立井井底水窩預注漿防治水設計與施工

王云潮

（山西宏廈第一建設有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 立井水文地質概況

1.1 礦井含水層

廟口煤礦立井經過前期地質勘探所揭示的含水層主要有3組：其中第四系和第三系的砂礫系以及礫石孔隙水共同構成了第一組含水層；煤層頂部的砂巖則構成了第二組含水層，厚度17.54～46.77 m，均厚28.18 m；太原組上部的灰巖部分是第三組，厚度大約0.28～7.78 m，均厚3.33 m。

1.2 工作面探水情況

工作面鉆孔探水布置形式如圖1所示。當各鉆孔單液注漿壓力值達到4 MPa后，各個鉆孔注入的漿液較少，此時對各鉆孔進行封孔，再對井筒進行施工。由于L7～L8灰巖縫隙還在發育，在此處施工時需要往裂隙中注入泥巖進行填充。工作面鉆孔探水施工有關參數見表1。

表1 工作面鉆孔探水施工參數

圖1 工作面鉆孔探水結構布置圖

1.3 井底水窩突水淹井分析

L7～L8位置為灰巖，在掘砌到1段高時需要數次放炮，每次裝藥量都比較大，對周圍巖石的震動作用也比較大。首個段高的施工結束后開始回模板，這時迎面的西南方向涌進大量水源，風井的排水能力只有50 m3/h，涌水無法及時排出淹沒了井筒。一開始涌水中含有大量泥沙，為了分析涌水來源，取水樣進行了水質化驗。化驗結果顯示，Ca2+含量均超過了40 mg/L。當Ca2+含量大于30～40 mg/L時，水源一般是奧灰水，從而可以推斷涌水的來源極有可能是奧灰水。

2 水窩涌水治理方案選擇

根據現場實際情況，參考以往井筒突水治理經驗[1-6]，制定了以下幾種方案：

（1）使用商品混凝土止漿墊。通過澆筑止漿墊防治水具有強度大、施工快速的優點，但在止漿墊澆筑過程中容易出現淤泥堵塞情況，會對止漿墊澆筑的強度產生不利影響。

（2）使用水泥灰止漿墊。借助溜灰管和壓風管，將2寸膠管套進管子中，把混凝土澆筑到2趟管路中。此方案的好處是方法比較簡單，但效率不高。

（3）先排水后澆混凝土。止漿墊的澆筑質量比較高，強度也會增加。但這個方案需要排水量較大的泵，這樣所需時間久，工期長，還要二次敷設電纜，成本也會增加。實際涌水和水源的情況了解不詳細，排水所需時間也不易把握。

根據現場實際情況及上述三種防治水方案比較，確定采用澆筑水泥灰止漿墊方法對水窩涌水進行防治。

3 水窩預注漿防治水方案具體實施

3.1 止漿墊材料選擇及結構確定

爐渣水泥灰產生的熱度比較低，對止漿墊的澆筑質量非常有幫助，市面流通的最高標號是325#，不足以支撐水泥灰澆筑所需要的強度。高標號的硅酸鹽以及一般硅酸鹽水泥在凝結時產生的熱度比較高，既不利于止漿墊凝固，也會損害止漿墊質量以及強度。根據以上情況，可以使用一般性質的硅酸鹽水泥，規格是PO.42.5。

平底型止漿墊有效厚度計算公式如式（1）：

式中：B為止漿墊厚度；P0為注入漿液時產生的終壓最大值，5 MPa；σ為混凝土在7 d狀態下能夠承受的強度，2.5 MPa；h為球面矢度，0.3；r為井筒半徑，2.75 m。把以上參數代入公式（1）中得出B值為6.325 m，實際上取7 m。鑒于素灰止漿墊頂部部分受到井水浸泡，止漿墊末部與底部淤泥混合到一起部分按3 m深度考慮，故本次澆筑素灰止漿墊總體厚度實際值為12 m。

