立井過(guò)砂巖富含水層工作面預(yù)注漿分析

任亞?wèn)|

(河南錦源建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著煤礦開(kāi)采范圍和深度的不斷增加，煤礦立井井筒的深度不斷加深，井筒突水的危險(xiǎn)性也在不斷增大，突水區(qū)域也在不斷擴(kuò)大。立井井筒地下水突出是立井施工中一種極其復(fù)雜的現(xiàn)象，它在很短的時(shí)間內(nèi)，由巖層內(nèi)向井筒突然涌出大量的地下水，嚴(yán)重影響井筒施工進(jìn)度和安全。因此，解決立井井筒突水問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)礦業(yè)界的重大技術(shù)難題之一[1-3]。

砂巖是石炭—二疊紀(jì)煤系地層頂板、地質(zhì)地貌的獨(dú)特特征，以巖石堅(jiān)硬、縱向裂隙發(fā)育橫向不貫通、含水層量大為主要特征。河南省內(nèi)豫北、豫西絕大多數(shù)礦區(qū)的立井井筒施工需穿過(guò)砂巖含水層，過(guò)砂巖期間極易造成突水淹井事故，嚴(yán)重影響了井筒施工的進(jìn)度及安全。如何安全、快速通過(guò)有砂巖層，一直是全國(guó)建井行業(yè)共同探求的難題[4]。本次嘗試?yán)米{鉆孔向巖體注入10～11 MPa高壓漿液，強(qiáng)制置換出巖層縫隙內(nèi)含水并固結(jié)成巖，同時(shí)在井筒周邊10 m范圍內(nèi)形成隔水帷幕，把水控制在井筒周邊8 m范圍以外。通過(guò)本次嘗試，為類似井筒施工提供工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

裴溝煤礦43采區(qū)樊寨副立井井筒直徑7 m，井口設(shè)計(jì)標(biāo)高+229 m，落底標(biāo)高-546 m，井深775 m，施工至井深381 m時(shí)，井筒出現(xiàn)突水現(xiàn)象，單孔最大涌水量130 m3/h，水壓最大達(dá)2.8 MPa，通過(guò)下放鉆孔內(nèi)攝像頭對(duì)井下圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育情況進(jìn)行觀測(cè)，多為豎向裂隙，橫向不聯(lián)系。根據(jù)井檢孔鉆孔柱狀圖巖性描述，本段主要為中粗粒砂巖，呈灰色、灰白色，巨厚層狀，上部中粒結(jié)構(gòu)，下部粗粒結(jié)構(gòu)，成分以石英為主，次為長(zhǎng)石，次棱角狀，分選差，縱向裂隙發(fā)育，裂隙面被鐵質(zhì)、水浸染，有小溶洞，硅質(zhì)膠結(jié)，巖芯破碎，富水性強(qiáng)。同時(shí)結(jié)合井檢孔資料判定該層位為二疊系平頂山組富含水層，厚度57 m，實(shí)測(cè)該含水層涌水量為187 m3/h。第1回次采用普通水泥工作面預(yù)注漿，吸漿量少，升壓快，效果差，達(dá)不到預(yù)期目的，嚴(yán)重影響建設(shè)工期。

2 工作面預(yù)注漿方案

注漿方案的總體目標(biāo)要求：利用漿液把裂隙極發(fā)育且連通性好的砂巖層空隙充填飽滿，固結(jié)成巖，形成整體帷幕，改變井筒周邊的水流方向，改善此井段周?chē)貙游锢砹W(xué)性質(zhì)和賦水性，同時(shí)制定專項(xiàng)措施確保高壓注漿期間已施工副井井壁不受損壞。

前期采用10 MPa以上高壓、高密度雙層梅花型注漿孔、清水、水玻璃強(qiáng)制置換出巖層縫隙、細(xì)小裂隙通道內(nèi)銹蝕物，打通注漿通道，后期強(qiáng)壓下利用高性能、微膨脹水泥漿等新型材料進(jìn)行充填注漿，在井筒周邊8 m范圍內(nèi)形成一道隔水帷幕，把水控制在井筒周邊8 m范圍以外，工作面預(yù)注漿采用分段整體推進(jìn)的方法，最大限度地利用水泥漿液在井筒水平斷面上形成帷幕圈，提高注漿成效，徹底根治井筒涌水。

3 施工難點(diǎn)

(1)該砂巖的層位深度為381～438 m，厚度達(dá)57 m，地質(zhì)勘察預(yù)計(jì)該含水層涌水量187 m3/h，實(shí)測(cè)單孔(φ90 mm)最大涌水量130 m3/h，水壓2.5～2.8 MPa，水量大、水壓大，工作面預(yù)注漿難度大。

