多含水層條件下大斷面立井開鑿綜合防治水實踐

伍增強(qiáng)，李歲寧，薛志強(qiáng)

(陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

孟村煤礦主立井屬于該礦井3個立井井筒之一，主要用于提煤運輸。井筒深度549.15 m，凈直徑6.5 m，掘進(jìn)直徑8.4 m。井筒開拓期間揭露8個地層；其中含水層5個，最大厚度328 m，最大單位涌水量0.332 3 L/(s·m)，最大滲透系數(shù)0.087 425 m/d。根據(jù)地層分布情況，考慮井筒開鑿前、開鑿時以及成井后的防治水需要，在充分調(diào)研了國內(nèi)主要的井筒防治水技術(shù)后，從主動、被動兩方面考慮[1-4]，選取了全深凍結(jié)、雙層鋼筋混凝土澆筑、射孔注漿、壁間壁后注漿綜合技術(shù)進(jìn)行防治水應(yīng)用。

1 工程背景

將各層地質(zhì)厚度、主要巖性、地質(zhì)及水文地質(zhì)特征以表格形式列出，具體見表1。

表1 主井井筒地層信息表

2 綜合治水技術(shù)

2.1 全深凍結(jié)

鉆孔布置：本次采用單圈孔方式凍結(jié)，設(shè)計有防片孔、主排孔、測溫孔、水文孔，凍結(jié)壁厚3.8 m，凍結(jié)工程20 758 m。其中，防片孔14個、單孔深20 m、開孔間距2.58 m、布置直徑選取11.6 m；主排孔32個、單孔深580 m、開孔間距1.37 m、布置直徑選取14 m；測溫孔3個，單孔深度580 m；水文孔2個，孔深分別為123 m、55 m，鉆孔分布圖如圖1所示。

圖1 主井凍結(jié)鉆孔分布示意圖

施工過程：該工程總工期410 d，其中凍結(jié)工期約220 d，凍結(jié)鉆孔偏斜采用“靶域”控制，防片幫孔內(nèi)外偏值≤0.3 m；主排孔內(nèi)偏值≤0.7 m，外偏值≤1.5 m，終孔間距≤3.5 m，最大偏斜率≤2.5‰。在井筒的掘進(jìn)過程中井壁最大水量0.6 m3/h，達(dá)到了很好的治水效果。

2.2 雙層鋼筋混凝土井壁

施工過程：該井筒采用了雙層井壁，外壁采用350 mm厚鋼筋混凝土砌碹支護(hù)，內(nèi)壁采用600厚鋼筋混凝土砌碹支護(hù)，混凝土標(biāo)號在不同區(qū)段采用了C30、C40、C55、C60，在內(nèi)外層井壁之間鋪設(shè)2 mm厚的聚乙烯塑料薄板，共消耗10 970 m2。施工時，混凝土中添加WG-HEA抗裂型防水劑，加入量為水泥用量的10%，總計加入770 t。混凝土入模溫度控制在15～20 ℃范圍內(nèi)。

工程量及材料消耗：井筒掘進(jìn)期間的部分工程量及材料消耗見表2。

表2 主井井筒部分工程量及材料消耗表

2.3 射孔注漿

射孔注漿原理：射孔注漿的原理是采用聚能式爆破射孔技術(shù)，將專用的射孔槍體沿凍結(jié)管內(nèi)下放到預(yù)定的注漿地層部位，通過引爆射孔槍中的磁電雷管，使槍中一定數(shù)量的射孔彈定時定向爆破，穿透槍體及凍結(jié)管，并進(jìn)入地層一定深度，從而形成新的注漿通道，在地面進(jìn)行注漿加固預(yù)定地層，既可以起到堵水作用，又能減弱地層沉降對井壁的縱向附加力，防止井壁破裂[5-8]。射孔穿透深度一般為200～300 mm，射出孔的孔徑一般為8～12 mm，使用1 m長的射孔槍，射孔彈安裝密度10發(fā)/m，射孔注漿效果示意圖,如圖2所示。

