高壓旋噴樁在某煤礦含水層斜井掘進中的應用

趙悅文

(國家能源集團烏海能源公司駱駝山煤礦， 內蒙古 烏海市 016000)

0 引言

駱駝山煤礦井田南北長約6.1 km，東西寬約4.7 km，面積約28.47 km2。礦井采用斜井開拓方式，設計生產能力150 萬t/a，礦井工業場地及主副斜井都布置在井田北部邊界外的平溝煤礦Ⅲ盤區內[1]。

駱駝山煤礦地表為殘坡積沙、礫石層、沙土及沖洪積沙，井筒建設中需逐步穿過第四系濕陷性粉土層，粗礫巖層，二疊系上、下石盒子組，山西組，石炭系太原組，本溪組進入奧陶系地層。主斜井斜長1231.6 m（傾角22°），一號副斜井斜長1079 m（傾角22°），兩條斜井已于2007 年竣工。

主斜井及副斜井在掘進過程中，井筒在穿過第四系及其下部基巖風化帶時井筒涌水量較大，井筒建成后該區段井壁持續涌水，并隨季節性降雨變化明顯。井筒持續出水增加了礦井排水費用，且出水攜砂給井筒帶來安全隱患，需封堵主斜井和一號副斜井壁后現有出水點。

1 井筒水注漿治理方案設計

通過對井筒水文地質條件及出水情況的分析，駱駝山煤礦主斜井和副斜井井筒水治理工程的總體目標是在井筒外圍進行注漿帷幕，截斷第四系松散巖類空隙潛水補給水源，同時在井筒壁后進行壁后注漿，充填長期涌水形成的空隙和空洞，加固井筒并進一步封堵井筒涌水。

注漿方案的設計主要依據井筒漏水量、加固段所穿過地層的水文地質條件、井壁結構、井壁材質、注漿目的等因素，以“標本兼治”為原則，以封堵井壁涌水、加固井壁為主，封堵含水層為輔，既解決當前涌水量較大的問題，又能對井筒安全構成威脅的壁后空隙和空洞等涌水通道進行治理。

經綜合考慮，對井筒涌水的補給水源—第四系松散巖類孔隙潛水進行旋噴注漿截流，對井筒壁后松動圈和長期涌水形成的空隙和空洞等涌水通道進行壁后注漿充填和封堵，以確保達到既封堵井筒涌水，又充填加固井筒壁后空隙和空洞的目的，消除井筒后期生產運行期間的安全隱患。

2 井筒水注漿治理方案設計

根據駱駝山煤礦主副斜井井筒出水點情況可知，其絕大部分出水層段為第四系含水層和基巖風化帶。其中，主斜井出水層段主要集中在K0+37 m以下，副斜井出水層段主要集中在K0+2 5m 以下，判斷K0+25 m 為第四系含水層水位標高。主斜井的松散層與基巖交界面標高為K0+36.6 m，一號副斜井的松散層與基巖交界面為K0+40 m，判斷K0+40 m 為松散層底界標高。

為確保對松散含水層旋噴注漿帷幕的頂底界截流阻水效果，設計旋噴樁頂界高出松散層水位線2 m，設計旋噴樁底界深入松散層與基巖交界面2 m；同時為了避免旋噴高壓注漿過程中破壞井筒頂底板，要求旋噴樁頂界要低于井筒底板2 m，要求旋噴樁底界要高于井筒頂板2 m。

經分析確定，主斜井旋噴注漿治理段為K0+19.1 m 至K0+62.2 m，旋噴注漿治理段長為40 m；副斜井旋噴注漿治理段長為K0+16 m 至K0+65.1 m，旋噴注漿治理段長為45.5 m；主副斜井單根旋噴樁注漿段長為9 m。

為了保證旋噴注漿帷幕效果，設計兩排旋噴樁，考慮旋噴樁直徑為0.5～0.6 m，旋噴鉆孔孔間距設置為0.5 m，排間距為0.3 m，兩排間的旋噴鉆孔呈梅花形布置，以確保單根旋噴樁之間的帷幕搭接效果（見圖1）。考慮井筒兩側鉆孔旋噴注漿過程中對井壁的影響，內排鉆孔距兩側井筒外壁的間距為0.3 m。

