立井過砂巖富含水層工作面預注漿分析

任亞東

(河南錦源建設有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著煤礦開采范圍和深度的不斷增加，煤礦立井井筒的深度不斷加深，井筒突水的危險性也在不斷增大，突水區域也在不斷擴大。立井井筒地下水突出是立井施工中一種極其復雜的現象，它在很短的時間內，由巖層內向井筒突然涌出大量的地下水，嚴重影響井筒施工進度和安全。因此，解決立井井筒突水問題已經成為我國礦業界的重大技術難題之一[1-3]。

砂巖是石炭—二疊紀煤系地層頂板、地質地貌的獨特特征，以巖石堅硬、縱向裂隙發育橫向不貫通、含水層量大為主要特征。河南省內豫北、豫西絕大多數礦區的立井井筒施工需穿過砂巖含水層，過砂巖期間極易造成突水淹井事故，嚴重影響了井筒施工的進度及安全。如何安全、快速通過有砂巖層，一直是全國建井行業共同探求的難題[4]。本次嘗試利用注漿鉆孔向巖體注入10～11 MPa高壓漿液，強制置換出巖層縫隙內含水并固結成巖，同時在井筒周邊10 m范圍內形成隔水帷幕，把水控制在井筒周邊8 m范圍以外。通過本次嘗試，為類似井筒施工提供工程經驗。

1 工程概況

裴溝煤礦43采區樊寨副立井井筒直徑7 m，井口設計標高+229 m，落底標高-546 m，井深775 m，施工至井深381 m時，井筒出現突水現象，單孔最大涌水量130 m3/h，水壓最大達2.8 MPa，通過下放鉆孔內攝像頭對井下圍巖節理裂隙發育情況進行觀測，多為豎向裂隙，橫向不聯系。根據井檢孔鉆孔柱狀圖巖性描述，本段主要為中粗粒砂巖，呈灰色、灰白色，巨厚層狀，上部中粒結構，下部粗粒結構，成分以石英為主，次為長石，次棱角狀，分選差，縱向裂隙發育，裂隙面被鐵質、水浸染，有小溶洞，硅質膠結，巖芯破碎，富水性強。同時結合井檢孔資料判定該層位為二疊系平頂山組富含水層，厚度57 m，實測該含水層涌水量為187 m3/h。第1回次采用普通水泥工作面預注漿，吸漿量少，升壓快，效果差，達不到預期目的，嚴重影響建設工期。

2 工作面預注漿方案

注漿方案的總體目標要求：利用漿液把裂隙極發育且連通性好的砂巖層空隙充填飽滿，固結成巖，形成整體帷幕，改變井筒周邊的水流方向，改善此井段周圍地層物理力學性質和賦水性，同時制定專項措施確保高壓注漿期間已施工副井井壁不受損壞。

前期采用10 MPa以上高壓、高密度雙層梅花型注漿孔、清水、水玻璃強制置換出巖層縫隙、細小裂隙通道內銹蝕物，打通注漿通道，后期強壓下利用高性能、微膨脹水泥漿等新型材料進行充填注漿，在井筒周邊8 m范圍內形成一道隔水帷幕，把水控制在井筒周邊8 m范圍以外，工作面預注漿采用分段整體推進的方法，最大限度地利用水泥漿液在井筒水平斷面上形成帷幕圈，提高注漿成效，徹底根治井筒涌水。

3 施工難點

(1)該砂巖的層位深度為381～438 m，厚度達57 m，地質勘察預計該含水層涌水量187 m3/h，實測單孔(φ90 mm)最大涌水量130 m3/h，水壓2.5～2.8 MPa，水量大、水壓大，工作面預注漿難度大。

(2)該層砂巖豎直裂隙極為發育，橫向裂隙不發育，部分裂隙貫通，透水性極強，突水危險系數大。

(3)該層砂巖采用普通注漿法時吸漿量少，升壓快，與涌水量不對稱，造成注漿效果差或無效。

(4)該層砂巖注漿鑿孔時出現流沙破碎帶，鉆孔出現涌沙、淤沙，造成鉆桿無法拔出、鉆孔無法注漿和透孔。

(5)該層砂巖主要為中粗粒砂巖，質地堅硬，鉆機鑿孔深度受限，造成注漿段高低，每回次掘進進尺有限。

4 施工工藝及技術要求

4.1 注漿鉆孔布置

注漿鉆孔布置對工作面預注漿的成敗至關重要，因此結合超前探測資料以及以往注漿經驗設計了本次注漿鉆孔布置方案，本次鉆孔布置設計分為基礎鉆孔、補強孔和檢驗孔，確保形成帷幕。同時由于每回次注漿搭接部位孔間距較大，結合實際情況，適當情況下增加頸部補強鉆孔。

(1)基礎孔。內外雙圈布置，孔口、孔底呈梅花型布置，成三角連鎖區域，增加帷幕封閉性，減少注漿空白區域。具體布置如圖1、圖2所示。

圖1 鉆孔平面布置Fig.1 Drilling layout

圖2 鉆孔立面Fig.2 Drilled facade

(2)補強孔。內外圈鉆孔施工完成后根據現場情況進行補孔，單孔涌水量>5 m3/h的鉆孔，在其兩側進行補孔，補孔參數與單孔涌水量>5 m3/h的鉆孔一致；若補孔的單孔涌水量仍>5 m3/h，則在該孔施工完成后在與其兩側鉆孔的中間位置處各布置1個鉆孔，直至鉆孔涌水量≤5 m3/h。

