井筒注漿堵水工藝研究與實(shí)踐

楊慶龍 YANG Qing-long

（國(guó)能寶清煤電化有限公司朝陽(yáng)露天煤礦，雙鴨山 155600）

0 引言

注漿堵水是將水泥漿或化學(xué)漿通過(guò)管道壓入井下巖層空隙、裂隙或巷道中，使其擴(kuò)散、凝固和硬化，從而使巖層具有較高的強(qiáng)度、密實(shí)性和不透水性，達(dá)到封堵截?cái)嘌a(bǔ)給水源和加固地層的作用，是礦井防治水害的重要手段之一[1-3]。目前，注漿堵水已廣泛用于礦井井筒注漿、封堵突水點(diǎn)、井巷堵水過(guò)含水層或?qū)當(dāng)鄬?、帷幕注漿堵水截流。注漿堵水是礦井水防治的重要方法之一，具有減輕礦井排水負(fù)擔(dān)，節(jié)省排水用電，降低噸煤成本，提高工效和質(zhì)量，加固井巷薄弱地段，減少突水機(jī)率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限的明顯優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況

準(zhǔn)東二礦副井井筒為豎井，地面坐標(biāo)為：X=4962531.140，Y=466290.236，H=+595.000m，該井筒凈直徑為9.5m，井深545m，井壁采用砼支護(hù)，砼等級(jí)C40。其巖性主要為粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖。根據(jù)滲、淋水情況及井壁結(jié)構(gòu)、井筒圍巖巖性資料分析，井筒出水水源主要是圍巖裂隙水，出水通道以井壁的混凝土接縫、砌縫、空洞及膠結(jié)薄弱區(qū)為主。

通過(guò)對(duì)井筒地質(zhì)情況分析，出水主要為砂巖裂隙積水，現(xiàn)場(chǎng)觀察多通過(guò)兩模結(jié)合部流出，水質(zhì)具有腐蝕性，井筒內(nèi)的涌水量為多點(diǎn)分散式涌出，且遍布井筒內(nèi)部，以匯流及多點(diǎn)散發(fā)之勢(shì)流出，形成淋水似降雨從高空落下，使井筒內(nèi)設(shè)備設(shè)施長(zhǎng)期浸濕在淋水中，對(duì)設(shè)備侵蝕嚴(yán)重。

2 井筒注漿堵水方案

通過(guò)對(duì)井筒淋水情況現(xiàn)場(chǎng)踏勘，以及對(duì)井壁結(jié)構(gòu)、井筒圍巖巖性、井筒竣工圖紙等資料分析，得知井筒出水水源主要是圍巖裂隙水，出水通道以井壁的混凝土接縫、砌縫、空洞及膠結(jié)薄弱區(qū)為主，對(duì)此類涌水情況，需采用壁后注漿方式對(duì)漏水通道進(jìn)行封堵加固。本次堵水施工擬采用在井筒壁施工鉆孔，對(duì)壁后注水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿，有效充填封堵加固井壁后一定范圍內(nèi)的基巖裂隙，切斷井筒壁后含水層水源涌出通道。

根據(jù)井筒內(nèi)設(shè)備設(shè)施分布情況，為滿足注漿作業(yè)及安全施工，需在寬罐籠頂部東、西兩側(cè)搭建臨時(shí)施工平臺(tái)，每側(cè)設(shè)五根10#槽鋼梁，在槽鋼梁上鋪設(shè)木板形成施工作業(yè)平臺(tái)。

本次注漿堵水施工，為二次注漿堵水，施工工況復(fù)雜，井筒裂隙錯(cuò)綜復(fù)雜，滲水點(diǎn)散亂，反復(fù)補(bǔ)充注漿，效果非常不明顯，且砼石接觸點(diǎn)有破損現(xiàn)象，注漿時(shí)不吃漿，止水效果差，這又使得注漿時(shí)的困難增加。

本次堵水施工擬采用在井筒壁施工鉆孔，通過(guò)鉆孔進(jìn)行壁后注漿的方式[4]。通過(guò)高壓注水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿，不僅對(duì)井壁后一定范圍內(nèi)的基巖裂隙進(jìn)行有效充填加固，減少涌水水源，還能直接封堵淋水區(qū)附近井筒壁后空隙及圍巖裂隙，切斷井筒壁后含水層水源涌出通道，有效減少井筒涌水量的同時(shí)，又對(duì)井壁進(jìn)行了加固，從出水水源、出水通道、加固井壁等多方面確保堵水質(zhì)量。

3 井筒注漿設(shè)計(jì)

