立井凍結孔導水通道注漿堵水施工技術

張秀兵

(山西中太工程建設監理公司，山西 太原 030001)

白家海子礦井水文地質類型為復雜類型，立井井筒穿越四個含水層，砂層和弱固結巖層厚度大，為保證井筒施工安全、井筒質量、施工工期，并吸取周邊礦井建井經驗采用全深度立井凍結法施工。凍結孔鉆孔與凍結管之間的環形空間采用緩凝水泥漿液進行充填處理，預防凍結管外環形空間成為豎向導水通道，但限于地質地層條件和水文水質條件復雜、緩凝水泥漿液配比和置換高度、凍結管與水泥漿液粘結強度弱、凍融、施工擾動、馬頭門凍結管封堵等多種因素影響，凍結管外環形空間很難避免成為豎向導水通道。

1 工程概況

白家海子礦井位于國家大型煤炭基地——神東煤炭基地內的東勝煤田納林河礦區，礦井生產能力1 500萬t/年，采用立井開拓方式，工業場地內布置主井、副井、中央1號回風立井、中央2號回風立井4個井筒，井筒凈直徑分別為φ9.5 m,φ10.5,φ7.0 m,φ6.8 m，井筒深度分別為765.0 m,755.0 m,704.0 m,679.0 m，凍結孔布置圖見圖1。

2 水文地質情況及井筒涌水量

礦井內主要地下水含水層可劃分為新生界松散巖類孔隙潛水含水層(組)和中生界碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水層(段)兩類，較厚層泥巖和粘土巖為隔水層。根據地下水的埋藏條件及其水力特征，井筒穿過各含、隔水層自上而下分述如下。

2.1 新生界松散巖類孔隙潛水含水層(組)

該含水層是下部志丹群(K1zh)碎屑巖類承壓水含水巖組的直接補給來源，該層主要受大氣降水的補給，該組地層平均厚度46.07 m。最大降深時涌水量3.13 L/s，單位涌水量0.157 13 L/(s·m),滲透系數0.530 1 m/d，Kcp=0.597 4 m/d，含水層的富水性中等，水化學類型為SO4-K+Na型水。

2.2 中生界碎屑巖類孔隙裂隙承壓含水層(段)

1)白堊系下統志丹群(K1zh)碎屑巖類孔隙、裂隙承壓含水巖(段)。該組地層結構疏松，孔隙率高，給地下水形成良好的儲水空間，是主要含水巖(層)組，透水、含水性較強，平均厚度343.33 m，最大降深時涌水量2.86 L/s，單位涌水量0.174 71 L/(s·m),滲透系數0.050 81 m/d，Kcp=0.068 14 m/d，含水層的富水性中等，水化學類型為SO4-K+Na型水。

2)安定組和直羅組(J2a-J2z)地層碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水層(段)。平均厚度234.37 m，最大降深時涌水量1.192 L/s～1.69 L/s，單位涌水量0.046 8 L/(s·m)～0.047 98 L/(s·m),滲透系數0.049 67 m/d～0.052 91 m/d，Kcp=0.048 25 m/d～0.063 62 m/d，含水層的富水性弱，水化學類型為SO4-K+Na.Ca,SO4-K+Na型水。

3)延安組(J2y)地層碎屑巖類孔隙裂隙承壓水含水層(段)。為本區的含煤地層，揭露厚度75.10 m～150.47 m，最大降深時涌水量1.894 L/s～1.95 L/s，單位涌水量為0.060 8 L/(s·m)～0.053 53 L/(s·m),滲透系數為0.118 7 m/d～0.053 86 m/d，Kcp=0.116 4 m/d～0.060 94 m/d，含水層的富水性弱，水化學類型為SO4-K+Na.Ca型水。

4)隔水層。侏羅系中統安定組(J2a)的中上部及直羅組(J2z)的中上部,分布有多層泥巖、砂質泥巖等泥質巖類及其互層組成的巖層，其巖性較致密，直羅組揭露厚度153 m左右，安定組揭露厚度66 m左右。侏羅系中統延安組(J2y)的煤層間也分布有多層泥質巖類及其互層組成的巖層，其橫向上具不連續性，垂向上與各粒級砂巖呈互層狀分布，它們為基巖中的隔水層，延安組二段揭露厚度72 m左右，延安組三段揭露厚度88 m左右。

2.3 井筒檢查孔抽水試驗所取得水文地質參數估算井筒涌水量

主井井筒涌水量為659 m3/h；副井井筒涌水量為631 m3/h；中央1號回風井井筒涌水量為525 m3/h；中央1號回風井井筒涌水量為525 m3/h。

3 導水通道及井筒防治水方案設計

1)水平導水通道：井筒穿過多個含水層，水平方向來水通過井筒施工縫薄弱位置、井筒裂縫滲入井筒內，需要采取壁間注漿、壁后注漿、井壁修復阻斷出水點，同時起到加固井筒和壁后凍融損傷巖層的作用。

豎向導水通道：地質地層條件和水文水質條件復雜、緩凝水泥漿液配比和置換高度、凍結管與水泥漿液粘結強度弱、凍融、施工擾動、馬頭門凍結管封堵導致凍結管外環形空間成為薄弱部位，成為良好的豎向導水通道，上部含水層持續向凍結管外環形空間匯集，造成馬頭門上部凍結管承壓突水，破壞井下構筑物；在垂直導水通道的下部水壓較大，通過弱固結巖層或巖層交界面作用于井筒。

