斜井井筒涌水特征及注漿治理方法研究

魏世榮，金祥波，池明波，劉小慶

(1.北京低碳清潔能源研究院，北京 102209；2.國家能源集團(tuán) 煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；3.國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719300；4.國家能源集團(tuán) 烏海能源公司地測防治水管理部，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

井筒穿松散層施工時(shí)，若對松散層涌水控制不當(dāng)則可能影響井壁質(zhì)量，將導(dǎo)致井壁涌水漏砂，井筒長期漏水?dāng)y砂會造成壁后空洞發(fā)育，不利于井壁應(yīng)力平衡，當(dāng)空洞發(fā)育超過一定規(guī)模時(shí)，必然引起上覆地層沉陷，威脅井筒周邊建筑物安全，從而必須對井筒涌水水源進(jìn)行阻隔，對壁后空洞進(jìn)行探測和處理[1-3]。井筒涌水及壁后空洞封堵受加固段所穿地層的水文地質(zhì)條件、井壁結(jié)構(gòu)、井壁材質(zhì)、井筒強(qiáng)度、注漿目的等因素影響，對井筒治理方法的選取至關(guān)重要[4-6]。目前，壁后注漿法、疏水降壓法、旋噴注漿法等都能進(jìn)行井筒涌水的治理[7-11]。單一的壁后注漿對井筒抗壓強(qiáng)度要求較高，注漿壓力與注漿量的控制難度較大，若注漿壓力與流量不足，漿液有效擴(kuò)散距離將難以保證[12-15]；注漿壓力與流量過大，則可能導(dǎo)致井壁破裂，加劇井壁涌水?dāng)y砂情況，甚至引發(fā)突水涌砂事故[16-25]?？紤]駱駝山煤礦主斜井井筒抗壓強(qiáng)度僅為11.5MPa，抗拉強(qiáng)度0.23～1.845MPa，井筒混凝土澆筑厚度和強(qiáng)度不能滿足井下壁后注漿高壓堵水要求，決定選用旋噴注漿法截?cái)嘀餍本灿克a(bǔ)給水源，壁后注漿法充填井筒長期涌水?dāng)y砂形成的空隙和空洞，加固井筒并進(jìn)一步封堵井筒涌水，并配合水位觀測、流場變化分析、涌水量變化分析和鉆孔驗(yàn)證等方法對注漿治理效果進(jìn)行驗(yàn)證，綜合評估治理效果，消除井筒后期生產(chǎn)運(yùn)行期間的安全隱患，為礦井類似情況處理提供參考。

1 工程概況

駱駝山煤礦2006年開工建設(shè)，主斜井井筒于2007年竣工。礦區(qū)地表為殘坡積沙、礫石層、沙土及沖洪積沙，井筒穿過第四系濕陷性粉土層、粗礫巖層，二疊系上、下石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組進(jìn)入奧陶系地層，主斜井傾角22°，斜長1231.6m，明槽段斜長56.4m，巷道凈寬4.0m，邊墻高度1.5m。

主斜井在掘進(jìn)過程中穿過第四系及其下部基巖風(fēng)化帶時(shí)井筒涌水量較大，井筒建成后該區(qū)段井壁持續(xù)涌水，涌水量25m3/h，分析井筒出水點(diǎn)的水源來自第四系松散巖類孔隙潛水，受大氣降雨影響明顯，雨季期間井筒實(shí)測涌水量達(dá)到91m3/h，治理初期涌水量為62.94m3/h，涌水點(diǎn)主要集中在松散層與基巖交界面以下的基巖風(fēng)化帶中，出水特征主要以底板出水、側(cè)幫與底板接茬處出水為主，其余為井壁滲水，如圖1所示，其中兩處底板涌水?dāng)y砂，壁后空洞發(fā)育，持續(xù)涌水對井筒內(nèi)裝備和設(shè)施造成損害，使井筒附近的松散層及基巖風(fēng)化段通道疏通，從而造成地表水位持續(xù)、緩慢下降，使得表土層在井筒的外壁上產(chǎn)生一種“豎起附加力”，積累到一定程度后，可使井筒破裂，影響安全生產(chǎn)，甚至造成井筒報(bào)廢的嚴(yán)重后果。

