張集煤礦第二副井及東回風(fēng)井壓力注漿技術(shù)應(yīng)用

尹德戰(zhàn)，江多如，楊保林

(安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，安徽 淮南 232052)

壓力注漿法就是指利用壓力把可凝固的漿液均勻地注入地層中，充足的漿液注入量，在高壓持續(xù)作用下，漿液以填充、滲透和擠密等方式驅(qū)走土顆粒間的水分和空氣后填充其空隙，壓密脫水，固結(jié)形成穩(wěn)固注漿帷幕體，切斷裂隙涌水通道，堵死地下水補給來源，將原來松散的土粒膠結(jié)成一個整體，從而使地層得到加固，并形成防水帷幕，為豎井開鑿施工提供良好的井壁穩(wěn)定及止水環(huán)境，是常規(guī)煤礦進行豎井施工前的首要工序之一。

張集煤礦位于安徽淮南市鳳臺縣張岳集鎮(zhèn)，現(xiàn)年生產(chǎn)能力為1240萬t，采用一礦兩井開發(fā)模式，為滿足開采接替規(guī)劃和瓦斯綜合治理的需要，實施安全改建及二水平延深工程，投資興建東回風(fēng)井和第二副井，解決中央?yún)^(qū)長距離通風(fēng)和下山開采等問題。該井由山西約翰芬雷設(shè)計院設(shè)計，井筒地面預(yù)注漿工程由我隊承擔(dān)施工。

1 工程及地質(zhì)情況

第二副井設(shè)計井筒凈直徑8.8 m，井筒深度876.5 m，井筒荒徑:凍結(jié)段11.2～12.2 m，基巖段9.8 m。井筒穿過新生界地層338.0 m，基巖段地層538.5 m。井筒上部表土及部分基巖采用凍結(jié)法，下部基巖采用地面預(yù)注漿特殊施工法鑿井，注漿段高370～943.8或945 m，總厚度573.8或575 m。井檢報告表明本區(qū)構(gòu)造條件較好?；鶐r段共有8個含水層，累計厚度135.27 m，巖性以細砂巖和中砂巖為主。第二副井和主井、副井、風(fēng)井應(yīng)同屬一個水文地質(zhì)單元，水文地質(zhì)條件相似，井筒500 m以淺水文地質(zhì)較復(fù)雜，500 m以深地下水補給徑流，富水性較差，施工中可能存在采動裂隙。

東回風(fēng)井設(shè)計井筒凈直徑8.0 m，井筒深度1008.5 m，井筒荒徑:凍結(jié)段10.1～11.0 m，基巖段9.2 m。井筒穿過新生界地層279.6 m，基巖段地層800.4 m。井筒上部表土及部分基巖采用凍結(jié)法，下部基巖采用地面預(yù)注漿特殊施工法鑿井，注漿段高355～1080 m，總厚度725 m。檢查孔所穿過的主要煤層控制準確，層位正常，未見明顯的破碎帶或斷層構(gòu)造，屬構(gòu)造簡單類型。巖體結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為巖層軟硬交替頻繁，沉積結(jié)構(gòu)面極發(fā)育，局部中～粗粒砂巖高角度或近似垂直裂隙極發(fā)育且為開式。基巖段共劃分有14個含水層，累計厚度235.95 m。巖性以細砂巖、中砂粗砂巖、粉砂巖為主，主要分布在井筒中上部。

2 注漿施工方案

2.1 注漿孔布置

按照設(shè)計要求，每井布置了注漿孔8個直孔和4組Y形孔(如圖1所示)，在表土和基巖上部分別采用8個直孔進行注漿，進入基巖后又分別采用4組Y形孔分支出的8個鉆孔進行防滲壓力注漿。其中直孔布孔圈徑15 m，Y形孔40～44 m。Y形孔的分支在進入設(shè)計靶域與直孔重疊10 m，靶心圈徑13 m，靶域半徑2 m，鉆孔斷面落點位于11.0～15.0 m的環(huán)狀帶內(nèi)大體勻布，進入靶域后穩(wěn)斜為直孔。如圖2所示。

圖1 張集煤礦東回風(fēng)井井筒地面預(yù)注漿工程鉆孔平面布置

圖2 張集煤礦東回風(fēng)井井筒地面預(yù)注漿工程鉆孔軌跡與井筒剖面

2.2 孔斜要求

直孔段終孔偏斜≯1%，固井段鉆進內(nèi)偏不得進入荒徑1 m的圈徑。Y形孔經(jīng)定向?qū)边M入靶域，與設(shè)計圈徑的偏斜≯1%，并且保證鉆孔水平落點大致均布。Y形孔在進入靶域前鉆孔落點控制距凍結(jié)孔圈徑≮5 m的安全距離。

