厚松散層地面高壓注漿參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定方法

李存祿，余大有，翁洪周，緒瑞華，姚直書，彭世龍，張亮亮

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 臨沂 274000；2.安徽省煤田地質(zhì)局 第一勘探隊(duì)，安徽 淮南 232035；3.臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤 274000；4.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001，5.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

隨著我國(guó)淺部煤炭資源開采殆盡，深部資源的開發(fā)成為必然。礦區(qū)水文地質(zhì)條件隨深度的增加逐漸趨于復(fù)雜，由斷層、破碎帶等軟弱地層引發(fā)的深部井筒破壞、巷道變形和馬頭門失穩(wěn)等問(wèn)題頻發(fā)，造成重大安全隱患和巨大經(jīng)濟(jì)損失。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)華東地區(qū)厚松散層立井井筒共發(fā)生數(shù)十起偏斜事故，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)及人員安全[1，2]。針對(duì)此類井筒偏斜破裂形式，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)偏斜原因進(jìn)行了研究并根據(jù)不同偏斜原因和偏斜程度提出了相應(yīng)治理措施，如榮傳新[3]、經(jīng)來(lái)旺[4]和崔廣心[5，6]等認(rèn)為井筒偏斜的主要原因在于井筒底部厚含水層在煤礦生產(chǎn)、風(fēng)化基巖裂隙發(fā)育和工作面開采擾動(dòng)等多種影響因素下產(chǎn)生大面積、大流量的失水，地層疏水產(chǎn)生不均勻沉降致使井筒發(fā)生偏斜，除此之外，工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱留設(shè)不夠[7，8]以及井筒周邊軟弱地質(zhì)條件[9]也能產(chǎn)生或加劇井筒偏斜。針對(duì)上述井筒偏斜原因，不少專家提出地面注化學(xué)漿液[10]、壁后注漿[11]和割梁[12，13]的治理方案，并成功應(yīng)用于邱集礦、張雙樓和大黃山礦的井筒偏斜治理，取得了良好的糾偏效果。

類似郭屯煤礦如此巨厚松散層立井井筒偏斜事故國(guó)內(nèi)外尚屬首次發(fā)生，其偏斜機(jī)理目前還需進(jìn)一步研究，治理技術(shù)尚無(wú)工程案例可依。本文根據(jù)大量生產(chǎn)實(shí)踐及井筒注漿修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，以地面注漿治理郭屯煤礦主、副、風(fēng)井井筒偏斜工程為工程背景，采用鉆孔壓水與地面高壓注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，根據(jù)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到地層透水率和單位吸水量與深度、注漿壓力的變化關(guān)系，以及各層位受注點(diǎn)注漿壓力與靜水比值和壓水流量與注漿流量比值確定注漿壓力、注漿量的大小。研究成果在該礦主、副、風(fēng)井地面注漿治理井筒偏斜工程中得到成功應(yīng)用，為今后類似條件巨厚松散層地面注漿參數(shù)確定提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

山東省菏澤市巨野礦區(qū)郭屯煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.4Mt/a，工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)主、副、風(fēng)凈直徑分別為5.0m、6.5m、5.5m，井深853.0m、882.0m、773.0m。該礦2010年3月投產(chǎn)后，由于礦井開采疏排水，造成地面下沉，于2015年左右發(fā)現(xiàn)主井井筒向北、西兩方向最大偏斜量分別為30mm、348mm；副井井筒向北、西兩方向最大偏斜量分別為104mm、336mm；且井筒偏斜發(fā)生在表土基巖交界面以上表土段，由下而上逐漸增大分布，并均向該礦非對(duì)稱開采工作面方向偏斜，已嚴(yán)重威脅礦井生產(chǎn)安全。