圖1 主斜井地質(zhì)素描及出水點(diǎn)分布

針對駱駝山煤礦主斜井涌水量大，井筒涌水隨降雨量變化明顯的問題，需要通過相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，采取“堵”和“截”的綜合防治措施，防止井筒及周邊建筑物安全受到威脅，因此，本次根據(jù)駱駝山煤礦主斜井井筒第四系及其下部基巖風(fēng)化帶涌水?dāng)y砂致使井筒壁后出現(xiàn)空隙和空洞等情況，提出采用旋噴注漿法截?cái)嘀餍本灿克a(bǔ)給水源，采用壁后注漿技術(shù)充填井筒長期涌水?dāng)y砂形成的空隙和空洞，加固井筒并進(jìn)一步封堵井筒涌水的方法，配合水位觀測、流場變化分析、涌水量變化分析和鉆孔驗(yàn)證等方法對注漿治理效果進(jìn)行驗(yàn)證，綜合評估治理效果，消除井筒后期生產(chǎn)運(yùn)行期間的安全隱患。

2 旋噴注漿治理方法研究

2.1 旋噴注漿原理及工程布置

高壓旋噴注漿法是借助高壓射流技術(shù)原理，以高壓噴射流強(qiáng)力沖擊切割摻攪受注體，在改變受注體結(jié)構(gòu)和組成的同時(shí)使噴射的水泥漿與擾動后的破碎體凝結(jié)形成強(qiáng)度較高、滲透系數(shù)較小的固結(jié)體，實(shí)現(xiàn)加固受注體的目的。沿井筒周圍每隔一定間距施工足夠數(shù)量的旋噴樁，最后形成一個(gè)帷幕墻體，從而達(dá)到堵水治水的目的[11]。

針對駱駝山煤礦主斜井的涌水特征，為確保對松散含水層旋噴注漿帷幕的頂?shù)捉缃亓髯杷Ч?，?jīng)過實(shí)際探查及可行性論證，確定治理長度為40m，旋噴樁頂界高出松散層水位線2m、低于井筒底板2m，底界深入基巖開挖面以下2m?？紤]旋噴樁直徑為0.5～0.6m，設(shè)計(jì)旋噴鉆孔孔間距為0.5m，布置兩排旋噴樁，排間距為0.3m，兩排間的旋噴鉆孔呈梅花形布置，以確保單根旋噴樁之間的帷幕搭接效果。考慮井筒兩側(cè)鉆孔旋噴注漿過程中對井壁的影響，設(shè)計(jì)內(nèi)排鉆孔距兩側(cè)井筒外壁的間距為0.3m，旋噴注漿帷幕鉆孔布置如圖2所示。

圖2 旋噴注漿帷幕鉆孔布置

主斜井旋噴注漿鉆孔全部設(shè)計(jì)為地面鉆孔，鉆孔孔徑設(shè)計(jì)為?90mm，主斜井K0+19.1m處鉆孔由于無法在井筒上方直接施工垂直鉆孔，為了確保旋噴注漿帷幕封閉止水效果，主斜井K0+19.1m處鉆孔在地面布設(shè)傾角30°～80°的傾斜鉆孔。垂直鉆孔單孔孔深均為17m，傾斜鉆孔孔深介于17.2～24.3m。主斜井旋噴注漿鉆孔設(shè)計(jì)如圖3、圖4所示。

圖3 主斜井K0+19.1m處旋噴注漿鉆孔設(shè)計(jì)(m)

圖4 主斜井旋噴注漿鉆孔設(shè)計(jì)(m)

2.2 旋噴注漿材料及施工

本次旋噴注漿所使用的材料主要為水泥、食鹽、三乙醇胺，采用單液注漿工藝，其中水泥單液漿水灰比為1∶1，食鹽和三乙醇胺為添加劑，食鹽添加進(jìn)入水泥漿液的比例為5‰，三乙醇胺添加進(jìn)入水泥漿液的比例為5‰，旋噴注漿工程應(yīng)用水泥漿的壓力為20～25MPa，為提高固結(jié)體直徑及強(qiáng)度，通過重復(fù)噴射的方式，采用退桿旋轉(zhuǎn)噴射，退桿速度為0.15～0.25m/min，旋轉(zhuǎn)速度取15～25r/min，噴嘴采用指數(shù)收斂的直徑為2～3mm硬質(zhì)合金噴嘴，數(shù)量為1～2個(gè)。由于旋噴注漿樁設(shè)計(jì)的間距為0.5m，實(shí)際施工中按1m的孔間距跳孔施工，使用的設(shè)備與機(jī)具主要有旋噴鉆機(jī)、高壓注漿泵、漿液攪拌機(jī)、旋噴鉆噴一體鉆具等。旋噴設(shè)備配套如圖5所示。

