近淺埋煤層立井施工注漿過承壓含水層技術(shù)應(yīng)用

姚紀凱

(陜西榆林能源集團有限公司，陜西 榆林 719099)

0 引言

杭來灣煤礦于2012年開始投產(chǎn)，年產(chǎn)800萬t，當前301盤區(qū)規(guī)劃的10個綜采工作面已經(jīng)回采至第9個，接續(xù)盤為302盤區(qū)。為滿足301和302盤區(qū)的分區(qū)通風及安全出口需求，在井田中部設(shè)計了2條立井井筒，分別為一號進風立井和一號回風立井。井筒鑿進過程中，一方面由于地質(zhì)條件變化以及下伏地層中承壓含水層的影響，給采用普通法施工的井筒工程帶來諸多困難[1-3]；另一方面，2條立井井筒處于地表環(huán)境脆弱的毛烏素沙漠和黃土高原交接地帶，地表生態(tài)環(huán)境脆弱，在減小對地下承壓含水層影響的同時還需要重視對地表生態(tài)環(huán)境的保護[4-6]。因此，提出了近淺埋煤層立井施工注漿過承壓含水層技術(shù)。通過在鑿進施工中采用優(yōu)化工藝順序、合理搭配機械和優(yōu)化漿液配合比等方法實施超前預注漿，以期順利通過3層承壓含水層，實現(xiàn)2條立井井筒的如期、安全掘進，保證礦井的正常接續(xù)、滿足通風和安全需求，為實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效提供了有力保障。

1 井筒工程技術(shù)特征和地質(zhì)特征

1.1 工程技術(shù)特征

根據(jù)設(shè)計，一號進風立井井筒深度242.4 m，主要擔負井田中南部的進風任務(wù)，兼安全出口。一號回風立井井筒深度238.1 m，主要擔負井田中南部回風任務(wù)，兼安全出口。2條井筒斷面特征一致，均為凈直徑6.5 m，凈斷面積33.2 m2，表土段掘進斷面為49.0 m2，基巖段掘進斷面為45.3 m2。井筒支護及斷面特征見表1。

表1 井筒支護及斷面特征

1.2 地質(zhì)特征

井田地處毛烏素沙漠東南緣，為黃土高原和毛烏素沙漠接壤地帶，所在區(qū)域的土層主要以第四系風積粉細砂、粉土層、風積黃土層為主。巖層以侏羅系中統(tǒng)直羅組、延安組砂巖為主，泥巖次之。煤層分布于延安組地層之中，地層特征見表2。

1.3 水文地質(zhì)特征

進回風立井施工場地的地下水細化分為多個含水層(組)，其中主要承壓含水層有3層，分別為第四系松散層孔隙裂隙潛水含水層、基巖頂界風化殼承壓裂隙水含水層、侏羅系中統(tǒng)直羅組和延安組碎屑巖類裂隙承壓水含水層。第四系松散層孔隙裂隙潛水含水層穩(wěn)定水位深度為25.05 m，穩(wěn)定標高為1 254.94 m，屬于潛水類型，補給主要為大氣降水、區(qū)域性側(cè)向補給及沙漠凝結(jié)水補給；基巖頂界風化殼裂隙承壓水含水層穩(wěn)定水位深度為25.01 m，穩(wěn)定標高為1 254.98 m，屬承壓水，接受上覆第四系潛水含水層補給，徑流受基巖頂界風化殼控制，向西北方向的沙漠灘地排泄；侏羅系中統(tǒng)直羅組碎屑巖裂隙承壓含水層穩(wěn)定水位埋深26.14 m，穩(wěn)定標高為1 253.85 m，屬于承壓水；侏羅系延安組碎屑巖類裂隙承壓水層穩(wěn)定水位埋深28.01 m，穩(wěn)定標高為1 251.98 m，屬承壓水類型，在基巖露頭處接受大氣降水補給，局部地段接受上覆含水層的下滲補給。本區(qū)域內(nèi)地下水位受降雨影響，年變幅1.0～3.0 m。含水層預測涌水量見表3。

