對強含水層工作面預注漿施工工藝探討與分析

摘 要：寧夏回族自治區靈武市紅柳煤礦一號副立井含水段井筒涌水量為216m3/h，采用工作面預注漿法施工一次性注漿成功達到預期效果。

關鍵詞：預注漿 化學漿液 科學施工

中圖分類號：TD262.62文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0132-02

紅柳煤礦一號副立井隸屬神華寧夏煤業集團公司，位于寧東基地鴛鴦湖礦區，設計生產能力為800萬t/年，由寧夏煤炭設計研究院設計。采用普通鑿井法施工，井筒直羅組下段含水層采用工作面預注漿法施工。

1 地質和水文地質概況

根據寧夏煤炭勘查院提供的紅柳一號副立井井筒預想柱狀圖可知：該段是區域性強含水層，含水段總厚度73m（起止深度340～413m）。巖性主要為灰白、灰褐、淺紅色夾紫斑的細、中、粗粒砂巖，局部夾薄層粉砂巖和泥巖，局部含礫；砂巖的成熟度較低，分選性差，接觸式膠結為主。底部為一厚層灰白、淺紅色含礫石英長石粗砂巖，砂巖底部含石英小礫石，泥質膠結、顆粒支撐，膠結程度較差。

2 注漿施工工藝

2.1 注漿方案

根據含水層的深度、厚度及巖性，結合以往注漿經驗，采用預留巖帽和止漿墊聯合受力，進行注漿堵水，可將該段順利通過。漿液類型采用水泥單液漿和化學漿液。止漿墊設計厚度為4.5m，止漿墊砼強度設計為C40，配合比按照試驗室試配實驗結果進行。在人工砌筑止漿墊前預埋無縫鋼管作注漿孔口管，注漿孔口管數設計為30個，檢查孔5個，共計35個。用MK-4型液壓鉆機在工作面止漿墊上施工注漿孔，在地面井口棚內設注漿站，通過地面XPB-90E型注漿泵和井壁吊掛無縫鋼管，將地面攪拌好的單液水泥漿液、化學漿液經注漿孔壓入到含水層裂隙、孔隙中。

2.2 注漿深度

掘進340m后停止掘進施工澆注止漿墊，即井深340m處打注漿鉆孔，原則上鉆孔穿透含水層并進入隔水層10m即井深413m。具體鉆孔深度為注漿前現場打鉆孔實測深度為準。

2.3 注漿壓力

注漿壓力為工作面表壓力，壓力取8.2～12.2MPa。前期封堵大裂隙，注漿取低值；后期針對小裂隙，注漿取高值。

2.4 注漿孔數及布置

根據該段含水層裂隙、孔隙的特點。工作面布置35個孔，分兩圈布孔，外圈30個孔，距井中半徑為3.25m，孔徑φ133mm，單號孔15個，徑向角2.8°，終孔位置超出井筒荒經2.35m。雙號孔15個，徑向角3.2°，終孔位置超出井筒荒經3m。內圈5個孔，孔徑φ133mm，角度為垂直布置，距井中半徑1.6m，均勻布置。考慮到吊桶下到井底工作面，鉆孔位置可根據現場實際情況進行適當調整。注漿孔的數量，應根據現場注漿壓力、注入量等參數綜合評價后進行增減。

2.5 鉆注順序

首先注外圈眼孔，按照施組注漿先堵大裂隙原則，每次鉆注兩孔先注奇數孔，注漿孔鉆注順序先從1#孔，15#孔對稱鉆進，15#孔超前1#孔10m。待鉆孔結束，注入水泥單漿液后，鉆注3#、17#，依次類推鉆注其它孔，接著施工偶數孔（檢查孔）。2#、16#鉆進78m根據涌水量情況注水泥單液漿。按次序施工其它檢查孔，全部注漿結束后掃孔1#，15#組孔檢查注漿效果，根據現場注漿量、注漿壓力變化及時調整注漿配比，當注漿孔難以注入漿液，壓力上升快，并且涌水量通過掃孔后減小不大，單孔涌水量小于10m3/h，則考慮采用化學漿液注入，當注入化學漿液后單孔涌水量減少到1m3/h以下時，則對檢查孔進行鉆進，從而檢查井筒涌水量。待5個檢查孔注入化學漿液后，單孔涌水量小于1m3/h時，注漿方可結束。