圖2 射孔及注漿效果示意圖

施工方法：為了切斷主井馬頭門上方地層與下方地層的水力聯(lián)系，防止凍結(jié)壁解凍后凍結(jié)管內(nèi)或凍結(jié)管和地層之間的環(huán)形空間的水壓作用在馬頭門上。對凍結(jié)管及環(huán)形空間進(jìn)行注漿充填。注漿采用主排凍結(jié)孔、測溫孔，單孔注漿采取由下向上射孔注漿方案。分段注漿法是指第一次射孔后接著注漿；然后掃凍結(jié)管內(nèi)水泥到相應(yīng)位置，進(jìn)行第二次射孔，進(jìn)行第二次注漿充填，依次順序直至結(jié)束單孔。

注意事項：射孔注漿時應(yīng)加強(qiáng)造孔質(zhì)量的檢查，漿液配比的監(jiān)測，漿參數(shù)及注漿資料的收集、整理，注漿壓水試驗，注漿壓力的控制，漿液注入量的控制，當(dāng)一個段高的注漿量達(dá)設(shè)計量的80%～120%，且注漿終壓達(dá)到設(shè)計壓力，并穩(wěn)定20 min時，可考慮結(jié)束該段注漿，水泥漿液配比見表3。根據(jù)設(shè)計要求的射孔深度，準(zhǔn)確定位射孔根據(jù)井筒檢查孔和井筒實際揭露地質(zhì)資料，確定在凍結(jié)管底部(馬頭門上部30 m處)、白堊系底部分別進(jìn)行一次射孔注漿，具體注漿情況見表4。

表3 水泥漿液配比表

表4 射孔注漿參數(shù)統(tǒng)計表

射孔注漿效果：在施工過程中，對單孔不同段高的注漿量做了匯總統(tǒng)計，其中-430 m段高單孔最大注漿量60 t，最小3.8 t，累計363.3 t；-401 m段高單孔最大注漿量16.7 t，最小1.5 t，累計562.7 t，各孔射孔注漿量統(tǒng)計情況如圖3所示。將各孔注漿量(方量)換算成1 m高圓柱體的體積參數(shù)分析，可了解各孔的注漿影響范圍。從主井1 m柱狀等效直徑圖上分析得出：第1段射孔注漿的注漿量遠(yuǎn)比第2段注漿量大，說明射孔注漿可達(dá)到充填、置換、固結(jié)的堵水效果。經(jīng)過下部射孔注漿后，漿液已將下部射孔位置以上部分環(huán)狀空間充填固結(jié)；第1段射孔注漿可達(dá)到充填環(huán)狀空間效果，第2段注漿可達(dá)到加固效果。在第2次射孔注漿時，漿液的注入量相對較少，因為大部分的水泥漿已經(jīng)充填了地層和環(huán)形空間的孔隙通道，在一定的壓力下，漿液會再一次被壓實、擠密，水泥漿就會充填凍結(jié)管內(nèi)容積，直至壓力達(dá)到設(shè)計值。該施工現(xiàn)象也說明凍結(jié)管與地層的環(huán)形空間已經(jīng)被充填封堵，達(dá)到了封堵導(dǎo)水通道的目的。

圖3 主井鉆孔射孔注漿量統(tǒng)計圖

2.4 壁間壁后注漿

注漿方式及注漿孔布置：井筒完成射孔注漿后，在永久裝備之前部分段高開始有出水，經(jīng)分析出水通道應(yīng)該主要來自內(nèi)外井壁之間、外層井壁與地層基巖之間。為此，決定采用壁間壁后注漿方式。注漿計劃采取下行式注漿同時，針對個別出水點再采用上行式復(fù)注，即先由上而下局部由下而上逐步推進(jìn)的方式。原則上要求是頂水打眼造孔，以找到出水通道為準(zhǔn)，加強(qiáng)注漿眼均勻布置為宜[9-13]。