圖1 主副斜井旋噴注漿帷幕鉆孔設計平面

3 高壓旋噴注漿工程施工方案

3.1 鉆孔布置與結構

考慮到井下施工旋噴鉆孔困難，主副斜井旋噴注漿鉆孔全部設計為地面鉆孔，其中井筒兩側鉆孔、主斜井K0+62.2 m 處鉆孔、副斜井K0+65.1 m處鉆孔均設計為地面垂直鉆孔。主斜井K0+19.1 m處鉆孔和副斜井K0+16 m 處鉆孔由于無法在井筒上方直接施工垂直鉆孔，為了確保旋噴注漿帷幕封閉止水效果，地面旋噴鉆孔孔徑均設計為Φ90 mm，其中在主副斜井井筒兩側鉆孔、主斜井K0+62.2 m處鉆孔、副斜井K0+65.1 m 處鉆孔單孔孔深均為17 m。

3.2 高壓旋噴注漿參數

3.2.1 注漿材料

旋噴注漿材料包括水泥、食鹽、三乙醇胺，其中水泥單液漿水灰比為1:1[2]，食鹽和三乙醇胺為添加劑，食鹽添加進入水泥漿液的比例為5‰，三乙醇胺添加進入水泥漿液的比例為萬分之五[3]。

3.2.2 旋噴注漿工藝參數

（1）噴射流的破壞力與射流速度的平方成正比，噴射注漿的壓力愈大[4]，射流流量及流速就愈大，本工程高壓水泥漿的壓力為20～25 MPa。

（2）為提高固結體直徑或強度，可采取重復噴射的方式[5]。采用退桿旋轉噴射方式時，退桿速度為0.15～0.25 m/min，旋轉速度取15～25 r/min。

（3）噴嘴一般采用指數收斂直徑為2～3 mm的硬質合金噴嘴，數量為1～2 個。

3.2.3 旋噴注漿工程量

（1）主斜井旋噴注漿工程量。由于在主斜井兩側和K0+62.2 m 處單根旋噴樁旋噴段長為9 m，因此根據在主斜井兩側和K0+62.2 m 處的總旋噴樁根數為349根，計算可得其旋噴注漿段長為3141 m。在主斜井K0+19.1 m 處，旋噴樁都設計為傾斜鉆孔。主斜井K0+19.1 m 處旋噴樁旋噴注漿段長為636.2 m。因此，結合主斜井兩側和K0+62.2 m 處旋噴樁的旋噴注漿段長為3141 m，計算得到主斜井總的旋噴注漿段長為3777.2 m。

（2）一號副斜井旋噴注漿工程量。由于在副斜井兩側和K0+65.1 m 處單根旋噴樁旋噴段長為9 m，根據在副斜井兩側和K0+65.1 m 處的總旋噴樁根數為431根，計算可得其旋噴注漿段長為3879 m。在副斜井K0+16 m 處，由于旋噴樁都設計為傾斜鉆孔，統計得到副斜井K0+16 m 處旋噴樁旋噴注漿段長為574.8 m。因此，結合副斜井兩側和K0+65.1 m處的旋噴樁的旋噴注漿段長為3879 m，計算得到副斜井總的旋噴注漿段長為4453.8 m。

3.2.4 旋噴注漿施工

由于旋噴注漿樁設計的間距為0.5 m，實際施工中按1 m 的孔間距跳孔施工，使用的設備與機具主要有旋噴鉆機、高壓注漿泵、漿液攪拌機、旋噴鉆噴一體鉆具等[6]。

具體實施方式詳見圖2，在鉆進成孔時，由于受到鉆進阻力，組合鉆具被軸向壓縮，這時旋噴噴頭基本封閉，鉆進液由鉆桿中心通過芯體2 上的組合孔進入芯體的連通腔，再通過芯體上的前組合孔進入鉆頭，達到鉆進排硝、冷卻、潤滑目的。在旋噴時，由于受到重力及漿液壓力，組合鉆具被軸向拉伸，這時芯體的連通腔封閉，旋噴噴頭打開，高壓水泥漿液由噴頭噴出，達到旋噴成樁的目的[7]。