2.6 注漿孔數及孔口管設計

根據各含水層的水文地質條件、井筒特征、類似工程的施工經驗計算出含水層的注漿孔數。

①注漿孔的孔數按下式計算：N=π（D-2A）/L，式中，D—井筒凈徑（7.5m）；A—注漿孔與井壁距離（0.85m）；L—注漿孔間距（取0.6m），計算得出N=30個。

②孔口管設計。孔口管長度按下式計算：L=λpd0/4fτ，式中，λ—超載系數（取1.3）；p—注漿終壓（取12MPa）；d0—孔口管外徑（0.108m）；f—工作條件系數（取0.7）；τ—管材與砼或水泥結石的粘著強度（0.14MPa），計算得出L=4.29m，孔口管高出砼面0.7m，考慮到0.8m濾水層和埋入底板3m，設計孔口管長度為9.0m。孔口管規格取Φ108mm×6mm無縫鋼管，孔口管上部焊接法蘭盤以便連接注漿閥。

2.7 濾水層設計

濾水層厚度計算公式如下：A=Q/3.14βr2+0.25；其中Q=tq，式中，A—濾水層厚度（m）；r—井筒荒半徑（4.35m）；β—碎石層的孔隙率（取55%）；Q—停泵時間內涌水量（m3）；q—井筒涌水量（0.4m3/min）；t—停泵時間（取t=15min），經計算得出：Q=6m3，A=0.43m，由此可知，濾水層厚度0.43m，但根據施工經驗，濾水層厚度取0.8m。預留巖帽若沒有滲水，則不需要施工濾水層。若有滲水，則按水量設計濾水層的厚度。其預埋注漿管的長度、濾水管的長度也應相應調整。

3 漿液選擇

漿液類型采用水泥單液漿和化學漿液

3.1 水泥漿

注漿材料選擇PO42.5R普通硅酸鹽水泥，存放日期不超過3個月，水玻璃模數2.8～3.4，濃度38～40Be，見表1。

每次注漿的初始濃度，根據壓水試驗測定的單位鉆孔吸水量選擇。見表2。

每個鉆孔注漿時，初注用濃漿，復注時逐漸降低漿液濃度。但每次注漿時，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20min。

3.2 化學漿液

注入脲醛樹脂溶液（甲液）+草酸溶液（乙液），甲∶乙（體積比）為1∶0.5～1∶0.3。調整乙液的濃度，可以得到設計的凝固時間。實際使用時，初凝時間應為20～30min，當進漿量大，且壓力上升慢時，應適時的增加乙液的濃度，用小量杯試驗，使漿液初凝時間調為15min左右（初凝的指標為量杯呈45°時，漿液不流動），這樣壓力上升較快。乙液溶液配比見表3。

施工方案采取短注短掘，根據巖性、鉆孔涌水量、打鉆及排水設備能力等綜合考慮，采取以下方案：前期注漿過程中由于巖層中存在一些大的裂隙，漿液隨著壓力的推動下行進入天然節理和大裂隙封堵水系，含水層中的大裂隙已經利用普通水泥封堵，其中微小裂隙以及孔隙水，普通水泥漿液已經無法注入，由于圍巖為軟弱地層泥巖，具塑性，滑面，整體穩定性差，在注漿泵壓力推動下，必然要流入軟弱結構面或薄弱地帶。需大劑量的水泥漿液去充填加固圍巖，造成注漿量消耗增大，故采用水泥漿-水玻璃雙液漿進行加固軟巖，經多次鉆注情況看，只有分層段反復掃注，把上段的軟弱地層全部加固成“硬殼”后，方可具備高壓注漿堵水的條件。結合實際情況，采用脲醛樹脂注漿材料進行封堵、加固。采取高壓力、小流量進行注漿加固，達到充填細小裂隙和孔隙水的目的。

4 注漿效果

根據后期注漿地層屬于孔隙水和微裂隙水的情況，應選用小流量小壓力的注漿方式進行注漿，注漿壓力，單液漿控制4MPa以內，雙液漿控制在10MPa以內；當注漿壓力升高過快，應調低注漿流量，降低注漿壓力保持注漿繼續進行。從現場施工情況看，各孔的注漿壓力均以達到設計要求。單孔涌水量隨之大減，實測在0.24～0.6m3/h之內，達到預注漿堵水目的。

5 結語

紅柳煤礦一號副立井含水層工作面預注漿雖然歷時較長，但相對寧東地層來說，這也是一個嘗試性的研究課題，通過我們科學管理、認真細致的開展此項工作，表明了以巖石成熟度低、微裂隙和孔隙水為主的西北地層的可注性，并且完全能夠達到預注漿的目的。

參考文獻

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