圖5 旋噴設(shè)備配套

主斜井地面旋噴注漿自注漿開始至結(jié)束施工歷時(shí)61d，施工鉆孔432個(gè)，工程量7590m，共注水泥803t，平均單孔旋噴注漿用水泥1.86t，其中，405個(gè)旋噴鉆孔一次旋噴成孔，占全部注漿孔的94%。在施工過程中，主斜井多個(gè)鉆孔存在大量的孔內(nèi)漏失和失返現(xiàn)象，分析為局部井筒壁后空隙發(fā)育，嚴(yán)重影響旋噴樁成樁質(zhì)量，調(diào)整27個(gè)鉆孔為孔口灌漿和多次旋噴終孔，水泥用量502.6t，水玻璃21t，平均單孔孔口灌漿用水泥18.6t，用水玻璃0.78t。

2.3 旋噴注漿效果檢驗(yàn)

2.3.1 工程施工效果檢驗(yàn)

鑒于注漿期間多個(gè)旋噴鉆孔施工過程中存在漏失情況，考慮到反復(fù)掃孔注漿導(dǎo)致孔壁存在漿殼，可能存在旋噴樁成樁效果不佳的情況，在原有雙排帷幕線中間設(shè)計(jì)鉆孔進(jìn)行針對性探查驗(yàn)證，并施工帷幕取芯孔2個(gè)、井筒上方探查孔2個(gè)、帷幕探查驗(yàn)證孔22個(gè)。22個(gè)帷幕探查驗(yàn)證孔施工至原設(shè)計(jì)帷幕底界深度無漏失現(xiàn)象，2個(gè)施工至井筒頂部的鉆孔亦不存漏失。施工成果表明，原設(shè)計(jì)帷幕段工程質(zhì)量可靠，截流堵水效果明顯。

2.3.2 水位變化效果驗(yàn)證

為了監(jiān)測旋噴注漿帷幕效果，在主斜井附近及外側(cè)布置了7個(gè)松散含水層水位觀測孔，對比注漿前后第四系松散層水位變化，檢驗(yàn)注漿截流堵水效果。其中G1—G3位于井筒兩側(cè)，作為主斜井井筒兩側(cè)水位觀測點(diǎn)，G4—G7距井筒較遠(yuǎn)，作為區(qū)域水位觀測點(diǎn)。

在斜井井筒旋噴注漿施工過程中，對松散層水位分4個(gè)階段進(jìn)行水位觀測，水位變化曲線如圖6所示。階段1：項(xiàng)目開工初期，G1、G2、G3水文孔水位總體穩(wěn)定略微增長；階段Ⅱ：隨著主斜井地面旋噴注漿施工進(jìn)度加快，地面旋噴鉆孔大量注漿后帷幕截水效果明顯，主斜井治理段涌水量大幅度減小，G1、G2、G3水文孔水位同步大幅度上升，期間水位漲幅均超1m；階段Ⅲ：G1—G7水文孔水位穩(wěn)健上升，G1—G3三孔水位增幅雖變緩但已高于北部G7鉆孔水位；階段Ⅳ：隨著主斜井工程量基本完成，G1、G2孔水位恢復(fù)到正常水位，G3孔塌孔廢棄。井下涌水量已減少至10m3/h，G2水位增速減緩與外圍G4—G7觀測孔水位趨近，井筒近側(cè)鉆孔水位已與外圍鉆孔水位基本趨于一致，與工程開工前主斜井兩側(cè)水位(+1260m)相比上升2.7m。驗(yàn)證了地面旋噴注漿效果明顯。

圖6 松散含水層水文孔水位變化曲線

2.3.3 流場變化效果驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證注漿效果，通過注漿后松散含水層地下水流場情況進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，以4個(gè)時(shí)段對G1—G7觀測點(diǎn)進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)松散含水層地下水整體為由南向北、由東向西流，在主斜井井下涌水的排泄條件下，地面旋噴注漿帷幕效果未明顯顯現(xiàn)之前，G1—G3水文孔位置形成明顯的降落漏斗。隨著主斜井地面旋噴注漿帷幕效果明顯顯現(xiàn)、主斜井地面旋噴注漿帷幕施工全面完成、主斜井井下壁后注漿開始施工，在主副斜井位置形成的降落漏斗形態(tài)明顯變緩，工程主體施工結(jié)束后，主副井位置處的降落漏斗形態(tài)范圍已大幅縮進(jìn)，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了主斜井井筒水治理工程的效果。

2.3.4 涌水量變化效果驗(yàn)證

井筒治理段下方水溝處安設(shè)流量表用于對治理區(qū)域的涌水量進(jìn)行了動態(tài)觀測，井筒治理前涌水量為62.94m3/h，地面旋噴注漿工程結(jié)束后實(shí)測涌水量為10m3/h，堵水率達(dá)到84.1%，大幅度降低了井筒涌水。由此可見，地面旋噴注漿起到很好的堵水效果，如圖7所示。