2.3 注漿深度

第二副井要求注漿段與凍結(jié)段重疊30 m，凍結(jié)深度400 m，注漿上限深度為370 m，注漿下限深度945 m。注漿段長573.8或575 m。內(nèi)圈直孔注漿深度為370～620 m;外圈Y形孔注漿深度為610～945 m。

東回風(fēng)井要求注漿段與凍結(jié)段重疊20 m，凍結(jié)深度375 m，注漿上限深度為355 m，注漿下限深度1080 m，注漿段長725 m。內(nèi)圈直孔注漿深度為355～515 m;外圈Y形孔注漿深度為505～1080 m。

2.4 注漿段的劃分

本工程注漿漿液類型有2種:單液水泥漿、粘土水泥漿。

單液水泥漿主要成分是水，水泥，三乙醇胺和NaCl。該工藝簡單，施工方便，結(jié)石率低，結(jié)石強度高。

粘土水泥漿采用內(nèi)含膨脹性礦物蒙脫石、伊利石等粘土配制，水玻璃模數(shù)3.2，濃度38.7～40 Be'。粘土水泥漿顆粒細，粘度可調(diào)，可注性好，塑性強度高，析水率小，抗?jié)B性強，結(jié)石率高，耐久性強，注漿填水效果好，節(jié)省水泥，成本低廉。

本次注漿單液水泥漿用于固管和巖帽注漿，粘土水泥漿用于基巖段注漿。

注漿段高的大小依據(jù)井檢孔資料和井筒預(yù)計柱狀圖中含水層、隔水層、煤層深度、賦存厚度、富水性、連通性、裂隙發(fā)育程度及地層受注能力等確定。

由于粘土水泥漿顆粒細、可注性好、注漿持續(xù)時間長，故注粘土水泥漿注漿段高比單液漿注漿的段高大，劃分原則是:首先突出重點含水層，明確重點注漿段，重點段采用小段高，非重點段可適當(dāng)放大，含水層位于受注段中上部，水文地質(zhì)特征相似的巖層劃在同一段高內(nèi)。通過分析，將注漿段共計分為巖帽及9～11個段高。

2.5 地面預(yù)注漿工程施工流程(圖3)

圖3 地面預(yù)注漿工程施工流程圖

2.6 注漿壓力

注漿壓力是驅(qū)使?jié){液克服流動的阻力，即在巖層裂隙中運移、擴散、充填的動力，它與漿液類型及其濃度、裂隙開度和連通性等因素密切相關(guān)。注漿壓力的大小對注漿質(zhì)量、材料消耗有著直接影響。根據(jù)本井筒地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，結(jié)合淮南地區(qū)注漿經(jīng)驗，參照有關(guān)標準、規(guī)范，確定的注漿壓力:巖帽段注漿終壓為地層孔隙壓力的1.5～1.8倍，直孔基巖段注漿為2～2.5倍，Y形孔為2～2.2倍。第一輪孔取低值，第二輪取高值。

2.7 注漿量

注漿量是井筒地面預(yù)注漿形成可靠隔水帷幕體的物質(zhì)保證，是決定注漿質(zhì)量的又一重要參數(shù)。第二副井設(shè)計注入量16546 m3，其中單液水泥漿510 m3，粘土水泥漿16036 m3。東回風(fēng)井的設(shè)計注入量24528 m3，其中單液水泥漿1352 m3，粘土水泥漿23176 m3。

2.8 注漿工藝技術(shù)措施

注漿施工多采用下行式，無論采用上行式還是下行式，巖層破碎、坍塌掉塊嚴重時，均先行注漿加固后再進行鉆進。巖帽注單液水泥漿，巖帽以下段注粘土水泥漿。具體注漿施工技術(shù)措施如下。

(1)注漿前壓水試驗10～15 min。遵循先稀漿打開裂隙，稍后標準漿液壓注，最后濃漿結(jié)束，稀漿復(fù)注的原則，保證注漿質(zhì)量和堵水效果。

(2)根據(jù)注漿前壓水試驗，計算吸水量、吸水率，判斷巖層的透水性，確定漿液的配比及鉆孔每米注入量，控制漿液擴散半徑;若測得單位吸水量較大時，增加水泥和水玻璃用量，使用大密度粘土漿(1.20～1.25 g/cm3)。