(3)頸部補強鉆孔。布孔形式與基礎孔一致，徑向傾斜布孔，個數與外圈基礎孔保持一致；孔底一般布置于井筒輪廓線外6 m，與本回次基礎孔注漿區域進行重合；孔口盡量布置靠近于井筒掘進輪廓線，以加大上部井壁薄弱段的注漿區域。

(4)檢驗孔。檢驗孔根據現場注漿情況確定，井筒中心處布置1個，其他檢驗孔布置原則：鉆孔單孔涌水量>20 m3/h的區域也需重新布置檢驗孔，參數與單孔涌水量>20 m3/h的鉆孔一致。如果檢驗孔無水則注入適量漿液并達到終孔要求封孔；若檢驗孔單孔涌水量>1.5 m3/h，則該檢驗孔充作注漿孔重新進行注漿，然后再布置檢驗孔直至檢驗孔涌水量≤1.5 m3/h。

4.2 鉆孔結構

使用φ130 mm型沖擊器鉆頭開孔至孔口管深度后，下入φ108 mm×8 mm的孔口管，然后使用φ90 mm鉆頭套孔鉆進至設計深度。孔口管采用φ108 mm×6 mm的無縫鋼管，單節長度1.5 m，孔口管上部焊接子母扣法蘭中凹盤，凹盤與閥門連接采用高強度螺栓。為防止埋設孔口管期間鉆孔發生涌沙無法進行注漿，正常地質區域孔口管長度按照15 m布置，破碎帶區域孔口管長度調整為7 m，同時每個孔口管需采用2根φ20 mm×2 m長錨桿進行固定。 孔口管埋設后，安裝注漿堵盤，并進行耐壓試驗。

4.3 鉆孔施工順序

為加快鉆孔進度，采用2臺鉆機同時進行對稱打孔，先施工外圈孔，后施工內圈孔，然后再進行補孔、中部補強孔，最后施工中心鉆孔和效果檢驗孔。

4.4 注漿流程

標定孔位→確定鉆孔方位角→造孔→洗孔→注漿埋孔口管→注水測定孔口管耐壓值→鉆孔→放水、壓水→注單液漿→注雙液漿→再注單液漿→雙液漿封孔。

4.5 注漿參數

(1)注漿段高。本次含水層厚度為57 m，設計注漿孔深度33 m，前3個回次注漿結束每次允許井筒掘進距離13 m，預留不小于20 m超前距，第4回次穿過含水層，且穿過砂巖底板不小于10 m處，通過探注與掘支交替作業方式通過該含水層。

(2)注漿材料及配比。采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥、CGM-1000型超細水泥和BY12-I型高性能無收縮注漿料、BY12-IA型早凝早強高強注漿料、水玻璃模數為3.0～3.3的改性水玻璃。注漿時優先采用普通硅酸鹽水泥，當出現吸漿量少，升壓快時采用超細水泥。單漿液密度要控制在1.1～1.2t/m3(水∶水泥=6∶1～3∶1)，雙液漿的水泥漿與水玻璃漿液配比為1∶(0.8～1.0)(體積比)；單孔涌水量大于10 m3/h，采用普通注漿法：水泥單液漿，水泥、水玻璃雙液漿；單孔涌水量5～10 m3/h，采用超細水泥注漿；單孔涌水量小于5 m3/h，采用BY12-I型高性能無收縮注漿料、BY12-IA型早凝早強高強注漿料。

(3)注漿方式及注漿壓力。平行作業注漿時要間隔跳孔作業方式，防止注漿發生串漿。注漿時按照分級打壓原則，先高速擋后低速擋，按照4速→3速→2速的順序對鉆孔進行注漿，高速擋注漿時升壓后及時更換為低速擋，直到2速擋達到注漿結束標準后停止注漿。孔內注漿采用孔口、孔底正反向同時注漿方式，下行注漿管在圍巖破碎時采用鋼管。具體布置如圖3所示。

圖3 下行注漿示意Fig.3 Downward grouting indication

根據實際施工經驗，注漿壓力的大小可用經驗公式計算：

P=(2～4)Pw

式中，P注漿壓力；Pw為注漿點的靜水壓力。

根據探水期間實測靜水壓力確定此次工作面注漿終壓，現場實測靜水壓力2.5～2.8 MPa，則注漿壓力控制在10～11 MPa。孔口管耐壓值主要取決于注漿的最大壓力和注漿終壓，孔口管耐壓值不低于12 MPa，且持續時間不小于30 min。

5 注漿結束標準和注漿效果評價

注漿泵的2速擋的注漿壓力達到11 MPa，吸漿量低于20 L/min且持續30 min；注漿孔的涌水已封堵、無噴水，且其涌水量小于1 m3/h。砂巖富含水層工作面預注漿總共施工鉆孔124個，注漿前最大涌水量達到130 m3/h，注漿后整個段高內涌水量不超過2 m3/h，材料用量為普通硅酸鹽水泥301.6 t，超細水泥758.59 t，注漿料427.9 t。掘進期間的涌水量均不大于2 m3/h，取得了較好的效果，順利完成了該段砂巖的井筒掘砌施工。

6 結語

楊河煤業43采區副立井過平頂山富含水層砂巖工作面預注漿堵水，通過采用優化段高控制、優化鉆孔布置、采用新型注漿材料、孔內正反同時注漿和優化復雜地帶注漿措施的實施，成功地完成了平頂山富含水層厚砂巖段的探注、掘進工作，掘進期間最大涌水量2 m3/h，成功穿過砂巖富含水層57 m，該工作面預注漿技術堵水效果良好。研究為今后在類似立井工程過富含水層施工積累了工程經驗，具有廣泛的推廣和應用價值。