圖7 松散含水層地下水水位等值線及流場

3 壁后注漿方法研究

3.1 壁后注漿原理

根據(jù)松動圈理論，在井筒開挖后，井壁圍巖將產(chǎn)生松動圈，松動圈范圍內(nèi)圍巖的滲透性增強(qiáng)，溝通含水巖層，在整個(gè)井筒壁后形成一定厚度的“松動含水圈層”，在井壁薄弱部位及接茬縫將產(chǎn)生滲水現(xiàn)象[23]，駱駝山煤礦井筒驗(yàn)收報(bào)告成果資料顯示，主斜井井筒壁后松動圈為2m左右。

壁后注漿為在壁后隔水層頂?shù)酌娌荚O(shè)注漿孔，注漿孔深度要求大于松動圈的范圍，隔斷含水層的水向井壁涌來，變井壁松動圈為無補(bǔ)給“松散含水圈層”。 由于隔離的松動圈無補(bǔ)給水源，則其內(nèi)原儲存的水將隨著井壁的滲漏而逐漸消失，對井筒的影響也將消失。由于井筒前期施工的旋噴注漿鉆孔已將松散層水與井筒隔離，井壁松動圈已成為無補(bǔ)給的“松散含水圈層”，后期對井筒涌水影響有限，因此，本次壁后注漿的關(guān)鍵點(diǎn)是充填因涌水流沙而形成的空洞和空隙，既起到堵水作用，又達(dá)到加固井筒的目的。

3.2 壁后空洞探查

為了查明井筒底板及壁后空洞分布情況，在主斜井底板每5m設(shè)計(jì)一個(gè)探查斷面，每個(gè)探查斷面設(shè)計(jì)2個(gè)探查孔，在主要出水點(diǎn)壁后設(shè)計(jì)了3個(gè)空洞探查孔，共施工31個(gè)底板空洞探查孔和9個(gè)壁后探查孔，探查孔孔深為1～1.5m，孔徑為?42mm。

3.3 工程布置

針對壁后空洞探查情況和井筒涌水點(diǎn)分布特征，考慮到主斜井為永久性大巷，實(shí)際注漿施工中，除了對出水段進(jìn)行注漿外，壁后空洞較大的地方進(jìn)行充填壁后注漿，確定壁后注漿范圍為主斜井高出松散層水位線以上2m位置至K0+65m位置井段。由于壁后注漿鉆孔需穿透碹壁對壁后空間進(jìn)行充填注漿，為提高注漿效果，鉆孔需延伸到碹壁外含水層中，考慮到井壁松動圈范圍在2m左右，設(shè)計(jì)壁后注漿鉆孔深度為2m，鉆孔方位均設(shè)計(jì)成垂直井壁，鉆孔開孔孔徑為?42mm，穿透井壁后以?28mm孔徑延伸至壁外含水層中。

一般壁后注漿鉆孔的排間距設(shè)計(jì)為5m，考慮到駱駝山煤礦主斜井混凝土碹壁裂隙發(fā)育較差，同時(shí)由于其支護(hù)方式都為混凝土砌碹和噴漿混凝土，其抵抗注漿壓力、水壓力、地應(yīng)力的共同作用能力有限，因此在有限注漿壓力約束的條件下其注漿漿液擴(kuò)散半徑必定有限，為了確保主斜井井筒壁后注漿效果，設(shè)計(jì)主斜井每個(gè)注漿斷面的邊墻和拱部都各布置4個(gè)鉆孔、底板布置3個(gè)鉆孔，經(jīng)過測算，砌碹段注漿斷面周長15.5m，錨噴段注漿斷面周長14.1m，壁后孔隙裂隙注漿量153m3，壁后流砂空洞注漿量50m3。主斜井壁后注漿治理段鉆孔布置斷面如圖8所示。

圖8 主斜井壁后注漿治理段鉆孔布置(mm)

3.4 壁后注漿材料及工藝

由于主斜井壁后為動水，本次旋噴注漿采用水泥單液漿和能快速凝固的水泥-水玻璃雙液漿工藝，所使用的水泥型號為PO42.5，水玻璃型號為30～45Be′。水泥單液漿的W∶C=1∶1，水泥-水玻璃雙液漿的C∶S=100∶5～100∶30，水泥-水玻璃雙液漿的凝膠時(shí)間根據(jù)其C∶S不同可在10～600s間可控調(diào)節(jié)。

