綜合注漿技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

馮旭海

(煤炭科學(xué)研究總院， 北京 100013)

1 綜合注漿技術(shù)簡(jiǎn)介

綜合注漿技術(shù)是前蘇聯(lián)上世紀(jì)60年代末開發(fā)的一種注漿新工藝[1]。國(guó)內(nèi)由煤炭科學(xué)研究總院建井研究所(現(xiàn)為建井研究分院)于上世紀(jì)90年代，經(jīng)過課題攻關(guān)研究成功綜合注漿法的成套技術(shù)，首先在棗莊付村西風(fēng)井、高莊混合井應(yīng)用成功。經(jīng)過十余年的發(fā)展，綜合注漿技術(shù)已在華東、兩淮、河北、山西、內(nèi)蒙等煤田上百個(gè)井筒成功應(yīng)用，開創(chuàng)了我國(guó)井筒地面預(yù)注漿技術(shù)的新局面。結(jié)合注漿孔定向鉆進(jìn)技術(shù)開發(fā)的凍結(jié)、注漿、鑿井“三同時(shí)”快速建井工藝和注漿、鉆井“兩平行”作業(yè)工藝，大大縮短了煤礦建井周期，使得綜合注漿技術(shù)得到更為廣泛的應(yīng)用，為國(guó)家煤礦建設(shè)起到了積極作用。

2 綜合注漿法的主要特點(diǎn)

(1)注漿材料漿液性能好。漿液采用黏土水泥漿(CL-C)，主要由黏土、水泥、結(jié)構(gòu)添加劑和水組成，其中黏土用量超過水泥是漿液固體成分的主要部分；配置的漿液穩(wěn)定性高、可注性好、結(jié)石體堵水效果好、析水率低，較單液水泥漿更適合基巖裂隙含水層注漿堵水。

(2)注漿設(shè)計(jì)、施工及效果評(píng)價(jià)。具有科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)和工程計(jì)算。綜合注漿法以地層地質(zhì)與水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，進(jìn)行工程方案設(shè)計(jì)；施工過程中，通過對(duì)注漿鉆孔的運(yùn)用水力動(dòng)力學(xué)方法，進(jìn)一步計(jì)算和研究地層的水文地質(zhì)參數(shù)，指導(dǎo)注漿施工[2]；采用科學(xué)的抽水試驗(yàn)或壓水試驗(yàn)進(jìn)行地層滲透系數(shù)計(jì)算，對(duì)注漿段的剩余水量預(yù)測(cè)，評(píng)價(jià)注漿效果。

(3)注漿工藝。對(duì)壓力、流量、漿液比重等參數(shù)連續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；工藝上能夠采用高性能注漿設(shè)備，大泵量、大段高注漿，實(shí)現(xiàn)快速高效施工。

3 研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

綜合注漿技術(shù)的研究與應(yīng)用，主要集中在煤礦建設(shè)領(lǐng)域，以立井井筒地面預(yù)注漿防治水為最多。經(jīng)過多年實(shí)踐，在注漿新材料開發(fā)、工藝參數(shù)優(yōu)化、設(shè)備性能提高等方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)立井井筒地面預(yù)注漿深度已經(jīng)超過千米[3,4]；BQ-350、BQ-500型注漿泵幾經(jīng)改進(jìn)，成為性能良好煤礦井筒地面預(yù)注漿的主要注漿設(shè)備；KWS止?jié){塞在密封膠筒材料研究方面取得重要突破，針對(duì)特殊地層開發(fā)的新型注漿材料研究正在進(jìn)行；結(jié)合定向鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)凍結(jié)、注漿、鑿井平行作業(yè)的“三同時(shí)”快速建井工藝，已經(jīng)在深井建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。除此之外，綜合注漿技術(shù)還在立井工作面注漿[5]、煤礦采取底板改造注漿[6]、破損井壁修復(fù)治理、采空區(qū)充填、煤礦突水治理等方面得到成功應(yīng)用；近年來，金礦、鐵礦、石膏礦等非煤礦山防治水領(lǐng)域，也有綜合注漿技術(shù)應(yīng)用的工程實(shí)例。以下結(jié)合煤礦立井井筒地面預(yù)注漿設(shè)計(jì)，闡述綜合注漿技術(shù)的應(yīng)用。

4 注漿工藝設(shè)計(jì)

4.1 注漿深度與鉆孔布置

井筒地面預(yù)注漿起止深度的確定，與井筒整體設(shè)計(jì)相關(guān)。一般而言，具有深厚沖積層的井筒，采取上部?jī)鼋Y(jié)(或鉆井)下部注漿的方法鑿井，注漿起始深度要求與凍結(jié)段或鉆井段重疊10～20m，且在風(fēng)化帶以下，終止深度要求超過井筒最下含水層底板(實(shí)踐中一般超過井筒設(shè)計(jì)深度10m)。