郭屯礦主、副、風(fēng)井井筒偏斜機(jī)理復(fù)雜，涉及水文地質(zhì)因素繁多，筆者研究團(tuán)隊(duì)研究認(rèn)為，該礦井筒出現(xiàn)的豎向壓縮變形和破損是由地層非均勻疏水固結(jié)沉降產(chǎn)生的豎向附加力與水平環(huán)向附加力共同作用所致；井筒出現(xiàn)偏斜的原因可能是在巨厚松散層薄基巖特殊地質(zhì)條件下，非對(duì)稱開采引起的井筒周邊地層不均勻沉降所致。為不影響礦井正常生產(chǎn)，通過(guò)方案論證，決定采用地面注漿對(duì)井筒不均勻偏斜、沉降進(jìn)行治理。

該礦主、副、風(fēng)井筒穿越的松散層厚分別為587.4m、586.2m、578.1m，3個(gè)井檢孔含(隔)水層劃分見表1。

表1 松散層含、隔水層劃分 m

檢查孔揭露的地層自下而上分為奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系。

第四系含水層(一含)以中、細(xì)砂為主，局部有粉砂和粗砂，含砂層4～6層，砂層厚度19.1～77.10m，含砂率15.4～58.8%，砂層比較松散，連續(xù)性較好，透水性較強(qiáng)。

第四系隔水層(一隔)以灰綠、棕黃色粘土、砂質(zhì)粘土為主，厚51.4～120.6m，占全層段的41.2～84.6%；塑性指數(shù)17.1～24.8，部分呈軟塑狀態(tài)。在第四系下部以粘土層為主，其隔水層性能良好。

新近系上含水層(二含)厚91.80～385.60m，平均285.97m。由中、細(xì)砂層與雜色粘土、砂質(zhì)粘土相間沉積而成。砂層厚度70.0～149.2m，富水性較強(qiáng)，為松散孔隙承壓水含水層。

新近系中隔水層(二隔)以粘土、砂質(zhì)粘土為主，占地層總厚的15.4%～84.9%，由上而下固結(jié)程度漸增，底部近百米段為軟硬塑性具備的粘土、砂質(zhì)粘土隔水層；粘土中夾有柱狀或板狀石膏晶體，富含蒙脫石礦物，易膨脹，具有良好隔水性。

新近系下含水層(三含)厚85.80～229.50m，平均157.77m。據(jù)井田內(nèi)抽水試驗(yàn)資料，抽水層段砂層累厚21.15～25.30m，滲透系數(shù)0.0028～0.0512m/d，礦化度2.216～2.844g/L，水質(zhì)較差，屬富水性弱的松散孔隙承壓含水層。

為不影響礦井正常生產(chǎn)，同時(shí)防止厚松散層底部含水層疏水引起井筒進(jìn)一步偏斜，采用地面高壓注漿對(duì)底部含水地層進(jìn)行加固，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)注漿試驗(yàn)確定注漿參數(shù)，為后續(xù)注漿施工提供參數(shù)依據(jù)。

2 厚松散層地面高壓注漿試驗(yàn)

在進(jìn)行厚松散層地面高壓注漿前，需在各立井井筒周邊合理布設(shè)若干檢驗(yàn)孔，通過(guò)檢驗(yàn)孔壓水試驗(yàn)分析檢驗(yàn)孔周邊松散層含水層的滲透性能。由于本次試驗(yàn)主要注漿對(duì)象為松散層底部含水層，因此布置的所有檢驗(yàn)孔均鉆進(jìn)到松散層底部含水層底板處。根據(jù)井筒偏斜方向，檢驗(yàn)孔大致布置在井筒西北側(cè)。此外，為便于觀測(cè)，檢驗(yàn)孔盡量布置在一條直線上，且立井井筒各自周邊檢驗(yàn)孔距離不應(yīng)過(guò)遠(yuǎn)。檢驗(yàn)孔自2016年6月2日開始施工，2017年7月27日完工，共施工8個(gè)孔，其中主井井筒周邊2個(gè)(孔號(hào)：主檢孔、主1孔)，副井井筒周邊2個(gè)(孔號(hào)：副檢孔、副1孔)，風(fēng)井井筒周邊3個(gè)(孔號(hào)：風(fēng)檢1孔、風(fēng)檢2孔、風(fēng)檢3孔)，風(fēng)檢3驗(yàn)證孔1個(gè)，各檢驗(yàn)孔平面位置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)孔平面位置示意圖(m)

