孔隙砂巖承壓含水層注漿堵水技術

韓敬濤（新汶礦業集團　工程質量監督站,山東　泰安　271233）

孔隙砂巖承壓含水層注漿堵水技術

韓敬濤
（新汶礦業集團工程質量監督站,山東泰安271233）

摘要：為了破解孔隙含水巖層透水不進水泥漿的難題，通過使用脲醛樹脂類漿液并反復試驗影響漿液凝膠時間的相關因素，掌握了脲醛樹脂類漿液注漿堵水的操作方法，總結出了凝膠時間與pH值、溫度的關系和變化規律。使巷道順利穿過了孔隙含水層，加快了建設速度，節約了排水費用。

關鍵詞：孔隙水；砂巖水，承壓水，注漿；堵水

長城井田被落差300m的F5號逆斷層分割為東西兩區，新汶礦業集團在這個井田開發長城煤礦300萬噸/年改擴建項目，在+920m水平施工一條長2200m的膠帶運輸石門，功能是連接東西區，將東區的煤炭運輸到西區。

巷道揭穿二疊系石盒子組孔隙砂巖承壓含水層時，從掘進工作面鑿取巖石樣本，切割成巖片，在顯微鏡下測量得到顆粒間的孔隙為0.2mm。水泥漿液能注入的最小孔隙為1.1mm。所以，水泥漿液不能充填砂巖孔隙，而水分子能夠在砂巖孔隙內自由流動。這正是孔隙砂巖含水層透水不進水泥漿的原因，也是孔隙水治理難度高的原因。

現將長城煤礦+920m水平膠帶運輸石門孔隙砂巖承壓含水層注漿堵水技術介紹如下：

1　工程概況

1.1水文地質條件

石門揭穿的地層主要為：

石炭系太原組（C2t）：厚度69.09～136.82m，平均86.14m，與下伏地層整合接觸。為一套沉積穩定的碎屑巖夾薄層石灰巖，屬海陸交互相沉積。巖性為灰～灰白色中粗粒砂巖、細砂巖、泥巖、灰巖及煤層，是本區主要含煤地層之一，頂部以石灰巖（一灰）或海相泥巖與山西組分界。在8煤層上、下發育有良好的砂巖層。粉砂巖主要位于中上部，厚層狀，具水平紋理及緩波狀層理，屬湖泊～沼澤相。泥巖多位于煤層的頂底板處，較細膩，含粘土質，具水平紋理，屬湖泊相沉積。共含煤6層，編號為7、8、9、10、11、12煤層，主要可采為9煤層。本組主要標志層為7煤層頂板的一灰和9煤層頂板的四灰。

二疊系山西組（Ρ1s）：該組屬陸相碎屑巖系，沉積較穩定，厚度44.55～72.52m，平均56.44m。巖性組合由灰白～深灰色細、中、粗砂巖，灰～灰黑色粉砂巖、泥巖及煤組成，其中以粗碎屑所占比例較大。共含煤3～7層。可采者3層（1、3、5煤層），是本區主要含煤地層之一。本組地層中的砂巖以3煤層之上的層位較發育，一般厚度較大，粒度較粗，但在橫向上穩定性較差，有變薄尖滅現象；上部和下部之砂巖粒度較細，局部為中粗粒，在橫向上常變為粉砂巖或泥巖。泥巖、粉砂巖多為湖泊、沼澤相沉積，一般常為煤層頂底板。

二疊系石盒子組（Ρ1-2s）：厚度303.78～509.16m，平均389.46m，與下伏地層整合接觸。該組可劃分上、下兩個巖段。上段：厚179.30～231.52m，上部以紫、暗紫色粉砂巖、細砂巖為主夾薄層泥巖、中粗粒砂巖，含少量礫石；中、下部以紫、灰綠色泥巖為主，夾薄層中細粒砂巖，花斑狀泥巖包體；底部厚層狀粗～巨粒砂巖，成分以石英為主，長石次之。下段：厚124.48～277.64m，呈紫、灰紫色，夾少量灰綠色條帶，以粉砂巖為主，次有泥巖、砂質泥巖；中部灰白色細砂巖與灰綠色粉砂巖互層，夾有1～2層薄煤。。本組底部為厚層狀灰白色細～粗粒砂巖，泥質膠結，層理面富集白云母片。

巷道揭穿二疊系石盒子組地層時，單層粗～巨粒砂巖涌水量180m3/h。探水鉆孔孔口儀表測得水壓為1.8MΡа。水溫16℃。

1.2巷道特征

+920m水平膠帶運輸石門，以方位104°向東施工，坡度5‰。半圓拱形斷面，凈寬4.6m，凈高3.8m，凈斷面15.21m2。采用錨網噴+錨索支護，支護厚度120mm。使用直徑22mm、長2200mm的螺紋鋼錨桿；錨桿間排距800mm；使用Z2835型樹脂錨固劑加長錨；使用6號鋼筋菱形網，網孔100mm×100mm；使用直徑17.8mm、長6300mm的鋼絞線錨索，錨索間距3000mm；噴射混凝土強度C20。+920m水平膠帶運輸石門橫斷面如圖1所示。

