深厚表土層井壁出水注漿加固技術研究

張 建，朱昌元

(山東公信安全評價有限公司，山東 棗莊 277100)

井壁出水不僅造成井壁混凝土粉化、剝落而影響井筒安全運行，嚴重時可能造成井筒潰砂突水，威脅礦井的安全生產。自1980年以來，在華東地區的淮北、大屯、兗州和徐州等地已有超過100個井筒井壁發生破壞，諸多破壞的井壁經注漿加固治理后不足3a便再次發生了井壁破壞，均反復多次進行了加固治理，不但井壁安全不能得到保障，更對生產造成較大影響[1，2]。深厚表土層井壁相較其他井壁來說，井壁承受的水壓力更大，井壁出水問題頻繁且涌水量大，其治理難度更艱巨。本文以張集煤礦副井井壁出水為例，分析深厚表土層井壁出水機理，制定和設計深厚表土層井壁注漿加固方案、注漿參數和施工工藝，分析和研究深厚表土層井壁注漿加固技術。

1 井壁出水特征分析

張集煤礦副井井筒深度671.2m，凈直徑6.50m，表土層厚度460m，采用凍結法施工，凍結深度619m，于2012年4月建設完成。副井凍結段井壁為內外雙層鋼筋混凝土復合井壁結構，外層井壁后施工有泡沫塑料板，內外層井壁間鋪設高密度塑料薄板。

2014年3月，在副井井筒垂深268m處(井筒西側)的混凝土井壁接茬處有出水點，水壓較大且水流連續，經過幾天連續觀察出水量明顯加大。隨后幾天井筒內不但環向出水點增多，出水范圍沿井壁豎直范圍也有增加，其中有4個出水點出現噴水現象(射程約1.5m)，井筒綜合涌水量約18m3/h，并有進一步增加趨勢。井壁出水有以下幾個特點：

1)井深268m混凝土接茬出水呈分散集中式，其中，井深266m接茬在東南側局部出水，井深267m及268m接茬除東北方向出水不明顯外，其余方向多處沿井壁接茬集中出水，且水壓較大。

2)井深280m井壁接茬多處集中出水，水壓較大。

3)在井深268～290m段高，井壁接茬出現明顯環向裂隙，但無滲水現象。

4)兩道可縮井壁外噴水泥漿未發現有脫落現象，可判斷可縮井壁未有明顯變形。

2 井壁出水機理分析

根據井田勘探資料，井深266～290m段高處于新生界松散層第三含水層，相對應的巖層為砂層，該含水層富水性中等，水壓大，經水質化驗證實井壁出水為第三含水層。在井筒建成后，第三含水層中水壓力直接作用在井壁上，由于礦井采動和疏排水引起含水層的水位下降，特別是在表土層厚度大的情況下，含水層水位下降明顯，土層固結壓縮引起地表沉降，因井筒周圍地層整體下移與井壁豎直位移不同步，使井壁受到方向向下的摩擦力增強，即產生豎直向下的附加應力[3-6]。另外，井筒在施工時受季節性氣溫變化(熱脹冷縮)、混凝土強度等因素影響，井壁中可能存在著裂紋。井壁出水多集中在井深280m井壁接茬處，水壓較大。

綜合以上分析，張集煤礦副井井壁出水主要是由于表土層段含水層水位下降導致井壁承受附加應力增大，同時井壁還承受表土層段含水層水壓力；附加應力和含水層水壓力加速了井壁接茬處裂紋的擴張和貫通，在二者的長期作用下達到了井壁結構的極限強度，最終導致井壁在接茬處附近最先破壞，從而出現井壁出水現象。

3 注漿方案和施工工藝設計

張集煤礦副井出水量已達18m3/h，井壁出水點埋深大、水壓高。隨著時間的推移，井壁裂紋會逐漸擴展和貫通，涌水量進一步增大，甚至可能造成井壁突水潰砂。因此，為確保張集煤礦副井井筒的安全使用，應及早開展井筒防治水工作。

3.1 注漿方案的確定

結合井壁出水現狀、深厚表土層地質條件及井壁受力分析的基礎上，選擇井壁壁間和壁后注漿相結合的注漿工藝[7-12]。井筒凍結段采取壁間注漿，封堵壁間滲水通道；對井筒深度250～290m處集中出水點進行壁后注漿，通過壁后套孔復注方式對含水層段壁后空隙予以充填密實，提高井壁整體抗載和防水性能；對井筒深度270m處變徑段的井壁進行充填加固，改善地層性質，提高其自承載能力。

3.1.1 注漿方式

由于注漿位置對應地層為表土層，在注漿時有可能發生涌水、涌砂的現象，為盡量減少注漿活動對井壁的擾動，并且增加井壁強度、減少漿液流動阻力，本次井壁注漿采用誘導注漿和單孔少注、群孔多注的注漿方式。

1)誘導注漿。在注漿造孔時同時造孔3個，中間一個用于注漿，兩側孔破壁后安裝壓力表和高壓閥門，實時監測壁后串漿壓力，一旦發現壓力過大立即打開閥門進行泄漿，每一循環先造2～3個孔進行泄水、壓水，聯通孔與孔之間的通道，分出先注孔和后注孔。

2)單孔少注、群孔多注。即先增加鉆孔密度，然后對淺孔低壓注漿，最后深插管或套孔高壓注漿。采取控壓控量工藝，以低壓慢注方式進行注漿，并爭取單孔進漿量較為均衡確保壁間夾層或壁后空隙充填密實。

