西南礦區(qū)千米級(jí)盲豎井分段預(yù)注漿堵水技術(shù)

賀 文，向俊興，孫幫濤

（1.天地科技股份有限公司，北京100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 建井研究分院，北京100013；4.彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南 昭通657600）

深部礦產(chǎn)資源開發(fā)利用是我國(guó)未來(lái)礦業(yè)發(fā)展的重要研究方向，深部資源開采將成為新常態(tài)[1-2]。立井井筒是礦井的“咽喉”部位，立井建設(shè)占整個(gè)礦井建設(shè)工期的30%～40%，立井井筒施工是深部資源開發(fā)的關(guān)鍵所在[3-4]。

立井井筒深部基巖地層水文地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，隨著井筒深度的不斷增加，在高水壓條件下，含水地層涌水幾率急劇增大，極大的威脅到井筒的安全建設(shè)，甚至導(dǎo)致淹井的現(xiàn)象發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失及社會(huì)不利影響[5-7]。某鐵礦主、副井井筒在掘進(jìn)過(guò)程中涌水量大，針對(duì)此情況紀(jì)東黎對(duì)工作面高壓預(yù)注漿的設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行了針對(duì)性研究[8]。馬江淮等在分析板集煤礦副井井筒水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用地面控制注漿的方法，對(duì)井筒井壁破裂區(qū)進(jìn)行了治理[9]。賀文等針對(duì)立井井筒深部基巖遇到的微裂隙及孔隙性的情況，研發(fā)了溶液型水玻璃化學(xué)漿液，改善了深部基巖地層條件[10]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于立井井筒的預(yù)注漿治理主要集中于地面進(jìn)行實(shí)施，而對(duì)于盲豎井井筒，由于井筒井口周邊無(wú)法設(shè)置大型鉆窩，需在井下設(shè)置施工平臺(tái)實(shí)施。該種條件下對(duì)設(shè)計(jì)和施工要求均較高，然而這也是毛坪礦亟待解決的難題。為此針對(duì)毛坪礦千米級(jí)盲豎井井筒周邊富水白云巖不良地層，開展了針對(duì)性預(yù)注漿堵水設(shè)計(jì)研究。

1 礦井概況

毛坪礦擬建河西豎井為河西深部找探礦平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵通道，豎井?dāng)M采用盲混合井形式，井筒為圓形井筒，直徑φ5.5 m，荒徑φ6.2 m，井口標(biāo)高920 m，井底標(biāo)高-50 m，設(shè)計(jì)井筒深度970 m。該豎井將作為采礦人員、設(shè)備、材料及礦石等運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ馈?/p>

擬建豎井位于石炭系中統(tǒng)威寧組地層中，巖性主要為灰-灰白色中厚層狀灰?guī)r、細(xì)-粗晶白云巖，夾灰綠色頁(yè)巖。井筒地層巖石裂隙發(fā)育，地下水活動(dòng)痕跡較明顯。擬建豎井附近施工的多個(gè)鉆孔均揭露涌水，為保障豎井井筒的安全、順利掘進(jìn)，毛坪礦在籌備井筒掘砌工作的同時(shí)，決定對(duì)井筒先行實(shí)施預(yù)注漿工作。

2 預(yù)注漿設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

由于井口設(shè)在920 m 標(biāo)高的平巷內(nèi)，豎井井筒區(qū)域下部已開拓670 中段、610 中段，為確保井筒掘砌施工臨建工程同步開展，減少無(wú)效鉆探工作量，同時(shí)便于觀察各鉆孔涌水情況，實(shí)現(xiàn)盲豎井安裝及豎井注漿平行施工的目的，設(shè)計(jì)采用制漿及注漿相分離的方式，總平面布置“一體兩面多點(diǎn)”，設(shè)地表和井下2 個(gè)作業(yè)面，多個(gè)作業(yè)點(diǎn)。在670 中段擬建井筒周圍布置鉆窩及井下注漿站，作為鉆探、注漿的施工平臺(tái)。地面900 m 標(biāo)高布置制漿車間，作為黏土原漿的制漿和儲(chǔ)存場(chǎng)地，地表制漿車間與井下注漿站之間敷設(shè)輸漿管線進(jìn)行紅黏土水泥漿液輸送。

為保證后續(xù)井筒掘砌施工的安全及井壁施工質(zhì)量，鉆窩邊幫與設(shè)計(jì)井筒保持足夠的安全距離，施工采用S 形注漿鉆孔方案，使用JDT-6 型陀螺儀進(jìn)行測(cè)斜，使用螺桿進(jìn)行定向，通過(guò)定向技術(shù)將鉆孔引入目標(biāo)靶域。

2.2 鉆探設(shè)計(jì)