主檢孔、主1孔、副檢孔、副1孔、風(fēng)檢1孔、風(fēng)檢2孔分別對(duì)松散層底部含水層進(jìn)行壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的設(shè)備為蘭州盛達(dá)采油機(jī)械制造有限責(zé)任公司生產(chǎn)的3NB35-126型三缸單作用柱塞泵，功率126kW。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)受注點(diǎn)壓力和清水壓入流量進(jìn)行測(cè)試。風(fēng)檢1孔對(duì)松散層底部含水層進(jìn)行地面高壓試驗(yàn)注漿，風(fēng)檢3孔分別對(duì)設(shè)計(jì)的5個(gè)層段進(jìn)行了試驗(yàn)注漿，試驗(yàn)共注水泥漿1026.2m3。試驗(yàn)孔在不同的層位共完成11次壓水試驗(yàn)，6次試驗(yàn)注漿見表2。

表2 試驗(yàn)孔壓水試驗(yàn)、試驗(yàn)注漿層位

2.1 壓水試驗(yàn)

本次地面高壓注漿試驗(yàn)通過(guò)對(duì)井筒周邊的檢驗(yàn)孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)獲取地層水文地質(zhì)參數(shù)。壓水試驗(yàn)是基于達(dá)西定律理論，采用承壓穩(wěn)定流井法計(jì)算地層水文地質(zhì)參數(shù)的水文試驗(yàn)。試驗(yàn)通過(guò)向研究層段施加一定壓力，并注入清水，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)所注層段吸收水體的水量分析地層透水性能。其原理如圖2所示。圖2中，Q為壓水流量；hw為含水層穩(wěn)定水位至含水層底板高度；h為含水層靜止水位至含水層底板高度；M為含水層厚度；R為影響半徑；r為注漿孔半徑

圖2 壓水試驗(yàn)原理

試驗(yàn)開始前，對(duì)鉆孔進(jìn)行清水洗孔，通過(guò)將栓塞放置松散層底部含水層底板對(duì)壓水段進(jìn)行隔離，通過(guò)對(duì)初始水位的觀測(cè)后，正式開始?jí)核疁y(cè)試。試驗(yàn)每半小時(shí)觀測(cè)流量、壓力一次，獲得各檢驗(yàn)孔壓水?dāng)?shù)據(jù)。壓水試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 壓水試驗(yàn)裝置

2.2 地面高壓注漿試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)井筒周圍厚松散層注漿，可以降低受注段滲透性，提高其變形模量，減小其在失水條件下的變形系數(shù)，從而保護(hù)井筒；同時(shí)也可提高受注段強(qiáng)度，特別是在結(jié)構(gòu)面以及透鏡體周圍形成水泥保護(hù)層，起支撐作用，減少失水造成的地層壓縮量，從而阻止或減緩疏水沉降引起的井筒偏斜。本次地面高壓注漿試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)風(fēng)井1孔底部含水層和風(fēng)檢3孔5個(gè)層段進(jìn)行注漿，注漿段根據(jù)以下原則確定：

1)三井筒范圍內(nèi)新生界松散地層可作為同一單元體來(lái)考慮，注漿段統(tǒng)一劃分。

2)注漿段劃分以隔水層(粘土層)為控制層位，以砂層為主，砂層和粘土層互層較多的層段作為注漿段，一次注漿段高控制在25～50m。

3)鑒于底含與上覆松散層無(wú)水力聯(lián)系，故400m以下(特別是底部含水層)作為主要注漿層位，多布置注漿段。

地面注漿過(guò)程為：

1)下管：本次套管均采用絲扣連接方式，注漿段為花管，花管眼用嵌縫帶堵上，外裹40目尼龍紗網(wǎng)，每隔200mm用扎絲扎牢。下管前按設(shè)計(jì)要求配管，并編上號(hào)，嚴(yán)格按順序下管；下管完成后，下止?jié){塞至下部一層實(shí)管底界深度以上拉塞，孔口焊實(shí)。