3.1.2 注漿順序

采取“總體下行、段內上行”注漿順序，段內采取“上行初注、下行復注”注漿方式，即：自下而上逐排進行初注水泥漿，經套孔后采取下行式進行復注。首先對集中出水段250～290m進行注漿，再依次上行230m(20m為一個段高，設計注漿層位12個)至井筒鎖口段進行壁間注漿，最后再對300～610m段進行上行式壁間注漿。

3.2 注漿施工工藝設計

3.2.1 注漿參數設計

注漿材料選擇水泥-水玻璃漿液，水泥漿液采用P.O 42.5R水泥，水玻璃濃度為40Be′(模數為2.8～3.4)。在注漿過程中，根據井筒出水水質硬度大及出水裂隙局部發育的特點，隨時合理調整漿液濃度配比和注漿參數，提高注漿效果。對于壁間注漿，注漿壓力一般為靜水壓力的1.5～2倍；對于壁后注漿，一般為靜水壓力的2～3倍。井筒凍結段-6m至-610m段進行壁間注漿，一層布孔6個，孔距3.40m，層間距20m，設計注漿層位30層，造孔180個；-250m至-290m段進行壁后注漿，一層布孔6個，孔距3.40m，層間距3～4m，設計注漿層位10層，造孔60個。考慮到副井在建井期間曾經進行過部分區段壁間注漿，根據現場實際及時調整注漿壓力及孔位，以保證合理的漿液擴散范圍和井壁安全。

3.2.2 注漿設備

注漿采用QB50/18型氣動雙液注漿泵和2條高壓輸漿軟管，注漿泵放在罐籠內，二次攪拌罐安置在地面，采用JS-1000型攪拌機，攪拌筒容量不低于0.5m3。此外，配置容量不低于1.0m3的攪拌箱配合輸漿。注漿系統設備布置如圖1所示。

圖1 注漿系統設備布置圖

孔口管選用Φ42mm×4.5mm無縫鋼管制作，長度為700～900mm(視井壁厚度確定)，前部加工成400～500mm長的魚鱗扣，后部加工成50mm長的絲扣。注漿孔口管結構如圖2所示。

圖2 注漿孔口管結構示意圖

3.2.3 注漿施工工藝流程

壁后(間)注漿施工利用罐籠搭建工作平臺，在注漿地點按設計的孔深和孔徑用風錘造孔，然后安裝孔口管(孔口管進入井壁部分不小于500mm)并在注漿管路上安裝孔口閥、三通閥和高壓閥，在進行壓水耐壓試驗后，用Φ28mm釬頭從閥門內套孔穿透井壁進入地層。關閉閥門并連接好注漿設施，將配制好的漿液通過注漿泵壓入井壁內。注漿施工工藝流程如圖3所示。

圖3 注漿施工工藝流程圖

注漿時，記錄壓力、濃度、流量的變化，根據注漿參數實時調整注漿材料濃度。注漿施工結束后，通過注漿體內鉆孔，用壓水、注水或抽水等辦法測定圍巖的流量及滲透系數，不合格者進行補充注漿。檢查孔的數目約為總注漿孔數的5%～10%，布孔的重點是地質條件不好的地段以及注漿質量較差或有疑問的部位。

3.2.4 注漿結束標準

注漿量達到設計要求的80%～120%；出水得到有效治理，井壁無明顯出水孔，涌水量小于1.0m3/h，且不得受注漿壓力影響而造成井壁發生破壞。

4 注漿效果

注漿工作自2014年3月28日開始，至2014年5月6日結束，共注入水泥203.5t、水玻璃6.2t，各施工孔注漿量和總注漿量均達到設計要求。煤礦建立了井壁安全監測系統，設置了壓力傳感器、溫度傳感器、應變傳感器，實時測試和評估井壁的安全狀態，注漿完成后井壁未發生變化。注漿施工結束后，井壁無滲水，井筒涌水量為0m3/h，注漿效果理想，確保了井筒的安全運行。

5 結 論

1)張集煤礦副井在井深268～290m混凝土接茬處出現集中出水現象，通過從水文地質條件、水質化驗和井筒施工情況等方面進行分析，井壁出水主要原因是由于表土層段含水層水位下降導致井壁承受的附加應力增大，附加應力和水壓力的共同作用加速了井壁接茬處裂紋的擴張和貫通，最終出現滲水通道。

2)深厚表土層段壁間注漿阻斷了井筒內外壁之間的水力聯系，對內外層井壁間空隙及內外層井壁裂隙進行了充填加固，井壁承受的附加應力得到緩釋；壁后注漿改善了地層的物理性質，使井壁與壁后地層無間隙緊密接觸，達到了較好的充填防滲效果。

3)采用誘導注漿和單孔少注、群孔多注的注漿方式盡可能減少了注漿活動對井壁的擾動；根據井筒出水水質硬度大及出水裂隙局部發育的特點，合理調整漿液濃度配比和注漿參數；建立了井壁安全監測系統，實時測試和評估井壁的安全狀態。

4)深厚表土層井壁注漿加固技術在張集煤礦副井得到成功的應用，確保了井筒的安全運行，延長了井壁的服務年限，并為國內外相似條件礦井井壁出水治理提供借鑒。