柳林煤礦回風(fēng)立井井筒凍結(jié)管射孔注漿技術(shù)的實(shí)踐

劉應(yīng)軍

（柳林縣應(yīng)急管理局，山西 呂梁 033300）

現(xiàn)有凍結(jié)法立井井筒施工后防治水處理方法存在著施工成本高、施工難度大、防治水效果較差等實(shí)際問題。射孔注漿技術(shù)在地面注漿不需要另外造孔，同時(shí)井下圍巖注漿也不需要進(jìn)行破壁施工，施工便利，成本低，安全性較好。以柳林煤礦回風(fēng)立井為研究對(duì)象進(jìn)行了凍結(jié)管射孔注漿技術(shù)的實(shí)踐研究，制定了合理的射孔注漿方案以及施工方案[1-6]，可以保證射孔注漿的封堵效果，達(dá)到提高防治水效果的目的。

1 工程概況

1.1 概況

山西柳林煤礦有限公司立井、副立井、回風(fēng)立井三條井筒全部采用全深凍結(jié)法施工，井壁結(jié)構(gòu)均為雙層井壁。通過礦井水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探可知，4#、5#煤正常涌水量分別為1754 m3/h、1886 m3/h，最大涌水量分別為2270 m3/h、2410 m3/h?；仫L(fēng)立井井筒深度541.52 m，工程采用全深一次凍結(jié)，主排孔數(shù)量40 個(gè)，深度555 m；防片幫孔數(shù)量20 個(gè)，深度70 m；測(cè)溫孔3 個(gè)，2 個(gè)深度555 m+1 個(gè)深度80 m?；仫L(fēng)立井井筒凍結(jié)孔剖面及設(shè)計(jì)布孔如圖1。

圖1 回風(fēng)立井井筒凍結(jié)孔剖面及設(shè)計(jì)布孔情況

1.2 回風(fēng)立井井筒凍結(jié)管射孔注漿技術(shù)的思路

根據(jù)礦井水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件，確定射孔注漿層位、注漿材料及漿液配比、注漿壓力、施工時(shí)間段等工藝參數(shù)。

研究全深凍結(jié)井筒凍結(jié)管射孔注漿施工中射孔階段及注漿階段施工工藝的質(zhì)量控制方法及機(jī)具，在各施工階段的施工順序、層位控制及異常情況處理工藝方案。

設(shè)計(jì)回風(fēng)立井井筒完成40 個(gè)主凍結(jié)孔和2 個(gè)測(cè)溫孔射孔注漿工作，停止凍結(jié)后約6 個(gè)月自然解凍，貫穿全井深的每個(gè)凍結(jié)孔與凍結(jié)管之間形成“環(huán)狀空間”，切斷凍結(jié)孔環(huán)狀空間垂向?qū)ǖ?，防止凍結(jié)壁解凍后環(huán)狀空間水壓作用在井下構(gòu)筑物（包括井下巷道、硐室、井筒）上造成構(gòu)筑物破壞，如圖2。

圖2 回風(fēng)立井井筒凍結(jié)孔水害形成剖面示意圖

2 射孔注漿技術(shù)方案設(shè)計(jì)

2.1 射孔注漿原理

射孔注漿原理：將射孔槍體沿凍結(jié)管下放至預(yù)定注漿地層，引爆磁電雷管，在井筒壁后裂隙發(fā)育、熔巖水豐富的地帶將凍結(jié)管穿透，并形成一定寬度和長(zhǎng)度的裂縫，然后進(jìn)行圍巖注漿加固和堵水。

2.2 射孔注漿設(shè)備

凍結(jié)管射孔注漿射孔槍選擇102 型，射孔彈型號(hào)為YD-89B 型，射孔角度為相位90°，孔密度為10 孔/m，配置射孔儀器絞車+25 t 起重機(jī)。

2.3 射孔層位選擇

本次注漿孔利用回風(fēng)立井現(xiàn)有的40 個(gè)主排凍結(jié)孔（Z1～Z40）和2 個(gè)測(cè)溫孔（C1～C2），一共是42 個(gè)注漿孔。第一次射孔注漿：井筒與車場(chǎng)連接位置+硐室上方30～50 m 位置，主要是對(duì)延安組隔水層（以粉砂巖、泥巖為主）進(jìn)行注漿；第二次射孔注漿：凍結(jié)管內(nèi)水泥至井筒與車場(chǎng)連接位置+硐室頂部80～100 m位置，主要是對(duì)直羅組上段隔水層（以紫色和雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主）進(jìn)行注漿。

Z1～Z40 號(hào)注漿孔，單孔射孔深度為431～432 m，射孔長(zhǎng)度42 m，射孔段為泥巖；C1～C2 號(hào)注漿孔，單孔射孔深度為352～353 m，射孔長(zhǎng)度42 m，射孔段為泥巖。

2.4 注漿施工方案

作業(yè)方式：?jiǎn)慰鬃{采取先下后上分二個(gè)層段射孔注漿順序。每個(gè)孔深部層位射孔注漿結(jié)束后，立即定量壓水（通過計(jì)算，壓入的水量需將凍結(jié)管內(nèi)的水泥漿全部壓到管外），而后關(guān)閉凍結(jié)管高壓球閥，待漿液達(dá)到終凝后再打開高壓球閥，最后再進(jìn)行淺部層位射孔、壓清水、注漿。

