厚松散層地面高壓注漿參數現場試驗確定方法

李存祿，余大有，翁洪周，緒瑞華，姚直書，彭世龍，張亮亮

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團有限責任公司，山東 臨沂 274000；2.安徽省煤田地質局 第一勘探隊，安徽 淮南 232035；3.臨沂礦業(yè)集團菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤 274000；4.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001，5.安徽建筑大學 建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601)

隨著我國淺部煤炭資源開采殆盡，深部資源的開發(fā)成為必然。礦區(qū)水文地質條件隨深度的增加逐漸趨于復雜，由斷層、破碎帶等軟弱地層引發(fā)的深部井筒破壞、巷道變形和馬頭門失穩(wěn)等問題頻發(fā)，造成重大安全隱患和巨大經濟損失。

自20世紀80年代以來，我國華東地區(qū)厚松散層立井井筒共發(fā)生數十起偏斜事故，嚴重影響煤礦生產及人員安全[1，2]。針對此類井筒偏斜破裂形式，國內不少學者對偏斜原因進行了研究并根據不同偏斜原因和偏斜程度提出了相應治理措施，如榮傳新[3]、經來旺[4]和崔廣心[5，6]等認為井筒偏斜的主要原因在于井筒底部厚含水層在煤礦生產、風化基巖裂隙發(fā)育和工作面開采擾動等多種影響因素下產生大面積、大流量的失水，地層疏水產生不均勻沉降致使井筒發(fā)生偏斜，除此之外，工業(yè)廣場保護煤柱留設不夠[7，8]以及井筒周邊軟弱地質條件[9]也能產生或加劇井筒偏斜。針對上述井筒偏斜原因，不少專家提出地面注化學漿液[10]、壁后注漿[11]和割梁[12，13]的治理方案，并成功應用于邱集礦、張雙樓和大黃山礦的井筒偏斜治理，取得了良好的糾偏效果。

類似郭屯煤礦如此巨厚松散層立井井筒偏斜事故國內外尚屬首次發(fā)生，其偏斜機理目前還需進一步研究，治理技術尚無工程案例可依。本文根據大量生產實踐及井筒注漿修復經驗，以地面注漿治理郭屯煤礦主、副、風井井筒偏斜工程為工程背景，采用鉆孔壓水與地面高壓注漿現場試驗方法，根據試驗監(jiān)測數據得到地層透水率和單位吸水量與深度、注漿壓力的變化關系，以及各層位受注點注漿壓力與靜水比值和壓水流量與注漿流量比值確定注漿壓力、注漿量的大小。研究成果在該礦主、副、風井地面注漿治理井筒偏斜工程中得到成功應用，為今后類似條件巨厚松散層地面注漿參數確定提供了參考依據。

1 工程概況

山東省菏澤市巨野礦區(qū)郭屯煤礦設計生產能力2.4Mt/a，工業(yè)廣場內主、副、風凈直徑分別為5.0m、6.5m、5.5m，井深853.0m、882.0m、773.0m。該礦2010年3月投產后，由于礦井開采疏排水，造成地面下沉，于2015年左右發(fā)現主井井筒向北、西兩方向最大偏斜量分別為30mm、348mm；副井井筒向北、西兩方向最大偏斜量分別為104mm、336mm；且井筒偏斜發(fā)生在表土基巖交界面以上表土段，由下而上逐漸增大分布，并均向該礦非對稱開采工作面方向偏斜，已嚴重威脅礦井生產安全。

郭屯礦主、副、風井井筒偏斜機理復雜，涉及水文地質因素繁多，筆者研究團隊研究認為，該礦井筒出現的豎向壓縮變形和破損是由地層非均勻疏水固結沉降產生的豎向附加力與水平環(huán)向附加力共同作用所致；井筒出現偏斜的原因可能是在巨厚松散層薄基巖特殊地質條件下，非對稱開采引起的井筒周邊地層不均勻沉降所致。為不影響礦井正常生產，通過方案論證，決定采用地面注漿對井筒不均勻偏斜、沉降進行治理。

