千米深井掘砌期間基巖水害探測與治理技術

摘要：口孜東礦千米深井施工對5.7MPa的高壓水害采用注漿技術進行治理，施工鉆孔對含水層進行了17MPa的高壓注漿，實現了粗砂巖強含水層威脅下井筒的安全鑿掘。

關鍵詞：千米井筒 粗砂巖高壓水害 探測 注漿治理技術

口孜東礦采用中央豎井開拓，是當時國內穿過松散層最厚、井筒最深、直徑最大，采用凍結法施工的千米井筒。其中副井井筒設計深度為1032m，井筒設計凈直徑8.0m（基巖段掘進直徑大于9.1m），井筒穿過表土層厚度為575m，基巖段深度為457m（基巖風化帶厚度23m）。施工實際凍結深度為625m（凍結管深617m），凍結段支護深度為610m，基巖段未凍結深度為407.0m。

1 問題的提出

口孜東礦副井井筒率先進入基巖煤系地層施工，基巖段有多層較厚粗、中、細砂巖，裂隙發育，含有大量裂隙水，距離松散層較近可能受其補給，威脅井筒安全鑿掘，加之井筒鑿掘期間場地狹小，臨時管路及排水設施不健全，因此必須高度重視探測治理工作，對巖層段進行水文地質條件探測，一方面查明巖層富水性，預計涌水量評價富水性程度及水力聯系，制定井筒施工期間防治水措施，另一方面研究治理方案，對副井基巖段煤巖富水區進行注漿治理，確保井筒安全施工。

2 副井井檢孔水文地質條件分析

考慮到基巖地層水、斷層水及砂巖裂隙水影響，對井筒檢查孔水文地質情況進行分析，估算井筒鑿掘時涌水量。

2.1 副井施工前井筒檢查孔水文地質評價

根據副井井筒檢查孔基巖含水層劃分及涌水量預算成果，對全孔基巖段進行了混合抽水試驗。抽水段-592.7m～-1095.5m，抽水段厚502.9m，含水層厚115.4m，抽水成果S=48.53m，Q=0.142L/s，q=0.00293 L/sm，K=0.002013272m/d，R=21.78m，水溫t=23℃。根據測井曲線（三側向電阻率、自然電位、井液電阻率），基巖段主要有兩個含水層。第一含水層：-574.2～-604.1m，層厚29.9m，預計涌水量3.1m3/h；第二含水層：-719.4～-742.5m，層厚23.1m，預計涌水量0.34m3/h。

2.2 井筒水害分析

根據井筒檢查孔對基巖含水層水源分析：地質層位在埋深692～705m的粗砂巖，屬砂巖裂隙水，距第四系界面117m，716.8～739.8m段屬弱含水層。

盡管井筒檢查孔顯示基巖含水層屬弱含水層，但經認真分析，對此水文地質資料可信程度表示懷疑，可能與實際存在較大的誤差。本著“有疑必探，先探后注，先治后掘”的原則，對該段巖層進行探放水，以獲得實際可靠的水文地質資料，指導井筒施工。

3 副井608m處超前探測基巖含水層

3.1 井筒基巖段水文地質特征

基巖段部分地段砂巖所占比例較大，有多層較厚的粗、中、細、粉砂巖。基巖上段粗～粉砂巖占地層總厚度比例為40.6%，部分地段砂巖所占比例更大，裂隙發育，含大量裂隙水。

3.2 副井608m處超前探測基巖含水層鉆孔施工

施工超前探測基巖含水層鉆孔，查明副井基巖段二疊系地層25煤層頂板以淺100m范圍內巖層裂隙發育、分布特征及煤層頂底板巖層導水裂隙帶范圍內的砂巖分布和富水性特征，探測基巖段二疊系地層富水區，評價其富水性及水力聯系，為副井基巖段水害治理提供依據。

副井施工至608m深度時停止施工，開始打鉆探砂巖裂隙水。打鉆探水位置從累深608～705m，段高97m，砂巖段累計厚度40.8m，利用兩根原預埋孔口管打鉆探水，并在周邊布置八個孔。1#探水鉆孔2008年3月25日1：00開始鉆進，26日6：10在鉆進86m時開始出水，共鉆進89.12m；涌水量從5m3/h增加到25.5m3/h，而后單孔涌水量一直在18～25m3/h之間，平均涌水量為22.0m3/h，q=1.69L/(s.m)，靜水壓力一直穩定在5.7MPa。

3.3 井筒水害可能出現的涌水量預計

如副井水害不治理正常掘進，采用裘布依穩定承壓井流公式計算井筒涌水量：

Q井=2∏T(H0-HW)/(㏑R/r井) =1738.0511m3／d=72.5m3／h

據上式，井筒檢查孔對692～705m的13m厚粗砂巖含水層段的評價不準確，通過此次探水工作認定該段屬較強含水層。

如不對副井含水層進行注漿治理，預計井筒施工過粗砂巖含水層時正常涌水量50～73.0m3/h，如施工中遇到大的縱向、橫向導水裂隙或導水斷層構造，涌水量還會進一步增大，極有可能造成淹井事故，因此必須對含水層進行注漿治理。