當(dāng)一個(gè)段高的注漿量達(dá)設(shè)計(jì)量的80%～120%，且注漿終壓達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，泵量為30～50 L/min，并穩(wěn)定20 min 以上時(shí)，可結(jié)束該段注漿。

注漿站布設(shè)：布置XPB90E 型液壓注漿泵1 臺(tái)、HFV-C 型液壓注漿泵1 臺(tái)，建一次攪拌池1 個(gè)、二次攪拌池1 個(gè)、清水池1 個(gè)，布置螺旋給料機(jī)1 臺(tái)。

注漿漿液配備：當(dāng)漿液水灰比為1:1 時(shí)，水750 L，P.O42.5 水泥750 kg，外加食鹽37.5 kg，三乙醇胺3.75 kg，此時(shí)漿液比重1.50 t/m3，漿液體積1.000 m3；當(dāng)漿液水灰比為0.75:1 時(shí)，水712 L，P.O42.5水泥950 kg，外加食鹽77.5 kg，三乙醇胺4.75 kg，此時(shí)漿液比重1.66 t/m3，漿液體積1.029 m3。

3 射孔注漿方案的實(shí)施過程分析

3.1 鹽水置換

回風(fēng)立井布置42 個(gè)射孔注漿孔，射孔注漿孔鹽水置換主要流程為立鉆→鑿孔→壓風(fēng)與鉆桿連接→鹽水置換。

（1）立鉆。在井筒凍結(jié)溝槽內(nèi)原凍結(jié)孔位置進(jìn)行標(biāo)記，利用吊垂線確定凍結(jié)孔位中心和凍結(jié)管中心位置。（2）鑿孔。沖擊鉆向上打孔后用15 mm 水鉆掃孔、射孔注漿通道。（3）對(duì)壓風(fēng)管與鉆桿進(jìn)行連接；（4）鹽水置換。下放鉆桿，開啟風(fēng)管閥門，進(jìn)行鹽水置換。

3.2 子彈穿管

根據(jù)射孔注漿技術(shù)方案，采用專用射孔在凍結(jié)管內(nèi)指定位置進(jìn)行打孔并延伸至巖層內(nèi)實(shí)施子彈穿管作業(yè)工序。凍結(jié)射孔過程原理如圖3，主要流程包括下放絞車→槍體槍頭連接→槍體回收。射出孔孔徑8～12 mm，穿透巖石深度220～320 mm 左右。

圖3 凍結(jié)管射孔原理示意圖

下放射孔槍之前，在凍結(jié)管內(nèi)注入一定量的漿液，讓射孔位置淹沒在漿液之中，保障射孔槍在漿液內(nèi)發(fā)生引爆，防止爆破炸裂現(xiàn)象。實(shí)踐結(jié)果表明：起爆后槍身孔數(shù)為10 a，無啞炮和二次引爆現(xiàn)象發(fā)生，子彈穿管施工較理想。

3.3 注漿施工

注漿施工漿液流程主要為，攪拌桶→漿液池→注漿泵→注漿口。在注漿施工中，注漿壓力會(huì)有變化，可通過調(diào)整漿液濃度、控制泵量的辦法進(jìn)行調(diào)整。注漿施工中當(dāng)注漿量超過13 m3時(shí)，必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注漿壓力，用人為的方法控制泵量，使壓力達(dá)到終壓。

4 工程質(zhì)量分析

回風(fēng)立井井筒施工射孔共42 次，經(jīng)檢查42 個(gè)全部都為有效射孔，射孔成功率達(dá)到了100%，射孔施工效果理想。經(jīng)分析可知，該回風(fēng)立井井筒凍結(jié)孔采用Φ190 mm 的鉆頭造孔，下放凍結(jié)管管徑為Φ140 mm，水泥漿置換孔底往上約150～220 m。理論計(jì)算結(jié)果表明：?jiǎn)慰變H僅需要13 m3的液漿即可填滿注漿孔及凍結(jié)孔的環(huán)形空間。但在該工程施工過程中發(fā)現(xiàn)，回風(fēng)立井井筒實(shí)際累計(jì)注液漿量達(dá)1546 m3，平均單孔注漿量高達(dá)36.8 m3，431～432 m段注漿量達(dá)873 m3，上段（352～353 m）注入水泥漿液673 m3。從這一情況來看，實(shí)際注漿量遠(yuǎn)大于理論注漿量。分析可知，射孔注漿不僅是對(duì)注漿孔及凍結(jié)孔的環(huán)形空間進(jìn)行了充填，也對(duì)局部地層進(jìn)行了加固封堵。

在回風(fēng)立井井筒底部南側(cè)和北側(cè)位置，在施工井筒連接處及硐室時(shí)，揭露凍結(jié)管后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)凍結(jié)管密實(shí)良好，無淋水、出水現(xiàn)象發(fā)生，消除了回風(fēng)立井井筒的水害威脅。

5 結(jié)語

以柳林煤礦回風(fēng)立井井筒為研究對(duì)象，進(jìn)行了凍結(jié)管射孔注漿技術(shù)的實(shí)踐工程試驗(yàn)，施工射孔共42 次，射孔成功率達(dá)到了100%，射孔施工效果理想，達(dá)到了封堵凍結(jié)管與地層環(huán)狀空間導(dǎo)水通道的目的。揭露凍結(jié)管后，發(fā)現(xiàn)凍結(jié)管密實(shí)良好，無淋水、出水現(xiàn)象發(fā)生，消除了煤礦回風(fēng)立井井筒的水害威脅，滿足了礦井的正常生產(chǎn)要求。