地面順層孔注漿技術在帷幕截流工程中的應用

石志遠

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

朱仙莊煤礦北部8煤頂板覆蓋侏羅系灰?guī)r角礫含水層(“五含”)，巖溶極其發(fā)育，與太灰、奧灰水力聯(lián)系密切，具有靜儲量大、導水性好、動態(tài)補給強(2000m3/h)、水壓高(3～4MPa)的特征[1，2]。1993年放水試驗穩(wěn)定水量590m3/h，五含疏降中心水位下降98m，太灰水位下降57.7m，奧灰水位下降12.8m，2015年1月30日，866-1工作面發(fā)生五含潰水事故，疏干開采不可行。五含水嚴重威脅下伏1500余萬噸煤炭開發(fā)，礦井面臨接替失衡，服務年限大幅縮短的困境，五含水害難題亟需解決。因此提出了“帷幕截流，疏干開采”的治理思路[3-13]。同時，鑒于地面定向鉆進注漿技術在薄層灰?guī)r區(qū)域治理[14-16]、水害探查[17，18]和突水災害治理[19]及斷層預注漿加固[20]等多種災害防治領域的應用日漸成熟，具有超前高效精準探查、注漿充分可控、覆蓋空間范圍大、水害隱患整體消除效果好等優(yōu)勢，與帷幕注漿技術相結合可以解決現有帷幕的弊端?；诖?，本文針對五含深埋區(qū)(埋深大于325m)，基于地面順層孔注漿技術研究了深埋巨厚溶隙裂隙含水層帷幕建造技術，對鉆孔布置方法、注漿控制技術和效果檢驗方法進行了研究和工程實踐，為礦山截流帷幕建造提供了借鑒，也為類似條件下地下巖土工程帷幕截水提供了參考。

1 朱仙莊礦五含水文地質特征

朱仙莊礦北部8煤的直接充水含水層是頂板五含，五含覆蓋在向斜揚起端，井田內面積2.8km2，向北呈喇叭狀，如圖1(a)所示。五含巖溶發(fā)育具有淺強深弱的垂向分帶特征，標高-300m以淺巖溶發(fā)育率為8.82%，標高-350m至-300m為13.2%，標高-400m至-350m為0.83%，k=0.326～6.842m/d，徑流條件好，靜儲量大。單位涌水量0.293～4.378L/(s·m)，富水性中等-強。五含穩(wěn)定水位約標高-20m至-30m，8煤開采標高-350m至-400m，頂板承受水壓約3～4MPa。

鉆孔揭露厚度55～65m，埋深220～530m，西高東底，南北向和東西向地質剖面圖分別如圖1(b)和圖1(c)所示，五含角度不整合壓覆于煤系、太灰及奧灰之上，受太灰、奧灰頂托補給。奧灰水量豐富，是五含的主要補給水源，根據放水試驗計算采區(qū)內五含疏放至-350m時動態(tài)補給量不小于2000m3/h。因此，五含和太灰、奧灰是威脅8煤開采的主要充水含水層，水量大、水壓高、難疏降。

2 地面順層鉆孔帷幕注漿技術

2.1 鉆孔布置

鉆孔設計遵循“探查-治理-加固-驗證”的原則，斜孔探查，順層孔治理，交叉斜孔加固，直孔檢驗。帷幕地面順層鉆孔布置如圖2所示。

圖2 帷幕地面順層鉆孔布置

1)每個定向孔組首先施工一個探查斜孔，查明五含頂底界，為分支孔設計提供依據。

2)順層孔雙排并列布置，排距20m，單側分支孔的垂向間距20m，最上層孔位于五含上5m，最下層孔位于五含下15m，內外排平行錯位布置。

3)相鄰孔組搭接長度不小于20m，確保不留空白區(qū)。

4)每個組孔布置1個延伸到對側末端的檢查加固孔，自上至下、從一側向另一側鉆進，進行貫穿帷幕的質量檢查和加固。

5)帷幕完成后在鉆井液漏失嚴重、注漿量大及斷層帶等注漿薄弱區(qū)段施工檢查直孔，進行取芯和水文地質試驗檢驗帷幕注漿效果。

2.2 注漿控制方法

帷幕注漿既要控制漿液在設定范圍內擴散，又要帷幕全斷面封堵過水通道。采用孔口封閉止?jié){、靜壓注漿法。針對不同溶隙裂隙發(fā)育程度的地層，制定了相應的帷幕建造注漿工藝：一是對于巖石完整，溶隙、裂隙不發(fā)育，鉆井液不漏失或輕微漏失的含水層段，采用前進式控壓注漿法；二是對于斷層破碎帶、巖溶、裂隙發(fā)育段，鉆井液漏失大于10m3/h，采用多回次控量注漿法。

2.2.1 前進式控壓注漿

1)每延伸30～50m進行一次壓水試驗，透水率小于1Lu則繼續(xù)鉆進，大于1Lu則注漿。

2)采用純水泥漿，漿液比重在1.2～1.7之間由小到大調整。

3)注漿終壓為帷幕承受水壓力的1.5～2倍，即設計終壓4.5～8MPa。

4)每段注漿完畢后進行壓水試驗，透水率小于1Lu則繼續(xù)鉆進，大于1Lu則補充注漿。

2.2.2 多回次控量注漿

1)注漿段長：當遇到鉆井液漏失超過10m3/h時，向前延伸5～10m，進行注漿。

2)注漿量控制：在控制注漿量方面，由于巖溶地層中節(jié)理裂隙發(fā)育不規(guī)則，且存在溶洞、構造破碎帶等情況，在注漿過程中極易出現某一段注漿量大而壓力低的現象，因此應根據回次極限注漿量控制注漿，回次極限注漿量計算可采用以下公式：