3.1 注漿段范圍

本次治理范圍約在副井井筒190-490m 埋深段，出水點(diǎn)主要集中在每模砼接茬處。根據(jù)井筒巖層柱狀及現(xiàn)場(chǎng)查看出水點(diǎn)情況，確定具體注漿范圍為：192-338m，347-351m，376-381m，408-491m 段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況可進(jìn)行調(diào)整見圖1。

圖1 井筒注漿段示意圖

3.2 鉆孔孔深設(shè)計(jì)

副井井筒井壁砼厚度在0.65m 與0.75m 之間，鉆孔破壁后初步確定注漿孔深為1m；如出現(xiàn)較大出水點(diǎn)、注漿效果檢查孔、堵漏補(bǔ)缺加固鉆孔等特殊情況，確定孔深為1.5-3m。

3.3 鉆孔孔距設(shè)計(jì)

據(jù)注漿孔擴(kuò)散半徑計(jì)算公式，計(jì)算得出初步預(yù)計(jì)注漿孔擴(kuò)散半徑R=3.4m 時(shí)，單孔注漿量為Q*t=30L/min*60min=1.8m3。注漿孔排距4m，間距4m，井筒直徑9.5m，每排設(shè)計(jì)8個(gè)孔，上下層間鉆孔位置呈三花眼分布。

注漿擴(kuò)散半徑計(jì)算公式如下：

式中，R 為注漿擴(kuò)散半徑，m；Q 為單位時(shí)間內(nèi)注漿量，30L/min；t 為注漿持續(xù)時(shí)間，取60min；h 為一次注入的巖層厚度，取0.25m；n 為巖層孔隙率，砂巖為12%-34%，取20%。

計(jì)算得出：R=3.4m。

3.4 井筒注漿壓力設(shè)計(jì)

通過(guò)注漿壓力公式計(jì)算，得出本次注漿正常壓力設(shè)計(jì)值為不得高于靜水壓力的1.5-2MPa，正常結(jié)束壓力不得高于靜水壓力2MPa，任何情況均不得高于靜水壓力2.5MPa。注漿時(shí)，若井壁、孔壁出現(xiàn)異常，不論壓力高低，均停止注漿，查明原因采取措施后方可恢復(fù)施工。

注漿壓力公式計(jì)算如下：

式中，P 為注漿部位井壁能承受的壓力，MPa；K 為井壁材料的允許抗壓強(qiáng)度，40MPa；E 為井壁厚度，0.65m，0.75m；R 為井筒凈直徑，9.5m；η 為安全系數(shù)，取2。

計(jì)算得出：當(dāng)E=0.65m 時(shí)，P=2.48MPa；當(dāng)E=0.75m時(shí)，P=2.8MPa。

3.5 注漿工序及要求

注漿工序?yàn)椋旱孛嬷茲{→輸漿至施工平臺(tái)→風(fēng)泵注漿→達(dá)到終壓條件停止→封孔。注漿孔終孔孔徑為φ38mm，注漿管采用φ25×3.5mm 無(wú)縫鋼管，外端以絲扣與閥門相連接，里端150-300mm 段加工成馬牙扣，注漿管外露井壁長(zhǎng)度50mm。根據(jù)注漿深度適當(dāng)調(diào)整注漿管長(zhǎng)度，通過(guò)注漿管末端直接向?qū)严蹲⑷霛{液，注漿管管壁不做打眼處理。對(duì)于井壁內(nèi)附屬物（電纜、風(fēng)水管路）后的出水點(diǎn)堵水，鉆孔位置距離附屬物邊緣要大于0.5m，并對(duì)管線作遮擋防護(hù)。注漿材料以水泥單液漿為主，水泥-水玻璃雙液漿為輔。選用堿性水泥，水玻璃為35-45°Bé，模數(shù)2.8-3.2。注漿水泥單液漿水灰比為1:1～1:0.5 調(diào)節(jié)，雙液漿的配合比為水泥漿和水玻璃體積比1:0.8～1:1。漿液濃度可根據(jù)清水試壓情況，施工進(jìn)展及涌漏水情況，以及注漿時(shí)的進(jìn)漿、井壁、孔口狀況進(jìn)行調(diào)整。為保證堵水質(zhì)量及井壁安全，本次注漿正常壓力設(shè)計(jì)值為1.5MPa。注漿前必須對(duì)鉆孔進(jìn)行洗孔，注單液漿期間如遇跑漿漏漿可改用雙液漿封堵，也可以停注放水對(duì)跑漿處進(jìn)行加固，直到出水點(diǎn)閥門關(guān)閉井壁不跑水不漏水為止。漿液濃度可根據(jù)清水試壓情況，施工進(jìn)展及涌漏水情況，以及注漿時(shí)的進(jìn)漿、井壁、孔口狀況進(jìn)行調(diào)整。

