深立井地面預(yù)注漿放射孔加固馬頭門技術(shù)

杜 凱

(開灤建設(shè)(集團)有限責任公司，河北 唐山 063018)

引言

煤礦立井井筒地面預(yù)注漿工程是立井井筒防治水的一種常用方法，該方法工藝成熟，可靠性較高，幾十年來在我國的眾多立井井筒防治水施工中得到了成功應(yīng)用。但是近年來隨著立井井筒深度的增加，含水層的水量、水壓也不斷增大，特別是馬頭門及相關(guān)部位巖層變形破壞越來越嚴重，所以對井筒深部高壓含水層進行預(yù)注漿及軟巖加固的技術(shù)又是一個全新課題，以往未有成功經(jīng)驗借鑒。針對這一新課題，只有進行技術(shù)創(chuàng)新，采用特殊施工工藝，才能滿足項目的設(shè)計要求。

一、工程設(shè)計

利用直孔+S孔的鉆探技術(shù)，形成注漿孔的注漿圈徑，從而保證形成完整的注漿帷幕;針對深井壓力大、地壓大、地層變形破壞嚴重等，分析深井底面預(yù)注漿的漿液配比和注漿壓力的控制，以確定解決這些問題的辦法，并且在工程實施過程中不斷優(yōu)化設(shè)計方案，以保證工程質(zhì)量，確保井筒順利施工。

采用凍注平行作業(yè)方案，地面預(yù)注漿采用直孔+S孔方案，并利用“S”孔施工放射型分支孔:直孔注漿段注巖帽及670m以上地層，670m以下基巖采用S孔進行注漿，在井筒掘砌爆破影響圈以外形成有效帷幕，帷幕的有效厚度不小于7m。馬頭門及其附屬設(shè)施利用“S”孔施工放射孔注漿加固(詳見圖1)。

二、工程實施過程

工程施工直孔、“S”孔各8個，馬頭門附近利用“S”孔施工放射型分支孔4個。

第一階段:先施工直孔，分兩輪施工。第一輪施工Z1、Z3、Z5、Z7孔，4個鉆孔施工到注漿段，下入套管后，移塔至Z2、Z4、Z6、Z8孔;Z2、Z4、Z6、Z8孔全部施工結(jié)束后，移塔至Z1、Z3、Z5、Z7孔，繼續(xù)注漿段施工。結(jié)束后，讓出場地留給凍結(jié)、井架安裝、開挖等工序進行平行施工作業(yè)。

第二階段:“S”孔施工，分兩輪施工。第一輪直孔施工結(jié)束后，先利用這4個“S”孔采用定向造孔技術(shù)施工放射孔，每個“S”孔施工一個放射型分支孔，對馬頭門及附屬設(shè)施進行注漿加固;然后施工第二輪“S”孔。(見圖2)

圖1 注漿設(shè)計圖

圖2 馬頭門加固注漿工程平面投影圖

第三階段:Z1、S4號孔作為滯后一個注漿段，兼作檢查孔做壓水試驗。

(一)鉆探施工工藝

1．“S”型鉆孔的施工

鉆孔以注漿圈徑(Φ=12m)上的參考點(直孔段鉆孔為開孔點，S孔段鉆孔為靶點)為基準，使得鉆孔在注漿圈徑(Φ=12m)上分布大體均勻。S孔在固管段就開始定向鉆進，在651．5m的深度均進入Φ12m注漿圈徑上的靶域。

2．放射型分支孔的施工

以原S孔段鉆孔為靶點，由770m開始進行再次定向?qū)笔┕し派湫头种笨?，?84～1000m水平落點進入距井壁12～15m的設(shè)計靶域內(nèi)。見圖2所示。

