綜合注漿技術的應用與發展

馮旭海

(煤炭科學研究總院， 北京 100013)

1 綜合注漿技術簡介

綜合注漿技術是前蘇聯上世紀60年代末開發的一種注漿新工藝[1]。國內由煤炭科學研究總院建井研究所(現為建井研究分院)于上世紀90年代，經過課題攻關研究成功綜合注漿法的成套技術，首先在棗莊付村西風井、高莊混合井應用成功。經過十余年的發展，綜合注漿技術已在華東、兩淮、河北、山西、內蒙等煤田上百個井筒成功應用，開創了我國井筒地面預注漿技術的新局面。結合注漿孔定向鉆進技術開發的凍結、注漿、鑿井“三同時”快速建井工藝和注漿、鉆井“兩平行”作業工藝，大大縮短了煤礦建井周期，使得綜合注漿技術得到更為廣泛的應用，為國家煤礦建設起到了積極作用。

2 綜合注漿法的主要特點

(1)注漿材料漿液性能好。漿液采用黏土水泥漿(CL-C)，主要由黏土、水泥、結構添加劑和水組成，其中黏土用量超過水泥是漿液固體成分的主要部分；配置的漿液穩定性高、可注性好、結石體堵水效果好、析水率低，較單液水泥漿更適合基巖裂隙含水層注漿堵水。

(2)注漿設計、施工及效果評價。具有科學的試驗依據和工程計算。綜合注漿法以地層地質與水文地質資料為基礎，進行工程方案設計；施工過程中，通過對注漿鉆孔的運用水力動力學方法，進一步計算和研究地層的水文地質參數，指導注漿施工[2]；采用科學的抽水試驗或壓水試驗進行地層滲透系數計算，對注漿段的剩余水量預測，評價注漿效果。

(3)注漿工藝。對壓力、流量、漿液比重等參數連續進行監測；工藝上能夠采用高性能注漿設備，大泵量、大段高注漿，實現快速高效施工。

3 研究與應用現狀

綜合注漿技術的研究與應用，主要集中在煤礦建設領域，以立井井筒地面預注漿防治水為最多。經過多年實踐，在注漿新材料開發、工藝參數優化、設備性能提高等方面有了長足的發展。目前，國內立井井筒地面預注漿深度已經超過千米[3,4]；BQ-350、BQ-500型注漿泵幾經改進，成為性能良好煤礦井筒地面預注漿的主要注漿設備；KWS止漿塞在密封膠筒材料研究方面取得重要突破，針對特殊地層開發的新型注漿材料研究正在進行；結合定向鉆進技術實現凍結、注漿、鑿井平行作業的“三同時”快速建井工藝，已經在深井建設中得到廣泛應用。除此之外，綜合注漿技術還在立井工作面注漿[5]、煤礦采取底板改造注漿[6]、破損井壁修復治理、采空區充填、煤礦突水治理等方面得到成功應用；近年來，金礦、鐵礦、石膏礦等非煤礦山防治水領域，也有綜合注漿技術應用的工程實例。以下結合煤礦立井井筒地面預注漿設計，闡述綜合注漿技術的應用。

4 注漿工藝設計

4.1 注漿深度與鉆孔布置

井筒地面預注漿起止深度的確定，與井筒整體設計相關。一般而言，具有深厚沖積層的井筒，采取上部凍結(或鉆井)下部注漿的方法鑿井，注漿起始深度要求與凍結段或鉆井段重疊10～20m，且在風化帶以下，終止深度要求超過井筒最下含水層底板(實踐中一般超過井筒設計深度10m)。

目前，地面預注漿的鉆孔一般采用在井筒荒徑之外環形均勻布置的方式，鉆孔數量與井筒的技術參數、地層的地質和水文地質特征緊密相關。鉆孔數量的本質是孔間距的選擇，以保證注漿帷幕的連續性和密實性為原則：在以水平裂隙為主的含水層中，裂隙開度越小孔間距也越小，對于高角度裂隙發育的地層，則要相對加密鉆孔。工程實踐中，一般孔數在4～8個，孔間距為5～9m。

4.2 段高劃分與注漿方式

注漿段高，要根據含水層的位置、厚度、裂隙開度、止漿層位以及注漿泵的性能等諸多因素確定；工程中要結合具體的地質條件，遵循針對性、特殊性及一致性的原則進行段高劃分。所謂針對性，是指對已確定的含水層(段)進行注漿；特殊性是指注漿用于特殊的目的，如斷層及破碎帶的加固等；一致性是指將具有相同地質沉積環境、相同的巖性及裂隙發育規律的一組或兩組以上巖層劃為同一注漿段高。綜合注漿法的井筒地面預注漿段高，一般為40～75m[2]。