(3)采取控制性注漿，每次注漿時間不宜太長，注漿量不宜太多，實施少注量、多次注、延長固結(jié)養(yǎng)護的時間等。

(4)注漿過程中連續(xù)2 h壓力沒有變化，應(yīng)及時調(diào)整漿液配比，若壓力仍不上升或下降，停止注漿，養(yǎng)護12 h后再注。

(5)注漿終壓達到后，減小注漿泵量，以小泵量終壓并穩(wěn)定，達到治水效果。

(6)必要時縮短終壓穩(wěn)定時間，減小高壓對巷道的威脅，第五注漿段(635～700 m)、第七注漿段(765～830 m)終壓達到1.5～1.8倍地層空隙壓力即可，第六注漿段(700～765 m)終壓達到1.2～1.5倍地層空隙壓力可結(jié)束注漿，但不得降低注漿質(zhì)量，原設(shè)計注漿量不得減少。

(7)視情況可采取分段下行、分段上行或上下行混合注漿方式，但必須確保注漿質(zhì)量。

(8)注漿時密切觀察注漿壓力變化，如若出現(xiàn)壓力突然降低情況，停泵觀察20 min后恢復(fù)注漿，如無改善應(yīng)停止注漿、養(yǎng)護、待下次復(fù)注。

實際注漿施工中，各段高注漿終量及穩(wěn)定時間均達到了設(shè)計標準，即巖帽段終量≤100 L/min，穩(wěn)定時間≥20 min;粘土水泥漿段終量≤250 L/min，穩(wěn)定時間≥30 min。

3 施工情況

施工中精心設(shè)計、精心施工，克服了鑿井、凍結(jié)、井架安裝、注漿多行業(yè)立體交叉、平行作業(yè)等困難，解決了注漿孔鉆孔軌跡控制、注漿串漿、開采區(qū)安全穿越等困難，順利完成了2口豎井的注漿工作。

第二副井井筒地面預(yù)注漿工程于2011年8月16日開工，2012年7月30日竣工，完成8個直孔和4個Y形孔的造孔、巖帽及9個段高注漿任務(wù)。東回風(fēng)井井筒地面預(yù)注漿工程于2012年7月12日開工，2013年8月12日竣工，完成8個直孔和4個Y形孔的造孔、巖帽及11個段高注漿任務(wù)。

第二副井Y形孔位于井架基礎(chǔ)距井中距離為20～22 m。Y形孔在610 m進入設(shè)計靶域與直孔重疊10 m，最終落點分別距井中 7.38、7.33、5.63、7.54、6.33、7.44、7.25、5.97 m，全部落點均在靶域內(nèi)，610 m以深為直孔，終孔深度945 m。共完成鉆探進尺10895.2 m，注漿總量18914 m3。

東回風(fēng)井Y形孔在514.6 m進入設(shè)計靶域與直孔重疊10.4 m，最終全部落點均在靶域內(nèi)，515 m以深為直孔，終孔深度1080 m。該工程共完成鉆探進尺11204 m，注漿總量25182 m3。

表1 東回風(fēng)井注漿段隔水帷幕最小厚度計算

從表1中可看出注漿隔水帷幕最薄處為8.76 m，這大于鑿井炮震裂隙影響范圍，注漿帷幕厚度達到設(shè)計和鑿井施工的技術(shù)要求。

3.1 鉆孔軌跡的控制

為了加快鉆孔施工進度，降低施工成本，經(jīng)過對該區(qū)域以往鉆探施工資料的查閱和總結(jié)，摸清了區(qū)域鉆孔偏斜的基本規(guī)律，在直孔和Y形孔開孔時采取人工初級定向。施工中成功地運用了有線隨鉆受控定向工藝，控制鉆孔軌跡。

測斜時每10 m讀取頂角、方位角，必要時加密測點，取得大量可靠的測斜數(shù)據(jù)，再深入分析，科學(xué)取舍，保證了測斜數(shù)據(jù)的精準，及時將測斜成果填繪到鉆孔偏斜圖上，隨時掌握鉆孔軌跡，并根據(jù)鉆孔偏斜情況及時采取措施，保證各水平鉆孔落點在井筒周圍分布較均勻。

3.2 串漿問題的解決措施

在注漿過程中，一旦發(fā)生串、返漿時就必須停止注漿，從而增加復(fù)注次數(shù)，這樣會給注漿帶來新的難度，工期也相應(yīng)延長，甚至影響注漿質(zhì)量。因此，應(yīng)認真研究分析井筒地質(zhì)條件，制定行之有效的措施，重點含水層段適當(dāng)縮小段高，提高注漿壓力，加大注漿量，確保了注漿堵水質(zhì)量。

