定向斜孔壓密注漿技術治理斜井流沙段涌水的試驗研究與應用

劉輝

（中國煤炭地質總局 第一水文地質隊，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

井筒涌水量來源于井筒圍巖滲入井內(nèi)的水量，其大小與井筒通過含水層的性質、圍巖的滲透系數(shù)和涌水點與地下水層的壓差有關。王紹群、曹立洲、程曉博、谷拴成等[1-4]都是在井筒建設期，利用止?jié){墊和工作面預注漿通過含水層；高岳、汪敏華、趙慶彪、袁輝、席奇等[5-9]利用“S”、“L”型鉆孔技術、多分支鉆探技術、定向預注漿技術、斜井定向技術，建立臨界角度與其他影響參數(shù)之間的函數(shù)關系式，對復雜地層進行治理，提出在復雜富水地（斷） 層中進行定向預注漿技術，達到理想的治理效果；關文濤、張德輝、杜志龍等[10-12]針對含水層采用地面預注漿，鑿井涌水后工作面注漿等措施后仍不能滿足涌水治理要求的現(xiàn)狀，提出凍結法施工、利用疏干井排水治理豎井涌水，解決涌水量過大的問題；李振林[13]選用新型聚合產(chǎn)品HK9101化學灌漿材料作為堵水材料，采取嚴格的安全措施，快速、安全、高效地治理了井筒水患；魏世榮等[14]采用旋噴注漿法截斷主斜井井筒涌水補給水源，采用壁后注漿技術充填井筒長期涌水攜砂所形成的空隙和空洞，加固井筒并進一步封堵井筒涌水；樊小舟[15]提出了完善傳統(tǒng)預測方法，正確對待預測結果，樹立防范意識的對策。李永富等[16]采用密度低、擴散性強的RSS 高分子化學堵水材料，結合低成本水泥注漿材料，進行淺孔深孔交叉注漿。本文以甘肅馬福川煤礦為研究對象，針對該礦主井斜井筒斜穿流沙層涌水量過大的問題，在總結前人研究的基礎上，利用定向斜孔分段壓密注漿技術，解決已建成井筒漏水過大的問題。

1 概 況

甘肅馬福川煤礦主井斜井筒斜穿流砂層，井筒內(nèi)的淋水主要集中在237～350 m 段，與地質條件流沙段基本一致，該段巷道頂部、幫部、底部均有不同程度的涌水、淋水。其中252 m 處左底板涌水較大，預計涌水量為1.5 m3/h；262 m 處有大量涌水，預計涌水量為12 m3/h；280 m 處左底及右底涌水較大，預計涌水量為5 m3/h，整個治理段涌水量約為20 m3/h，詳見表1。

表1 主斜井井筒涌水現(xiàn)狀Table 1 Water inflowstatus of main inclined wellbore

根據(jù)含水層情況，結合以往堵水注漿經(jīng)驗，可對該段含水層（含水層埋深220～300 m） 注漿，注漿方式采用帷幕注漿，在井筒外圍10 m 處以水泥+速凝劑+減水劑+水玻璃形成一個半徑10 m的水泥環(huán)，再通過定向鉆探在水泥環(huán)內(nèi)部對井筒進行加密注漿，達到流砂層井筒涌水治理的目的。

2 壓密注漿堵水治理設計

2.1 注漿深度設計

馬福川煤礦主斜井井筒長度1 405 m，角度為18°，呈半圓拱形，寬5.5 m，高4.15 m，采用雙層鋼筋混凝土砌碹（流砂層和軟巖層區(qū)段） 和雙層鋼筋錨網(wǎng)噴漿支護（泥巖段），凝土砌碹層厚度約為500 mm，雙層鋼筋錨網(wǎng)噴漿支護層厚度約為400 mm；主斜井井筒流沙段范圍237～350 m，斜長為113 m。

注漿鉆孔沿井筒外邊界5 m 處平行施工4 個鉆孔，鉆孔孔徑213 mm，深度360 m，0～230 m 下入180 mm 白管，230～360 m 鉆孔孔徑152 mm，下入127 mm 雙縫花管，雙縫與井筒邊界線平行。注漿工藝采用分段注漿，注漿段長不大于40 m。

內(nèi)部加密注漿鉆孔沿井筒外邊界平行施工6 個鉆孔，與外部鉆孔交叉布置，鉆孔孔徑152 mm，深度360 m，0～230 m 下入127 mm 套管，注漿段長不大于30 m。

2.2 注漿材料及注漿壓力設計

根據(jù)井筒壁后注漿（表2） 和成井后井壁巖心試驗報告（表3），此次施工注漿參數(shù)見表4。

表2 井筒壁后注漿段高劃分及注漿壓力Table 2 Height division of grouting section behind wellbore wall and grouting pressure

