地面水平井注漿工藝技術在煤礦水害區域治理中的應用

張偉

中國煤炭地質總局第三水文地質隊 河北邯鄲 056006

注漿加固是目前煤層底板掘進巷道常用的開采方法。這種方法要求在隧道開挖完成后安排鉆孔場地。另外，在盲區處理中，還可能存在鉆孔工作量大、鉆孔有效孔段短、注漿量小、鉆孔軌跡不可控等問題。為解決這一辦法的缺陷，地表井的等離子技術已被用于煤礦底板的水害控制，同時利用地表水對地下板塊的損害進行預先控制。

1 施工設計原則

合理的工程設計原則將減少挖掘作業，提高加固注漿的效率，避免施工前和施工后的干擾。因此，建筑設計中應按照下面的原則開展：

（1）水平開口的設計應與煤礦水控制規則和安全開發要求相結合，以確保這些開口覆蓋整個區域，在室外工作，并對巷道進行上下控制。

（2）當需要同時施工兩口或兩口以上水平井時，應盡量避免各支孔交叉，防止出現一系列漿體。

（3）在采煤工作面附近或深切斷裂帶附近的支孔注漿，在礦山安全能滿足的情況下盡量降低注漿壓力，避免井下或地面運行漿液。

（4）當地表水平井注漿量較大時，盡量從安全、經濟、實用的角度選擇注漿材料[1]。

2 注漿加固目的

各礦區地層存在差異，需要根據控制區地層資料選擇合適的目標層進行注漿加固。在選擇目標層位時應注意以下幾點：

（1）水平井的支孔盡量布置在含水層或裂縫相對發育的巖層中。

（2）目標層與煤層的距離應適中。注漿加固能起到阻斷工作面底板含水層的通水和增加防水層厚度的作用。

（3）目標層應位于發育穩定、厚度一定的巖層中（以5m 以上為宜）。

（4）不要選擇在堅硬或破碎的巖層中嚴重的地層，以免鉆進或成孔困難。以某礦區為例，二疊系中i-1 煤層普遍發育，煤層厚度穩定，是該地區主要開采的煤層。而某礦區是我國著名的大水礦區，煤層底部地層水文地質條件復雜，給礦山開采帶來很大困難，主要是太原組薄灰巖含水層和奧陶系灰巖含水層。一組砂質泥巖防水層將太原組灰巖劃分為上、下兩段。上部為L7、L8、L9 灰巖含水層，下部為L2、L3 灰巖含水層。上、下段水力聯系被切斷。根據某礦區以往開采經驗，太原組L8 灰巖含水層是1 號煤層底板的直接充水含水層。含水層穩定，平均厚度8m，巖溶裂隙較發育，滲透系數9．82-10．94m/d。兩側均設有防水層，可承受高灌漿壓力，可注入性強。上煤層距2:1 煤層平均30m，距離適中。注漿加固含水層時，可將兩層隔水層連接起來，增加隔水層厚度，保證煤礦開采安全。因此，通過綜合分析，可以選擇在L8 灰巖含水層中建設水平井支孔的目標層位。隨著采礦深度的繼續，地下水壓升高，灰石L8 和L2 可以同時用作目標層[2]。

3 施工工藝

地面注漿施工工藝主要包括水平井鉆井技術和灌漿過程中，鉆井技術可以確保分支水平井軌跡設計施工，保證后期的，為有效灌漿和灌漿過程的灌漿量的一個重要指標來衡量這個過程中，既相互聯系、共同決定了最終的灌漿加固效果[3]。

3.1 鉆井技術

地面實地勘察后，將鉆孔機布置在適當位置，通過直孔段和斜孔段的施工，將鉆孔機準確落在目標層，然后在目標層上施工水平支孔。鉆孔的結構通常是三孔的形式。為保證鉆井和注漿效果的穩定性，應先開、再開套管，套管開到穩定基巖約10m，套管開到目標層頂部。第三段為裸孔注漿段，沿目標層打孔。灌漿段直徑一般不小于152 毫米。根據處理區地層特征，確定各井段的井斜。如果沖積層比基巖薄、厚，則第一井段為直井段，第二井段為斜井段，井斜需要從0°增加到86°，第三井段為水平井段。如果沖積層厚和薄基巖，第一個開放部分需要考慮連續施工一定深度的開篇，然后開始成巖工作增加鉆孔傾角45°，也就是說，第一個開放部分包括直接開放部分和diageneic 部分；第2 開口段需要將井斜從45 度增加到86 度，第3 開口段為水平井眼[4]。

3.2 注漿工藝

在地面鉆孔現場設置臨時注漿站，根據注漿泵和注漿管道向注漿孔內注漿。漿體由兩個連續攪拌過程制備，漿體濃度取決于含水層裂縫發育程度。由于大型水平分支孔，長度可達幾千米，灌漿方法采用注射的方法，以防泄漏（的損失水平分支的循環流體在鉆探孔大于10m3/ h）結合分段灌漿的方法（每個鉆井水平截面的200，和最終的洞洞的分支是決定是否進行灌漿根據水壓測試結果）。注漿前向孔內注入清水約30 分鐘，根據吸水量確定注漿比例。灌漿應先稀釋后增稠再稀釋，并按照“充到極限”的原則盡可能多注入。當注漿終止壓力和位移達到設計壓力，且維護時間超過30min 時，只有在無變化情況下才能完成注漿。單支孔注漿完成后，封孔，下支孔施工。常用的灌漿材料有水泥、粘土、粉煤灰與原料混合制成的單相灌漿或兩相、三相灌漿[5]。

4 結語

綜上所述，地表井等離子技術應用于煤礦地區的區域控制和地下水體損害，是在采礦地區，如北部地區廣泛應用的成功經驗。在巖漿噴出的地下層層，表層孔有明顯的優勢。在處理層中安裝較長的橫向區域，其可能性大于有效測量，并增加暴露斷層和裂縫的可能性。地面注漿系統可對注漿施加更大的壓力，增加漿液的范圍，將漿量提高，并提高強化注漿的效力。