水層、布孔→等凝→濾水桶封堵加固→搭建鉆機工作平臺→濾水層、止?jié){墊孔口管鉆注加固→鉆注注漿孔→檢查孔→抽水試驗驗收的施工工藝施工。在整個注漿堵水過程中，實際施工鉆孔17個，鉆孔的總進尺836 m，注漿過程中水泥用量共計540 t，水玻璃用量共計8.7 t。在注漿過程中，出現(xiàn)有單孔水泥用量超過80 t，在未達到設計注漿終壓4 MPa的情況下，現(xiàn)場停注封孔，注漿終壓在5 MPa左右。總體而言，本次注漿堵水達到了預期效果，工作面的涌水得到了有效控制。

3 效果分析

根據(jù)井筒堵水注漿段巖層地質(zhì)條件，采取帷幕堵水注漿后，施工過程實測涌水量在2 m3/h以下，該段井壁沒有水眼，沒有出現(xiàn)明顯的淋水，為井筒施工創(chuàng)造了安全良好的施工環(huán)境，但也反映出部分不足，可歸納總結(jié)如下。

在井筒涌水前未充分分析井筒檢查孔抽水試驗報告，未進行檢查孔抽水試驗出水量與井筒掘進時出水量換算，進入泥巖隔水巖層后，上覆砂巖成為巖層涌水匯集通道，造成井筒掘進工作面涌水，形成井筒水害。礦井建設方和施工方經(jīng)驗主義思想嚴重，依靠陽泉礦區(qū)的井筒掘進經(jīng)驗，未充分考慮和順礦區(qū)水文地質(zhì)條件的客觀變化，造成管理漏洞。

在研究堵水注漿施工方案中，由于經(jīng)驗缺乏，造成注漿孔孔間距密度大，增加了施工工程量，延長了井筒施工工期，制約了礦井生產(chǎn)銜接部署。在該井筒下一步過含水層預注漿施工中，將注漿孔間距擴大至3 m左右，布置8個注漿孔，取得很好的治水效果，縮短了施工時間，取得了良好的安全和經(jīng)濟效益。

在個別注漿孔注漿過程中出現(xiàn)水泥、水玻璃用量大大超過相鄰孔消耗量時，應適當提高終孔壓力，提早封孔，在該井筒下一步堵水預注漿施工過程中得到驗證，取得很好的堵水效果，體現(xiàn)了經(jīng)濟效益。

在施工止?jié){墊的過程中，在濾水層加固充填水泥、水玻璃雙液，取得良好的堵水效果，為下一步的注漿施工提供條件。在注漿施工過程中，要注意觀察止?jié){墊變化，若發(fā)現(xiàn)墊層發(fā)生臌起變形，應立即停止注漿并封孔，表明注漿已不能滲透進巖層，強行注漿會破壞止?jié){墊結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

針對陽煤集團新回風立井掘進過程中出現(xiàn)的涌水異常現(xiàn)象，采取了科學有效的堵水方法，減輕了礦井掘進過程中的水害影響。根據(jù)新掘回風立井的地質(zhì)條件，采用構(gòu)筑止水墊加鉆孔注漿的方法對立井掘進工作面的涌水進行了有效控制。在豎井施工比較特殊的條件下，整個施工期間實施了嚴格科學的管理，技術工藝合理先進，保證了井筒施工水害得到了良好的治理，為施工人員提供良好的施工環(huán)境，人員安全得到了有效保障。同時該技術操作簡單、效果顯著，對井筒堵水注漿具有較高的推廣價值。