厚新生界覆蓋層井壁破裂出水微創快速修復實踐

付攀升

（永城煤電控股集團有限公司城郊煤礦，河南 永城 476600）

厚新生界覆蓋層內井壁破裂出水是井筒常見病害之一，若治理不及時或采取方法不當，會出現大量涌水潰砂險情，進而可能造成礦井被淹、井筒報廢等嚴重事故[1-4]。本文以城郊煤礦主井壁破裂出水為例，分析厚新生界覆蓋層井壁破裂出水特征及破壞原因，對井壁微創快速修復技術進行了有益探討和工程實踐。

1 礦井概況

城郊煤礦位于黃淮沖積平原東部，地面標高+32～+35 m，地表全為巨厚新生界松散沖積物所覆蓋，受古地形影響而東南薄西北厚，厚度230～431 m，均厚369 m。其主井于2002 年建成并交付使用，井筒直徑5 m，深度523 m，凍結深度383 m，表土及風化基巖段采用雙層鋼筋混凝土聚乙烯塑料夾層復合井壁，外壁厚650 mm，內壁厚700 mm；基巖段深度183 m，采用素混凝土支護，壁厚350 mm。主井建成后一直穩定運行，井筒無涌水。

2 井壁破壞特征

井壁破裂位置：破裂段對應地層為新生界新近系上新統細砂層（層厚4.5 m），井深185～187 m 段，其上部為砂質黏土，厚12 m，下部為黏土，厚5 m。破裂特征：破裂帶形成水平閉合的環狀，破裂寬度不等（0.5～1.8 m），破裂帶內井筒內表面呈豎片狀剝落，剝落厚度約100～200 mm，使內壁鋼筋外露，豎筋及環筋外露彎曲向井內凸鼓，同時在破裂帶裂隙中有淋水、滲水現象，出水點分散，水量約1.5 m3/h，水壓0.9 MPa，水色較清、無沙。

3 井壁破壞原因分析

根據現場勘察，井筒破壞位置在新生界新近系表土層中，巖性為細砂。依據建井地質資料，主井揭露新生界覆蓋層296 m，可分為第四系全新統孔隙潛水含水段、第四系更新統孔隙承壓含水段、新近系上新統孔隙承壓含水段及新近系中新統孔隙承壓含水段4 個含水段，總厚約121 m。其中新近系上新統含水段是地面工業用水的重要來源，勘探時期新近系上新統含水層原始水位+30.90 m 左右，至今該段含水層水位-53.19 m，水位下降了84.09 m。同時，根據工業廣場內沉降點觀測資料，近20 年來工業廣場總體下沉量205 mm。故水位下降、孔隙水壓力降低導致新生界松散層變密實，造成了井筒周邊的地表沉降。在沉降過程中由于地層與井壁之間摩擦力作用施加給井壁外表面一個豎直向下的附加應力[5]，當附加應力超過井壁強度時導致井壁破壞。

4 井壁微創快速修復方案及實施

4.1 井壁微創快速修復方案

根據井壁破裂的特征及原因分析，在最大限度減少對原井壁結構擾動的基礎上，結合井壁修復的及時性和可靠性，采取微創的方式，確定采用以下修復方案：井壁破損預處理→井壁強化加固（首先井壁破壞區及上下7.5 m 范圍架井圈密集加固并采用C50 灌漿充填+豎向鋼軌支護，強化井壁橫向抵抗力，同時在出水點預留導水孔，其作用一是避免影響后期灌漿充填支護效果，二是壁間注漿期間起到觀察孔和誘導注漿孔作用；然后采用22 kg/m 軌道豎向固定井圈）→壁間注漿堵水，達到對井壁微創快速修復的目的。井壁加固結構如圖1。

圖1 井壁加固結構圖

4.2 井壁微創快速修復實施

4.2.1 井壁破損預處理

首先采用撬杠、手錘敲掉井壁表面起鼓、破碎的混凝土，局部變形嚴重處，采用風鎬擴刷至井壁凈直徑；然后將變形的豎筋及環筋進行復位，對無法復位的鋼筋，切除原鋼筋并采用原型號、材質鋼筋進行植筋。

4.2.2 井壁強化加固

井壁破壞區及上下7.5 m范圍架井圈密集加固，加固段高為20 m。分三段進行井圈架設，先架設井壁破裂段（對應井深183～188 m），然后架設井壁破裂段下部7.5 m范圍，最后架設井壁破裂段上部7.5 m 范圍。每段井圈架設均采取“由下向上”逐層架設。

每層井圈由6 節相同的20#槽鋼加工而成，每節槽鋼由3 條Φ27 mm×50 mm 螺栓連接，每層井圈間使用3 條Φ20 mm×75 mm 鍍鋅高強螺栓均勻連接，形成整體。每段架設井圈區域第一層井圈使用6 根Φ27 mm×420 mm 錨桿配合樹脂錨固劑進行固定，第一層井圈為澆筑托底井圈（井圈外沿直徑5 m）；第二層開始每層井圈使用3 根Φ27 mm×420 mm 錨桿均勻固定，固定井圈錨桿外露30～50 mm（井圈外沿直徑4.95 m）；每兩層錨桿要求交替三花布置，確保井圈接頭也實現交替連接。