該礦主、副、風井筒穿越的松散層厚分別為587.4m、586.2m、578.1m，3個井檢孔含(隔)水層劃分見表1。

表1 松散層含、隔水層劃分 m

檢查孔揭露的地層自下而上分為奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系。

第四系含水層(一含)以中、細砂為主，局部有粉砂和粗砂，含砂層4～6層，砂層厚度19.1～77.10m，含砂率15.4～58.8%，砂層比較松散，連續(xù)性較好，透水性較強。

第四系隔水層(一隔)以灰綠、棕黃色粘土、砂質粘土為主，厚51.4～120.6m，占全層段的41.2～84.6%；塑性指數17.1～24.8，部分呈軟塑狀態(tài)。在第四系下部以粘土層為主，其隔水層性能良好。

新近系上含水層(二含)厚91.80～385.60m，平均285.97m。由中、細砂層與雜色粘土、砂質粘土相間沉積而成。砂層厚度70.0～149.2m，富水性較強，為松散孔隙承壓水含水層。

新近系中隔水層(二隔)以粘土、砂質粘土為主，占地層總厚的15.4%～84.9%，由上而下固結程度漸增，底部近百米段為軟硬塑性具備的粘土、砂質粘土隔水層；粘土中夾有柱狀或板狀石膏晶體，富含蒙脫石礦物，易膨脹，具有良好隔水性。

新近系下含水層(三含)厚85.80～229.50m，平均157.77m。據井田內抽水試驗資料，抽水層段砂層累厚21.15～25.30m，滲透系數0.0028～0.0512m/d，礦化度2.216～2.844g/L，水質較差，屬富水性弱的松散孔隙承壓含水層。

為不影響礦井正常生產，同時防止厚松散層底部含水層疏水引起井筒進一步偏斜，采用地面高壓注漿對底部含水地層進行加固，通過現場預注漿試驗確定注漿參數，為后續(xù)注漿施工提供參數依據。

2 厚松散層地面高壓注漿試驗

在進行厚松散層地面高壓注漿前，需在各立井井筒周邊合理布設若干檢驗孔，通過檢驗孔壓水試驗分析檢驗孔周邊松散層含水層的滲透性能。由于本次試驗主要注漿對象為松散層底部含水層，因此布置的所有檢驗孔均鉆進到松散層底部含水層底板處。根據井筒偏斜方向，檢驗孔大致布置在井筒西北側。此外，為便于觀測，檢驗孔盡量布置在一條直線上，且立井井筒各自周邊檢驗孔距離不應過遠。檢驗孔自2016年6月2日開始施工，2017年7月27日完工，共施工8個孔，其中主井井筒周邊2個(孔號：主檢孔、主1孔)，副井井筒周邊2個(孔號：副檢孔、副1孔)，風井井筒周邊3個(孔號：風檢1孔、風檢2孔、風檢3孔)，風檢3驗證孔1個，各檢驗孔平面位置如圖1所示。

圖1 試驗孔平面位置示意圖(m)

主檢孔、主1孔、副檢孔、副1孔、風檢1孔、風檢2孔分別對松散層底部含水層進行壓水試驗，試驗采用的設備為蘭州盛達采油機械制造有限責任公司生產的3NB35-126型三缸單作用柱塞泵，功率126kW。試驗過程中對受注點壓力和清水壓入流量進行測試。風檢1孔對松散層底部含水層進行地面高壓試驗注漿，風檢3孔分別對設計的5個層段進行了試驗注漿，試驗共注水泥漿1026.2m3。試驗孔在不同的層位共完成11次壓水試驗，6次試驗注漿見表2。

表2 試驗孔壓水試驗、試驗注漿層位

2.1 壓水試驗

本次地面高壓注漿試驗通過對井筒周邊的檢驗孔進行壓水試驗獲取地層水文地質參數。壓水試驗是基于達西定律理論，采用承壓穩(wěn)定流井法計算地層水文地質參數的水文試驗。試驗通過向研究層段施加一定壓力，并注入清水，根據一定時間內所注層段吸收水體的水量分析地層透水性能。其原理如圖2所示。圖2中，Q為壓水流量；hw為含水層穩(wěn)定水位至含水層底板高度；h為含水層靜止水位至含水層底板高度；M為含水層厚度；R為影響半徑；r為注漿孔半徑