圖1

2　注漿工藝及參數

2.1止漿墻

止漿墻使用C25混凝土人工砌筑。水壓1.8MΡа，注漿終壓取水壓的1.5倍，即2.7MΡа；巷道荒斷面面積17.19m2；止漿墻混凝土標號C25，抗壓強度25MΡа，止漿墻混凝土抗剪強度與抗壓強度的比值為0.095～0.121[1]，取最小值0.095，則止漿墻混凝土抗壓強度為2.375MΡа；巷道荒周長15.74m。止漿墻厚度應為2.7×17.19÷2.375÷15.74=1.242m。

在巷道周邊掏槽，深度0.5m。立模板并支撐牢固，砌筑混凝土止漿墻。

圖2　止漿墻示意圖

2.2注漿孔布置

注漿方式采用分段前進式。注漿孔數量為10個。鉆孔間距800mm，均勻排列，向巷道前方放射狀布置。單孔長度100m，允許掘進距離70m，超前鉆距及預留止漿巖柱30m。

2.3鉆探設備和注漿設備

使用ZLJ-1100型煤礦用坑道鉆機，2TGZ-60/210型雙液注漿泵，Φ75mm鉆桿，Φ91mm終孔鉆頭，Φ127mm開孔鉆頭及導向管。

2.4鉆孔結構

鉆孔結構：開孔直徑127mm，孔口用水泥砂漿埋設直徑108mm的無縫鋼管20m并用錨桿固定，終孔直徑91mm。孔口用法蘭盤安裝4MΡа高壓球閥。支管處安裝壓力表。使用固定卡和止退銷預防高壓水頂出鉆桿。使用鐵板預防高壓水噴射傷人，鐵板通過鏈環和錨桿固定。

2.5注漿材料

圖3　鉆孔布置斷面圖

圖4　鉆孔布置平面圖

根據巖石切片顯微鏡下測量的孔隙大小，選擇脲醛樹脂類漿液，可以注入的最小孔隙為0.06mm。脲醛樹脂類漿液在注入鉆孔前分甲液和乙液。甲液是由脲素和甲醛按照1:2的比例制成的脲醛樹脂。乙液是硫酸水溶液。注漿時，將甲乙兩種液體混合注入鉆孔，硫酸水溶液作固化劑，混合液體在地層內凝膠固化，改變巷道圍巖的透水性。脲醛樹脂類漿液粘度0.005Ρа·s，滲透系數0.005cm/s，凝膠時間可以在十幾秒至幾十分鐘之間調節，抗壓強度2～8MΡа。

2.6影響漿液凝膠時間的因素

為了達到預期的堵水效果，破解砂巖孔隙水治理難題，對可能影響漿液凝膠時間的因素都做了反復探索。先后試驗過的因素有：

甲液和乙液的比例：2:1，3:1，4:1，5:1

甲液中脲素和甲醛的比例：1:1.8，1:2，1:2.2

甲液的溫度（℃）：15，25，35，45

乙液中硫酸的濃度（%）：2，3，4，5

通過反復試驗，發現提高乙液比例、提高乙液中的硫酸濃度、降低甲液溫度可以加快脲醛樹脂類漿液的凝膠速度；降低乙液比例、降低乙液中的硫酸濃度、提高甲液溫度可以延緩脲醛樹脂類漿液的凝膠速度。由此得出了pH值和溫度影響脲醛樹脂類漿液凝膠時間的結論。

圖5　凝膠時間與相關因素曲線圖

2.7注漿結束標準

注漿終壓2.7MΡа；最終吸漿量20L/min；維持終壓、終量10min。

鉆孔結束一段注漿后，鉆進掃孔，向孔內壓水，耗水量小于20L/ min時完成本段注漿，耗水量大于20L/min時復注，循環反復直到達到注漿結束標準。

2.8壁后注漿

使用7665型氣腿式鑿巖機鉆注漿孔，單孔深度2000mm，使用直徑42mm、長500mm的注漿管，使用2TGZ-60/210型雙液注漿泵注入常規水泥-水玻璃漿液，封堵壁后空隙涌水，加固圍巖。

3　注漿效果

通過在掘進工作面預注漿，在工作面前方封堵孔隙，隔絕水源，使巷道涌水量由180m3/h降為掘后剩余涌水量12m3/h；通過壁后注漿，使巷道涌水量由12m3/h降為3m3/h。在巷道前方形成封閉的隔水帷幕，改善了巷道的施工條件，保障了巷道的順利掘進，減輕了全礦井的排水壓力。封堵了7個含水巖層地段后，每年可節約排水費用685萬元。

4　結論

使用脲醛樹脂類漿液可以有效地封堵砂巖孔隙涌水，但是應用條件比水泥類漿液、水玻璃類漿液復雜。其凝膠時間受硫酸水溶液固化劑用量（pH值）和溫度的影響。pH值越小，溫度越低，則凝膠時間越短。pH值越大，溫度越高，則凝膠時間越長。

參考文獻：

[1]施士昇.混凝土的抗剪強度、剪切模量和彈性模量[J].土木工程學報,1994,32(02):51.