圖2 鉆噴一體鉆

4 旋噴注漿實施效果分析

4.1 主斜井實施分析

2020 年11 月3 日主斜井地面旋噴施工已完成所有設計工程量。分析發現，前期多個旋噴鉆孔施工過程中存在漏失情況，考慮到反復掃孔注漿導致孔壁存在漿殼，可能存在旋噴樁成樁效果不佳的情況，故在原有雙排帷幕線中間設計26 個驗證鉆孔進行針對性探查驗證。

施工成果表明，在原設計帷幕底界深度以下時，未發現存在完整基巖或者是經水泥澆筑的完整亂石和砂土凝膠體，而是返出類似井下壁后注漿鉆孔一樣的黃沙土，分析認為該區域在原設計帷幕底界以下揭露的黃沙土為井筒掘進進入基巖段開鑿后的回填雜土，隨著帷幕及井下壁后注漿工作的結束，區域水位恢復，此區域會在松散層水水壓的作用下形成新的過水通道，這會致使井筒底板破裂。

2021 年2 月16 日井下壁后注漿設計工作量完成后，針對井下局部殘存出水點進行排查分析，決定對井下原主要出水區域K0+36 m～K0+58 m進行探查性注漿。鉆孔間隔1 m 均勻布置于井筒兩側，共計施工鉆孔44 個，鉆探進尺21.12 m；測試注漿壓力控制在0.25～0.35 MPa 之間，累計注漿0.8 m3，單孔吃漿量0.018 m3，整體吃漿量很小，說明整個施工區域井筒壁后已無可注性，進一步佐證壁后注漿工作已完成填充井筒壁后空洞的任務。

4.2 副斜井實施分析

2020 年11 月23 日副斜井地面旋噴施工已完成所有設計工程量。由于未見井下涌水量有明顯衰減，且所有旋噴帷幕鉆孔施工過程中無明顯漏失點，多方論證后認為，副井暖風機房整體坐落在副斜井井筒上方，導致帷幕線距離井壁過遠無法保證帷幕完整性，故在盡可能貼近暖風機房位置處向井壁施工探查驗證孔驗證帷幕施工效果。

副井暖風機房東側施工探查驗證孔19 個，施工至原設計帷幕底界深度，施工過程中均未發現明顯漏失，終孔后再次高壓旋噴封孔；累計旋噴樁長221.3 m，水泥用量44.4 t，單米平均旋噴水泥用量約0.2 t，符合設計參數要求。故此證明副斜井施工區域地面旋噴帷幕符合設計要求。

2021年3月22日副斜井涌水量已銳減至5 m3/h左右，分析發現，隨著施工進度向井口方向推進，前序鉆孔施工已對壁后主要出水通道進行了有效封堵。但前序鉆孔施工過程中有多個鉆孔存在底板跑漿漏漿現象，雖已采用雙液漿間歇注漿的方式封堵，但仍可能存在盲區。因此，研究決定針對K0+55～K0+35 m 區域進行檢查性注漿驗證。

針對K0+55～K0+35 m 之間跑漿串漿情況，3月23 日至3 月24 日施工了10 個檢查驗證孔，鉆孔主要布置于前序跑漿鉆孔近側，累計孔深23.59 m，測試注漿壓力控制在0.4～0.5 MPa 之間，累計注漿3 m3，單孔吃漿量為0.3 m3，整體吃漿量很小，說明整個施工區域井筒壁后已無可注性，進一步佐證壁后注漿工作已完成填充井筒壁后空洞的任務。

4.3 治理效果分析評價

4.3.1 主斜井治理效果評價

主斜井旋噴注漿治理段為 K0+19.1 m 至K0+62.2 m，旋噴注漿治理段長為40 m；井下壁后注漿治理段為K0+15 m 至K0+65 m 區域，壁后注漿治理段長為50 m。工程開工前按照要求在治理段下方水溝處安設了流量表，由監理組織礦方和施工單位代表共同對治理區域的涌水量進行了測量記錄，測得主斜井治理段（K0+19.1 m～K0+62.2 m）涌水量為62.94 m3/h。2021 年4 月治理工程結束后，三方組織人員對主斜井治理段進行了為期1 個月的密集觀測（4 月1 日至4 月29 日），最終計算得出主斜井平均最終涌水量為4.93 m3/h，較工程初始涌水量減少58.01 m3，堵水率達到92.1%，滿足設計要求。

