千米深井高承壓井筒淋水注漿封堵技術研究及應用

2021-07-04 02:51:54孔慶蒙

煤炭與化工 2021年5期

孔慶蒙，張仟

（1.山東能源肥城礦業集團，山東肥城271600；2.山東鼎安檢測技術有限公司，山東肥城271600）

1 概況

近年來，我國煤炭資源向深部開發，肥礦集團魯西南礦區礦井，井筒深度大都超過-1 000 m水平，礦井建設期間均受到厚沖積層水和高承壓含水層水的影響或威脅。梁寶寺煤礦二水平主井深1 060.5 m，副井深1 090.5 m，沖積層厚達490 m，施工工藝為表土層段采用凍結法施工，基巖段采用鉆爆法施工。井筒淋水水源主要為表土層段解凍后的砂層水和二疊系石盒子組M4、M5等砂巖含水層涌水，其中基巖段含水層淋水主井38 m3/h、副井46 m3/h，為避免井筒淋水影響井筒裝備的使用、維修和井筒潰壁帶來的災害性風險，礦井對井筒基巖段高承壓淋水實施了壁后注漿，注漿封堵后井筒涌水量主井5.4 m3/h、副井5.6 m3/h、風井4.6 m3/h，符合煤礦安全規程及井巷工程質量驗收規范標準。

2 井筒淋水封堵注漿方式

井壁施工工藝和結構型式對注漿堵水方式的選擇尤為重要，梁寶寺煤礦二水平主井厚沖積層凍結段井壁采用強度等級C30～C65的高強高性能雙層鋼筋混凝土復合井壁結構型式，外層井壁厚度550～950 mm，內層井壁厚度550～950 mm，內、外井壁間鋪設2層1.5 mm厚度的HDPE塑料夾層。凍結段壁座為單層井壁，三層鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級C65，井壁厚度1 550 mm，該段淋水封堵采用兩井壁全斷面壁間注漿技術。基巖段為素混凝土單層井壁，厚度均為500 mm，含水層段混凝土強度等級C50，其余段混凝土強度等級C35，該段采用壁后帷幕深淺孔交叉注漿堵水技術。

3 注漿壓力的確定

3.1 注漿壓力選擇的重要性

高承壓井筒淋水壁后注漿封堵的安全風險和注漿效果主要由注漿壓力與含水層水壓、漿液擴散半徑、井壁承壓強度及安全技術措施的落實等多方面因素決定。注漿壓力過大，漿液擴散半徑大，漿液材料消耗量大，容易造成壓力傳導撐破井壁，造成井壁潰壁等嚴重災害，或漿液沿著井壁流竄，造成材料浪費。注漿壓力過小，則漿液受水壓作用有效擴散半徑小，達不到堵水的目標效果。因此，高承壓含水層井筒淋水封堵注漿壓力的選擇和控制是決定井筒淋水封堵效果的關鍵因素。

3.2 井壁極限承載能力的理論計算與注漿壓力的選擇

壁后注漿壓力主要考慮井壁抗壓承載強度，以不破壞井壁的穩定性為原則。壁后注漿終壓一般為靜水壓的1.3倍，梁寶寺煤礦二水平基巖段含水層靜水壓力為5～7 MPa，經驗上注漿壓力為6.5～9.1 MPa。為合理選擇注漿壓力，礦井聯合中煤科工集團南京設計研究院等科研院所根據井壁受力關系，建立模型后推導出公式：

式中：t為井壁厚度，m；rn為計算處井壁內直徑，m；fs為混凝土極限抗壓強度，取0.8倍立方體的抗壓強度標準值；P為計算處井壁所能抵抗的極限荷載，MPa。

梁寶寺煤礦二水平井筒井壁所能抵抗的極限載荷見表1。

表1 梁寶寺煤礦二水平井筒井壁極限承載能力計算Table 1 Calculation of ultimate bearing capacity of the second horizontal shaft wall of Liangbaosi Mine

結合理論計算結果，綜合考慮注漿前期為疏水降壓動水水壓，后期接近含水層水壓，注漿壓力原則上不得超過C35、C50混凝土井壁的極限承載能力，設計注漿孔的深度原則上為1 500～2 500 mm，不得超過工作面預注漿形成帷幕的范圍，并留有一定安全距離。

4 注漿材料

根據注漿材料的可注性、可控性和抗滲性，壁后注漿堵漏時采用水泥單液漿進行封堵，封孔選用水泥—水玻璃雙液漿，水玻璃選用濃度為40波美度、模數為2.4～2.8的水玻璃。后期采用高分子化學材料馬麗散E封注井壁密集型小出水點。

注漿漿液均選用山水牌P.O42.5水泥加膨脹劑制作，并且在漿液內再添加其它特殊配方組份，當進漿困難時水泥選用超細水泥，水泥漿水灰比在1.5∶1～0.8∶1調整，水泥漿與水玻璃配比為1∶1～1∶0.8，凝膠時間一般為60 s到幾分鐘不等。

5 注漿段高及布孔方式

根據井筒淋水實際發生位置，重點對基巖段M4、M5、M6高承壓含水層進行壁后注漿，注漿段高見表2。

表2 主、副、風井筒壁后注漿段位置Table 2 Position of grouting section behind the wall of main shaft auxiliary shaft and air shaft

