厚新生界覆蓋層井壁破裂出水微創(chuàng)快速修復(fù)實(shí)踐

付攀升

（永城煤電控股集團(tuán)有限公司城郊煤礦，河南 永城 476600）

厚新生界覆蓋層內(nèi)井壁破裂出水是井筒常見(jiàn)病害之一，若治理不及時(shí)或采取方法不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)大量涌水潰砂險(xiǎn)情，進(jìn)而可能造成礦井被淹、井筒報(bào)廢等嚴(yán)重事故[1-4]。本文以城郊煤礦主井壁破裂出水為例，分析厚新生界覆蓋層井壁破裂出水特征及破壞原因，對(duì)井壁微創(chuàng)快速修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了有益探討和工程實(shí)踐。

1 礦井概況

城郊煤礦位于黃淮沖積平原東部，地面標(biāo)高+32～+35 m，地表全為巨厚新生界松散沖積物所覆蓋，受古地形影響而東南薄西北厚，厚度230～431 m，均厚369 m。其主井于2002 年建成并交付使用，井筒直徑5 m，深度523 m，凍結(jié)深度383 m，表土及風(fēng)化基巖段采用雙層鋼筋混凝土聚乙烯塑料夾層復(fù)合井壁，外壁厚650 mm，內(nèi)壁厚700 mm；基巖段深度183 m，采用素混凝土支護(hù)，壁厚350 mm。主井建成后一直穩(wěn)定運(yùn)行，井筒無(wú)涌水。

2 井壁破壞特征

井壁破裂位置：破裂段對(duì)應(yīng)地層為新生界新近系上新統(tǒng)細(xì)砂層（層厚4.5 m），井深185～187 m 段，其上部為砂質(zhì)黏土，厚12 m，下部為黏土，厚5 m。破裂特征：破裂帶形成水平閉合的環(huán)狀，破裂寬度不等（0.5～1.8 m），破裂帶內(nèi)井筒內(nèi)表面呈豎片狀剝落，剝落厚度約100～200 mm，使內(nèi)壁鋼筋外露，豎筋及環(huán)筋外露彎曲向井內(nèi)凸鼓，同時(shí)在破裂帶裂隙中有淋水、滲水現(xiàn)象，出水點(diǎn)分散，水量約1.5 m3/h，水壓0.9 MPa，水色較清、無(wú)沙。

3 井壁破壞原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，井筒破壞位置在新生界新近系表土層中，巖性為細(xì)砂。依據(jù)建井地質(zhì)資料，主井揭露新生界覆蓋層296 m，可分為第四系全新統(tǒng)孔隙潛水含水段、第四系更新統(tǒng)孔隙承壓含水段、新近系上新統(tǒng)孔隙承壓含水段及新近系中新統(tǒng)孔隙承壓含水段4 個(gè)含水段，總厚約121 m。其中新近系上新統(tǒng)含水段是地面工業(yè)用水的重要來(lái)源，勘探時(shí)期新近系上新統(tǒng)含水層原始水位+30.90 m 左右，至今該段含水層水位-53.19 m，水位下降了84.09 m。同時(shí)，根據(jù)工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)沉降點(diǎn)觀測(cè)資料，近20 年來(lái)工業(yè)廣場(chǎng)總體下沉量205 mm。故水位下降、孔隙水壓力降低導(dǎo)致新生界松散層變密實(shí)，造成了井筒周邊的地表沉降。在沉降過(guò)程中由于地層與井壁之間摩擦力作用施加給井壁外表面一個(gè)豎直向下的附加應(yīng)力[5]，當(dāng)附加應(yīng)力超過(guò)井壁強(qiáng)度時(shí)導(dǎo)致井壁破壞。

4 井壁微創(chuàng)快速修復(fù)方案及實(shí)施

4.1 井壁微創(chuàng)快速修復(fù)方案

根據(jù)井壁破裂的特征及原因分析，在最大限度減少對(duì)原井壁結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合井壁修復(fù)的及時(shí)性和可靠性，采取微創(chuàng)的方式，確定采用以下修復(fù)方案：井壁破損預(yù)處理→井壁強(qiáng)化加固（首先井壁破壞區(qū)及上下7.5 m 范圍架井圈密集加固并采用C50 灌漿充填+豎向鋼軌支護(hù)，強(qiáng)化井壁橫向抵抗力，同時(shí)在出水點(diǎn)預(yù)留導(dǎo)水孔，其作用一是避免影響后期灌漿充填支護(hù)效果，二是壁間注漿期間起到觀察孔和誘導(dǎo)注漿孔作用；然后采用22 kg/m 軌道豎向固定井圈）→壁間注漿堵水，達(dá)到對(duì)井壁微創(chuàng)快速修復(fù)的目的。井壁加固結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 井壁加固結(jié)構(gòu)圖

