立井凍結(jié)孔導(dǎo)水通道注漿堵水施工技術(shù)

張秀兵

(山西中太工程建設(shè)監(jiān)理公司，山西 太原 030001)

白家海子礦井水文地質(zhì)類型為復(fù)雜類型，立井井筒穿越四個(gè)含水層，砂層和弱固結(jié)巖層厚度大，為保證井筒施工安全、井筒質(zhì)量、施工工期，并吸取周邊礦井建井經(jīng)驗(yàn)采用全深度立井凍結(jié)法施工。凍結(jié)孔鉆孔與凍結(jié)管之間的環(huán)形空間采用緩凝水泥漿液進(jìn)行充填處理，預(yù)防凍結(jié)管外環(huán)形空間成為豎向?qū)ǖ?，但限于地質(zhì)地層條件和水文水質(zhì)條件復(fù)雜、緩凝水泥漿液配比和置換高度、凍結(jié)管與水泥漿液粘結(jié)強(qiáng)度弱、凍融、施工擾動(dòng)、馬頭門凍結(jié)管封堵等多種因素影響，凍結(jié)管外環(huán)形空間很難避免成為豎向?qū)ǖ馈?/p>

1 工程概況

白家海子礦井位于國家大型煤炭基地——神東煤炭基地內(nèi)的東勝煤田納林河礦區(qū)，礦井生產(chǎn)能力1 500萬t/年，采用立井開拓方式，工業(yè)場地內(nèi)布置主井、副井、中央1號(hào)回風(fēng)立井、中央2號(hào)回風(fēng)立井4個(gè)井筒，井筒凈直徑分別為φ9.5 m,φ10.5,φ7.0 m,φ6.8 m，井筒深度分別為765.0 m,755.0 m,704.0 m,679.0 m，凍結(jié)孔布置圖見圖1。

2 水文地質(zhì)情況及井筒涌水量

礦井內(nèi)主要地下水含水層可劃分為新生界松散巖類孔隙潛水含水層(組)和中生界碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水層(段)兩類，較厚層泥巖和粘土巖為隔水層。根據(jù)地下水的埋藏條件及其水力特征，井筒穿過各含、隔水層自上而下分述如下。

2.1 新生界松散巖類孔隙潛水含水層(組)

該含水層是下部志丹群(K1zh)碎屑巖類承壓水含水巖組的直接補(bǔ)給來源，該層主要受大氣降水的補(bǔ)給，該組地層平均厚度46.07 m。最大降深時(shí)涌水量3.13 L/s，單位涌水量0.157 13 L/(s·m),滲透系數(shù)0.530 1 m/d，Kcp=0.597 4 m/d，含水層的富水性中等，水化學(xué)類型為SO4-K+Na型水。

2.2 中生界碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水層(段)

1)白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)碎屑巖類孔隙、裂隙承壓含水巖(段)。該組地層結(jié)構(gòu)疏松，孔隙率高，給地下水形成良好的儲(chǔ)水空間，是主要含水巖(層)組，透水、含水性較強(qiáng)，平均厚度343.33 m，最大降深時(shí)涌水量2.86 L/s，單位涌水量0.174 71 L/(s·m),滲透系數(shù)0.050 81 m/d，Kcp=0.068 14 m/d，含水層的富水性中等，水化學(xué)類型為SO4-K+Na型水。

2)安定組和直羅組(J2a-J2z)地層碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水層(段)。平均厚度234.37 m，最大降深時(shí)涌水量1.192 L/s～1.69 L/s，單位涌水量0.046 8 L/(s·m)～0.047 98 L/(s·m),滲透系數(shù)0.049 67 m/d～0.052 91 m/d，Kcp=0.048 25 m/d～0.063 62 m/d，含水層的富水性弱，水化學(xué)類型為SO4-K+Na.Ca,SO4-K+Na型水。

3)延安組(J2y)地層碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水層(段)。為本區(qū)的含煤地層，揭露厚度75.10 m～150.47 m，最大降深時(shí)涌水量1.894 L/s～1.95 L/s，單位涌水量為0.060 8 L/(s·m)～0.053 53 L/(s·m),滲透系數(shù)為0.118 7 m/d～0.053 86 m/d，Kcp=0.116 4 m/d～0.060 94 m/d，含水層的富水性弱，水化學(xué)類型為SO4-K+Na.Ca型水。

