盧 杰 馬艷思
(河北國控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司)
南李莊鐵礦破碎段井壁堵水研究
盧 杰 馬艷思
(河北國控礦業(yè)開發(fā)投資有限公司)
南李莊鐵礦副井挖至-183 m水平時,上部富含水段-145 m水平發(fā)生大水淹井。由于透水處位于井底40 m以上位置,先向井筒內(nèi)填入骨料以保護(hù)井壁,再采用地表鉆孔注漿技術(shù),距井筒東側(cè)10 m位置鉆主鉆孔,至-60 m水平鉆分支孔,至靶點后壓水注漿,直接作用于井壁外,形成一圈10 m厚的幕墻,攔截流向井筒的潛水,取得很好的效果。
破碎段井壁 堵水 骨料 主鉆孔 分支孔
2014年2月10日,南李莊鐵礦副井井筒-145~-147 m處開裂出水,涌水量達(dá)300 m3/h,并伴有井壁垮塌,垮塌面積為2 m×3 m,此后,涌水量突增至800 m3/h,由于排水能力有限,井筒迅速被淹,目前水位達(dá)98 m,基本趨于穩(wěn)定。該井筒現(xiàn)已掘至-183 m 水平,井筒主要水害是在-140~-153 m 段治理過程中的井壁開裂引發(fā)的。
為解決井筒被淹問題,采取快速高效的井上、井下綜合治理措施封堵-140~-153 m段井壁涌水,為排水創(chuàng)造條件,并盡量保護(hù)井下設(shè)備;在封堵出水點的過程中,鉆孔揭露-140 m以上裂隙帶、溶隙帶,探注結(jié)合,兼顧-140 m以上淋水處理。
1.1 骨料阻水塞
在井筒內(nèi)灌注高于主要涌水點高度的砂石骨料,形成骨料阻水塞。目前,-145~-153 m段為主要涌水段,井筒穩(wěn)定水位在98 m,大量設(shè)備被淹??紤]保護(hù)井下設(shè)備和水害治理任務(wù),將井筒內(nèi)砂石骨料段灌注至約-135 m。骨料阻水塞-153~-183 m 段為中細(xì)砂,-140~-153 m為公分石子,-135~-140 m為中細(xì)砂。
1.2 水泥止?jié){塞
靜水壓差越往高處越小,骨料阻水塞頂部強度不夠,在其頂部灌注6 m厚的水泥漿,形成水泥止?jié){塞,完成對骨料段注漿蓋帽,在井筒內(nèi)完成垂向上截流封堵[1]。
1.3 地面定向分支鉆孔群
本工程采用地面多向分支鉆孔群技術(shù),呈扇狀布置分支定向鉆孔,依序次施工[2]。
在地面布置向出水點范圍內(nèi)輻射的定向分支鉆孔群,即一個主孔,2個定向分支孔。通過孔口下行式靜壓注漿,對出水點進(jìn)行封堵改造。
以出水點封堵主鉆孔為主脈,向井筒東側(cè)圍巖一定范圍內(nèi)布置相應(yīng)定向分支鉆孔,進(jìn)行探查并注漿加固。地面鉆孔和向井筒內(nèi)灌骨料、水泥同時施工,縮短工期。
在地面定向鉆進(jìn)揭露-140 m以上段時,遇到大量消耗或漏失的情況,進(jìn)行注漿封堵。井筒內(nèi)阻流塞及地面鉆孔軌跡剖面示意見圖1。
圖1 井筒內(nèi)阻流塞及地面鉆孔軌跡剖面示意
2.1 鉆孔布置
本工程主要分兩部分,即-140~-153 m段出水封堵和該段井筒東側(cè)帷幕注漿。總體來說,在地面布置一個主孔,二開套管下至垂深327 m,距井壁水平位移約8 m的位置。所有鉆孔進(jìn)入井壁外側(cè)8 m 為裸孔段,根據(jù)工作內(nèi)容及探查治理情況布置相應(yīng)的定向分支孔,見圖2。
首先封堵井筒北東側(cè)溶洞主要出水點,布置一個主孔D1和2個分支鉆孔D1-1、D1-2,靶點標(biāo)高均為-153 m,封堵結(jié)束后,向下延伸至-160 m;出水點封堵完成后,在井筒東側(cè)距井壁6~8 m南北兩側(cè)布置剖面上呈扇狀分布的帷幕鉆孔,鉆孔靶點標(biāo)高為-160 m,對井筒東側(cè)富水巖體進(jìn)行預(yù)注漿。
圖2 地面鉆孔軌跡平面示意
2.1.1 -140~-153 m段井壁涌水封堵鉆孔
從地面距離井壁一定位置布置一個扇狀鉆孔群,由一個主孔D1和2個分支孔D1-1、D1-2組成。
主孔設(shè)計靶點為預(yù)定主要涌水點井壁外側(cè)2~3 m(為防止井壁破損以及施工安全)。在鉆進(jìn)過程中,對-140~-153 m段實施分段探注結(jié)合的施工工藝,使?jié){液盡量把溶蝕裂隙、溶洞等儲水導(dǎo)水空間充填壓密。鉆孔最終向下延伸至-160 m,并進(jìn)行注漿加固。
分支鉆孔的靶點位于主孔靶點兩側(cè),距離主孔約1.5 m(因井壁坍塌大小為2 m×3 m)。探注結(jié)束后,各鉆孔均向下延伸至-160 m進(jìn)行注漿加固。D1-1鉆孔從主孔落底靶點以上30 m處開始定向?qū)边M(jìn)行分支。D1-2鉆孔從主孔落底靶點以上50 m處定向?qū)保M(jìn)行分支。見圖3。
圖3 出水點封堵鉆孔軌跡剖面示意