2)固井：下管完成后，套管與孔壁之間環(huán)狀間隙用水泥粘土漿進(jìn)行封堵，固井之前用泥漿循環(huán)孔2個(gè)循環(huán)，按水∶水泥∶粘土=1∶0.7∶0.3配比漿液，用注漿泵進(jìn)行灌漿，直至孔口返漿停泵。侯凝7～8h起塞，再侯凝24h，下鉆透孔。

3)洗井：透孔結(jié)束后，洗孔至孔內(nèi)水清砂凈，按套管內(nèi)體積配置濃度1%焦磷酸鈉溶液，用泵灌入孔內(nèi)，浸泡24h后，下活塞反復(fù)對(duì)各注漿段進(jìn)行洗井，直至水清砂凈。洗井完成后下止?jié){塞拉塞，進(jìn)行水位觀測(cè)。

4)注漿：風(fēng)井1孔底部含水層和風(fēng)檢3孔5個(gè)層段分別進(jìn)行注漿，直至最后一層注漿層，注漿結(jié)束。

3 注漿試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓水試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)各試驗(yàn)孔各壓水層段的壓力和清水壓入流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》[13]得到各試驗(yàn)孔各層位地層透水率與深度和單位吸水量與注漿壓力的關(guān)系見表3。

表3 各層段壓水試驗(yàn)單位吸水量、試驗(yàn)段透水率

透水率是反映試驗(yàn)段透水性的參數(shù)。我國(guó)相關(guān)注漿工程實(shí)踐[14]表明：透水率在3或5Lu以上的巖土體，可注性較好；透水率1～3(或5)Lu之間的巖土體，可注性一般，且需看巖土體裂隙寬度如何再定；透水率小于1Lu的巖土體，可注性較差。由表2風(fēng)檢3孔的各層段透水率可知，地層透水率隨松散層厚度的增加而減小，且整個(gè)表土層內(nèi)透水率均大于1，因此可注性一般。風(fēng)檢1孔和風(fēng)檢2孔的透水率接近于1，因此其底含可注性也一般。其余試驗(yàn)孔的透水率均小于1Lu，其中主檢孔的壓水層段最深，該層段的透水率為最小值0.082Lu。

由表3中主檢孔、風(fēng)檢1孔、風(fēng)檢2孔和風(fēng)檢3孔各試驗(yàn)層段受注點(diǎn)壓力和單位吸水量之間的變化關(guān)系可知，各試驗(yàn)孔受注點(diǎn)壓力越大，單位吸水量越大，兩者近似呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)風(fēng)檢3孔第五層位(三含)受注點(diǎn)壓力為11.75MPa時(shí)，該處單位吸水量為8.18L/(min·m)，透水率為1.36Lu，說(shuō)明厚松散層底部含水層具有可注性。

3.2 高壓注漿試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)風(fēng)檢3孔現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，得到風(fēng)檢3孔不同注漿層位受注點(diǎn)壓力與注入流量的關(guān)系，結(jié)果見表4。

表4 風(fēng)檢3孔注漿壓力與靜水壓力的關(guān)系

由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，松散層深度越深，地層的單位吸漿量越小，單位吸漿量由上部的9.69m3/h下降至底部的7.5m3/h，但總體下降較少，表明松散層底部仍具可注性。通過(guò)計(jì)算風(fēng)檢3孔各層位受注點(diǎn)注漿壓力與該處?kù)o水壓力的比值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)井井筒范圍內(nèi)松散地層范圍該值平均為2.0～2.5，故郭屯煤礦深厚松散層地面高壓注漿壓力達(dá)到2.0～2.5倍的靜水壓力時(shí)，水泥漿可順利注入底部含水層。