4)隔水層。侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)的中上部及直羅組(J2z)的中上部,分布有多層泥巖、砂質(zhì)泥巖等泥質(zhì)巖類及其互層組成的巖層，其巖性較致密，直羅組揭露厚度153 m左右，安定組揭露厚度66 m左右。侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)的煤層間也分布有多層泥質(zhì)巖類及其互層組成的巖層，其橫向上具不連續(xù)性，垂向上與各粒級砂巖呈互層狀分布，它們?yōu)榛鶐r中的隔水層，延安組二段揭露厚度72 m左右，延安組三段揭露厚度88 m左右。

2.3 井筒檢查孔抽水試驗(yàn)所取得水文地質(zhì)參數(shù)估算井筒涌水量

主井井筒涌水量為659 m3/h；副井井筒涌水量為631 m3/h；中央1號(hào)回風(fēng)井井筒涌水量為525 m3/h；中央1號(hào)回風(fēng)井井筒涌水量為525 m3/h。

3 導(dǎo)水通道及井筒防治水方案設(shè)計(jì)

1)水平導(dǎo)水通道：井筒穿過多個(gè)含水層，水平方向來水通過井筒施工縫薄弱位置、井筒裂縫滲入井筒內(nèi)，需要采取壁間注漿、壁后注漿、井壁修復(fù)阻斷出水點(diǎn)，同時(shí)起到加固井筒和壁后凍融損傷巖層的作用。

豎向?qū)ǖ溃旱刭|(zhì)地層條件和水文水質(zhì)條件復(fù)雜、緩凝水泥漿液配比和置換高度、凍結(jié)管與水泥漿液粘結(jié)強(qiáng)度弱、凍融、施工擾動(dòng)、馬頭門凍結(jié)管封堵導(dǎo)致凍結(jié)管外環(huán)形空間成為薄弱部位，成為良好的豎向?qū)ǖ?，上部含水層持續(xù)向凍結(jié)管外環(huán)形空間匯集，造成馬頭門上部凍結(jié)管承壓突水，破壞井下構(gòu)筑物；在垂直導(dǎo)水通道的下部水壓較大，通過弱固結(jié)巖層或巖層交界面作用于井筒。

2)井筒防治水方案：采取“先堵后排”，先通過立井凍結(jié)孔導(dǎo)水通道注漿封堵環(huán)形空間豎向?qū)ǖ?，降低井筒涌水量；再通過壁間注漿、壁后注漿、井壁修復(fù)阻斷水平導(dǎo)水通道，進(jìn)一步降低井筒涌水量，并配合積極的排水措施。該方案有效降低井筒涌水量、預(yù)防井筒突水、確保安全，為礦建二期工程施工創(chuàng)造有利條件。

割孔及注漿工藝流程見圖2。

4 注漿方案設(shè)計(jì)和施工工藝

4.1 注漿方案設(shè)計(jì)

4.1.1注漿層位選擇及注漿擴(kuò)散半徑范圍

注漿層位的選擇應(yīng)滿足在主要含水層下，選擇穩(wěn)定隔水層進(jìn)行局部注漿封堵，根據(jù)井筒檢查孔和井筒實(shí)際揭露地質(zhì)資料，侏羅系中統(tǒng)安定組(J2a)的中上部和侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2z)的中部存在泥巖、砂質(zhì)泥巖，是穩(wěn)定的天然隔水層，因此選擇389 m～400 m,619 m～630 m進(jìn)行注漿。對馬頭門位置凍結(jié)管采取特殊措施封堵凍結(jié)管端部，雙液多次復(fù)注封堵凍結(jié)管環(huán)形空間和馬頭門上部突水點(diǎn)。

漿液的有效擴(kuò)散半徑一般6 m～10 m，利用原有凍結(jié)管和測溫孔進(jìn)行注漿，凍結(jié)孔和測溫孔終孔孔斜和孔深誤差滿足規(guī)范要求，其間距較小，注漿孔間距滿足漿液擴(kuò)散半徑。

4.1.2注漿材料

注漿材料以水泥單液漿為主，水泥漿液以普通硅酸鹽水泥為主，水泥標(biāo)號(hào)為P.O42.5R,水灰比為0.5∶1～1∶1，正常注漿取0.75∶1；特殊區(qū)段使用水玻璃—水泥雙液，水玻璃模數(shù)為2.4～3.4，水玻璃濃度35Be′～42Be′，體積比為1∶0.5～1∶1.3；嚴(yán)格控制水泥細(xì)度小于5%，正?？刂圃?%以下，增加漿液的滲透性；因純水泥漿容易沉淀析水、穩(wěn)定性差、凝結(jié)時(shí)間較長，在地下室流速較大時(shí)水泥漿液易受到水的沖刷和稀釋，為此添加工業(yè)級三乙醇胺、工業(yè)級食鹽，提高水泥漿液的穩(wěn)定性和注入性，同時(shí)注意攪拌水泥漿防止離析。