圖2 壓水試驗原理

試驗開始前，對鉆孔進行清水洗孔，通過將栓塞放置松散層底部含水層底板對壓水段進行隔離，通過對初始水位的觀測后，正式開始壓水測試。試驗每半小時觀測流量、壓力一次，獲得各檢驗孔壓水數據。壓水試驗裝置如圖3所示。

圖3 壓水試驗裝置

2.2 地面高壓注漿試驗

通過對井筒周圍厚松散層注漿，可以降低受注段滲透性，提高其變形模量，減小其在失水條件下的變形系數，從而保護井筒；同時也可提高受注段強度，特別是在結構面以及透鏡體周圍形成水泥保護層，起支撐作用，減少失水造成的地層壓縮量，從而阻止或減緩疏水沉降引起的井筒偏斜。本次地面高壓注漿試驗是通過對風井1孔底部含水層和風檢3孔5個層段進行注漿，注漿段根據以下原則確定：

1)三井筒范圍內新生界松散地層可作為同一單元體來考慮，注漿段統(tǒng)一劃分。

2)注漿段劃分以隔水層(粘土層)為控制層位，以砂層為主，砂層和粘土層互層較多的層段作為注漿段，一次注漿段高控制在25～50m。

3)鑒于底含與上覆松散層無水力聯系，故400m以下(特別是底部含水層)作為主要注漿層位，多布置注漿段。

地面注漿過程為：

1)下管：本次套管均采用絲扣連接方式，注漿段為花管，花管眼用嵌縫帶堵上，外裹40目尼龍紗網，每隔200mm用扎絲扎牢。下管前按設計要求配管，并編上號，嚴格按順序下管；下管完成后，下止?jié){塞至下部一層實管底界深度以上拉塞，孔口焊實。

2)固井：下管完成后，套管與孔壁之間環(huán)狀間隙用水泥粘土漿進行封堵，固井之前用泥漿循環(huán)孔2個循環(huán)，按水∶水泥∶粘土=1∶0.7∶0.3配比漿液，用注漿泵進行灌漿，直至孔口返漿停泵。侯凝7～8h起塞，再侯凝24h，下鉆透孔。

3)洗井：透孔結束后，洗孔至孔內水清砂凈，按套管內體積配置濃度1%焦磷酸鈉溶液，用泵灌入孔內，浸泡24h后，下活塞反復對各注漿段進行洗井，直至水清砂凈。洗井完成后下止?jié){塞拉塞，進行水位觀測。

4)注漿：風井1孔底部含水層和風檢3孔5個層段分別進行注漿，直至最后一層注漿層，注漿結束。

3 注漿試驗結果分析

3.1 壓水試驗結果分析

現場壓水試驗過程中通過對各試驗孔各壓水層段的壓力和清水壓入流量進行監(jiān)測，獲得了大量試驗數據，根據《工程地質手冊》[13]得到各試驗孔各層位地層透水率與深度和單位吸水量與注漿壓力的關系見表3。

表3 各層段壓水試驗單位吸水量、試驗段透水率

透水率是反映試驗段透水性的參數。我國相關注漿工程實踐[14]表明：透水率在3或5Lu以上的巖土體，可注性較好；透水率1～3(或5)Lu之間的巖土體，可注性一般，且需看巖土體裂隙寬度如何再定；透水率小于1Lu的巖土體，可注性較差。由表2風檢3孔的各層段透水率可知，地層透水率隨松散層厚度的增加而減小，且整個表土層內透水率均大于1，因此可注性一般。風檢1孔和風檢2孔的透水率接近于1，因此其底含可注性也一般。其余試驗孔的透水率均小于1Lu，其中主檢孔的壓水層段最深，該層段的透水率為最小值0.082Lu。

由表3中主檢孔、風檢1孔、風檢2孔和風檢3孔各試驗層段受注點壓力和單位吸水量之間的變化關系可知，各試驗孔受注點壓力越大，單位吸水量越大，兩者近似呈線性增長關系。當風檢3孔第五層位(三含)受注點壓力為11.75MPa時，該處單位吸水量為8.18L/(min·m)，透水率為1.36Lu，說明厚松散層底部含水層具有可注性。

