回風(fēng)立井井筒堵水注漿工藝應(yīng)用

郭 洪

(陽煤集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700)

0 引言

為解決礦井隨著開采深度增加，瓦斯涌出量增大，現(xiàn)有風(fēng)量不能滿足安全生產(chǎn)需要的問題，陽煤集團(tuán)決定在生產(chǎn)礦井井田中部架垴村附近新建一個井筒，即新大地公司架垴回風(fēng)立井。新大地公司架垴回風(fēng)立井井筒設(shè)計(jì)凈直徑為8 m、井深為472 m，采用C25素砼進(jìn)行支護(hù)，井筒筒壁支護(hù)厚度為500 mm。當(dāng)回風(fēng)立井掘進(jìn)至286 m時，井底揭露2 m泥巖，泥巖上部為18 m厚砂巖巖層，在當(dāng)班放炮后作業(yè)工作面出現(xiàn)突水現(xiàn)象，測得涌水量高達(dá)50 m3/h，嚴(yán)重影響掘進(jìn)工作面的施工。在突水后，施工隊(duì)立即采取水樣送至該礦水文地質(zhì)部門進(jìn)行化驗(yàn)，經(jīng)過分析掘進(jìn)工作面涌水為砂巖層涌水。為了保證掘進(jìn)的正常進(jìn)行，根據(jù)回風(fēng)立井井筒檢查孔X2孔提供的水文地質(zhì)資料，經(jīng)過研究論證，決定采用工作面構(gòu)筑止?jié){墊后進(jìn)行預(yù)注漿堵水施工，對構(gòu)筑止?jié){墊的施工方法以及所采用的注漿材料進(jìn)行了系統(tǒng)介紹。

1 止?jié){墊厚度的計(jì)算

止?jié){墊厚度計(jì)算公式[1]如式(1)

B=(P·r)/σ+0.25r

(1)

式中：B—止?jié){墊厚度，m;P—注漿終壓，一般取4 MPa；r—井筒凈半徑，取4 m;σ—止?jié){墊混凝土允許抗壓強(qiáng)度，取8.3 MPa，該參數(shù)是混凝土28 d強(qiáng)度的2/3再除以安全系數(shù)2得到的。

將這些計(jì)算參數(shù)代入式(1)可得，B=(4×4)/8.3+0.25×4=2.928 m，為了計(jì)算方便取值3 m。一般情況下，在澆注砼止?jié){墊前需要先鋪濾水層[2-3]，這個過程需要在回風(fēng)井井底拋入碎石的厚度為0.5 m，可得止?jié){墊的總高度為3.5 m。在回風(fēng)立井工作面注漿施工中構(gòu)筑厚度為3.5 m止?jié){墊(含濾水層)時，澆注砼止?jié){墊采用的單級平底型混凝土止?jié){墊，混凝土強(qiáng)度等級C25，添加早強(qiáng)減水劑。考慮到本次出水靜水壓預(yù)計(jì)為1.7 MPa，注漿最終壓力設(shè)計(jì)為4 MPa。

2 注漿孔施工方案

考慮到回風(fēng)立井的凈斷面直徑設(shè)計(jì)為9 m，根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)注漿施工規(guī)程和以往的施工經(jīng)驗(yàn)，地層中注漿漿液的最大擴(kuò)散半徑一般為3.0 m左右[7-8]。設(shè)計(jì)了帷幕直徑為12 m，帷幕周長37.68 m，沿井筒一周均勻布孔16個，孔距為1.5 m，井筒中心位置布檢查鉆孔1個。井筒周圍的注漿鉆孔的施工參數(shù)見表1，1～16號孔為注漿孔，17號孔為注漿檢查孔，用來檢查注漿的效果。

根據(jù)井筒檢查孔地質(zhì)資料分析，注漿孔應(yīng)深入K8深灰色中砂巖下方黑色泥巖5 m左右，確保能有效地封堵本次砂巖涌水。為確保能有效的通過K8砂巖，設(shè)計(jì)注漿鉆孔深度為49 m，其中止?jié){墊為3.5 m，巖層段45.5 m。設(shè)計(jì)施工注漿孔數(shù)16個，檢查孔1個，鉆孔直徑94 mm，鉆孔工程量833 m。注漿的鉆孔布置示意圖如圖1所示，由圖可知，檢查孔正好位于井筒工作面的正中央，這樣能檢查注漿的范圍，確保施工的安全可靠性。

表1 布孔參數(shù)一覽表

備注：1.沿井筒一周均勻布鉆注孔16個；2.井筒中心位置布檢查鉆孔1個。

圖1 井筒注漿鉆孔布置示意圖

2.1 注漿材料及漿液配制

本次注漿采用水泥單液漿為主，水泥和水玻璃混合的雙液漿為輔。在單漿液多次注漿后注漿壓力不增加的情況下，需要采用注入水泥和水玻璃混合的雙漿液。

本次注漿所采用的水泥，選用陽煤集團(tuán)亞美水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，并分批次送檢測試，直至所用水泥全部符合相關(guān)規(guī)定。本次注漿選用模數(shù)2.4～2.8，濃度為46Bè的液態(tài)鈉質(zhì)水玻璃，選用的是邢臺市巨星化工有限公司生產(chǎn)的水玻璃，經(jīng)檢測各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。注漿所用水為新大地公司礦井主工業(yè)廣場內(nèi)地面消防水池用水，經(jīng)化驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)現(xiàn)井筒出水特征，壁后注漿堅(jiān)持單液漿為主，雙液為輔的原則[4-6]，遵循“單液稀漿—單液稠漿—雙液漿—封孔”的原則，單漿液時水灰比取1.0∶0.5～1.0∶1.5，雙漿液時水泥與水玻璃的體積比取1.0∶0.4～1.0∶1.0。