4.3.2 副斜井治理效果評價

副斜井旋噴注漿治理段為K0+16 m～K0+65.1 m，旋噴注漿治理段長為45.5 m；副斜井井下壁后注漿治理段長為K0+5 m～K0+55 m，壁后注漿治理段長為50 m。工程開工前按照要求在治理段下方水溝處安設了流量表，由監理組織礦方和施工單位代表共同對治理區域的涌水量進行了測量記錄，測得一號副斜井治理段（K0+16 m～K0+65.1 m）涌水量為29.42 m3/h。2021 年4 月治理工程結束后三方組織人員對副斜井治理段進行了為期1 個月的密集觀測（4 月1 日至4 月29 日），最終計算得出副斜井平均最終涌水量為1.77 m3/h，較工程初始涌水量減少27.65 m3，堵水率達到93.98%，滿足設計要求。

4.3.3 松散層水位變化對地面建筑物影響評價

主副井筒作為駱駝山煤礦的主要生產系統組成部分，其配套的建筑眾多，主要有主井驅動機房、聯合建筑樓、副井加熱室、副井井口房、主井空氣加熱室、空壓機站等。參照《礦井初步設計》，以上建（構）筑層均為高17 m 以下的雙層或單層建筑，建筑結構以鋼筋混凝土框排架結構為主，基礎構造均為鋼筋砼獨立基礎。

根據觀察，多年涌水攜砂對井筒上覆及周邊建筑存在不同程度的影響，由于缺少有效的背景觀測值，已無法全面評價多年來地下水水位下降對井筒周邊建筑造成的影響。隨著井筒水治理工程效果的顯現，周邊第四系地下水位快速回升，針對水位恢復階段對地面建筑的影響評價工作也急需開展。礦山于2020 年11 月1 日井筒水治理工程施工過半后在井筒周邊設立多個建筑物沉降觀測點，持續監測地面沉降情況，觀察持續時間至2021 年3 月23 日。

結果表明，地面各個建筑基礎標高相比治理前均存在不同程度的變化，大部分觀測點數據顯示建筑基礎在觀測期內既有沉降也有抬升，尤其是副井加熱機房西北部D15、東側中北部D8 兩個觀測點持續沉降。分析認為其他建筑物地基標高變化隨第四系水位變化趨勢明顯，而副井加熱機房則因平面內靠近井下出水位置，處于第四系水位降落漏斗的中心部位，隨著井下出水點的成功處置和水位恢復，副井加熱機房基礎沉降趨勢必然能得到有效遏制，但是建筑內外非承重墻體和屋內砼地坪與建筑結構本身因沉降產生的分離裂縫存在一定的安全隱患，需進行修繕后才能重新啟用。

5 結論與建議

（1）駱駝山煤礦主斜井、一號副斜井井筒水治理工程采用地面旋噴帷幕截斷井筒涌水的補給水源—第四系松散巖類孔隙潛水，減少井筒涌水量。壁后鉆孔注漿充填了井筒壁后松動圈和由于長期涌水形成的空隙和空洞，提高了井筒圍巖穩定性，封堵了井筒涌水。

（2）主斜井、副斜井旋噴鉆孔施工符合設計要求，嚴格按照旋噴工藝設計參數，所有旋噴鉆孔均達到成樁標準，資料真實可靠，質量合格。

（3）施工的輔助工程包括：施工水位觀測孔7個，施工降水井2 個，主、副井壁后空洞探查鉆孔59 個，井筒壁后取砼樣6 組進行了巖石力學測試，輔助工程的實施為礦井安全運行提供有效助力。

（4）通過多日測量，主斜井治理段涌水量由開工前的62.94 m3/h 減少至4.93 m3/h，減少了58.01 m3，堵水率達到92.1%，滿足礦井安全使用要求。副斜井治理段涌水量由開工前的29.42 m3/h 減少為1.77 m3/h，減少了27.65 m3，堵水率達到93.98%，滿足安全使用要求。

根據上述結論，提出了以下兩點建議：

（1）針對主斜井、一號副斜井第四系松散層段，應長期觀測注意涌水量變化情況；地面松散層水位觀測孔和降水井加強防護，并將其納入礦井水文觀測體系中分析總結。

（2）對井筒周邊建筑物進行系統排查，并編寫評價報告，對存在安全隱患的地面建筑及時進行修繕后再行啟用。