礦井井壁淋水治理技術實踐

仇美玲 馮國棟

【摘 要】濟寧二號煤礦主井于1989年11月24日～1991年4月30日施工建設，運行30年來井壁出水導致井筒設備銹蝕嚴重，維護工作量增大，工作環(huán)境惡劣，同時存在井筒出水涌沙、垮塌的風險。濟寧二號煤礦采取壁后注漿治理后，原明水點及新生的出水點被有效封堵，消除了井壁出水涌沙的隱患，改善了井筒內(nèi)工作環(huán)境，保障了主井井筒的安全運行。

【關鍵詞】井壁;淋水;涌沙;垮塌;注漿;治理

中圖分類號： TD745 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）08-0171-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.074

【Abstract】The main shaft of Jining No.2 Coal Mine was constructed from November 24，1989 to April 30，1991. After 30years of operation，wellbore equipment was seriously corroded，maintenance workload increased，and working environment was harsh.At the same time，there were risks of wellbore water gushing sand and collapse.After the wall post-grouting treatment was adopted in Jining No.2 Coal Mine，the original open water point and the new water outlet point were effectively blocked，eliminating the hidden danger of water and sand gushing from the well wall，improving the working environment in the well bore and ensuring the safe operation of the main well bore.

【Key words】Wall of a well;Water drenching;Sand gushing;Collapse;Grouting;Governance

1 概況

1.1 井筒結(jié)構(gòu)

濟寧二號煤礦主井井筒凈徑φ6.0m，井口設計標高+38.00m，井深666.25m。松散層厚度181.30m，凍結(jié)深度258m。凍結(jié)段井壁為普通雙層鋼筋混凝土井壁，內(nèi)、外層厚度分別為400mm、350mm;基巖段采用鉆爆法施工，井壁為單層素混凝土井壁，厚度400mm。凍結(jié)段外層鋼筋混凝土井壁表面鋪設25-50mm厚的泡沫塑料板。井筒內(nèi)布置一對提升箕斗，提升方位270°。安裝球扁鋼組合罐道，工字鋼罐道梁，罐道梁采用支座固定，井筒內(nèi)鋪設通信、信號電纜。

1.2 井壁出水區(qū)段

根據(jù)現(xiàn)場觀察，主井在松散層段主要存在4個顯見的出水點，分布于井深45-53m段，出水點均位于罐道梁梁座附近，四個出水點總涌水量約為6.3m3/h。

針對主井井深52.9m西南、西北側(cè)兩個水量較大的水點，2013年曾嘗試用螺絲刀將棉紗與錨固劑的混合物填入罐道梁梁座與井壁的縫隙，待錨固劑凝固后，采用木楔打進出水口以期起到封堵出水的目的，由于水量及水壓較大，封堵效果不理想。

1.3 出水區(qū)段地層情況

井筒主要地層從上到下依次為第四系、侏羅系、二疊系和石炭系。井壁出水區(qū)段位于第四系，本系深度0-181.3m，厚度181.3m，主要由粘土、砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)粉砂及砂礫層組成，屬沖積、湖泊相沉積，整個表土層可分為上、中、下三組，其中中組為隔水層，上組有兩個含水層，下組有三個含水層，含水層屬第四系砂礫含水層，含水量十分豐富，表土以下為侏羅系地層，主要由砂巖、粉砂巖間夾泥巖組成。

2 治理的必要性

根據(jù)出水區(qū)段的圍巖結(jié)構(gòu)可以看出，在出水點壁后直接對應地層為砂姜粘土層，但出水點附近均有沙層分布。在井壁出水分布45-53m段的延伸段35-63m段內(nèi)，沙層累計厚度為7.66m。

井壁出水長期存在，目前未發(fā)現(xiàn)出水攜沙現(xiàn)象，但具有出水涌沙的兩個基本條件：一是具有壁后相對豐富的水沙源，二是具有出水涌沙的通道。因此應組織治理，以消除這一安全隱患。

另外，封堵井壁淋水可顯著改善井筒檢修人員的作業(yè)環(huán)境，減小排水的費用，減小水對井筒裝備的銹蝕等不利影響。

3 井壁出水治理

3.1 注漿孔布置

（1）細沙層注漿孔

細沙層頂面埋深53.05m，與主井的兩個較大出水點位置接近，細沙層厚度3.3m，設計均勻布設1排孔，共6個注漿孔。一般情況下淺埋土層注漿漿液主要向上擴散，所以注漿孔布置砂層底面，為井深56.35m位置。