3.2 素灰止漿墊澆筑

為了防止下灰時沖擊到止漿墊，避免對素灰沉淀及止漿墊快速凝結造成影響，可對灌注止漿墊所用膠管進一步加工。在膠管出口將3 m長的膠管制成封閉的花管樣式，澆筑止漿墊時采用側面出灰方式。攪拌容器均為容量為1 t的翻斗礦車，素灰通過鋪放在翻斗礦車底端的條形花管與膠管、壓風管連接后的壓風作用進行攪拌，攪拌同時使用污水泵吸漿。污水泵中如果進風會導致吸漿停止，為了避免這種問題，水泥灰的攪拌工作和污水泵的吸漿工作采用不平行作業的方式。

3.3 井底水窩預注漿防治水

（1）注漿鉆孔

結合現場的實際情況，一共設計了6個鉆孔。探放水的鉆探工作在井深160～208 m范圍內進行，井底水窩位置鉆孔探水施工設計參數見表2。井底水窩位置涌水混有泥漿，為了確定井筒內淤泥所處的位置，采用垂直分布的鉆孔方式進行鉆探，并對鉆孔過程中發現的泥漿出水位置采用點對點注漿進行封堵。

表2 井底水窩鉆孔探水設計參數

為了避免在含水層施工時出現突水問題，采用100 mm的高壓球閥通過法蘭與無縫鋼管焊接的方式對注漿過程進行控制。超出商品混凝土止漿墊水平面的孔口管的長度為0.5 m。當商品混凝土止漿墊處于3 d狀態，在混凝土的上面安裝好相應的工作臺，并布置孔口管，開始作業。剛開始時要進行試鉆進，鉆孔鉆進速度要緩慢，當鉆孔鉆進一段距離后，要對孔口管進行壓力試驗，只有試驗壓力值符合要求才能進行正常鉆孔作業。根據現場實際情況，此次工作面鉆孔鉆至10 m時開始注入清水進行壓力試驗，所得試驗壓力值為6 MPa，符合正常鉆進的要求。

（2）材料及注漿量

單孔需要注入的單液漿水泥漿，經計算可得Q=69.22 m3，具體以實際為準。此次鉆孔注漿所選漿液為單液漿，具體的注漿參數見表3。

表3 鉆孔注漿漿液參數

（3）施工設備及次序

此次井底水窩鉆孔所用鉆機型號為SGZL-3B，配套使用Φ50 mm×1.5 m鉆桿、直徑75 mm的鉆頭，注漿時使用的泥漿泵為BW-250型。具體鉆孔注漿施工順序如圖2所示。

圖2 鉆孔注漿施工次序圖

對4#、6#兩個位置進行作業時采用的是交替進行復鉆和注漿的方式。有涌水進入就需要提鉆注入漿液然后重新鉆進，二次施工，出現了涌水問題的鉆孔都需要重新鉆孔核查注漿效果。

3.4 井底水窩防治水效果分析

此次井底水窩工作面鉆孔探水施工過程出現多處涌水，對工作面出現涌水的位置均通過注漿進行封堵。工作面具體涌水位置及注漿防治水效果見表4。本次探放水作業一共施工了7處有效鉆孔，總工程量達到539 m，其中鉆探288 m，復鉆251 m。此次工程共計消耗水泥314.6 t，施工時間將近3個月，清理水泥灰止漿墊的時候并沒有涌水出現，達到了非常理想的注漿效果。

表4 涌水位置及注漿防治水效果分析表

4 結論

（2）在靜水位進行水泥灰止漿墊澆筑工作，可以防止強排水時產生的排水量問題以及涌進水量不清晰問題的發生，同時避免對止漿墊進行重新澆筑。通過孔口管把混凝土止漿墊和水泥灰止漿墊進行加固，并使之成為一個整體，可以有效解決澆筑止漿墊時產生的“活塞”問題。

（3）對施工方案的選擇和調整也會直接影響到探放水工程的施工效率，所以在制定施工方案時應當綜合考慮各方面的因素。設計探放水方案時理應充分地分析施工地點附近的水文和地質情況，在探放水工程結束后應該對探放水進行注漿效果評價。