孔口返漿的原因:注漿止?jié){塞沒有良好座封;鉆孔不規(guī)整也會導(dǎo)致孔口返漿;注漿壓力大，將止?jié){塞頂開;縱向裂隙發(fā)育。串漿原因:兩孔同時注漿時易發(fā)生串漿，平衡塞位置不易控制;注漿孔之間有裂隙連通;縱向裂隙發(fā)育。

在發(fā)生串、返漿時要注意分析原因，針對性的采取措施:止?jié){塞固定不住應(yīng)及時更換或改變拉塞位置，加大卡瓦、止?jié){塞尺寸，盡量在完整巖層中封隔;注漿時必須專人監(jiān)測壓力表，一旦有異動，必須立即采取措施，防止止?jié){塞完全被頂開;多孔同時注漿時采取注漿段高錯開的方式，使各孔注漿段處在不同段高的層位上。

在張集二副井直孔第一輪注漿中，串、返漿現(xiàn)象嚴重，第二輪注漿時除了制定以上注漿措施以外，還采取了先加固孔壁后注漿，采用上行式注漿，盡量減少掃孔次數(shù)，保持鉆孔規(guī)整。所以第二輪注漿大多一次完成，基本沒有復(fù)注，串、返漿次數(shù)明顯少于第一輪。

3.3 過巷道措施

為提高已有礦井的產(chǎn)量，近些年淮南礦業(yè)集團對部分礦井進行了大規(guī)模的改、擴建。在改、擴建礦井進行地面預(yù)注漿時，存在對相鄰原有井筒和井下巷道的威脅以及穿越問題。如果處理不當(dāng)，有可能帶來巨大的經(jīng)濟損失和安全隱患，必須保證3點:(1)保證井筒安全，防止井筒漏漿，杜絕井筒井壁和巷道被壓壞;(2)保證注漿量，不得少于設(shè)計值的60%，保證注漿帷幕有足夠的厚度;(3)盡量控制注漿壓力。在保證以上3點的同時，盡可能使注漿壓力接近或達到設(shè)計值，但井筒和巷道一旦出現(xiàn)漏水、冒漿時，嚴格執(zhí)行過巷措施。

根據(jù)經(jīng)驗，注漿影響范圍為150～200 m，在此范圍內(nèi)的所有巷道和井筒必須進行臨時管制，重點關(guān)注最近的幾條巷道的安全。二副井距主井210 m、副井340 m、風(fēng)井185 m，距西一回風(fēng)巷、綜采設(shè)備儲存硐室、西翼新增回風(fēng)巷等大巷較近，離最近的巷道只有35 m。

為保證－600 m井下巷道不受注漿影響，組織有關(guān)專家及專業(yè)人員就現(xiàn)有地質(zhì)狀況、注漿參數(shù)等技術(shù)問題展開論證研究，圍繞工期，保證注漿質(zhì)量進行施工方案優(yōu)化，對原施工組織設(shè)計中的注漿段高和技術(shù)參數(shù)加以調(diào)整。具體技術(shù)和組織措施如下。

(1)注漿時在影響范圍內(nèi)的巷道禁止行人和作業(yè)，并實行24 h巡視制度，密切關(guān)注井筒和巷道壁。一旦發(fā)生滲、漏、冒漿、變形、底鼓等情況，立刻通知注漿站。同時注漿站人員時刻關(guān)注壓力變化情況，一有異動，首先停注，觀察井筒和巷道無異常后才可以繼續(xù)注漿。

(2)若出現(xiàn)井下巷道竄漿，在所在的注漿段采取每次定量少注，分多次注漿達到設(shè)計要求;可以加大漿液濃度，首先封堵裂隙，等漿液有一定強度后再次復(fù)注。

(3)若巖層裂隙較大，且連通性好時，必須首先采取注入堵漏劑堵漏，增加養(yǎng)護期，然后再注入高濃度粘土水泥漿。

(4)當(dāng)出現(xiàn)漏漿和冒漿時，注漿終壓控制在地層空隙壓力的1.2～1.5倍。

(5)當(dāng)漿液量差得不多時，也可以采用間歇式注漿的方式使注漿量達到結(jié)束標準。

(6)特殊情況下還要減小段高，分多段完成過巷道段注漿。盡量以小泵量為宜(＜181 L/min)。

(7)在井下已受損或冒漿的地方安裝壓力表，設(shè)專人監(jiān)護，一旦發(fā)現(xiàn)壓力大于臨界值立即通知地面停注。在淋水的地方還要加設(shè)變形監(jiān)測儀。變形過大時必須進行加固處理。