每段井圈架設高度1 m 時，使用C50 灌漿料充填，C50 灌漿料選用超早強無收縮灌漿料，配合比為水:粉料=0.125:1（質量比）。井圈兼作為澆筑灌漿料模板使用，澆筑灌漿料前將每段井圈最下一層使用黃泥、破布等進行封堵，確保澆筑灌漿料期間不發生漏漿情況。灌漿施工期間，為保證灌漿料充填密實，使用專用工具，人工振搗。

井圈架設完畢后，采用豎向鋼軌加固，每根鋼軌長2.5 m，沿井圈圓周均勻布置6 排，每根鋼軌采用4 個專用卡子固定，卡子采用Φ20 mm×75 mm 螺栓與井圈固定，加強每段井圈的整體性。

4.2.3 壁間注漿堵水

井壁強化加固結束后，針對井壁破裂段出水點分散、水量小、水壓低的特點，在井壁強化加固段采取壁間注漿方式，封堵壁間滲水通道，形成封水帷幕，達到堵水目的，同時對井壁破裂段進行注漿充填，利用注漿材料對破壞部分井壁混凝土進行重新膠結，使其成為一體，提高井壁整體抗載。

1）施工順序

注漿作業的方式采用上行式，分為2 個階段，第一階段為普注，即從井深196 m處依次向上造孔，共6 排鉆孔（井深位置196 m、191 m、187.5 m、184.5 m、181 m、176 m），每排布置6 個孔，孔間距2.6 m，孔深800 mm，排與排之間的鉆孔成三花布置。第二階段井壁破裂段預留的導水孔注漿封堵（井深位置186 m）。

2）注漿方式

為盡量減少注漿活動對井壁的擾動，并且增加井壁強度、減少漿液流動阻力，同時提高注漿效率，采用誘導注漿及間隔注漿的方式，一排6 個孔同時完成造孔。首先1-1#孔注漿時，其余孔安裝壓力表和高壓閥門，實時監測壁后串漿壓力，一旦發現壓力過大，立即打開閥門進行泄漿；然后1-3#、1-5#、1-2#、1-4#、1-6#依次進行。導水孔亦按此方式注漿封堵。

3）注漿設備及注漿參數

在主井井口房附近地點安設臨時注漿站，地面攪拌好的漿液通過注漿管路輸送到井筒注漿地點。注漿選用2ZBSB1.92～7.2/10.5～3-11 型高壓電動注漿泵，注漿材料為水泥漿液和水泥-水玻璃漿液，水泥漿液選用PO52.5 超細水泥，水玻璃波美度40（模數2.8）。水泥漿液水灰比為0.75:1～1:1，水泥漿液與水玻璃體積比為1:0.3～0.5。在正常注漿階段，以低壓滲透為主，注漿壓力為靜水壓力的2 倍。

4）注漿施工工藝

利用風鉆施工Φ55 mm、深500 mm 注漿孔，安裝孔口管并埋管試壓，壓力為注漿終壓1.2 倍。試壓成功后，安裝多閘閥三通型防涌堵可卸壓裝置，如圖2，以防止在打穿內壁后發生孔內出水涌砂事故。用Φ28 mm 鉆頭從閥門內套孔穿透內壁，進入外壁100 mm；連接混注漿管路，先壓水沖孔后注漿，注漿壓力達到2.5 MPa 后采用水泥-水玻璃漿液封堵注漿孔并關閉孔口閥，打開卸壓閥；沖洗注漿管路。

圖2 多閘閥三通型防涌堵可卸壓裝置

5）注漿過程特殊情況處理

注漿過程中發現井壁有裂紋等異常情況時，必須立即停止注漿，采取措施處理后方可繼續施工。

注漿過程中，發現跑漿現象或注漿壓力達到設計終壓后持續升高時，根據跑、漏漿情況，采取間歇性、點注等方法調整流量或漿液濃度處理，亦可以打開誘導孔卸壓等措施，達到注漿預期目的。

5 修復效果

該煤礦主井采取微創快速修復技術，工期共用16 d，架設槽鋼井圈87 層，壁間注漿9.35 t。修復后，經近一年觀測，井壁無變形、無涌水，修復效果理想，保障了井筒的安全運行。

6 結語

1）通過對井壁破裂特征、出水情況及水文地質條件變化等方面進行分析，得出了新生界覆蓋層段含水層水位下降致使井壁承受的豎直附加應力超過了井壁強度導致井壁破裂出水的結論。

2）井壁微創快速修復技術是在最大限度減少對原井壁結構擾動的基礎上，結合井壁修復的及時性和可靠性，采取微創的方式，利用修復加固和注漿堵水相結合的技術手段，在井壁破裂及鄰近20 m范圍內采用“架井圈+灌漿充填+豎向鋼軌支護+壁間注漿堵水”的快速修復技術，提高了井壁整體抗載。井壁經此技術修復后，不但有效地提高了井筒的整體強度，而且杜絕了涌水對井壁的侵蝕。

3）采用誘導注漿及間隔注漿的方式減少了注漿活動對井壁結構的擾動，采用水泥-水玻璃雙液漿封注漿孔達到了滴水不漏的效果。

4）該技術具有安全性好、施工簡便、治理速度快等優點，為國內外相似條件礦井井壁破裂出水快速修復提供借鑒。