3.4 副井608m處注漿施工

3月27日中班開始對1#探水鉆孔進行注漿，先后施工1～6#探水鉆孔并對其進行注漿，注漿段高為97m。

3.4.1 注漿壓力：取靜壓的2～3倍，正常注漿壓力取12～15MPa，注漿終壓為3倍，P終取17.1MPa，可根據孔口管周邊具體情況酌情調整。注漿結束標準：注漿終壓達到后注漿泵吸漿量降低到30L/min并穩定30min。

3.4.2 漿液配制：注漿以單液水泥漿為主，單液漿水灰比為2：1～1：1，從稀漿到稠漿，必要時采用水泥～水玻璃雙液漿。

副井在砂巖含水層打鉆探水和注漿一期施工了7個鉆孔（其中1個為檢查孔），加固止漿墊及孔口管共消耗漿液58.4m3/h，水泥和水玻璃分別使用47.6t和9.7t；其中實際有效注水泥漿128.8m3/h，共用水泥72.9t、水玻璃1.51t。

在以后的注漿過程中副井受多孔注漿影響，臨時止水墊破碎，在對1～6#孔近20天注漿過程中，孔口管歪斜，已無法再施工新孔，注漿也十分困難。4月14日早班3#和5#孔的涌水量分別為8.5和0.8m3/h，由于3#和5#孔孔口管歪斜，特別是3#鉆孔原孔變形嚴重，掃孔不走原道，下止水塞注漿時發生串漿現象，大量高壓漿液從孔口管周邊冒出，出現封孔和孔內注漿無效的情況，對含水層的注漿沒有完全達到目的。

4 井筒帶水施工

為達到更好的注漿效果，注漿地點須距離含水層更近，決定繼續掘進49m，距含水層25m處（井深657m）停頭打鉆探水。

副井自4月15日恢復掘進揭開破碎止水墊前形成完善可靠的排水系統；在副井鑿掘施工打灰期間采用淹井法進行了3次實際涌水量測量，分別為19.0m3/h、19.5m3/h、18.7m3/h，都在19m3/h左右，未發現涌水量增大趨勢。掘進到井深657m停止施工，掘出4.0m（夠打止漿墊厚度）后立即按要求施工止漿墊。

5 井筒注漿效果評價及涌水量預計

通過3次打鉆注漿，井筒實施注漿后效果明顯，對井筒注漿效果評價如下：

5.1 井筒注漿后效果評價

副井打好止漿墊后進行第二次注漿施工：二期施工了10個鉆孔（其中1個檢查孔），注水泥漿135.0m3/h，共用水泥85.6t，水玻璃1.8t，對副井678m～703m段6.8m中砂巖、12.5m粗砂巖進行了2次徹底封堵，注漿完成后對實際注漿效果進行了檢驗，2個檢驗鉆孔涌水量分別為1.8m3/h、3.3m3/h（增補了一個檢查孔），連續觀測10小時涌水量均無變化，副井井筒注漿段取得了較好的治理效果。

5.2 井筒恢復鑿掘施工涌水量預計

副井施工期間涌水量預計：2個檢驗鉆孔涌水量分別為1.8m3/h、3.3m3/h（增補了一個檢查孔），并連續觀測10小時涌水量均無變化，根據2次實際注漿情況分析副井施工期間預計涌水量小于15m3/h，預計變化范圍為8～15m3/h；對井筒掘進施工無影響。

6 井筒恢復施工安全保障措施

2008年6月6日副井注漿工作結束，恢復井筒掘進施工。井筒恢復施工采取了如下安全保障措施：

6.1 堅持“長探短掘”及“有疑必探，先探后掘”的原則，從距含水層法距10m開始，采取探6m掘4m留2m的超前距。

6.2 采取少裝藥“放小炮”的方法：從距含水層法距10m開始，增加炮眼數量，特別是增加周邊眼數量，嚴格控制裝藥量，周邊眼隔眼裝藥，發揮泄能眼作用，盡量減少爆破對已注漿封堵裂隙的破壞作用，維護好已形成的注漿帷幕。

6.3 確保完善的排水系統，中轉水箱容量滿足1臺多級泵吸水量（流量40m3/h）要求，同時相關排水設施及供電保證完好。

7 井筒注漿實際揭露效果檢驗及主要經驗

7.1 井筒恢復鑿掘施工效果檢驗及實際涌水量

井筒恢復掘進施工后，過注漿段含水層時，發現巖層裂隙注漿飽滿，膠結效果較好，大量的裂隙被水泥漿和化學漿液充填實，巖層涌水變小；利用立模板、打灰期間實測井筒涌水量，副井施工期間涌水量：6.2～14.7m3/h，正常涌水量小于9m3/h；此后再沒因水影響井筒掘進施工事故發生。

7.2 副井井筒水害治理成功主要經驗

①思想上高度重視。領導及相關科室高度重視，多次召開專題會研究注漿方案，為副井井筒成功治理高壓水害打下堅實的基礎，創造了有利條件。

②堅持“有疑必探，先探后掘”的探放水原則。水文地質人員從實際出發，認真反復研究井筒基巖巖性特征以及可能存在的高壓含水層位，進行有針對性的探測，采取了行之有效的注漿治理手段，實現了千米深井井筒遇粗細砂巖強含水層的安全鑿掘。

③施工單位精心施工，使鉆孔注漿量和注漿壓力達到設計要求，確保了鉆孔注漿質量。