目前，地面預(yù)注漿的鉆孔一般采用在井筒荒徑之外環(huán)形均勻布置的方式，鉆孔數(shù)量與井筒的技術(shù)參數(shù)、地層的地質(zhì)和水文地質(zhì)特征緊密相關(guān)。鉆孔數(shù)量的本質(zhì)是孔間距的選擇，以保證注漿帷幕的連續(xù)性和密實(shí)性為原則：在以水平裂隙為主的含水層中，裂隙開度越小孔間距也越小，對(duì)于高角度裂隙發(fā)育的地層，則要相對(duì)加密鉆孔。工程實(shí)踐中，一般孔數(shù)在4～8個(gè)，孔間距為5～9m。

4.2 段高劃分與注漿方式

注漿段高，要根據(jù)含水層的位置、厚度、裂隙開度、止?jié){層位以及注漿泵的性能等諸多因素確定；工程中要結(jié)合具體的地質(zhì)條件，遵循針對(duì)性、特殊性及一致性的原則進(jìn)行段高劃分。所謂針對(duì)性，是指對(duì)已確定的含水層(段)進(jìn)行注漿；特殊性是指注漿用于特殊的目的，如斷層及破碎帶的加固等；一致性是指將具有相同地質(zhì)沉積環(huán)境、相同的巖性及裂隙發(fā)育規(guī)律的一組或兩組以上巖層劃為同一注漿段高。綜合注漿法的井筒地面預(yù)注漿段高，一般為40～75m[2]。

注漿方式要根據(jù)井筒深淺和地層條件選擇，一般有上行式、下行式、上下行結(jié)合的混合式三種方式。上行式即一次成孔、分段上行，多適用于淺井注漿；下行式和上下行混合式即邊鉆邊注，個(gè)別區(qū)間段采用上行式注漿，應(yīng)用靈活，多用于深井和具有地質(zhì)構(gòu)造的井筒注漿。

4.3 注漿帷幕設(shè)計(jì)

注漿帷幕是指井筒開鑿前，通過注漿對(duì)裂隙充填，在周圍形成一個(gè)有效的隔水帷幕。隔水帷幕的尺寸與井筒的荒徑、開鑿方式、地下水特征等有關(guān)。目前，在注漿孔環(huán)形布置的井筒中，有效注漿帷幕一般要求超過井筒荒徑之外6m，且水壓越大、裂隙開度越大，帷幕要求越厚。在注漿帷幕設(shè)計(jì)尺寸、注漿孔布置選定后，注漿壓力確定和注入量計(jì)算是帷幕設(shè)計(jì)的最重要內(nèi)容。

漿液壓力是注漿能量系統(tǒng)的直觀表現(xiàn)，注漿壓力通常指注漿泵出漿口的漿液壓力，即注漿泵表壓(P)。漿液在泵的推動(dòng)下，沿管路(管路壓力損失為ΔPL)進(jìn)入鉆孔，再進(jìn)入含水層裂隙，克服裂隙面的剪切阻力(ΔPτ)和地下水壓力(P0)進(jìn)行擴(kuò)散。在漿液停止流動(dòng)時(shí)，存在如下關(guān)系：

(1)

(2)

式中：Pr為漿液在管路中的自重壓力，與注漿深度有關(guān)；ΔPα為漿液在裂隙中流動(dòng)擴(kuò)散的其他阻力，如由充填物、裂隙的彈性變形引起的阻力；ΔPL可以通過試驗(yàn)測(cè)得；ΔPτ與裂隙的數(shù)量、開度、裂隙面的粗糙程度、擴(kuò)散距離等有關(guān)；P0通常取含水層的靜水壓力。

由于對(duì)ΔPτ、ΔPα的計(jì)算較為復(fù)雜，且處于理論探索階段。因此，實(shí)際應(yīng)用中通常用式(3)確定[2]：

(3)

式中：k為系數(shù)，根據(jù)區(qū)域性地質(zhì)和水文地質(zhì)條件確定，取值范圍為1.5～3.0；α為常數(shù)，與注漿深度有關(guān)，淺部取大值，深度取小值。

對(duì)于式(3)的應(yīng)用，經(jīng)常根據(jù)注漿深度直接取靜水壓力值的倍數(shù)作為注漿壓力設(shè)計(jì)值：孔深小于400m的注漿段終壓值為靜水壓力值的2.5～3.0倍；孔深大于等于400m的注漿段終壓值為靜水壓力值的2.0 ～2.5倍。