Q=aLnπr2/m

(1)

式中，Q為回次極限注漿量，m3；a為漿液充填率，取0.6～0.8；L為注漿段長，m；n為線巖溶率；r為漿液擴散控制半徑，取帷幕寬度的四分之一，m；m為漿液結實率，取80%～98%。

3)漿液類型和配比：采用粉煤灰水泥漿，粉煤灰摻量10%～40%，漿液比重1.4～1.7。注漿量達到回次極限注漿量的60%仍無壓或壓力小于1倍水壓，采用間歇注漿，間歇時間不大于4h。

4)壓水試驗檢驗：每回次注漿完畢后，進行壓水試驗，透水率小于1Lu則繼續(xù)延伸，大于1Lu則重復控量注漿至達到結束標準。

2.3 工程實施

朱仙莊煤礦帷幕東線五含埋深大于325m，采用地面順層孔建造，順層孔段帷幕全長2.5km，施工10對20個水平孔組，91個分支孔，檢查直孔7個。鉆探進尺41464m。注漿340056t。朱仙莊帷幕地面順層鉆孔布置如圖3所示。

圖3 朱仙莊帷幕地面順層鉆孔布置

3 帷幕注漿效果檢驗

通過施工過程中一、二序孔注漿指標對比、帷幕貫通后的檢查孔壓水試驗檢驗和帷幕竣工后的放水試驗對帷幕注漿效果進行三階段的檢查驗證。

3.1 一、二序孔注漿指標對比

將一、二序孔的注漿終壓和單位注漿量進行對比分析，注漿終壓提升和單位注漿量下降可以在一定程度上反應帷幕注漿的效果，如圖4所示。其中，一序孔采用較低的終壓5～6MPa對五含進行低壓充填，二序孔可以提高注漿壓力至6～9MPa進行高壓加固；一、二序孔單位注漿量分別為7～26t/m和1～8t/m，下降60%～80%，帷幕注漿充分填充了五含溶隙裂隙，提高了阻水性。

圖4 一、二序孔注漿終壓和單位注漿量對比

3.2 檢查孔取芯和分段壓水檢驗

五含角礫巖注漿改造前后物理力學性質見表1，改造后的抗壓強度提高1.6MPa，彈性模量提高0.18MPa，泊松比和密度略有增大，而孔隙率降低77.5%，說明注漿充分充填了巖體空隙，改變了礫巖的物理力學性質，注漿效果良好。

表1 注漿改造前后角礫巖物理力學性質對比

6個檢查直孔分段壓水試驗結果如圖5所示，注漿后五含透水率小于1Lu，相比較注漿前五含透水率10.00～225.11Lu(平均47.8Lu)，五含滲透性顯著下降，已改造為相對隔水層。

圖5 檢查孔單位透水率散點圖

3.3 井下放水檢驗

一方面通過放水試驗，得到帷幕內外各含水層水位、降深、降速的歷時曲線，判斷帷幕內外各含水層的水力聯(lián)系；另一方面得到帷幕過水量計算截流率。

2018年5月試放水平均放水量186m3/h，帷幕內外五含最大水位差233m。9月16日帷幕內外五含水位已近趨穩(wěn)定。9月16日至10月29日進行了工業(yè)性疏干放水，放水量約450m3/h，至2021年7月總放水量小于80m3/h，其中帷幕過水量小于40m3/h，與放水試驗計算的直接疏干開采補給量2000m3/h對比，截流率超過98%，放水試驗期間觀測孔水位動態(tài)如圖6所示。帷幕范圍內五含全部疏干，帷幕外五含、奧灰和太灰水位穩(wěn)定，帷幕內五含地面觀測孔水位標高-350m，井下觀測孔水位標高小于-390m，內外水位差接近350m且趨于穩(wěn)定。目前已完成五含下2個工作面回采，期間無涌水，帷幕過水量趨于下降，觀測孔水位穩(wěn)定，帷幕截流效果顯著，穩(wěn)定性良好。

圖6 放水期間帷幕內外典型含水層水位動態(tài)

4 結 論

1)利用地面定向順層孔通過雙排平行錯位布孔，內外交叉檢驗加固，以及前進式控壓、多回次控量的注漿控制工藝和三階段質量檢查，可解決煤礦大埋深、巨厚層、極強富水溶隙裂隙含水層的帷幕截流問題，具有跨度大、無效進尺少、施工周期短、經濟高效的優(yōu)勢。

2)五含礫巖注漿改造后的抗壓強度提高1.6MPa，孔隙率降低77.5%，彈性模量、密度也略有提高，透水率小于1Lu，注漿效果良好。

3)井下放水驗證帷幕過水量小于40m3/h，截流率大于98%，內外水位差大于350m，帷幕截流效果良好且運行穩(wěn)定。

4)研究成果具有廣泛的推廣應用價值，可以解決側向強補給頂底板水害和斷層帶側向強補給底板水害等綜合性水害難題，可推廣應用至煤礦、金屬礦山和隧道等領域的水害防治。