3.2 高壓注漿試驗結果分析

根據風檢3孔現場注漿試驗測量數據，得到風檢3孔不同注漿層位受注點壓力與注入流量的關系，結果見表4。

表4 風檢3孔注漿壓力與靜水壓力的關系

由表4試驗數據可知，松散層深度越深，地層的單位吸漿量越小，單位吸漿量由上部的9.69m3/h下降至底部的7.5m3/h，但總體下降較少，表明松散層底部仍具可注性。通過計算風檢3孔各層位受注點注漿壓力與該處靜水壓力的比值，結果發(fā)現風井井筒范圍內松散地層范圍該值平均為2.0～2.5，故郭屯煤礦深厚松散層地面高壓注漿壓力達到2.0～2.5倍的靜水壓力時，水泥漿可順利注入底部含水層。

風檢3孔不同注漿層位受注點注漿壓力與漿液壓入量的關系見表5，由表5可知風檢3孔各注漿層位壓水試驗和注漿試驗受注點壓力基本相同，但壓水流量要比注漿流量多，其比值范圍為1.8～2.2，平均為2.0倍。因此，同一注漿段，在壓力相同的情況下，注漿流量是壓入流量的一半。

表5 風檢3孔壓水流量與注漿流量的關系

3.3 厚松散層地面高壓注漿參數確定方法

根據立井井筒附近檢查孔的各層位的壓水試驗確定受注點靜水壓力和清水壓入量，得到受注點壓力與透水率和單位吸水量之間的關系。然后根據各層位地面高壓預注漿試驗，比較受注點注漿壓力與靜水壓力的定量關系，確定注漿壓力的范圍；再由注漿量與清水壓入量的定量關系確定高壓注漿流量的范圍。該確定方法可為厚松散層地面高壓注漿施工提供參數依據。

4 注漿效果評價

風檢3孔壓水注漿開始20min后，風檢1孔口開始出水，風檢2孔為發(fā)現出水，說明風檢3孔和風檢1孔兩孔溝通，但風檢1孔和風檢2孔內未見水泥漿，說明兩孔并未串漿，注漿效果良好。風檢3孔第一層、第二層、第三層注漿期間風檢2孔水位上升幅度最大也只有5.15m，相當水柱壓力0.0515MPa；第四層、第五層注漿時風檢2觀測孔水位變化呈鋸齒狀，整體呈下降趨勢，但變化幅度很小，最大也僅1.42m。風檢3孔距離風井井筒中心39.89m，在壓水和注漿之前，風井共安裝傳感器17層，計249個傳感器，試驗過程中各井筒應變特別是風井井筒無明顯變化，井壁沒有發(fā)現水量增大現象，說明此次注漿試驗過程中注漿壓力對井筒影響很小。注漿后12d，根據地面主井井筒周邊各監(jiān)測點位向偏斜反方向運動，平均修復位移量為49mm，主井現偏斜299mm，偏斜修復量完成14%，修復效果顯著。

5 結 論

1)通過分析郭屯礦深厚表土層地面高壓注漿試驗風檢3孔現場監(jiān)測數據，結果表明井筒穿越深厚松散地層透水率隨厚度的增加而減小，松散層上部的透水率為5.39Lu，下部為1.36Lu；風檢3孔各注漿層位單位吸水量與受注點壓力近似呈線性增長關系。風檢3孔的各層段透水率均大于1，因此可注性一般。

2)郭屯煤礦松散層深度越深，地層的單位吸漿量越小，單位吸漿量由上部的9.69m3/h下降至底部的7.5m3/h。深厚松散層地面高壓注漿壓力達到2.0～2.5倍的靜水壓力時，水泥漿可順利注入擬加固地層；各注漿層位壓水試驗和注漿試驗受注點壓力相同的情況下，注漿流量是壓水流量的一半。

3)地面高壓注漿修復井筒偏斜試驗過程中，主副風立井井筒應變實時監(jiān)測值變化較小且處于安全值以內，說明此次注漿試驗過程中注漿壓力對井筒基本無影響；主井井筒糾偏效果達14%，修復效果顯著。