為了減少和控制開鑿鉆窩的工程量，同時(shí)確保670 中段井筒周邊圍巖穩(wěn)定性，圍繞井筒呈同心圓等間距布置3 個(gè)鉆窩，每個(gè)鉆窩內(nèi)設(shè)計(jì)2 個(gè)鉆孔，總計(jì)6 個(gè)注漿鉆孔，注漿鉆孔平面布置如圖1。盲豎井注漿段內(nèi)鉆孔呈同心圓等間距排列，孔間距4.75 m。綜合考慮鉆機(jī)底座尺寸、鉆窩內(nèi)設(shè)備布局、鉆孔開孔間距來(lái)設(shè)計(jì)鉆窩尺寸，考慮井筒開挖直徑、670 中段井筒周圍地層特性、后續(xù)井筒爆破施工與鉆窩的安全距離、鉆孔開孔位置與注漿段靶域的水平距離等因素，設(shè)計(jì)鉆孔布孔圈徑為28 m，落點(diǎn)圈徑9.5 m。

圖1 鉆窩和鉆孔平面布置圖Fig.1 The schematic diagram of drilling hole and chamber

6 個(gè)鉆孔分兩序施工，K1、K3、K5 為一序孔，K2、K4、K6 為二序孔，先施工一序孔，一序孔施工結(jié)束后再施工二序孔。

2.3 注漿設(shè)計(jì)

綜合考慮注漿效果和施工可行性等因素，決定采用分段下行的方式進(jìn)行注漿，以期達(dá)到形成止水帷幕，最終實(shí)現(xiàn)減少井筒掘砌時(shí)工作面涌水量的目的。注漿鉆孔的軌跡剖面如圖2。

毛坪礦位于我國(guó)烏蒙山區(qū)，烏蒙山區(qū)賦存有大量紅黏土，因此基巖注漿段設(shè)計(jì)選用來(lái)源廣、堵水性能良好的紅黏土水泥漿液進(jìn)行注漿。巖帽段選擇PO42.5 水泥及相關(guān)添加劑配置單液水泥漿作為注漿材料。

固管段采用φ190 mm 鉆頭鉆進(jìn)，固管段套管選用φ168 mm×7 mm 無(wú)縫鋼管。套管以下巖帽及基巖注漿段孔徑為φ133 mm。注漿鉆孔上部為定向造斜套管段，套管段長(zhǎng)度160 m（標(biāo)高+670～+510 m），下部為直孔注漿段，注漿段長(zhǎng)度590 m，起止深度為160～750 m（標(biāo)高+510～-80 m），鉆孔底部超過(guò)井筒設(shè)計(jì)深度30 m。

圖2 鉆孔軌跡立面圖Fig.2 Schematic diagram of drilling trajectory

根據(jù)巖層完整程度及不同含水層分布情況，基巖注漿段分為8 個(gè)段高，每個(gè)段高長(zhǎng)度處于60～90 m 范圍。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 鉆孔施工

3 個(gè)鉆窩內(nèi)各布置1 臺(tái)鉆機(jī)先后進(jìn)行一序孔及二序孔施工。鉆探使用TSJ-2000 型鉆機(jī)，配備TBW-850 泥漿泵進(jìn)行施工。

為保證最終鉆孔注漿交圈形成帷幕，設(shè)計(jì)鉆孔注漿段偏斜率不得大于5‰，每個(gè)注漿段鉆孔落點(diǎn)需實(shí)現(xiàn)大體均布。最終各鉆孔軌跡平面圖如圖3。

由圖3 可以看出，采用陀螺及螺桿測(cè)斜復(fù)合定向技術(shù)后，K1 鉆孔各注漿段最大偏斜率為4.87‰，K2 鉆孔各注漿段最大偏斜率為4.55‰，K3 鉆孔各注漿段最大偏斜率為4.34‰，K4 鉆孔各注漿段最大偏斜率為4.15‰，K5 鉆孔各注漿段最大偏斜率為4.33‰，K6 鉆孔各注漿段最大偏斜率為4.45‰，滿足設(shè)計(jì)要求。各鉆孔在注漿圈徑上分布大體均勻，在不同深度的落點(diǎn)也大體均布，良好的偏斜控制最終有利于保障注漿質(zhì)量。

3.2 注漿量及壓力

圖3 鉆孔軌跡平面圖Fig.3 The orbit diagrams of the drilling hole

注漿采用BQ-350 泵進(jìn)行施工，實(shí)現(xiàn)了泵量及注漿壓力調(diào)節(jié)。井筒各注漿段注漿量匯總表見表1。充足的漿液注入量是在盲豎井井筒周圍形成止水帷幕的物質(zhì)基礎(chǔ)。全井筒共注漿94 次，總注漿量20 097.37 m3，達(dá)到設(shè)計(jì)總量的97.46%，平均到每米井筒注漿量為34.06 m3。

表1 井筒各注漿段注漿量匯總表Table 1 Summary of grout amount in each grouting interval

注漿結(jié)束壓力的取值依據(jù)受注層位的靜水壓力來(lái)進(jìn)行計(jì)算，巖帽段注漿結(jié)束壓力為靜水壓力的1.5～2.0 倍；注漿段注漿結(jié)束壓力為靜水壓力的2.0～3.0 倍。6 個(gè)鉆孔巖帽段、第1 段～第8 段注漿結(jié)束壓力均超過(guò)設(shè)計(jì)壓力（大于設(shè)計(jì)結(jié)束壓力1 MPa）。