注入量(Q)是保證注漿堵水質(zhì)量的重要參數(shù)，根據(jù)注漿段巖層裂隙率、注漿帷幕尺寸、漿液的有效擴(kuò)散半徑等因素確定，綜合注漿法一般采用式(4)計(jì)算：

(4)

式中：A為漿液消耗系數(shù)，取1.2～1.5；R是漿液擴(kuò)散半徑，R=φ/2 + r；φ是注漿段布孔圈徑，m；r是漿液有效擴(kuò)散半徑，通常取8～12m；Hi為注漿段長(zhǎng)度，m；ηi是巖層裂隙率；β為充填系數(shù)，一般取0.95；m為漿液高壓脫水結(jié)石率，一般取0.85；n為注漿段數(shù)。

施工時(shí)，當(dāng)某一注漿段壓力和注入量達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，注漿終量在250L/min以下穩(wěn)定時(shí)間不少于20min時(shí)，即可結(jié)束該段注漿。

4.4 黏土水泥漿的配方設(shè)計(jì)

黏土水泥漿的主要性能指標(biāo)，包括塑性強(qiáng)度、析水率、粘度、比重等，其堵水性能主要取決于塑性強(qiáng)度。研究表明，影響漿液塑性強(qiáng)度的主要因素是黏土漿比重、水泥用量、結(jié)構(gòu)添加劑(水玻璃)用量，并且黏土漿比重越大、水泥用量越大、水玻璃用量越大，漿液的塑性強(qiáng)度越高。上述規(guī)律的定量、定性試驗(yàn)是漿液性能研究的重要內(nèi)容。

工程中，通常對(duì)原材料取樣進(jìn)行漿液配方試驗(yàn)，測(cè)定漿液性能，確定配方范圍。目前，漿液配比多采用黏土漿密度為1.15～1.24g/cm3，水泥加入量為100～300kg/m3，水玻璃加入量為15～40l/m3。對(duì)原材料要求一般為：普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)不應(yīng)低于42.5號(hào)；黏土塑性指數(shù)10～25，含砂量不宜大于5%；水玻璃模數(shù)2.6～3.4，比重1.368～1.465g/cm3。注漿時(shí)，應(yīng)該根據(jù)不同的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，調(diào)整漿液的配比，滿足注漿堵水需要。

4.5 注漿效果檢查與評(píng)價(jià)

堵水效果采用注漿過程參數(shù)分析與最后抽(壓)水試驗(yàn)結(jié)合的方法進(jìn)行檢查與評(píng)價(jià)，二者都是以科學(xué)的工程計(jì)算為手段，探查巖體的水文力學(xué)性質(zhì)變化。施工過程中，著重對(duì)比注漿前后簡(jiǎn)易水文參數(shù)、注漿壓力變化，判斷注漿效果；在井筒注漿結(jié)束前，利用注漿鉆孔做抽水或壓水試驗(yàn)，測(cè)定受注巖層的滲透系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算預(yù)測(cè)井筒開鑿時(shí)剩余水量，檢查和評(píng)價(jià)注漿效果。

采用壓水試驗(yàn)檢查注漿效果，以式(5)～式(10)計(jì)算單位吸水率、滲透系數(shù)和井筒剩余水量。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，W為單位吸水量，l/min·m·m；Q為壓水流量，l/min；P為壓水壓力(換算成水柱高度)，m；L為壓水段高度，m；q為單位吸水率，l/min·m；K為滲透系數(shù)，m/d；r為鉆孔半徑，m；Q井為井筒剩余水量，m3/d；Ho為含水層靜水位至含水層底板的高度，m；M為含水層厚度，m；R為水位降至含水層底板時(shí)的影響半徑，m；Sw為含水層最大降深，m；r#為井筒荒半徑，m。

5 應(yīng)用實(shí)例

(1)工程概況

皖北某礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.4Mt/a，立井開拓方式，設(shè)主﹑副﹑風(fēng)3個(gè)井筒。井筒采用凍結(jié)法和地面預(yù)注漿法施工，其中主、副井井筒采用凍、注、鑿平行作業(yè)的“三同時(shí)”快速建井工藝。三個(gè)井筒主要技術(shù)特征參數(shù)見表1。

表1 井筒主要技術(shù)主要特征

井筒基巖段中等硬度巖石所占比例高，破碎層位多；裂隙以斜向、豎向?yàn)橹?，溝通性差；基巖段有5個(gè)含水層，井筒預(yù)計(jì)涌水量分別為主井50 m3/h，副井96 m3/h，風(fēng)井62 m3/h，附近礦井有突水淹井現(xiàn)象。工程地質(zhì)條件與水文條件綜合評(píng)定為復(fù)雜型。