（2）出水點注漿孔

針對井深45m、49m東南側(cè)水量較小的兩個出水點及可能新生的水點，在距離出水點0.5～1.0位置施工2-3個壁后注漿孔。先注單液水泥漿，出水點返漿時，改注水泥-水玻璃雙液漿，待出水點停止出水后，及時換注化學漿液，徹底封堵壁后出水通道及水源。

針對井深52.9m西南側(cè)及西北側(cè)水量較大的兩個出水點，在距離出水點1.5m左右位置施工3-4個壁后疏水泄壓孔;然后在距離出水點0.5-1.0m左右施工2-3個注漿孔。先注距離出水點較近的孔，初注單液水泥漿，出水點返漿時，改注水泥-水玻璃雙液漿，待出水點被封堵后，針對疏水泄壓孔注化學漿液，徹底封堵壁后出水通道及水源。

3.2 注漿孔結(jié)構(gòu)

注漿孔利用Φ42mm鋼釬成孔;注漿孔結(jié)構(gòu)為“孔口管（Φ42mm）+裸孔（Φ28mm）”?？卓诠馨惭b長度設計為0.55m（距離壁后土層0.20m）。注漿孔深度設計為2.0m。采用Φ42mm鋼釬鉆進0.55m（不破壁），安裝孔口管0.55m，再采用Φ28mm鋼釬套孔鉆進至孔深2.0m。

孔口管采用Φ42mm×4mm無縫鋼管加工，孔口管總長度為60cm（主體長度55cm+絲扣、擋環(huán)5cm）。外段設置15～20mm長的絲扣，內(nèi)段加工成魚鱗扣并纏繞麻絲以增加注漿管與井壁及壁后圍巖間的摩阻力。安裝時要求孔口管通體緊密纏麻絲，采用專用推打裝置進行穩(wěn)固安裝，以保證孔口管與壁后圍巖緊密接觸，可相對減小注漿壓力對井壁的直接作用，相對保護井壁的安全。

3.3 注漿材料

本次井壁注漿主要選擇水泥-水玻璃雙液漿及溶膠化學漿液。水泥-水玻璃雙液漿絮凝固化強化速度快，臨時封堵明水點具有優(yōu)勢;溶膠化學漿液具有較好可注性，同等條件下需要的注漿壓力低，主要用于封堵壁后水的通道及水源。

（1）水泥-水玻璃雙液漿

水泥-水玻璃雙液漿是注漿常用材料，漿液配制選用42.5#水泥及40波美度水玻璃。先配制單液水泥漿，然后采用雙液注漿泵分別泵取水泥漿及水玻璃，在注漿孔孔口采用三通混合，形成雙液漿。水泥-水玻璃雙液注漿時，水泥漿的水灰質(zhì)量比為 W：C=2～1：1，水泥漿：水玻璃漿體積比為 C：S=1：（0.3～0.6），可根據(jù)井下實際情況調(diào)整其配比。

（2）化學漿液

化學注漿材料設計采用中國礦業(yè)大學自主開發(fā)研制的ZK-Ⅲ溶膠樹脂漿液，由A液、B液及專用改性添加劑組成。與水泥漿相比，ZK-Ⅲ型孔隙溶膠（高分子樹脂）屬溶液型，具有粘度低、可注性好、凝膠時間可調(diào)范圍大等優(yōu)勢?？筛鶕?jù)注漿過程隨時調(diào)整漿液配比，調(diào)控漿液絮凝固化時間。另外與聚氨酯（馬麗散）不同，孔隙溶膠不含硫酸根離子，對井壁的腐蝕作用極為微弱。

此種漿液配方對施工組織和管理要求較高，注漿過程中，須根據(jù)注漿壓力、現(xiàn)場井壁滲漏情況適時靈活的隨時調(diào)節(jié)A、B液配比，以合理控制漿液的滲透性。

3.4 注漿壓力控制

控制注漿壓力的主要目的是保護井壁，防止由于注漿壓力過大而發(fā)生井壁致裂的現(xiàn)象。井壁強度校驗采用下式進行：

式中：p為井壁安全壓力，MPa;D0為井筒直徑，6.0m;H為井壁厚度，0.75m;Rk為井壁材料的允許抗壓強度，Rk=Rn/n，14MPa，其中Rn為井壁材料的極限強度，28MPa;n為安全系數(shù)，一般情況下n=2。

主井井壁可承受的安全壓力計算值為2.9MPa，即注漿過程中注漿壓力不得大于2.9MPa。本次注漿最深位置為井深53m，正常情況下最大地應力約為1.1MPa左右，本次注漿的機理為劈裂注漿，考慮1.0MPa的土層粘聚力，則正常情況下，注漿壓力最大為2.1MPa。正常注漿過程中應不會對井壁造成影響。