表3 主井井壁巖心力學試驗數(shù)據(jù)Table 3 Mechanical test data of core of main shaft wall

表4 工作面預注漿段高劃分及注漿壓力Table 4 Height division of working face pre grouting section and grouting pressure

注漿壓力為工作面表壓力，注漿方式隔孔注漿，前期封堵大裂隙注漿取低值，后期針對小裂隙注漿取高值。

3 定向斜孔壓密注漿堵水

3.1 注漿孔數(shù)及布置方式

根據(jù)井筒壁后注漿工程相關資料、流沙含水層的水文地質條件、井筒特征、漿液擴散半徑，得出主斜井鉆孔布置，如圖1 所示，采用高精度定向鉆探技術進行施工。

圖1 主斜井加密注漿堵水鉆孔布置Fig.1 Layout of densified grouting and water blocking boreholes of main inclined wellbore

外圈注漿孔設計4 個，距離主斜井井筒外邊界6.5 m，內(nèi)圈鉆孔6 個，距離主斜井井筒外邊界3.5 m。先施工外圈4 個鉆孔，形成堅固水泥外圈，再施工內(nèi)部6 個鉆孔，進行加密注漿，封堵細小裂隙。

3.2 外圈花管加工設計

化學漿液在重力作用下呈“梨形”擴散，即垂向擴散距離大于橫向擴散距離，與傳統(tǒng)"球形"擴散理論有所不同，由此，外圈花管加工的目的在井筒外形成堅硬外殼。將φ127 mm 注漿花管加工成對稱斜縫，斜縫長度5～15 cm，寬度2～5 cm，同向斜縫間隔5～15 cm，隨著套管下入深度由斜縫寬度和長度由大到小。在φ127 mm 注漿花管內(nèi)部加入一根φ108 mm 注漿白管2，花管和注漿白管中間用密封墊連接防止漏漿，抗壓強度為10 MPa；φ108 mm 注漿白管按照6 m/段連接，中間連接保護栓不低于20 MPa，每增加一節(jié)保護栓增加1 MPa，每段中間均用密封墊連接防止漏漿。

3.3 注漿材料、漿液類型及配比設計

根據(jù)實際情況，注漿材料選擇PO.42.5R 普通硅酸鹽水泥，干燥、粉狀、無結塊，水玻璃模數(shù)2.8～3.4，濃度36～42Be′，減水劑漿液類型為雙液漿，根據(jù)施工情況選擇需要水泥添加劑。加密注漿漿液見表5。

表5 加密注漿漿液配制Table 5 Slurry preparation of densified grouting

每次注漿的初始濃度，根據(jù)壓水試驗測定的單位鉆孔吸水量選擇，見表6。

表6 加密注漿漿液起始濃度選擇表Table 6 Selection table of initial concentration of densified grouting slurry

外圈鉆孔注漿時，總體注漿按照注漿濃度先濃后?。患用茏{時，總體注漿按照先稀后濃。每次注漿時，一般先稀后濃，當漿液在裂隙沉析、充填階段時，若壓力不升、進漿量也不減時，應逐漸加大濃度；反之，若壓力上升快，減量也快，此時為保證足夠的注入量，應依次降低漿液濃度。每更換一次漿液濃度，一般持續(xù)30 min，按照先降低泵量后降低濃度依次注入。

3.4 實施效果及評價

瞬變電磁對于礦井水具有較好的敏感性。為了更好的驗證加密注漿效果，在外圈第一個鉆孔施工后對施工鉆孔進行第一次瞬變電磁檢測，待最后一個加密注漿鉆孔鉆探施工完成后，進行第二次瞬變電磁檢測，結果如圖2 所示。同時，通過實測的井筒內(nèi)集中涌水點（圖3） 和井下集水坑定期測量結果（表7），表明定向斜孔加密注漿取得了較為理想的效果。

圖2 加密注漿治理前后瞬變電磁檢測成果Fig.2 Results of transient electromagnetic testing before and after densified grouting treatment

圖3 主斜井加密注漿前后效果對比Fig.3 Effect Comparison of Main Inclined wellbore before and after densified grouting treatment

表7 主斜井井底集水坑治理前后涌水量統(tǒng)計Table 7 Statistics of water inflowbefore and after treatment of bottom water sump in main inclined wellbore

4 結 語

本文以甘肅馬福川煤礦為研究對象，針對該礦主井斜井筒斜穿流沙層涌水量過大的問題，利用定向斜孔分段壓密注漿技術進行解決，對注漿鉆孔布置、注漿壓力、注漿材料進行分析研究。最后實踐通過瞬變電磁檢測和實地觀察測量，表明此次設計實施的定向斜孔加密注漿工程取得了較為理想的效果，保證了煤礦安全開采。