(2)工程設(shè)計(jì)與施工情況

根據(jù)礦井建設(shè)的總體方案，主、副井井筒施工采用“三同時(shí)”施工工藝，注漿分為內(nèi)圈直孔段和外圍S孔注漿兩期工程；風(fēng)井井筒采用全直孔注漿。巖帽段為10～20m，黏土水泥漿段高最大77m，最小48m；采用下行式為主、上下行結(jié)合的注漿方式。各井筒地面預(yù)注漿工程主要施工參數(shù)見表2。

5.3 效益分析

井筒地面預(yù)注漿應(yīng)用綜合注漿法的，在經(jīng)濟(jì)上的效益集中體現(xiàn)在施工工期和材料成本兩個(gè)面。與傳統(tǒng)的水泥注漿相比，平均每個(gè)井筒節(jié)約工期4個(gè)月，節(jié)約水泥約6300t；由于有效的封堵井筒含水層涌水，大大提高了基巖段掘砌速度；主、副井由于實(shí)行了“三同時(shí)”工藝，井筒建設(shè)工期僅為15個(gè)月，從而縮短了煤礦投資建設(shè)周期。綜合注漿技術(shù)地成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了為建設(shè)單位節(jié)約投資、為施工單位節(jié)省成本的雙贏，取得了良好效益，對(duì)該礦區(qū)具有復(fù)雜地質(zhì)條件的其他井筒注漿施工具有參考價(jià)值[7]。

表2 井筒地面預(yù)注漿工程主要施工參數(shù)表

6 綜合注漿技術(shù)展望

注漿技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀是理論落后于實(shí)踐[8]，綜合注漿技術(shù)也是如此。因此，綜合注漿技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該從加強(qiáng)理論研究、加大技術(shù)創(chuàng)新、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域三個(gè)方面進(jìn)行。

(1)加強(qiáng)理論研究。目前，研究重點(diǎn)集中在漿液與裂隙的作用方式、黏土水泥漿在高壓環(huán)境下的固結(jié)機(jī)理、地層水文地質(zhì)條件對(duì)注漿的影響規(guī)律等方面，以求注漿參數(shù)選擇提供更為科學(xué)的理論依據(jù)。

(2)加大技術(shù)創(chuàng)新。應(yīng)該結(jié)合工程中亟需解決的問題，從材料、設(shè)備、過程監(jiān)測(cè)、質(zhì)量檢查等方面進(jìn)行研發(fā)，使得工程施工走向高效節(jié)能環(huán)保。以井筒地面預(yù)注漿為例，針對(duì)煤礦千米深井建設(shè)，正在進(jìn)行的研究主要有特殊地層的新型材料研發(fā)(如高塑性漿液、添加粉煤灰、高水材料等)，改進(jìn)設(shè)備和關(guān)鍵機(jī)具的性能(高壓無級(jí)調(diào)速注漿泵等)，開發(fā)注漿過程監(jiān)測(cè)的信息化系統(tǒng)，解決與其他工藝配合應(yīng)用的問題等，這些方面有些已經(jīng)取得了階段性的成果。

(3)應(yīng)該利用綜合注漿技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。積極拓展應(yīng)用領(lǐng)域。就煤礦領(lǐng)域而言，除井筒地面預(yù)注漿外，還可在工作面注漿、采區(qū)(巷道、底板)防治水改造、井壁治理、采空區(qū)充填等方面嘗試；除煤礦領(lǐng)域外，還可以在交通、鐵路、水利、非煤礦山等領(lǐng)域的防治水和充填等方面嘗試。

[1] 周興旺.綜合注漿技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展 [J]. 建井技術(shù)，1994(3).

[2] 周興旺,等.注漿堵水加固技術(shù)及其應(yīng)用 [C].北京：煤炭工業(yè)出版社，1998.

[3] 張慶和,等.千米立井綜合治理方案與實(shí)踐 [J]. 煤炭工程，2004(11).

[4] 王洪理.千米深井快速預(yù)注漿技術(shù)的探索 [J]. 煤炭技術(shù)，2005(12).

[5] 工作面采用綜合注漿技術(shù)快速通過石英砂巖含水層 [J]. 工程質(zhì)量，2007(20).

[6] 劉義永.注漿改造技術(shù)在礦井防治煤層底板承壓水中的應(yīng)用 [J]. 煤炭技術(shù)，2005(09).

[7] 昌修林.地面預(yù)注漿技術(shù)在立井井筒施工中的應(yīng)用 [J]. 建井技術(shù)，2007(5).

[8] 巖土注漿理論與工程實(shí)踐 [M].北京：科學(xué)出版社，2001.