1.4 井筒施工存在的問題

在此種地層和水文地質(zhì)條件下，立井施工可能遭遇破碎地層遇水軟化導致鑿進工作面基巖失穩(wěn)垮塌，或者承壓含水層大量涌至工作面造成施工困難等問題[7-9]。為了有效避免上述問題的出現(xiàn)，進行了細致的研究和探討，確定對立井鑿進工作面進行超前預注漿工藝。

2 近淺埋風積沙承壓含水層立井施工超前注漿工藝設(shè)計

2.1 控制井筒工作面水害的技術(shù)原則

在進回風立井施工中，首先對照井筒檢查地質(zhì)柱狀圖，結(jié)合迎頭巖性情況加以分析，執(zhí)行“有疑必探，先探后掘、有水必注”的防治水措施[10-12]。然后，通過超前注漿技術(shù)和強力的排水系統(tǒng)實現(xiàn)工作面安全施工，其中工作面預注漿止?jié){墊優(yōu)先選用止?jié){巖帽。

2.2 注漿方法

2.2.1 超前注漿的組成和工藝流程

超前預注漿采用的是前進式注漿工藝，即通過注漿泵克服漿液流動阻力，驅(qū)使?jié){液在巖層裂隙以及層面、破碎帶中流動、擴散、充填、密實，整個過程需要鉆孔、漿液攪拌、注漿、養(yǎng)護、鑿進等工藝。結(jié)合鑿進工作面實際的巖層情況，注漿順序為施工止?jié){墊(鉆進面巖層完整性好，則不需要此項工藝)→鉆孔→下入止?jié){塞→安裝注漿管路及注漿泵→注入孔內(nèi)漿液→養(yǎng)護→鑿進→重復上述順序。

2.2.2 注漿前準備工作

首先將工作面浮矸清理干凈、排水除淤，并用風鎬找平，然后在工作面施工止?jié){墊及預埋孔口管。過程中，采用單極球面型混凝土止?jié){墊，另外在止?jié){墊下加一層0.3 m厚濾水層(根據(jù)工作面涌水情況調(diào)整)，濾水層與止?jié){墊之間鋪設(shè)一層隔漿塑料布，井中預埋350 mm的排水孔(在止?jié){墊施工時排水用)。止?jié){墊初凝后利用整體模板的懸吊繩安裝3層吊盤，同時利用四根鋼柱支撐3層平臺，鉆機固定在3層盤上。

2.2.3 注漿孔設(shè)計

采用TXU-200A鉆機鉆機施工，在周邊布置的孔口管內(nèi)打φ75 mm的探孔，探水時應(yīng)設(shè)置防噴閥。如果探眼總出水大于10 m3/h，則進行工作面預注漿。預注漿時止?jié){墊內(nèi)設(shè)計埋設(shè)φ108 mm孔口管，埋設(shè)的孔口管數(shù)量根據(jù)含水層位及井筒斷面確定，孔口管上焊接φ133 mm法拉盤，法蘭盤上連接φ133 mm高壓球閥及防噴閥，鉆具通過球閥鉆進，傾角87°，沿徑向外斜。每個孔口管布置1個注漿孔，井筒中心布置一個檢查孔。

2.2.4 注漿工藝設(shè)計

打鉆、注漿平行作業(yè)，漿液注入量根據(jù)注漿孔孔內(nèi)情況而定。注漿泵采用HZP22型雙液注漿泵，安裝于地面，井筒內(nèi)吊掛φ32 mm高壓膠管作為注漿管路，漿液采用水泥單液漿，水泥-水玻璃雙漿液作為最后封孔。水泥漿水灰比0.8∶1；C∶S比1∶1。水泥為42.5#普通硅酸鹽水泥；水玻璃模數(shù)為2.8～3.2，波美度35～40；注漿漿液先稀后濃，逐漸調(diào)級，注漿時必須連續(xù)不斷直至達到注漿結(jié)束標準。注漿終壓為靜水壓的2.0～2.5倍，每次注漿完一段高后進行掘進，掘進時必須留5 m，作為下一段高的巖帽。若巖石破碎，應(yīng)澆灌混凝土止?jié){墊，并對鉆孔進行壓水試驗，檢查止?jié){墊的密封效果。