綜上計算，本次注漿過程穩(wěn)定壓力不得大于2.1MPa，瞬間沖擊壓力不大于2.5MPa。實際施工過程中要求專人看管注漿泵壓力表，防止發(fā)生超壓現(xiàn)象。專人監(jiān)視井壁，防止發(fā)生漏漿及井壁破裂現(xiàn)象。

3.5 注漿孔鉆進

工藝流程：注漿孔鉆至0.55m深度（不破壁）→安裝孔口管→套孔鉆進破壁→壓水沖孔→準備注漿。

（1）鉆進順序：先施工細沙巖層的排狀注漿孔，再根據(jù)出水量大到小的順序逐個施工單水點封堵的注漿孔。

（2）鉆眼施工：初次用7655風鉆，φ42mm“一”字型鉆頭，掃孔延伸用φ28mm鉆頭。

（3）壓水沖孔，每孔孔口管安裝完成后，接通輸漿管路進行壓水試驗，試驗壓力不大于2.5MPa，壓水時間要求持續(xù)10分鐘。

（4）鉆進過程中如果鉆孔位置井壁實際厚度小于0.55m，即在未安裝孔口管的情況下，鉆孔已破壁，則立即停止鉆進，拔出鉆桿，安裝孔口管;如果鉆孔出水沙量大，無法安裝孔口管，則立即在距離出水沙鉆孔0.5m左右位置施工分流疏放孔，減小出水沙的量后，及時安裝孔口管。

3.6 注漿施工

工藝流程：連接注漿管路→注漿→封孔。

（1）注漿泵選用QB50/19型氣動雙液注漿泵，為雙液無極變速可調(diào)。

（2）壓力調(diào)整：注漿壓力變化有時漸變，有時呈波狀，調(diào)整壓力應與孔內(nèi)壓力情況、漿液配比等密切配合，當漿液配比確定后，人為控制泵量，使壓力控制在安全壓力之內(nèi)。

（3）漿液調(diào)整：漿液在巖層裂隙滲透擴散過程中，如壓力和進漿量穩(wěn)定不變時，應逐級增大漿液中B液/水玻璃的含量（漿液絮凝固化時間減少）;如壓力上升快，進漿量很快減小，應依次減小漿液B液/水玻璃的含量（漿液絮凝固化時間增大），每改變一次漿液濃度持續(xù)10分鐘。

（4）注漿結(jié)束前，應壓注清水，使管路大部分漿液注入巖層裂隙中去，但要防止清水壓入地層，當壓清水時需及時通知孔口準備閉閥泄?jié){，然后清洗整個注漿系統(tǒng)。

3.7 注漿過程特殊情況處理

（1）井壁跑漿

注漿時出現(xiàn)點、縫輕微跑漿屬正常現(xiàn)象，但如從裂縫、接茬或孔洞出現(xiàn)嚴重跑漿則須及時采取措施：①出現(xiàn)孔洞跑漿可用木楔（纏繞麻絲）楔入堵塞;②出現(xiàn)接茬、縫隙跑漿則可停注一會兒再注（停注時間一般控制在4～5分鐘，停注前要壓水0.5～1分鐘沖洗管路），或適當提高B液/水玻璃濃度并采取間歇式注漿（注入一定量出現(xiàn)跑漿跡象時停注1～2分鐘），這種情況下須嚴防漿液堵塞混合器管路。

（2）已注位置出現(xiàn)新的滲漏點

注漿治理目的水點封堵后，在滲漏水點附近由于壁后水壓的回升可能出現(xiàn)新的滲漏點，須在滲漏部位附近補打注漿孔進行補注，直至滲漏點消失。

（3）出現(xiàn)機械故障等

當注漿機械出現(xiàn)故障時，要及時關閉孔口閥門，并將管路中的漿液排出，待機械維修完成后，再掃孔復注，掃孔采用φ28mm“一”字型鉆頭進行。

4 結(jié)論

（1）濟寧二號煤礦主井井壁淋水自建井以來長期存在，主要分布于井深45-53m段，出水點均位于罐道梁梁座附近，四個出水點總涌水量約為6.3m3/h。

（2）井壁長期出水導致井筒裝備嚴重銹蝕，井筒維護人員工作環(huán)境極為惡劣，根據(jù)主井地質(zhì)斷面圖分析出水點位于第四系含水層附近，井壁長期存在出水涌沙后垮塌的風險。

（3）主井井壁出水點采取壁后注漿技術治理后，原明水點及新生的出水點被有效封堵，消除了井壁出水涌沙的重大風險，井筒裝備及人員工作環(huán)境明顯改善，保障了主井井筒的安全運行。