(二)注漿施工工藝

1．注漿材料的選擇

基巖注漿段采用成本低、適宜高效注漿的CLC型粘土水泥漿，這是目前國際和國內(nèi)廣泛使用的一種新型注漿材料。

CL－C型粘土水泥漿是綜合注漿技術(shù)所采用的注漿材料，是由粘土、水泥、水玻璃組成的懸浮液，主要成分為粘土。其特點是材料價格便宜，與水泥漿相比，水泥用量可節(jié)省70%以上，有良好的抗震性同時具有很好的隔水性和耐久性，對防止在井筒開鑿過程中由于放炮造成的新生裂隙，封堵遲到涌水起著很好的作用。CL－C型粘土水泥漿由于注漿壓力較高，漿液在裂隙中的充填率可以達到90%以上，所以對提高工程質(zhì)量，減短工期都有積極作用。十幾年來，經(jīng)我國幾十個井筒地面預(yù)注漿工程中的應(yīng)用已證實，粘土水泥漿是一種堵水和加固效果十分理想的材料。

破碎帶和馬頭門水平所在注漿段及馬頭門外軸向20m巷道頂?shù)装迳舷?0m位置采用粘土水泥漿與單液水泥漿交替進行施工，對其進行加固處理。

2．注漿漿液的特性

(1)漿液的穩(wěn)定性

析水率是反映漿液穩(wěn)定性和充填裂隙飽滿程度的重要指標。漿液在一定時間內(nèi)的析水率反映了漿液的穩(wěn)定性能，最終析水率則能反映出漿液的結(jié)石率。析水率低，析水速率小，漿液越穩(wěn)定，結(jié)石率越高，充填裂隙越飽滿。當漿液靜止2h后，漿液的析水率大于5%時，漿液為非穩(wěn)定性漿液。

(2)漿液的可注性

漿液的可注性是指漿液注入裂隙的難易程度。水泥類顆粒型漿液的可注性取決于漿液的流動性、穩(wěn)定性和顆粒粒徑等因素;而溶液型漿液則取決于漿液的流動性。

(3)漿液參數(shù)的確定

為了保證漿液的擴散距離和注漿堵水的效果，根據(jù)漿液的基本特性，針對馬頭門附近巖體的加固，選擇密度小、粘度相對較高、流動性較好的粘土水泥漿加上一定的添加劑形成的綜合漿液，同時為了增加巖體強度，再利用單液水泥漿進行補強注漿。

3．粘土水泥漿漿液的特點

(1)漿液穩(wěn)定性好，在泵送及擴散過程中漿液不離析、不沉淀，凝固過程中析水少，結(jié)石率高，抗?jié)B性能好。粘土顆粒較細，漿液流動性好，易于滲透到巖層的細小裂隙中。

(2)漿液塑性強度可調(diào)范圍大，漿液凝結(jié)固化時間可以調(diào)節(jié)控制，適用于不同地層條件下的基巖裂隙注漿。粘土水泥漿的礦物成分具有良好的化學(xué)惰性，對地下水的抗侵蝕能力強，結(jié)實體的耐久性好。

4．注漿壓力的選擇

注漿壓力是使?jié){液克服各種阻力，使?jié){液在巖石裂隙中充填、擴散的動力。它是了解漿液是否充滿被注層裂隙的一個重要指標。注漿壓力在注漿過程中同時又受諸多因素的影響，在施工過程中應(yīng)根據(jù)實際情況進行必要合理的調(diào)整，來滿足注漿質(zhì)量的要求。

依據(jù)巖石性質(zhì)、水文特征作如下設(shè)計:巖帽段為1．6～2．0倍的靜水壓，直孔段粘土水泥漿為2．5～3．0倍的靜水壓，S孔段和放射型分支孔段注漿壓力2．0～2．5倍靜水壓。

5．注漿段的劃分

注漿段高的劃分是依據(jù)注漿工藝、含水層特征、巖性以及注漿設(shè)備、注漿材料品種等諸多因素綜合確定。注漿段高劃分見表1。

表1 井筒注漿段高劃分一覽表

6．注漿有效擴散距離確定

注漿有效擴散距離取(7～10)m。

7．特殊的注漿加固措施

為了提高馬頭門位置加固效果，在考慮井筒注漿帷幕的前提下，要適當考慮注漿鉆孔在相應(yīng)的水平內(nèi)距井下相關(guān)硐室及連接部的位置保持盡可能小的距離，在8個S孔馬頭門所在2個注漿段注漿后分別進行單液水泥漿多次加固，并在井筒兩旁馬頭門位置的四個S孔內(nèi)各施工一個放射孔，即770～1020m的位置進行分支孔的施工，要求鉆孔軌跡在馬頭門外巷道中點水平距離井壁約12～15m，而后在964～1020m位置先用粘土水泥漿進行1次注漿之后用單液漿進行多次加固注漿。