(2)該層砂巖豎直裂隙極為發(fā)育，橫向裂隙不發(fā)育，部分裂隙貫通，透水性極強(qiáng)，突水危險(xiǎn)系數(shù)大。

(3)該層砂巖采用普通注漿法時(shí)吸漿量少，升壓快，與涌水量不對(duì)稱，造成注漿效果差或無(wú)效。

(4)該層砂巖注漿鑿孔時(shí)出現(xiàn)流沙破碎帶，鉆孔出現(xiàn)涌沙、淤沙，造成鉆桿無(wú)法拔出、鉆孔無(wú)法注漿和透孔。

(5)該層砂巖主要為中粗粒砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，鉆機(jī)鑿孔深度受限，造成注漿段高低，每回次掘進(jìn)進(jìn)尺有限。

4 施工工藝及技術(shù)要求

4.1 注漿鉆孔布置

注漿鉆孔布置對(duì)工作面預(yù)注漿的成敗至關(guān)重要，因此結(jié)合超前探測(cè)資料以及以往注漿經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了本次注漿鉆孔布置方案，本次鉆孔布置設(shè)計(jì)分為基礎(chǔ)鉆孔、補(bǔ)強(qiáng)孔和檢驗(yàn)孔，確保形成帷幕。同時(shí)由于每回次注漿搭接部位孔間距較大，結(jié)合實(shí)際情況，適當(dāng)情況下增加頸部補(bǔ)強(qiáng)鉆孔。

(1)基礎(chǔ)孔。內(nèi)外雙圈布置，孔口、孔底呈梅花型布置，成三角連鎖區(qū)域，增加帷幕封閉性，減少注漿空白區(qū)域。具體布置如圖1、圖2所示。

圖1 鉆孔平面布置Fig.1 Drilling layout

圖2 鉆孔立面Fig.2 Drilled facade

(2)補(bǔ)強(qiáng)孔。內(nèi)外圈鉆孔施工完成后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行補(bǔ)孔，單孔涌水量>5 m3/h的鉆孔，在其兩側(cè)進(jìn)行補(bǔ)孔，補(bǔ)孔參數(shù)與單孔涌水量>5 m3/h的鉆孔一致；若補(bǔ)孔的單孔涌水量仍>5 m3/h，則在該孔施工完成后在與其兩側(cè)鉆孔的中間位置處各布置1個(gè)鉆孔，直至鉆孔涌水量≤5 m3/h。

(3)頸部補(bǔ)強(qiáng)鉆孔。布孔形式與基礎(chǔ)孔一致，徑向傾斜布孔，個(gè)數(shù)與外圈基礎(chǔ)孔保持一致；孔底一般布置于井筒輪廓線外6 m，與本回次基礎(chǔ)孔注漿區(qū)域進(jìn)行重合；孔口盡量布置靠近于井筒掘進(jìn)輪廓線，以加大上部井壁薄弱段的注漿區(qū)域。

(4)檢驗(yàn)孔。檢驗(yàn)孔根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注漿情況確定，井筒中心處布置1個(gè)，其他檢驗(yàn)孔布置原則：鉆孔單孔涌水量>20 m3/h的區(qū)域也需重新布置檢驗(yàn)孔，參數(shù)與單孔涌水量>20 m3/h的鉆孔一致。如果檢驗(yàn)孔無(wú)水則注入適量漿液并達(dá)到終孔要求封孔；若檢驗(yàn)孔單孔涌水量>1.5 m3/h，則該檢驗(yàn)孔充作注漿孔重新進(jìn)行注漿，然后再布置檢驗(yàn)孔直至檢驗(yàn)孔涌水量≤1.5 m3/h。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

使用φ130 mm型沖擊器鉆頭開(kāi)孔至孔口管深度后，下入φ108 mm×8 mm的孔口管，然后使用φ90 mm鉆頭套孔鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度?？卓诠懿捎忙?08 mm×6 mm的無(wú)縫鋼管，單節(jié)長(zhǎng)度1.5 m，孔口管上部焊接子母扣法蘭中凹盤(pán)，凹盤(pán)與閥門(mén)連接采用高強(qiáng)度螺栓。為防止埋設(shè)孔口管期間鉆孔發(fā)生涌沙無(wú)法進(jìn)行注漿，正常地質(zhì)區(qū)域孔口管長(zhǎng)度按照15 m布置，破碎帶區(qū)域孔口管長(zhǎng)度調(diào)整為7 m，同時(shí)每個(gè)孔口管需采用2根φ20 mm×2 m長(zhǎng)錨桿進(jìn)行固定。 孔口管埋設(shè)后，安裝注漿堵盤(pán)，并進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