3.6 注漿系統(tǒng)及設(shè)備

地面制漿、輸漿。使用一臺(tái)攪拌機(jī)制水泥漿，用BW-250 型注漿泵向井內(nèi)輸送水泥漿。井筒注漿設(shè)備選用2ZBQ10/16 型氣動(dòng)注漿泵一臺(tái)，存放清水、水玻璃、混漿桶各一個(gè)。注漿設(shè)備布置在罐籠內(nèi)，方便準(zhǔn)確控制注漿參數(shù)。

4 井筒注漿施工技術(shù)

4.1 施工工藝

該工程采用井壁施工鉆孔，通過(guò)注漿管注入水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿方式，分四段進(jìn)行堵水施工。施工采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)打孔、預(yù)埋注漿管、風(fēng)動(dòng)注漿泵注漿的工藝進(jìn)行。打孔前，首先對(duì)破損井壁進(jìn)行修補(bǔ)，采用風(fēng)鎬破壁、塑膠泥修復(fù)的工藝對(duì)薄弱井壁進(jìn)行加固。

4.2 施工順序

工程施工按照破壁修復(fù)、加固→打孔→注漿→封孔的施工工序進(jìn)行，施工順序?yàn)椋?/p>

①先采取下行方式打孔、注漿。目的是封堵明顯的出水點(diǎn)，封堵大部分水量。方式是自上而下，在明顯出水區(qū)域，布置鉆孔，進(jìn)行注漿，直到出水區(qū)域水量基本被封堵。

②再采取上行方式，檢查復(fù)注。自下而上，對(duì)仍有明顯出水、滲水的部位、可疑部位、薄弱部位及這些部位周邊范圍布置鉆孔，打孔、注漿，目的是：1）對(duì)已確定為治理好的出水部位打孔檢驗(yàn)注漿效果；2）對(duì)遺漏的尚未治理徹底的出水區(qū)進(jìn)行布孔復(fù)注、加固。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)施工條件準(zhǔn)備

提升絞車選用副井絞車提升，利用副井提升寬罐籠作業(yè)。在罐籠頂部加裝施工平臺(tái)進(jìn)行施工，使操作范圍能達(dá)到井壁，為施工提供打鉆和注漿操作空間；在井筒寬罐籠內(nèi)放置注漿泵等施工設(shè)備及相關(guān)材料。

施工用風(fēng)管路準(zhǔn)備：在井筒布設(shè)風(fēng)管為風(fēng)鉆及風(fēng)動(dòng)雙液注漿泵供風(fēng)，風(fēng)管采用1 寸高壓膠管。

輸漿、輸水管路準(zhǔn)備：輸漿、輸水共用一趟管路，采用一趟1 寸高壓膠管。

風(fēng)水管路沿井筒內(nèi)閑置電纜固定架向下布設(shè)，每處電纜固定架與膠管交叉處均采用10#雙股鉛絲捆扎固定，施工區(qū)域內(nèi)每20m 留設(shè)一套三通閥門接口。

4.4 施工平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)井筒永久設(shè)施分布和罐籠情況，為了滿足注漿作業(yè)需要，需在寬罐籠東、西兩側(cè)搭建臨時(shí)施工平臺(tái)。施工平臺(tái)固定點(diǎn)要位于罐籠外沿以里至少200mm 處，設(shè)計(jì)要合理、安全可靠；工作平臺(tái)的框架與井壁、梁和井筒內(nèi)突出物的安全間隙不得小于150mm。

每側(cè)設(shè)五根10#槽鋼梁，在槽鋼梁上鋪設(shè)木板以形成施工作業(yè)平臺(tái)，具體如下：槽鋼梁靠井壁端頭距井壁150-200mm，在端頭用16#鋼筋焊鼻用于固定φ8mm 鋼絲繩，鋼絲繩另一端上斜拉固定在罐籠主繩附件上，槽鋼的另一端500mm 部分用兩根36mm 的高強(qiáng)度螺栓固定在寬罐籠上，槽鋼梁安裝平整后，再在上面鋪設(shè)規(guī)格50×200×2500mm 的木板，并用扁鐵壓板固定在槽鋼梁上，方可打鉆和注漿作業(yè)。風(fēng)動(dòng)注漿泵及注漿材料放置于寬罐籠內(nèi)。寬罐籠南北兩側(cè)如需作業(yè)，采取鋪設(shè)50×200×2500mm 木板的方式處理，封閉到井壁邊緣。