4.2 井壁微創(chuàng)快速修復(fù)實(shí)施

4.2.1 井壁破損預(yù)處理

首先采用撬杠、手錘敲掉井壁表面起鼓、破碎的混凝土，局部變形嚴(yán)重處，采用風(fēng)鎬擴(kuò)刷至井壁凈直徑；然后將變形的豎筋及環(huán)筋進(jìn)行復(fù)位，對(duì)無(wú)法復(fù)位的鋼筋，切除原鋼筋并采用原型號(hào)、材質(zhì)鋼筋進(jìn)行植筋。

4.2.2 井壁強(qiáng)化加固

井壁破壞區(qū)及上下7.5 m范圍架井圈密集加固，加固段高為20 m。分三段進(jìn)行井圈架設(shè)，先架設(shè)井壁破裂段（對(duì)應(yīng)井深183～188 m），然后架設(shè)井壁破裂段下部7.5 m范圍，最后架設(shè)井壁破裂段上部7.5 m 范圍。每段井圈架設(shè)均采取“由下向上”逐層架設(shè)。

每層井圈由6 節(jié)相同的20#槽鋼加工而成，每節(jié)槽鋼由3 條Φ27 mm×50 mm 螺栓連接，每層井圈間使用3 條Φ20 mm×75 mm 鍍鋅高強(qiáng)螺栓均勻連接，形成整體。每段架設(shè)井圈區(qū)域第一層井圈使用6 根Φ27 mm×420 mm 錨桿配合樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行固定，第一層井圈為澆筑托底井圈（井圈外沿直徑5 m）；第二層開(kāi)始每層井圈使用3 根Φ27 mm×420 mm 錨桿均勻固定，固定井圈錨桿外露30～50 mm（井圈外沿直徑4.95 m）；每?jī)蓪渝^桿要求交替三花布置，確保井圈接頭也實(shí)現(xiàn)交替連接。

每段井圈架設(shè)高度1 m 時(shí)，使用C50 灌漿料充填，C50 灌漿料選用超早強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，配合比為水:粉料=0.125:1（質(zhì)量比）。井圈兼作為澆筑灌漿料模板使用，澆筑灌漿料前將每段井圈最下一層使用黃泥、破布等進(jìn)行封堵，確保澆筑灌漿料期間不發(fā)生漏漿情況。灌漿施工期間，為保證灌漿料充填密實(shí)，使用專(zhuān)用工具，人工振搗。

井圈架設(shè)完畢后，采用豎向鋼軌加固，每根鋼軌長(zhǎng)2.5 m，沿井圈圓周均勻布置6 排，每根鋼軌采用4 個(gè)專(zhuān)用卡子固定，卡子采用Φ20 mm×75 mm 螺栓與井圈固定，加強(qiáng)每段井圈的整體性。

4.2.3 壁間注漿堵水

井壁強(qiáng)化加固結(jié)束后，針對(duì)井壁破裂段出水點(diǎn)分散、水量小、水壓低的特點(diǎn)，在井壁強(qiáng)化加固段采取壁間注漿方式，封堵壁間滲水通道，形成封水帷幕，達(dá)到堵水目的，同時(shí)對(duì)井壁破裂段進(jìn)行注漿充填，利用注漿材料對(duì)破壞部分井壁混凝土進(jìn)行重新膠結(jié)，使其成為一體，提高井壁整體抗載。

1）施工順序

注漿作業(yè)的方式采用上行式，分為2 個(gè)階段，第一階段為普注，即從井深196 m處依次向上造孔，共6 排鉆孔（井深位置196 m、191 m、187.5 m、184.5 m、181 m、176 m），每排布置6 個(gè)孔，孔間距2.6 m，孔深800 mm，排與排之間的鉆孔成三花布置。第二階段井壁破裂段預(yù)留的導(dǎo)水孔注漿封堵（井深位置186 m）。