注漿方式要根據井筒深淺和地層條件選擇，一般有上行式、下行式、上下行結合的混合式三種方式。上行式即一次成孔、分段上行，多適用于淺井注漿；下行式和上下行混合式即邊鉆邊注，個別區間段采用上行式注漿，應用靈活，多用于深井和具有地質構造的井筒注漿。

4.3 注漿帷幕設計

注漿帷幕是指井筒開鑿前，通過注漿對裂隙充填，在周圍形成一個有效的隔水帷幕。隔水帷幕的尺寸與井筒的荒徑、開鑿方式、地下水特征等有關。目前，在注漿孔環形布置的井筒中，有效注漿帷幕一般要求超過井筒荒徑之外6m，且水壓越大、裂隙開度越大，帷幕要求越厚。在注漿帷幕設計尺寸、注漿孔布置選定后，注漿壓力確定和注入量計算是帷幕設計的最重要內容。

漿液壓力是注漿能量系統的直觀表現，注漿壓力通常指注漿泵出漿口的漿液壓力，即注漿泵表壓(P)。漿液在泵的推動下，沿管路(管路壓力損失為ΔPL)進入鉆孔，再進入含水層裂隙，克服裂隙面的剪切阻力(ΔPτ)和地下水壓力(P0)進行擴散。在漿液停止流動時，存在如下關系：

(1)

(2)

式中：Pr為漿液在管路中的自重壓力，與注漿深度有關；ΔPα為漿液在裂隙中流動擴散的其他阻力，如由充填物、裂隙的彈性變形引起的阻力；ΔPL可以通過試驗測得；ΔPτ與裂隙的數量、開度、裂隙面的粗糙程度、擴散距離等有關；P0通常取含水層的靜水壓力。

由于對ΔPτ、ΔPα的計算較為復雜，且處于理論探索階段。因此，實際應用中通常用式(3)確定[2]：

(3)

式中：k為系數，根據區域性地質和水文地質條件確定，取值范圍為1.5～3.0；α為常數，與注漿深度有關，淺部取大值，深度取小值。

對于式(3)的應用，經常根據注漿深度直接取靜水壓力值的倍數作為注漿壓力設計值：孔深小于400m的注漿段終壓值為靜水壓力值的2.5～3.0倍；孔深大于等于400m的注漿段終壓值為靜水壓力值的2.0 ～2.5倍。

注入量(Q)是保證注漿堵水質量的重要參數，根據注漿段巖層裂隙率、注漿帷幕尺寸、漿液的有效擴散半徑等因素確定，綜合注漿法一般采用式(4)計算：

(4)

式中：A為漿液消耗系數，取1.2～1.5；R是漿液擴散半徑，R=φ/2 + r；φ是注漿段布孔圈徑，m；r是漿液有效擴散半徑，通常取8～12m；Hi為注漿段長度，m；ηi是巖層裂隙率；β為充填系數，一般取0.95；m為漿液高壓脫水結石率，一般取0.85；n為注漿段數。

施工時，當某一注漿段壓力和注入量達到設計要求時，注漿終量在250L/min以下穩定時間不少于20min時，即可結束該段注漿。

4.4 黏土水泥漿的配方設計

黏土水泥漿的主要性能指標，包括塑性強度、析水率、粘度、比重等，其堵水性能主要取決于塑性強度。研究表明，影響漿液塑性強度的主要因素是黏土漿比重、水泥用量、結構添加劑(水玻璃)用量，并且黏土漿比重越大、水泥用量越大、水玻璃用量越大，漿液的塑性強度越高。上述規律的定量、定性試驗是漿液性能研究的重要內容。

工程中，通常對原材料取樣進行漿液配方試驗，測定漿液性能，確定配方范圍。目前，漿液配比多采用黏土漿密度為1.15～1.24g/cm3，水泥加入量為100～300kg/m3，水玻璃加入量為15～40l/m3。對原材料要求一般為：普通硅酸鹽水泥，標號不應低于42.5號；黏土塑性指數10～25，含砂量不宜大于5%；水玻璃模數2.6～3.4，比重1.368～1.465g/cm3。注漿時，應該根據不同的地質和水文地質條件，調整漿液的配比，滿足注漿堵水需要。

4.5 注漿效果檢查與評價

堵水效果采用注漿過程參數分析與最后抽(壓)水試驗結合的方法進行檢查與評價，二者都是以科學的工程計算為手段，探查巖體的水文力學性質變化。施工過程中，著重對比注漿前后簡易水文參數、注漿壓力變化，判斷注漿效果；在井筒注漿結束前，利用注漿鉆孔做抽水或壓水試驗，測定受注巖層的滲透系數，進而計算預測井筒開鑿時剩余水量，檢查和評價注漿效果。