表3 含水層預測涌水量

2.2.5 特殊情況下的注漿措施

在注漿過程中，對于巖層裂隙發(fā)育，裂隙跑漿量較大的情況。采取在水泥漿內(nèi)加入一定數(shù)量的骨料注入巖層內(nèi)，使骨料在漿液外泄時留在裂隙內(nèi)以堵塞裂隙，并封注漿液，或采取斷續(xù)開機，使裂隙內(nèi)漿液有一定的凝固時間，并使混合器以下的管路內(nèi)漿液基本初凝后注入巖層縫隙內(nèi)，以達到充填密實的目的。

2.3 立井井筒工作面排水系統(tǒng)設(shè)計

當工作面涌水小于10 m3/h時，可通過BQF-50/25風動潛水泵將水排至吊桶的方法進行排水。工作面涌水大于10 m3/h，安裝排水系統(tǒng)，迎頭用BQF-50/25風動潛水泵將水排至吊盤水箱，由2臺臥泵排至地面，并進行工作面預注漿封堵。臥泵型號100DG-100×10，排水量Q為70 m3/h，揚程H為1 000 m，電機功率440 kW，電壓等級6 kV。在上層盤布置臥泵和轉(zhuǎn)水箱，井筒內(nèi)排水管選用-108 mm×6 mm鋼管。

3 超前注漿施工

根據(jù)地質(zhì)資料，針對109～139 m承壓含水層，在可能會發(fā)生涌水災(zāi)害和超過約定涌水量的地段，進行了超前預注漿。

3.1 一號進風立井注漿施工

在一號進風立井實際施工過程中，實際最大涌水量達到52 m3/h，利用一臺TXU-200A鉆機在工作面施工56個φ45 mm×4 000 mm注漿孔，其中在工作面中部布置一個泄水孔進行觀測，鉆孔總進尺為464 m，注漿液的單液漿水灰比為0.75∶1，消耗PO.42.5水泥236.3 t；雙液漿(水泥∶水玻璃)為1∶0.6，消耗水泥為8.7 t，水玻璃6.93 t，施工C40混凝土止?jié){墊4.1 m，共計195.8 m3。超前預注漿完成后，經(jīng)泄水孔觀測無涌水后，破除止?jié){墊開始鑿進作業(yè)，重復上述工作，最終順利通過承壓含水層。

3.2 一號回風立井注漿施工

回風立井鑿進工作面涌水量超過約定涌水量(20 m3/h)時，利用一臺TXU-200A鉆機，施工56個φ45×4 000 mm注漿孔，并用水灰比為1∶0.8單液漿、(水泥漿∶水玻璃)為1∶0.3的雙液漿進行超前預注漿。一號回風立井實際施工中，實際最大涌水量達到75 m3/h，利用TXU-200A鉆機在工作面注漿打鉆115.5 m。注漿過程中，單液漿水灰比為0.75∶1，消耗PO.42.5水泥936 t，雙液漿(水泥∶水玻璃)配合比為1∶0.6，消耗水泥14 t，水玻璃11.22 t。井筒止?jié){墊澆筑C40混凝土113.35 m3。

3.3 注漿效果

通過超前預注漿工藝控制住了2條立井井筒的涌水量，在一號進風立井工作面的最大涌水量為52 m3/h，一號回風立井工作面最大涌水量75 m3/h，經(jīng)過注漿工藝，最后涌水量均小于1 m3/h，遠小于6 m3/h的要求，注漿效果明顯。對比結(jié)果見表4。

表4 施工和竣工涌水量對比

4 結(jié)語

杭來灣煤礦處于環(huán)境比較脆弱的毛烏素沙漠與黃土高原交接地帶，在采煤層為近淺埋煤層，進回風立井井筒施工時遭遇3層承壓含水層。為保證礦井接續(xù)、彰顯企業(yè)環(huán)境保護責任，在立井普通法施工過程中，通過采用超前預注漿工藝，改進了近淺埋風積沙承壓含水層立井施工超前注漿工藝；結(jié)合實際地層情況提出了注漿材料合理配比及其性能要求。在杭來灣煤礦302盤區(qū)進、回風立井合理選型配置了注漿設(shè)備和安全設(shè)施，保證了立井鑿進安全，保護了地下承壓含水層，減小了對地表生態(tài)環(huán)境的影響，可以為本地區(qū)類似地質(zhì)條件下立井施工過承壓含水層提供參考。