本次注漿設(shè)計(jì)終壓4 MPa，在現(xiàn)場經(jīng)過壓水實(shí)驗(yàn)后可做出相應(yīng)的調(diào)整。總體情況下，注漿重量不大于10 L/min，持續(xù)時間不少于15 min。注漿完成后，通過檢查孔內(nèi)的終孔水量，一般以孔內(nèi)的終孔水量小于0.5 m3/h，作為鉆注施工結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 施工工藝及過程

在堵水注漿施工過程中，要嚴(yán)格按照注漿的流程進(jìn)行[7-8]。在注漿前應(yīng)該選擇布孔，然后等待孔內(nèi)的注漿液冷凝，最后對注水口進(jìn)行加固。注漿的整個流程如下：構(gòu)筑止?jié){墊濾水層、布孔→等凝→濾水桶封堵加固→搭建鉆機(jī)工作平臺→濾水層、止?jié){墊孔口管鉆注加固→鉆注注漿孔→檢查孔→抽水試驗(yàn)驗(yàn)收的施工工藝施工。在整個注漿堵水過程中，實(shí)際施工鉆孔17個，鉆孔的總進(jìn)尺836 m，注漿過程中水泥用量共計(jì)540 t，水玻璃用量共計(jì)8.7 t。在注漿過程中，出現(xiàn)有單孔水泥用量超過80 t，在未達(dá)到設(shè)計(jì)注漿終壓4 MPa的情況下，現(xiàn)場停注封孔，注漿終壓在5 MPa左右。總體而言，本次注漿堵水達(dá)到了預(yù)期效果，工作面的涌水得到了有效控制。

3 效果分析

根據(jù)井筒堵水注漿段巖層地質(zhì)條件，采取帷幕堵水注漿后，施工過程實(shí)測涌水量在2 m3/h以下，該段井壁沒有水眼，沒有出現(xiàn)明顯的淋水，為井筒施工創(chuàng)造了安全良好的施工環(huán)境，但也反映出部分不足，可歸納總結(jié)如下。

在井筒涌水前未充分分析井筒檢查孔抽水試驗(yàn)報告，未進(jìn)行檢查孔抽水試驗(yàn)出水量與井筒掘進(jìn)時出水量換算，進(jìn)入泥巖隔水巖層后，上覆砂巖成為巖層涌水匯集通道，造成井筒掘進(jìn)工作面涌水，形成井筒水害。礦井建設(shè)方和施工方經(jīng)驗(yàn)主義思想嚴(yán)重，依靠陽泉礦區(qū)的井筒掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，未充分考慮和順礦區(qū)水文地質(zhì)條件的客觀變化，造成管理漏洞。

在研究堵水注漿施工方案中，由于經(jīng)驗(yàn)缺乏，造成注漿孔孔間距密度大，增加了施工工程量，延長了井筒施工工期，制約了礦井生產(chǎn)銜接部署。在該井筒下一步過含水層預(yù)注漿施工中，將注漿孔間距擴(kuò)大至3 m左右，布置8個注漿孔，取得很好的治水效果，縮短了施工時間，取得了良好的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

在個別注漿孔注漿過程中出現(xiàn)水泥、水玻璃用量大大超過相鄰孔消耗量時，應(yīng)適當(dāng)提高終孔壓力，提早封孔，在該井筒下一步堵水預(yù)注漿施工過程中得到驗(yàn)證，取得很好的堵水效果，體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益。

在施工止?jié){墊的過程中，在濾水層加固充填水泥、水玻璃雙液，取得良好的堵水效果，為下一步的注漿施工提供條件。在注漿施工過程中，要注意觀察止?jié){墊變化，若發(fā)現(xiàn)墊層發(fā)生臌起變形，應(yīng)立即停止注漿并封孔，表明注漿已不能滲透進(jìn)巖層，強(qiáng)行注漿會破壞止?jié){墊結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

針對陽煤集團(tuán)新回風(fēng)立井掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的涌水異常現(xiàn)象，采取了科學(xué)有效的堵水方法，減輕了礦井掘進(jìn)過程中的水害影響。根據(jù)新掘回風(fēng)立井的地質(zhì)條件，采用構(gòu)筑止水墊加鉆孔注漿的方法對立井掘進(jìn)工作面的涌水進(jìn)行了有效控制。在豎井施工比較特殊的條件下，整個施工期間實(shí)施了嚴(yán)格科學(xué)的管理，技術(shù)工藝合理先進(jìn)，保證了井筒施工水害得到了良好的治理，為施工人員提供良好的施工環(huán)境，人員安全得到了有效保障。同時該技術(shù)操作簡單、效果顯著，對井筒堵水注漿具有較高的推廣價值。