三、注漿效果與質(zhì)量的檢驗

注漿是隱蔽性的工程，隨著注漿的進行隨時要對注漿參數(shù)進行評估和調(diào)整，注漿過程的控制是決定注漿質(zhì)量的關(guān)鍵，所以對注漿質(zhì)量的檢查和鑒定，不僅要通過最后檢查孔的壓(抽)水試驗，更要對鉆注過程參數(shù)進行分析評估。

(一)注漿過程的質(zhì)量分析

根據(jù)注漿鉆孔分布情況與各個鉆孔注漿量分布情況，由巖層裂隙率算出井筒各注漿段漿液擴散半徑，再根據(jù)各注漿段段底水平切面的鉆孔軌跡落點位置分別繪制出了注漿擴散半徑交圈圖，在井筒開鑿過程中必須有6～9m的有效帷幕才能保證井筒的安全掘進，以此計算距井中的最小安全帷幕半徑如下:井筒荒半徑4．55m+隔水帷幕厚度9m=13．55m。根據(jù)井筒掘砌施工設(shè)計要求注漿有效半徑不小于13．55m，從表2可以看出各注漿段的有效隔水帷幕半徑均超過13．55m，各注漿段漿液擴散交圈完好，形成了有效的堵水帷幕，見表2。滿足設(shè)計和規(guī)程規(guī)范要求，質(zhì)量合格。

表2 各水平有效隔水帷幕半徑統(tǒng)計表

(二)剩余涌水量檢查方法

鉆孔水文地質(zhì)試驗是對地下水進行定量研究的重要手段，在井筒地面預(yù)注漿工程中是檢驗注漿效果的有效方法。常用剩余涌水量檢查的水文試驗方法有壓水試驗、抽水試驗和放水試驗等。本次確定了最后1個孔做為正式壓水試驗鉆孔，其結(jié)果代表井盤上各個注漿鉆孔的注漿效果。通過檢查孔壓水試驗收集參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)計算出井筒剩余涌水量即可初步判斷注漿質(zhì)量。通過壓水實驗計算出井筒注漿段剩余涌水量≤2．524m3/h?？梢钥闯鼍沧{后含水層的裂隙絕大部分被封堵，水流通道被切斷，水文地質(zhì)條件大大改善，證明注漿是成功的，堵水效果明顯。礦井掘進揭露的實際剩余涌水量不到1 m3/h。

四、結(jié)論

(一)成功地利用井筒S型注漿孔，再一次施工定向分支孔到達馬頭門附近，形成了有效的注漿堵水帷幕，完成了馬頭門附近巖體的注漿加固工作。

(二)針對馬頭門附近巖體的裂隙含水層及破碎帶，采取了粘土水泥漿和單液注漿交替施工技術(shù)，并以單液水泥漿為主，即保證了含水層的封堵，又加固了圍巖，達到了預(yù)期的效果。

(三)遠期效益:有效降低了井巷工程施工中巖體破碎與淋水情況，增強了馬頭門附近圍巖的穩(wěn)定性，大大提高了井巷施工的速度，縮短了建井工期，節(jié)省了日后生產(chǎn)排水費用，減少了井下粉塵排放，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

[1]唐山開灤建設(shè)(集團)有限責任公司．信湖煤礦副井井筒地面預(yù)注漿工程總結(jié)報告[R]．唐山．唐山開灤建設(shè)(集團)有限責任公司，2011:1－3．

[2]張永成．董書寧．盧相忠等，礦井注漿施工手冊[M]．北京煤炭工業(yè)出版社．2003:4－6．

[3]張永成．注漿技術(shù)[M]．北京．煤炭工業(yè)出版社．2012:4－6．

[4]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．MT/T1058～2008立井井筒地面預(yù)注漿粘土水泥漿技術(shù)規(guī)范[S]．北京．煤炭工業(yè)出版社．2008:4－6．

[5]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．MT/T1057－2008立井井筒地面預(yù)注漿效果壓水試驗檢驗方法[S]．北京．煤炭工業(yè)出版社．2008:6－7．