注漿孔布置：考慮井筒井壁侏羅系含水層吃漿困難，為孔隙水的特點，根據(jù)漿液擴(kuò)散半徑，布孔密度間排距2.5 m×6 m、每排8孔、孔深2.5 m，孔口管以超過井壁50 mm為宜，上下兩排注漿深、淺孔位交錯布置，呈“三花”型分布孔，鉆孔平面布置如圖4所示。注涌水量較大的水泥收縮縫處，在距出水點500 mm左右上下交錯布置孔口管，孔口管間距1.0 m左右，先雙液注漿加固接縫，再根據(jù)現(xiàn)場情況選擇鉆注。注漿孔的布設(shè)間距及數(shù)量可根據(jù)井壁滲漏情況、壁后巖性、井壁質(zhì)量及竄漿情況做適當(dāng)調(diào)整。在滲漏嚴(yán)重井段或井壁薄弱部位，為取得封水和加固的雙重效果，可適當(dāng)加密布孔。

圖4 壁間壁后注漿鉆孔平面布置圖

參數(shù)計算：本次注漿壓力的確定主要考慮一方面應(yīng)能滿足漿液克服水壓而進(jìn)入待注壁間體中，另一方面可按終壓大于靜水壓力1～1.5倍計算，或能滿足漿液克服水壓而進(jìn)入待注巖體中。注漿工程共計打φ42 mm注漿孔1 190個；注孔1 190個；打孔累計深度為2 966.6 m。本次注漿工程共使用P.O42.5水泥185.65 t；40Be水玻璃24.75 t。膨脹劑2.807 5 t(每噸水泥添加20 kg)。一般井壁強(qiáng)度能夠承受的壓力范圍可用公式(1)，壁間注漿量預(yù)計可按公式(2)、壁后注漿量預(yù)計可按公式(3)確定。

P=K(E2+2R0E)/2(R0+E)2

(1)

式中：P—井壁能承受的壓力，MPa；K—井壁材料允許抗壓強(qiáng)度30 MPa；E—井壁厚度，取1.05 m；R0—井筒半徑3.25 m。

(2)

式中：Q—預(yù)計壁間漿液注入量，m3；H—注漿段長度，m；R—外層井壁內(nèi)半徑，m；r—內(nèi)層井壁外半徑，m；λ—漿液損失系數(shù)，一般取1.2～1.5；N—漿液結(jié)石系數(shù)，一般取0.75～0.85。

Q1=a·V·n/λ=a·Hπ(R2-r2)·n/λ

(3)

式中：Q1—預(yù)計壁后漿液注入量，m3；a—漿液損失系數(shù)，一般取1.1～1.5；V—注漿段需要固結(jié)的體積，V=Hπ(R2-r2)，m；n—孔隙率取5%；H—注漿段長度，m；R—井筒荒斷面破碎帶半徑，m；r—外層井壁外半徑，取4.2 m、4.3 m；λ—漿液結(jié)石系數(shù)，一般取0.75～0.85。

3 結(jié)語

孟村煤礦主井井筒工程在以上綜合防治水措施的保障下，整個建井過程中未發(fā)生過任何較大的淋水現(xiàn)象，整個過程中總水量小于2 m3/h，為井筒的施工創(chuàng)造了良好的作業(yè)條件，順利通過了洛河組巨厚砂巖中等富水性含水層。各措施之間環(huán)環(huán)相扣、緊密連接，有效解決了復(fù)雜水文地質(zhì)條件下多含水層同時向井筒滲水的問題，雙層井壁之間以及外井壁與巖層之間的空隙水問題，鉆孔與原始地層之間的環(huán)形空間水問題。綜合防治水技術(shù)在孟村煤礦主立井井筒施工中的成功運用為整個礦區(qū)乃至全國類似條件下的井筒防治水技術(shù)提供了寶貴的經(jīng)驗，具有很高的推廣應(yīng)用價值。