由于主斜井的主要出水點(diǎn)大多分布在底板或底板與邊墻的接茬處，而且主斜井井筒底板都是素混凝土澆筑，底板下方及底板與邊墻之間都未鋪設(shè)和嵌入鋼筋，其在井筒壁后注漿期間抗壓能力有限，因此本次主斜井壁后注漿采用孔口封閉止?jié){靜壓注漿法，設(shè)計(jì)注漿壓力不超過1MPa。由于所需施工的鉆孔孔徑小、孔深淺，鉆機(jī)為常用風(fēng)鉆即可，井筒壁后注漿由于預(yù)估注漿量小，所需的注漿泵要求最大排量不大于50L/min的常用注漿泵。

3.5 井下空洞探查及壁后注漿施工

主斜井壁后施工的9個(gè)探查孔中7個(gè)探查孔有掉鉆現(xiàn)象，空洞大小在5～20cm，大部分有滴水現(xiàn)狀；施工的31個(gè)底板空洞探查孔中有11個(gè)探查孔有掉鉆現(xiàn)象，空洞大小在10～20cm，大部分無涌水。根據(jù)掉鉆深度繪制的東西兩側(cè)的底板空洞剖面面積分別為17.6m2和17.3m2，估算主斜井治理段底板空洞體積在70m3左右。

主斜井井下壁后注漿開始至施工結(jié)束歷時(shí)58d，施工鉆孔188個(gè)，工程量417m。共注水泥漿172.8t，用水玻璃9.8t；平均單孔用水泥0.93t，用水玻璃0.053t。在注漿過程中，對注漿材料、注漿工藝和注漿壓力進(jìn)行了動態(tài)調(diào)整，保證了注漿效果。

3.6 壁后注漿效果檢驗(yàn)

3.6.1 工程施工效果檢驗(yàn)

壁后注漿施工完成后，井下局部仍殘存涌水量極小的出水點(diǎn)，進(jìn)行排查分析，對井下原主要出水區(qū)域進(jìn)行探查性注漿施工，驗(yàn)證孔測試注漿壓力控制在0.25～0.35MPa之間，累計(jì)注漿0.8m3，單孔吃漿量0.018m3，整體吃漿量很小，說明整個(gè)施工區(qū)域井筒壁后已無可注性，壁后注漿采取的孔口靜壓灌漿措施有效地對主斜井底板及壁后空洞和空隙進(jìn)行了充填，進(jìn)一步驗(yàn)證壁后注漿工作已完成填充井筒壁后空洞的任務(wù)。

3.6.2 涌水量變化效果驗(yàn)證

井筒壁后注漿初始時(shí)涌水量為10.5m3/h，壁后注漿工程結(jié)束后實(shí)測涌水量為4.9m3/h，堵水率達(dá)到53.3%，進(jìn)一步降低了井筒涌水，結(jié)合地面旋噴注漿堵水效果，堵水率達(dá)到92.1%，達(dá)到了治理目的，主斜井涌水量變化曲線如圖9所示。

圖9 主斜井涌水量變化曲線

4 結(jié) 論

1)采用地面旋噴注漿和壁后注漿法對駱駝山煤礦主斜井井筒水和井筒壁后空洞進(jìn)行了治理，地面旋噴注漿帷幕截?cái)嗑灿克难a(bǔ)給水源-第四系松散巖類孔隙潛水，從根源上解決井筒涌水補(bǔ)給水源的問題，壁后鉆孔注漿充填了井筒壁后松動圈和由于長期涌水形成的空隙和空洞，提高了井筒圍巖穩(wěn)定性，封堵了井筒涌水點(diǎn)。

2)地面旋噴注漿法和井下壁后注漿法的有效結(jié)合，主斜井治理段涌水量由開工前涌水量62.94m3/h減少為4.93m3/h，減少58.01m3，堵水率達(dá)到92.1%，達(dá)到了治理目的，涌水量的驟減為煤礦節(jié)約了排水費(fèi)用，消除了長期涌水?dāng)y砂對井筒安全的威脅，為駱駝山煤礦順利復(fù)工復(fù)產(chǎn)提供了保障。

3)利用井筒兩側(cè)水文孔監(jiān)測水位分析流場變化、注漿效果鉆孔驗(yàn)證、現(xiàn)場監(jiān)測涌水量動態(tài)變化三種方法對地面旋噴帷幕截流和井筒壁后空洞治理井筒涌水效果進(jìn)行了驗(yàn)證，表明現(xiàn)場工程質(zhì)量高，治理效果明顯。同時(shí)，驗(yàn)證了該方法的科學(xué)性和可靠性。