采用壓水試驗檢查注漿效果，以式(5)～式(10)計算單位吸水率、滲透系數和井筒剩余水量。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，W為單位吸水量，l/min·m·m；Q為壓水流量，l/min；P為壓水壓力(換算成水柱高度)，m；L為壓水段高度，m；q為單位吸水率，l/min·m；K為滲透系數，m/d；r為鉆孔半徑，m；Q井為井筒剩余水量，m3/d；Ho為含水層靜水位至含水層底板的高度，m；M為含水層厚度，m；R為水位降至含水層底板時的影響半徑，m；Sw為含水層最大降深，m；r#為井筒荒半徑，m。

5 應用實例

(1)工程概況

皖北某礦設計生產能力2.4Mt/a，立井開拓方式，設主﹑副﹑風3個井筒。井筒采用凍結法和地面預注漿法施工，其中主、副井井筒采用凍、注、鑿平行作業的“三同時”快速建井工藝。三個井筒主要技術特征參數見表1。

表1 井筒主要技術主要特征

井筒基巖段中等硬度巖石所占比例高，破碎層位多；裂隙以斜向、豎向為主，溝通性差；基巖段有5個含水層，井筒預計涌水量分別為主井50 m3/h，副井96 m3/h，風井62 m3/h，附近礦井有突水淹井現象。工程地質條件與水文條件綜合評定為復雜型。

(2)工程設計與施工情況

根據礦井建設的總體方案，主、副井井筒施工采用“三同時”施工工藝，注漿分為內圈直孔段和外圍S孔注漿兩期工程；風井井筒采用全直孔注漿。巖帽段為10～20m，黏土水泥漿段高最大77m，最小48m；采用下行式為主、上下行結合的注漿方式。各井筒地面預注漿工程主要施工參數見表2。

5.3 效益分析

井筒地面預注漿應用綜合注漿法的，在經濟上的效益集中體現在施工工期和材料成本兩個面。與傳統的水泥注漿相比，平均每個井筒節約工期4個月，節約水泥約6300t；由于有效的封堵井筒含水層涌水，大大提高了基巖段掘砌速度；主、副井由于實行了“三同時”工藝，井筒建設工期僅為15個月，從而縮短了煤礦投資建設周期。綜合注漿技術地成功應用，實現了為建設單位節約投資、為施工單位節省成本的雙贏，取得了良好效益，對該礦區具有復雜地質條件的其他井筒注漿施工具有參考價值[7]。

表2 井筒地面預注漿工程主要施工參數表

6 綜合注漿技術展望

注漿技術的發展現狀是理論落后于實踐[8]，綜合注漿技術也是如此。因此，綜合注漿技術的發展，應該從加強理論研究、加大技術創新、拓寬應用領域三個方面進行。

(1)加強理論研究。目前，研究重點集中在漿液與裂隙的作用方式、黏土水泥漿在高壓環境下的固結機理、地層水文地質條件對注漿的影響規律等方面，以求注漿參數選擇提供更為科學的理論依據。

(2)加大技術創新。應該結合工程中亟需解決的問題，從材料、設備、過程監測、質量檢查等方面進行研發，使得工程施工走向高效節能環保。以井筒地面預注漿為例，針對煤礦千米深井建設，正在進行的研究主要有特殊地層的新型材料研發(如高塑性漿液、添加粉煤灰、高水材料等)，改進設備和關鍵機具的性能(高壓無級調速注漿泵等)，開發注漿過程監測的信息化系統，解決與其他工藝配合應用的問題等，這些方面有些已經取得了階段性的成果。

(3)應該利用綜合注漿技術的優點。積極拓展應用領域。就煤礦領域而言，除井筒地面預注漿外，還可在工作面注漿、采區(巷道、底板)防治水改造、井壁治理、采空區充填等方面嘗試；除煤礦領域外，還可以在交通、鐵路、水利、非煤礦山等領域的防治水和充填等方面嘗試。

[1] 周興旺.綜合注漿技術在我國的應用和發展 [J]. 建井技術，1994(3).

[2] 周興旺,等.注漿堵水加固技術及其應用 [C].北京：煤炭工業出版社，1998.

[3] 張慶和,等.千米立井綜合治理方案與實踐 [J]. 煤炭工程，2004(11).

[4] 王洪理.千米深井快速預注漿技術的探索 [J]. 煤炭技術，2005(12).

[5] 工作面采用綜合注漿技術快速通過石英砂巖含水層 [J]. 工程質量，2007(20).

[6] 劉義永.注漿改造技術在礦井防治煤層底板承壓水中的應用 [J]. 煤炭技術，2005(09).

[7] 昌修林.地面預注漿技術在立井井筒施工中的應用 [J]. 建井技術，2007(5).

[8] 巖土注漿理論與工程實踐 [M].北京：科學出版社，2001.