4 預(yù)注漿效果

4.1 注漿疊加效應(yīng)

由于6 個(gè)鉆孔呈圓周均勻分布，相鄰鉆孔注漿段之間的距離為4.75 m，一序孔K1、K3、K5 相互之間的距離約8.23 m，而黏土水泥漿漿液的有效擴(kuò)散半徑可達(dá)10 m，故一序孔注漿時(shí)漿液必然擴(kuò)散至二序孔周圍的孔隙、裂隙中，注漿過(guò)程中一序孔的注漿量將遠(yuǎn)大于二序孔的注漿量。這種現(xiàn)象就是井筒預(yù)注漿的疊加效應(yīng)。

通過(guò)單孔單段多次注漿前后的壓水段單位吸水量變化對(duì)比可以定性地分析受注含水地層的水文條件變化情況。K1 孔第4 段2018 年4 月13 日第1 次注前單位吸水量為0.012 4 L/（m·m·min），注后單位吸水量為0.001 5 L/（m·m·min），2018 年4 月19 日第2 次注前單位吸水量為0.006 8 L/（m·m·min），注后單位吸水量為0.001 3 L/（m·m·min）。前后2 次注漿，對(duì)地層水文條件的改善均很顯著。

4.2 頻率曲線

頻率曲線分析以一、二序孔注漿段漿液互相擴(kuò)散，形成疊加效應(yīng)為前提條件。將一、二序孔各注漿段的單位注漿量和注漿前的單位吸水量劃分到不同數(shù)值區(qū)間，從一、二序孔各段數(shù)據(jù)在不同數(shù)值區(qū)間中所占比例的規(guī)律來(lái)評(píng)價(jià)注漿效果。

預(yù)注漿施工效果良好時(shí)，頻率曲線表現(xiàn)為：在單位注漿量數(shù)值較大的區(qū)間中，一序孔注漿段所占比例大于二序孔。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，毛坪礦河西盲混合井井筒預(yù)注漿工程一序孔27 個(gè)注漿段中有21 段的單位注漿量≥1 m3/m，占總注漿段的77.78%；有14段的單位注漿量≥2 m3/m，占總注漿段的51.85%。二序孔27 個(gè)注漿段中單位注漿量數(shù)值主要集中在0.5 ～2 m3/m 范圍，共有24 段，占到二序孔的88.89%；其中有15 段的單位注漿量在0.5～1 m3/m區(qū)間，占55.56%。

一、二序鉆孔各注漿段單位注漿量累計(jì)頻率曲線如圖4。由圖4 可以看出，一序孔各注漿段單位注漿量在高值區(qū)間所占比例明顯大于二序孔，分布情況符合客觀規(guī)律，說(shuō)明注漿效果較為良好。

4.3 終檢孔壓水試驗(yàn)

對(duì)豎井最后完成的注漿鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，計(jì)算井筒剩余涌水量，作為檢查整個(gè)井筒基巖注漿段注漿施工質(zhì)量的參考標(biāo)準(zhǔn)。

計(jì)算滲透系數(shù)公式：

式中：W 為壓水段單位吸水量，L/（m·m·min）；Q 為壓水流量，L/min；p 為壓水壓力，換算成水柱高度，m；K 為滲透系數(shù)，m/d；L 為壓水段高，m；r 為鉆孔半徑，m。

圖4 單位注漿量累計(jì)頻率曲線Fig.4 The cumulative frequency curves of unit water absorption

壓水試驗(yàn)的井筒剩余涌水量計(jì)算公式：

式中：Ql為預(yù)計(jì)井筒剩余涌水量，m3/d；K 為滲透系數(shù)，m/d；H0為含水層靜水位至含水層底板的距離，m；M 為含水層厚度，m；R 為水位降至含水層底板時(shí)的影響半徑，m；rl為井筒開挖半徑，m。

通過(guò)二序孔K4 進(jìn)行的壓水試驗(yàn)，測(cè)算得井筒預(yù)注漿段剩余涌水量約4.62 m3/h，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的相關(guān)要求（≤10 m3/h），堵水效果較為良好。

5 結(jié) 論

1）采用地表制漿、井下注漿，設(shè)立大型鉆窩硐室作為鉆探工作平臺(tái)的方式可實(shí)現(xiàn)千米級(jí)盲豎井的預(yù)注漿堵水工作。

2）針對(duì)西南烏蒙山礦區(qū)，使用來(lái)源廣的紅黏土配置黏土水泥復(fù)合漿液作為井筒預(yù)注漿堵水材料具有較好的可操作性。

3）采用陀螺及螺桿測(cè)斜復(fù)合定向技術(shù)可實(shí)現(xiàn)千米級(jí)盲豎井注漿鉆孔控制在目標(biāo)靶域范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)5‰的鉆孔精度。

4）毛坪礦河西探礦豎井預(yù)注漿設(shè)計(jì)工作得到了成功實(shí)施，取得了良好的注漿效果，解決了千米深井施工的水害難題，對(duì)我國(guó)千米級(jí)盲豎井的治水有著重要的借鑒意義。