注漿過程中，根據(jù)注漿量和壓力變化情況，及時(shí)調(diào)整漿液濃度：當(dāng)某級濃度注入20 min～30 min后注漿量不減或壓力不提高時(shí)，調(diào)高漿液濃度，若漿液濃度提高后仍不升壓及時(shí)改用雙液注漿。

4.1.3注漿壓力

根據(jù)煤礦井巷工程施工規(guī)范：孔深不大于400 m的注漿層位終壓值取靜水壓力的2.5倍～3倍，孔深大于400 m的注漿層位終壓值取凈水壓力值的2倍～2.5倍，同時(shí)使用井下可視探頭觀測井壁，防止壓力過大損壞井壁。結(jié)合以往環(huán)形空間注漿施工經(jīng)驗(yàn)，在389 m～400 m層位注漿終壓取不低于7.8 MPa，在619 m～630 m層位注漿終壓取不低于12.6 MPa。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注入量為50 L/min～60 L/min及注漿壓力達(dá)到終壓時(shí)，繼續(xù)以同樣壓力注入較稀漿液20 min～30 min后方可停止該孔段的注漿工作。為防止注漿結(jié)束后漿液倒流，繼續(xù)封管10 h確保水泥漿液終凝。

4.2 注漿施工工藝

施工步驟：掃孔通井→下部層位割孔→注漿→壓水替漿→上部層位割孔→注漿→二次灌漿封孔。

掃孔工藝：井筒凍結(jié)施工完成后凍結(jié)管回收難度較大，僅回收供液管和凍結(jié)液，對凍結(jié)管用水泥漿進(jìn)行全管填充。正常情況使用三翼PDC鉆頭掃除凍結(jié)管內(nèi)填充的水泥漿，特殊情況使用自制三翼彈簧鋼板刀片掃除凍結(jié)孔內(nèi)遺留的塑料供液管、使用打撈工具和取芯鉆頭清除雜物。

割孔工藝：原計(jì)劃采用聚能射孔彈進(jìn)行破壁，因火工品申請困難改用水力式內(nèi)割刀(如圖3所示)進(jìn)行割孔破壁，這是一種利用水壓來推動(dòng)割刀進(jìn)行管內(nèi)切割的工具，它較機(jī)械式內(nèi)割刀簡單，修理更為方便，切割更為快速。

工藝控制：通過鉆桿數(shù)量控制掃孔、割孔深度；通過鋼屑出渣量控制割孔情況；注漿過程測量水泥漿比重控制水泥漿配比，定時(shí)觀測注漿泵壓力、瞬時(shí)排量、注漿量、地面返漿情況、注漿終壓和總注漿量，保證注漿效果；通過井下電視成像儀觀測井筒出水點(diǎn)和井壁變形情況。

5 注漿效果檢驗(yàn)

本工程4個(gè)井筒共計(jì)完成185個(gè)凍結(jié)孔割孔注漿施工，使用井下電視成像儀檢查井壁情況未發(fā)現(xiàn)因注漿壓力過大導(dǎo)致井壁破損開裂，通過抽水試驗(yàn)檢查井筒漏水量，各井筒總漏水量符合《煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求，達(dá)到驗(yàn)收要求。

6 結(jié)語

白家海子立井井筒穿越4個(gè)含水層，砂層和弱固結(jié)巖層厚度大，采用全深度立井凍結(jié)法施工。凍結(jié)管外環(huán)形空間解凍后成為豎向?qū)ǖ?，?dǎo)致井壁淋水、馬頭門突水，嚴(yán)重制約礦井建設(shè)生產(chǎn)。

通過分析水平和豎向?qū)ǖ溃O(shè)計(jì)井筒防治水方案和注漿方案，包括注漿層位選擇、注漿擴(kuò)散半徑范圍、注漿材料、注漿壓力，為凍結(jié)孔環(huán)形空間豎向?qū)ǖ雷{封堵提供技術(shù)支撐。

注漿施工過程中優(yōu)化凍結(jié)管掃孔/割孔工藝，嚴(yán)格落實(shí)注漿工藝過程控制，加固水平隔水層和阻斷豎向環(huán)形空間導(dǎo)水通道，井筒總漏水量控制在規(guī)范要求范圍，對完善立井凍結(jié)法施工工藝和凍結(jié)孔環(huán)形空間豎向?qū)ǖ雷{堵水工藝具有重要意義。