(8)巷道要配備必要的人、材、物，能迅速處理突發(fā)事件，以最大限度減少對礦山生產(chǎn)、安全的影響。

通過以上技術(shù)改進和針對措施，張集二副井在過－500～－600 m巷道時，沒有出現(xiàn)大面積漏漿和壓壞井筒、巷道現(xiàn)象，只見巷道少量起皮和冒出少量稀漿。東回風(fēng)井筒－745 m未影響掘進，只見少許底鼓現(xiàn)象。

3.4 注漿效果

從開挖效果來看，張集礦二副井井筒注漿設(shè)計壓力及擴散范圍較為理想;從注入量分析，設(shè)計為16546 m3，實際為18914 m3，超過設(shè)計注入量2368 m3。

張集礦東回風(fēng)井井筒總注漿量25182 m3，超過設(shè)計注入量654 m3，注漿孔深1080 m，最大注漿段距725 m，最大注漿壓力27 MPa，為全國之最。注漿工程的鉆孔偏斜、注漿量、終壓、終量等技術(shù)參數(shù)均滿足或超過設(shè)計要求，注漿結(jié)束后經(jīng)過2次壓水試驗，預(yù)計井筒剩余涌水量為1.18 m3/h，達到設(shè)計質(zhì)量要求。

4 結(jié)論與建議

(1)淮南礦區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜，砂巖裂隙含水層以垂直裂隙發(fā)育為主。雖不利于漿液擴散和充填，但本區(qū)實踐證明，只要在注漿技術(shù)、井筒掘砌等方面精心組織，強化管理，立井基巖治水采用地面預(yù)注漿是成功的，若將其用于以低角度裂隙發(fā)育為主的砂巖含水層地區(qū)立井封水，其效果將更好。

(2)井筒地面預(yù)注漿工程宜采用直孔、Y形孔相結(jié)合的鉆孔布置方式。

(3)淮南礦區(qū)注漿堵水效果顯著。實踐證明，含水地層注漿后井筒平均剩余涌水量為2.60～5.12 m3/h，堵水率為 92.73% ～99.7%，大多在98%以上，堵水非常成功。

(4)本工程取得了一些重要的注漿參數(shù)，對今后本礦區(qū)地面預(yù)注漿工程具有重要的參考價值。

①注漿段高:一般為50～80 m。

②注漿壓力:均按地層空隙壓力的倍數(shù)取值，一般為地層空隙壓力的2～2.5倍;

③注漿帷幕厚度:通常取6～8 m;

④鉆孔數(shù):每圈8個;鉆孔偏斜率控制在1%以內(nèi)。

⑤鉆孔直徑:注漿終孔直徑130 mm。

⑥井筒注漿量:根據(jù)2個井筒的資料統(tǒng)計，綜合平均為40 m3/m。

⑦漿液配制:1 m3漿液水泥添加量為100～300 kg，水玻璃為20～40 L，三乙醇胺為水泥質(zhì)量的0.05%，食鹽為水泥質(zhì)量的0.5%。漿液的密度為1.25～1.35 g/cm3，漿液的漏斗粘度為20～50 s。

(5)豎井基巖地面預(yù)注漿后井筒掘砌施工，應(yīng)采取光面爆破、短段掘砌、接茬縫注漿或噴漿等一系列措施，保護注漿帷幕，減小井幫暴露時間，及時封閉巖層內(nèi)的細小裂隙出水，堵住出水通道，從而達到打干井的目的。

(6)地面預(yù)注漿是一項綜合性、系統(tǒng)性的工程，工序繁雜，工期緊，質(zhì)量要求高，施工有一定難度。因此，應(yīng)加強施工組織與管理，不斷優(yōu)化施工設(shè)計，嚴把各施工環(huán)節(jié)的質(zhì)量關(guān)。

(7)應(yīng)采用地面預(yù)注漿自動監(jiān)控、計量技術(shù)，解決深井特殊地層注漿材料及工藝需求，保證注漿堵水工程質(zhì)量，達到對注漿壓力和注漿泵轉(zhuǎn)速按預(yù)先設(shè)置的最大值進行自動控制的目的。

(8)注漿設(shè)備工藝研究要和注漿效果探測結(jié)合起來，利用現(xiàn)代電子信息技術(shù)，開發(fā)出一套機械化、智能化程度高的注漿工藝，提高注漿效率和質(zhì)量。

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