基巖段壁后注漿鉆孔布置采用梅花三花型及深淺孔結合的方式，封注水量較大的出水點時，采用“頂水對點”方式布孔，淺孔孔深1.5 m，深孔孔深2.5 m，孔間距2.5～3.5 m，排距3.5～4.0 m，每排布置6孔，孔口管長度為800～1 500 mm，外露長度為50～80 mm。漏水量較大的接茬處，在距接茬500 mm左右上下交錯布置孔口管且向上、向下傾斜。注漿孔施工時按鉆探或物探提供的水源位置、裂隙分布、水流方向找到水源主導裂隙，將注漿孔打到主導裂隙，充分發揮每一個注漿孔的作用，同時在水流下游適當位置布置導流泄壓孔。

6 注漿工藝

注漿前，先壓水試驗，設備連接好后，開動注漿泵，用清水沖孔，并作串通試驗和耐壓試驗。將吸漿管擰緊上牢，分別放入儲漿桶內（水泥漿桶、水玻璃桶），按照設計好的漿液配比，調整好流量，先注單液漿，再注雙液漿。注漿順序先由下至上、再由上至下復注，先注漿加固接茬，再由小水點至大水點封注，封注大出水點時，采取頂水注漿或在出水點附近打疏水降壓孔，采取引流注漿、間歇注漿方式。注漿過程中，視壓力情況或涌水情況，隨時調整漿液濃度。每個孔注漿結束后，必須用清水沖洗注漿管路，吸水泥漿管和吸水玻璃管的2根液吸漿管要做好標記，以防混用。具體注漿工藝流程如圖1所示。

圖1 注漿工藝流程Fig.1 Grouting process flow

6.1 壓水試驗

注漿前必須進行壓水試驗，壓水時孔口及注漿泵安設壓力表，隨時觀測壓力變化。壓水試驗的壓力應大于靜水壓1～2 MPa，壓水時間大裂隙約10～15 min，中小裂隙約為15～30 min。

利用壓水連通試驗，既將待注漿裂隙沖刷干凈又能檢驗注漿點與井壁出水點的連通性，查明裂隙導通情況，此外可以通過過水時間確定漿液的凝膠時間，根據巖層的吸水率核定巖層的滲透性，為選擇注漿參數和漿液配比提供依據。

6.2 注漿過程控制

注漿過程控制的好壞決定著注漿封堵的效果。注漿時應實時監測記錄注漿參數變化，及時調整漿液濃度、注漿材料及技術參數等，實現注漿動態監測控制。

6.2.1 注漿壓力的控制

針對梁寶寺煤礦井筒淋水靜水壓力大、注漿壓力高的特點，封堵實施過程堅持“鉆孔探水—疏水降壓—引流、間歇注漿”原則，即超前施工探水孔，查找水源主導裂隙，測定含水層靜水壓力，同時疏水降壓，布置注漿孔時在水流下游適當位置布置導流泄壓孔，降低水壓，從而降低注漿壓力。注漿過程中時刻觀測泵壓，當壓力接近設計值時應及時停泵，采用間歇注漿、引流注漿方式，確保高壓狀態下井壁穩定性不受破壞。

由于巖層裂隙結構復雜多變，注漿壓力無明顯變化規律性，壓力變化主要有兩種情況：一是長時間不起壓，應查明泵吸漿是否正常、有無漿液流失或判斷注漿孔附近是否有大裂隙、斷層等，并采取相應措施解決；二是升壓很快，可能是遇到小裂隙、水壓大或注漿管堵塞，采取降低漿液濃度、布置泄壓孔疏水降壓引流間歇注漿或清除閥門淤沙等措施。

6.2.2 跑漿、串漿控制

若出現跑漿現象，可在跑漿裂隙中用棉紗等骨料填塞或配用水泥-水玻璃速凝塑膠泥，并作間歇注漿，間歇時間不能超過凝膠時間；當跑漿嚴重時，可改變漿液配比、縮短凝膠時間進行控制。當發生串漿時，可采取2個鉆孔同時注漿或關閉串漿孔的孔口閥門，待注漿完畢后再掃孔注漿。

7 井筒解凍期與井筒淋水變化規律研究

通過實際監測梁寶寺煤礦各井筒凍結壁、內層和外層井壁溫度變化情況，發現井壁解凍期隨凍結壁溫度回升速度及井壁井筒通風條件有所不同，一般350～400 d井壁全厚恢復正溫，20～32個月凍結壁完全解凍。

（1）井筒淋水受巖石礦物顆粒大小、裂隙程度影響，粗砂、中砂巖含水層段易發生涌水。

（2）井筒淋水多發生在井壁解凍過程中，且凍結段下段比中部涌水時間早；由于解凍前壁間注漿大多不是全斷面注漿，在完全解凍后將又一次發生涌水。

（3）基巖段含水層涌水易發生在水壓大、富水性相對豐富的地段。

（4）井筒淋水主要沿解凍過程中形成的主要導水通道、井座縫隙、澆筑時混凝土凝固時產生的干縮縫、金屬模板接岔處、注漿時水泥漿凝固后產生微裂隙及安裝井筒設備時施工形成的裂隙等薄弱地段外滲。

（5）井筒淋水水量常呈現“升—降—升—降—升—降”的變化過程，對應時期為解凍初期、壁間注漿、完全解凍、壁間壁后注漿、井筒設備安裝、壁后注漿。

8 井筒淋水治理效果

2012年2月8日～2019年8月30日，共分4個階段對梁寶寺煤礦二水平主、副、風井進行壁后注漿，主井淋水量由最大38 m3/h減至5.4 m3/h；副井淋水量由最大46 m3/h減至5.6 m3/h；風井水量由17.5 m3/h降至4.6 m3/h，符合煤礦安全規程及井巷工程質量驗收規范標準。二水平井筒涌水量變化如圖2所示。