2）注漿方式

為盡量減少注漿活動(dòng)對(duì)井壁的擾動(dòng)，并且增加井壁強(qiáng)度、減少漿液流動(dòng)阻力，同時(shí)提高注漿效率，采用誘導(dǎo)注漿及間隔注漿的方式，一排6 個(gè)孔同時(shí)完成造孔。首先1-1#孔注漿時(shí)，其余孔安裝壓力表和高壓閥門(mén)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壁后串漿壓力，一旦發(fā)現(xiàn)壓力過(guò)大，立即打開(kāi)閥門(mén)進(jìn)行泄?jié){；然后1-3#、1-5#、1-2#、1-4#、1-6#依次進(jìn)行。導(dǎo)水孔亦按此方式注漿封堵。

3）注漿設(shè)備及注漿參數(shù)

在主井井口房附近地點(diǎn)安設(shè)臨時(shí)注漿站，地面攪拌好的漿液通過(guò)注漿管路輸送到井筒注漿地點(diǎn)。注漿選用2ZBSB1.92～7.2/10.5～3-11 型高壓電動(dòng)注漿泵，注漿材料為水泥漿液和水泥-水玻璃漿液，水泥漿液選用PO52.5 超細(xì)水泥，水玻璃波美度40（模數(shù)2.8）。水泥漿液水灰比為0.75:1～1:1，水泥漿液與水玻璃體積比為1:0.3～0.5。在正常注漿階段，以低壓滲透為主，注漿壓力為靜水壓力的2 倍。

4）注漿施工工藝

利用風(fēng)鉆施工Φ55 mm、深500 mm 注漿孔，安裝孔口管并埋管試壓，壓力為注漿終壓1.2 倍。試壓成功后，安裝多閘閥三通型防涌堵可卸壓裝置，如圖2，以防止在打穿內(nèi)壁后發(fā)生孔內(nèi)出水涌砂事故。用Φ28 mm 鉆頭從閥門(mén)內(nèi)套孔穿透內(nèi)壁，進(jìn)入外壁100 mm；連接混注漿管路，先壓水沖孔后注漿，注漿壓力達(dá)到2.5 MPa 后采用水泥-水玻璃漿液封堵注漿孔并關(guān)閉孔口閥，打開(kāi)卸壓閥；沖洗注漿管路。

圖2 多閘閥三通型防涌堵可卸壓裝置

5）注漿過(guò)程特殊情況處理

注漿過(guò)程中發(fā)現(xiàn)井壁有裂紋等異常情況時(shí)，必須立即停止注漿，采取措施處理后方可繼續(xù)施工。

注漿過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)跑漿現(xiàn)象或注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后持續(xù)升高時(shí)，根據(jù)跑、漏漿情況，采取間歇性、點(diǎn)注等方法調(diào)整流量或漿液濃度處理，亦可以打開(kāi)誘導(dǎo)孔卸壓等措施，達(dá)到注漿預(yù)期目的。

5 修復(fù)效果

該煤礦主井采取微創(chuàng)快速修復(fù)技術(shù)，工期共用16 d，架設(shè)槽鋼井圈87 層，壁間注漿9.35 t。修復(fù)后，經(jīng)近一年觀測(cè)，井壁無(wú)變形、無(wú)涌水，修復(fù)效果理想，保障了井筒的安全運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)井壁破裂特征、出水情況及水文地質(zhì)條件變化等方面進(jìn)行分析，得出了新生界覆蓋層段含水層水位下降致使井壁承受的豎直附加應(yīng)力超過(guò)了井壁強(qiáng)度導(dǎo)致井壁破裂出水的結(jié)論。

2）井壁微創(chuàng)快速修復(fù)技術(shù)是在最大限度減少對(duì)原井壁結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合井壁修復(fù)的及時(shí)性和可靠性，采取微創(chuàng)的方式，利用修復(fù)加固和注漿堵水相結(jié)合的技術(shù)手段，在井壁破裂及鄰近20 m范圍內(nèi)采用“架井圈+灌漿充填+豎向鋼軌支護(hù)+壁間注漿堵水”的快速修復(fù)技術(shù)，提高了井壁整體抗載。井壁經(jīng)此技術(shù)修復(fù)后，不但有效地提高了井筒的整體強(qiáng)度，而且杜絕了涌水對(duì)井壁的侵蝕。

3）采用誘導(dǎo)注漿及間隔注漿的方式減少了注漿活動(dòng)對(duì)井壁結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，采用水泥-水玻璃雙液漿封注漿孔達(dá)到了滴水不漏的效果。

4）該技術(shù)具有安全性好、施工簡(jiǎn)便、治理速度快等優(yōu)點(diǎn)，為國(guó)內(nèi)外相似條件礦井井壁破裂出水快速修復(fù)提供借鑒。