2)井筒防治水方案：采取“先堵后排”，先通過立井凍結孔導水通道注漿封堵環形空間豎向導水通道，降低井筒涌水量；再通過壁間注漿、壁后注漿、井壁修復阻斷水平導水通道，進一步降低井筒涌水量，并配合積極的排水措施。該方案有效降低井筒涌水量、預防井筒突水、確保安全，為礦建二期工程施工創造有利條件。

割孔及注漿工藝流程見圖2。

4 注漿方案設計和施工工藝

4.1 注漿方案設計

4.1.1注漿層位選擇及注漿擴散半徑范圍

注漿層位的選擇應滿足在主要含水層下，選擇穩定隔水層進行局部注漿封堵，根據井筒檢查孔和井筒實際揭露地質資料，侏羅系中統安定組(J2a)的中上部和侏羅系中統直羅組(J2z)的中部存在泥巖、砂質泥巖，是穩定的天然隔水層，因此選擇389 m～400 m,619 m～630 m進行注漿。對馬頭門位置凍結管采取特殊措施封堵凍結管端部，雙液多次復注封堵凍結管環形空間和馬頭門上部突水點。

漿液的有效擴散半徑一般6 m～10 m，利用原有凍結管和測溫孔進行注漿，凍結孔和測溫孔終孔孔斜和孔深誤差滿足規范要求，其間距較小，注漿孔間距滿足漿液擴散半徑。

4.1.2注漿材料

注漿材料以水泥單液漿為主，水泥漿液以普通硅酸鹽水泥為主，水泥標號為P.O42.5R,水灰比為0.5∶1～1∶1，正常注漿取0.75∶1；特殊區段使用水玻璃—水泥雙液，水玻璃模數為2.4～3.4，水玻璃濃度35Be′～42Be′，體積比為1∶0.5～1∶1.3；嚴格控制水泥細度小于5%，正常控制在2%以下，增加漿液的滲透性；因純水泥漿容易沉淀析水、穩定性差、凝結時間較長，在地下室流速較大時水泥漿液易受到水的沖刷和稀釋，為此添加工業級三乙醇胺、工業級食鹽，提高水泥漿液的穩定性和注入性，同時注意攪拌水泥漿防止離析。

注漿過程中，根據注漿量和壓力變化情況，及時調整漿液濃度：當某級濃度注入20 min～30 min后注漿量不減或壓力不提高時，調高漿液濃度，若漿液濃度提高后仍不升壓及時改用雙液注漿。

4.1.3注漿壓力

根據煤礦井巷工程施工規范：孔深不大于400 m的注漿層位終壓值取靜水壓力的2.5倍～3倍，孔深大于400 m的注漿層位終壓值取凈水壓力值的2倍～2.5倍，同時使用井下可視探頭觀測井壁，防止壓力過大損壞井壁。結合以往環形空間注漿施工經驗，在389 m～400 m層位注漿終壓取不低于7.8 MPa，在619 m～630 m層位注漿終壓取不低于12.6 MPa。

注漿結束標準：注入量為50 L/min～60 L/min及注漿壓力達到終壓時，繼續以同樣壓力注入較稀漿液20 min～30 min后方可停止該孔段的注漿工作。為防止注漿結束后漿液倒流，繼續封管10 h確保水泥漿液終凝。

4.2 注漿施工工藝

施工步驟：掃孔通井→下部層位割孔→注漿→壓水替漿→上部層位割孔→注漿→二次灌漿封孔。

掃孔工藝：井筒凍結施工完成后凍結管回收難度較大，僅回收供液管和凍結液，對凍結管用水泥漿進行全管填充。正常情況使用三翼PDC鉆頭掃除凍結管內填充的水泥漿，特殊情況使用自制三翼彈簧鋼板刀片掃除凍結孔內遺留的塑料供液管、使用打撈工具和取芯鉆頭清除雜物。

割孔工藝：原計劃采用聚能射孔彈進行破壁，因火工品申請困難改用水力式內割刀(如圖3所示)進行割孔破壁，這是一種利用水壓來推動割刀進行管內切割的工具，它較機械式內割刀簡單，修理更為方便，切割更為快速。

工藝控制：通過鉆桿數量控制掃孔、割孔深度；通過鋼屑出渣量控制割孔情況；注漿過程測量水泥漿比重控制水泥漿配比，定時觀測注漿泵壓力、瞬時排量、注漿量、地面返漿情況、注漿終壓和總注漿量，保證注漿效果；通過井下電視成像儀觀測井筒出水點和井壁變形情況。

5 注漿效果檢驗

本工程4個井筒共計完成185個凍結孔割孔注漿施工，使用井下電視成像儀檢查井壁情況未發現因注漿壓力過大導致井壁破損開裂，通過抽水試驗檢查井筒漏水量，各井筒總漏水量符合《煤礦井巷工程質量驗收規范》要求，達到驗收要求。

6 結語

白家海子立井井筒穿越4個含水層，砂層和弱固結巖層厚度大，采用全深度立井凍結法施工。凍結管外環形空間解凍后成為豎向導水通道，導致井壁淋水、馬頭門突水，嚴重制約礦井建設生產。

通過分析水平和豎向導水通道，設計井筒防治水方案和注漿方案，包括注漿層位選擇、注漿擴散半徑范圍、注漿材料、注漿壓力，為凍結孔環形空間豎向導水通道注漿封堵提供技術支撐。

注漿施工過程中優化凍結管掃孔/割孔工藝，嚴格落實注漿工藝過程控制，加固水平隔水層和阻斷豎向環形空間導水通道，井筒總漏水量控制在規范要求范圍，對完善立井凍結法施工工藝和凍結孔環形空間豎向導水通道注漿堵水工藝具有重要意義。