4.3 鉆孔施工順序

為加快鉆孔進(jìn)度，采用2臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)進(jìn)行對(duì)稱打孔，先施工外圈孔，后施工內(nèi)圈孔，然后再進(jìn)行補(bǔ)孔、中部補(bǔ)強(qiáng)孔，最后施工中心鉆孔和效果檢驗(yàn)孔。

4.4 注漿流程

標(biāo)定孔位→確定鉆孔方位角→造孔→洗孔→注漿埋孔口管→注水測(cè)定孔口管耐壓值→鉆孔→放水、壓水→注單液漿→注雙液漿→再注單液漿→雙液漿封孔。

4.5 注漿參數(shù)

(1)注漿段高。本次含水層厚度為57 m，設(shè)計(jì)注漿孔深度33 m，前3個(gè)回次注漿結(jié)束每次允許井筒掘進(jìn)距離13 m，預(yù)留不小于20 m超前距，第4回次穿過(guò)含水層，且穿過(guò)砂巖底板不小于10 m處，通過(guò)探注與掘支交替作業(yè)方式通過(guò)該含水層。

(2)注漿材料及配比。采用P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥、CGM-1000型超細(xì)水泥和BY12-I型高性能無(wú)收縮注漿料、BY12-IA型早凝早強(qiáng)高強(qiáng)注漿料、水玻璃模數(shù)為3.0～3.3的改性水玻璃。注漿時(shí)優(yōu)先采用普通硅酸鹽水泥，當(dāng)出現(xiàn)吸漿量少，升壓快時(shí)采用超細(xì)水泥。單漿液密度要控制在1.1～1.2t/m3(水∶水泥=6∶1～3∶1)，雙液漿的水泥漿與水玻璃漿液配比為1∶(0.8～1.0)(體積比)；單孔涌水量大于10 m3/h，采用普通注漿法：水泥單液漿，水泥、水玻璃雙液漿；單孔涌水量5～10 m3/h，采用超細(xì)水泥注漿；單孔涌水量小于5 m3/h，采用BY12-I型高性能無(wú)收縮注漿料、BY12-IA型早凝早強(qiáng)高強(qiáng)注漿料。

(3)注漿方式及注漿壓力。平行作業(yè)注漿時(shí)要間隔跳孔作業(yè)方式，防止注漿發(fā)生串漿。注漿時(shí)按照分級(jí)打壓原則，先高速擋后低速擋，按照4速→3速→2速的順序?qū)︺@孔進(jìn)行注漿，高速擋注漿時(shí)升壓后及時(shí)更換為低速擋，直到2速擋達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后停止注漿。孔內(nèi)注漿采用孔口、孔底正反向同時(shí)注漿方式，下行注漿管在圍巖破碎時(shí)采用鋼管。具體布置如圖3所示。

圖3 下行注漿示意Fig.3 Downward grouting indication

根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力的大小可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

P=(2～4)Pw

式中，P注漿壓力；Pw為注漿點(diǎn)的靜水壓力。

根據(jù)探水期間實(shí)測(cè)靜水壓力確定此次工作面注漿終壓，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)靜水壓力2.5～2.8 MPa，則注漿壓力控制在10～11 MPa?？卓诠苣蛪褐抵饕Q于注漿的最大壓力和注漿終壓，孔口管耐壓值不低于12 MPa，且持續(xù)時(shí)間不小于30 min。

5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)和注漿效果評(píng)價(jià)

注漿泵的2速擋的注漿壓力達(dá)到11 MPa，吸漿量低于20 L/min且持續(xù)30 min；注漿孔的涌水已封堵、無(wú)噴水，且其涌水量小于1 m3/h。砂巖富含水層工作面預(yù)注漿總共施工鉆孔124個(gè)，注漿前最大涌水量達(dá)到130 m3/h，注漿后整個(gè)段高內(nèi)涌水量不超過(guò)2 m3/h，材料用量為普通硅酸鹽水泥301.6 t，超細(xì)水泥758.59 t，注漿料427.9 t。掘進(jìn)期間的涌水量均不大于2 m3/h，取得了較好的效果，順利完成了該段砂巖的井筒掘砌施工。

6 結(jié)語(yǔ)

楊河煤業(yè)43采區(qū)副立井過(guò)平頂山富含水層砂巖工作面預(yù)注漿堵水，通過(guò)采用優(yōu)化段高控制、優(yōu)化鉆孔布置、采用新型注漿材料、孔內(nèi)正反同時(shí)注漿和優(yōu)化復(fù)雜地帶注漿措施的實(shí)施，成功地完成了平頂山富含水層厚砂巖段的探注、掘進(jìn)工作，掘進(jìn)期間最大涌水量2 m3/h，成功穿過(guò)砂巖富含水層57 m，該工作面預(yù)注漿技術(shù)堵水效果良好。研究為今后在類似立井工程過(guò)富含水層施工積累了工程經(jīng)驗(yàn)，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。