寬罐籠與平衡錘重合位置為井深257.5m 處，如需在井深250-255m 施工，則平衡錘緊鄰側(cè)井壁不進(jìn)行注漿作業(yè)，其它部分井壁段施工時(shí)，施工平臺(tái)搭設(shè)東側(cè)平臺(tái)不安裝中間槽鋼梁，合理避開平衡錘空間，然后進(jìn)行施工。

在寬罐籠東、西兩側(cè)搭建臨時(shí)施工平臺(tái)，施工平臺(tái)一側(cè)共安設(shè)5 根槽鋼梁，槽鋼梁尺寸為3.15m 一根、2.85m兩根、1.95m 兩根。槽鋼梁與寬罐籠搭接長(zhǎng)度均為0.5m，則槽鋼梁超出罐籠長(zhǎng)度分別為1.45m、1.45m、2.35m、2.35m、2.65m，則施工平臺(tái)一側(cè)整體承重能力為（1.45+1.45+2.35+2.35+2.65）m×1111kg/m=11387.75kg=11.38t，施工平臺(tái)搭設(shè)示意圖如圖2、圖3 所示。

圖2 正常注漿段施工平臺(tái)平面圖

圖3 井深250-255 m 段施工平臺(tái)平面圖

5 井筒注漿效果

針對(duì)準(zhǔn)東二礦副井井筒注漿工作，進(jìn)行了系統(tǒng)的注漿工藝的設(shè)計(jì)，通過(guò)以單點(diǎn)出水為中心“環(huán)形施工”注漿方法，鉆孔深度為“一深一淺”交叉式施工，深孔為4m，淺孔為0.7m，將注漿管末端加工成鏤空花管，注漿時(shí)可多方位擴(kuò)散漿液，對(duì)壁后與圍巖間裂隙進(jìn)行全段式注漿封堵。整個(gè)施工期間實(shí)施了嚴(yán)格科學(xué)的管理，技術(shù)工藝合理先進(jìn)，保證了本工程得到了良好的治理。注漿壓力根據(jù)鉆孔靜水壓力及時(shí)變化，注漿后出水量有所減少，取得了明顯效果。

6 注漿施工中的難點(diǎn)及解決辦法

6.1 注漿中存在的問題

井筒216-220m 段注漿時(shí)，井壁出現(xiàn)細(xì)微裂縫，裂縫錯(cuò)綜復(fù)雜，滲水點(diǎn)較散亂，看不到明顯滲水但下部又出現(xiàn)明顯匯流。在最明顯出水3 個(gè)點(diǎn)周邊注漿時(shí)，出現(xiàn)此處止水，又從其它裂縫滲出的現(xiàn)象，反復(fù)補(bǔ)注，效果不明顯。

在井筒320m 施工段，砼塊接茬處出現(xiàn)破損現(xiàn)象，局部出現(xiàn)泥狀物，外露高度為300-500mm 左右，滲水沿破損處匯合后流入井壁，此處注漿時(shí)不吃漿，且止水效果不明顯。

6.2 解決辦法

井筒216-220m 段經(jīng)礦專業(yè)人員綜合分析后，大膽提出采用以單點(diǎn)出水為中心“環(huán)形施工”注漿方法，鉆孔深度為“一深一淺”交叉式施工，深孔為4m，淺孔為0.7m，將注漿管末端加工成鏤空花管，注漿時(shí)可多方位擴(kuò)散漿液，對(duì)壁后與圍巖間裂隙進(jìn)行全段式注漿封堵。注漿壓力根據(jù)鉆孔靜水壓力及時(shí)變化，注漿后出水量有所減少，取得了明顯效果。

井筒320m 段經(jīng)分析后，鉆孔施工沿破損處采用“鋸齒狀”方式布置，鉆孔深度均為4m，上下距離為2-3m 左右，橫向鉆孔距離為2m 左右，鉆孔采用斜孔施工，傾角10°左右，注漿時(shí)壓力控制在靜水壓力的基礎(chǔ)上增加2.5MPa范圍內(nèi)。

7 結(jié)論

本次注漿堵水施工，施工前井筒水量為5.2m3/h 左右，施工后副井水量為0.98m3/h，堵水效果顯著，井壁得到有效加固。目測(cè)井筒內(nèi)已無(wú)淋水，井壁設(shè)備及井筒表面干燥，滿足井筒注漿止水要求，達(dá)到了注漿預(yù)期效果。為延長(zhǎng)井筒設(shè)備服務(wù)年限，降低運(yùn)行維護(hù)成本，提高井筒設(shè)備安全可靠性，以及礦井安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化驗(yàn)收等工作提供了有力保障。