風(fēng)檢3孔不同注漿層位受注點(diǎn)注漿壓力與漿液壓入量的關(guān)系見表5，由表5可知風(fēng)檢3孔各注漿層位壓水試驗(yàn)和注漿試驗(yàn)受注點(diǎn)壓力基本相同，但壓水流量要比注漿流量多，其比值范圍為1.8～2.2，平均為2.0倍。因此，同一注漿段，在壓力相同的情況下，注漿流量是壓入流量的一半。

表5 風(fēng)檢3孔壓水流量與注漿流量的關(guān)系

3.3 厚松散層地面高壓注漿參數(shù)確定方法

根據(jù)立井井筒附近檢查孔的各層位的壓水試驗(yàn)確定受注點(diǎn)靜水壓力和清水壓入量，得到受注點(diǎn)壓力與透水率和單位吸水量之間的關(guān)系。然后根據(jù)各層位地面高壓預(yù)注漿試驗(yàn)，比較受注點(diǎn)注漿壓力與靜水壓力的定量關(guān)系，確定注漿壓力的范圍；再由注漿量與清水壓入量的定量關(guān)系確定高壓注漿流量的范圍。該確定方法可為厚松散層地面高壓注漿施工提供參數(shù)依據(jù)。

4 注漿效果評(píng)價(jià)

風(fēng)檢3孔壓水注漿開始20min后，風(fēng)檢1孔口開始出水，風(fēng)檢2孔為發(fā)現(xiàn)出水，說(shuō)明風(fēng)檢3孔和風(fēng)檢1孔兩孔溝通，但風(fēng)檢1孔和風(fēng)檢2孔內(nèi)未見水泥漿，說(shuō)明兩孔并未串漿，注漿效果良好。風(fēng)檢3孔第一層、第二層、第三層注漿期間風(fēng)檢2孔水位上升幅度最大也只有5.15m，相當(dāng)水柱壓力0.0515MPa；第四層、第五層注漿時(shí)風(fēng)檢2觀測(cè)孔水位變化呈鋸齒狀，整體呈下降趨勢(shì)，但變化幅度很小，最大也僅1.42m。風(fēng)檢3孔距離風(fēng)井井筒中心39.89m，在壓水和注漿之前，風(fēng)井共安裝傳感器17層，計(jì)249個(gè)傳感器，試驗(yàn)過(guò)程中各井筒應(yīng)變特別是風(fēng)井井筒無(wú)明顯變化，井壁沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水量增大現(xiàn)象，說(shuō)明此次注漿試驗(yàn)過(guò)程中注漿壓力對(duì)井筒影響很小。注漿后12d，根據(jù)地面主井井筒周邊各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位向偏斜反方向運(yùn)動(dòng)，平均修復(fù)位移量為49mm，主井現(xiàn)偏斜299mm，偏斜修復(fù)量完成14%，修復(fù)效果顯著。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)分析郭屯礦深厚表土層地面高壓注漿試驗(yàn)風(fēng)檢3孔現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明井筒穿越深厚松散地層透水率隨厚度的增加而減小，松散層上部的透水率為5.39Lu，下部為1.36Lu；風(fēng)檢3孔各注漿層位單位吸水量與受注點(diǎn)壓力近似呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。風(fēng)檢3孔的各層段透水率均大于1，因此可注性一般。

2)郭屯煤礦松散層深度越深，地層的單位吸漿量越小，單位吸漿量由上部的9.69m3/h下降至底部的7.5m3/h。深厚松散層地面高壓注漿壓力達(dá)到2.0～2.5倍的靜水壓力時(shí)，水泥漿可順利注入擬加固地層；各注漿層位壓水試驗(yàn)和注漿試驗(yàn)受注點(diǎn)壓力相同的情況下，注漿流量是壓水流量的一半。

3)地面高壓注漿修復(fù)井筒偏斜試驗(yàn)過(guò)程中，主副風(fēng)立井井筒應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值變化較小且處于安全值以內(nèi)，說(shuō)明此次注漿試驗(yàn)過(guò)程中注漿壓力對(duì)井筒基本無(wú)影響；主井井筒糾偏效果達(dá)14%，修復(fù)效果顯著。