2.1.2 -140~-153 m段井筒東側(cè)圍巖帷幕鉆孔
-140~-153 m段井筒東側(cè)通過相應(yīng)分支鉆孔探注結(jié)合,對-140~-153 m段井筒北側(cè)及東側(cè)圍巖富水巖體注漿改造。
以封堵-140~-153 m段井壁涌水地面鉆孔為主脈,鉆南北2組分支鉆孔。分支鉆孔在主孔二開套管底口定向?qū)?,鉆孔軌跡距井壁6~8 m。
2.1.2.1 北側(cè)帷幕鉆孔
北側(cè)帷幕注漿鉆孔布置W1、W1-1孔。W1孔位置較遠(yuǎn),先探注。探注結(jié)束之后,W1-1孔從W1孔落底靶點以上50 m處定向?qū)保M(jìn)行分支。對井筒北東側(cè)進(jìn)行富水巖體帷幕注漿。
2.1.2.2 南側(cè)帷幕鉆孔
南側(cè)帷幕注漿鉆孔布置W2、W2-1和W2-2孔。W2孔位置最遠(yuǎn),先探注。探注結(jié)束后,W2-1孔和W2-2孔依次從W2孔落底靶點以上50和80 m處定向?qū)?,進(jìn)行分支,對井筒南東側(cè)富水圍巖帷幕注漿。見圖4。
圖4 南側(cè)帷幕注漿鉆孔軌跡剖面示意
2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)
一開直孔段,孔深0~30 m,孔徑為311 mm,下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管,至基巖層段,水泥固井,隔離第四系表土地層。
二開定向?qū)倍危咨?~327 m,孔徑為216 mm,至主要出水點以上約80m,下入φ177.8 mm×8.05 mm套管,水泥固井。
三開裸孔段,孔深0~420m,孔徑為152mm,封堵鉆孔進(jìn)入出水點位置。注漿后延深至-160m終孔。
本工程定向分支斜孔從二開套管底口分段定向?qū)?進(jìn)入預(yù)定靶位附近[3]。出水點封堵主孔鉆孔及分支鉆孔結(jié)構(gòu)示意見圖5。
圖5 出水點封堵主孔鉆孔及分支鉆孔結(jié)構(gòu)示意
3.1 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)
注漿總壓是由孔內(nèi)漿柱自重壓力和注漿泵所產(chǎn)生的壓力組成[4]。根據(jù)本次注漿工程實際,孔口壓力為4 MPa,持續(xù)15~30 min,即當(dāng)孔口壓力達(dá)到以上值時,認(rèn)為該受注層段注漿已達(dá)到壓力結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后,應(yīng)逐次換檔降低泵量,直至泵量達(dá)到40~60 L/min,并維持30 min[4]。之后進(jìn)行壓水試驗,試驗壓力為結(jié)束壓力的80%,全孔單位吸水率不大于0.01 L/min 時,即達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。
3.2 注漿材料及參數(shù)
工作面出水封堵注漿材料主要為PO42.5普通硅酸鹽水泥。注漿工程采用分段下行式、孔口封閉靜壓注漿法,注漿目標(biāo)層位是-145~-153 m段出水點,鉆探中有漏失或涌水的其他地層,也進(jìn)行注漿。
-140 m以上段,漿液濃度較高,一般為(0.6~1)∶1,壓力控制在2~3 MPa;-140~-153 m段,漿液濃度變化較大,一般濃度高,升壓和加固階段濃度降低,壓力控制在3~5 MPa。
采用主孔+定向分支孔的施工技術(shù),鉆孔速度快,孔內(nèi)注漿量大。后期發(fā)現(xiàn)漿液已擴散至井筒,漿液擴散半徑更大。針對井壁破碎段的分支鉆孔注漿作業(yè),封堵了水流通道,且對破碎段井壁起到了加固保護(hù)的作用。該方法具有較好的借鑒作用。
[1] 李海燕.立井工作面預(yù)注漿止?jié){墊的設(shè)計與施工技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(3):48-70.
[2] 金有忠,田文浩.若爾蓋鈾礦區(qū)復(fù)雜易斜地層定向分支鉆孔施工技術(shù)[J].探礦工程,2009(8):22-24.
[3] 陳風(fēng)云,王 虎,谷天本.小秦嶺地區(qū)深部鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].探礦工程,2011(7):11-13.
[4] 盧 杰,唐良勇.南李莊鐵礦富含水段施工技術(shù)研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014(1):109-112.
2014-08-27)
盧 杰(1985—),男,工程師,碩士,050035 河北省石家莊市。