近淺埋煤層立井施工注漿過承壓含水層技術應用

姚紀凱

(陜西榆林能源集團有限公司，陜西 榆林 719099)

0 引言

杭來灣煤礦于2012年開始投產，年產800萬t，當前301盤區規劃的10個綜采工作面已經回采至第9個，接續盤為302盤區。為滿足301和302盤區的分區通風及安全出口需求，在井田中部設計了2條立井井筒，分別為一號進風立井和一號回風立井。井筒鑿進過程中，一方面由于地質條件變化以及下伏地層中承壓含水層的影響，給采用普通法施工的井筒工程帶來諸多困難[1-3]；另一方面，2條立井井筒處于地表環境脆弱的毛烏素沙漠和黃土高原交接地帶，地表生態環境脆弱，在減小對地下承壓含水層影響的同時還需要重視對地表生態環境的保護[4-6]。因此，提出了近淺埋煤層立井施工注漿過承壓含水層技術。通過在鑿進施工中采用優化工藝順序、合理搭配機械和優化漿液配合比等方法實施超前預注漿，以期順利通過3層承壓含水層，實現2條立井井筒的如期、安全掘進，保證礦井的正常接續、滿足通風和安全需求，為實現礦井高產高效提供了有力保障。

1 井筒工程技術特征和地質特征

1.1 工程技術特征

根據設計，一號進風立井井筒深度242.4 m，主要擔負井田中南部的進風任務，兼安全出口。一號回風立井井筒深度238.1 m，主要擔負井田中南部回風任務，兼安全出口。2條井筒斷面特征一致，均為凈直徑6.5 m，凈斷面積33.2 m2，表土段掘進斷面為49.0 m2，基巖段掘進斷面為45.3 m2。井筒支護及斷面特征見表1。

表1 井筒支護及斷面特征

1.2 地質特征

井田地處毛烏素沙漠東南緣，為黃土高原和毛烏素沙漠接壤地帶，所在區域的土層主要以第四系風積粉細砂、粉土層、風積黃土層為主。巖層以侏羅系中統直羅組、延安組砂巖為主，泥巖次之。煤層分布于延安組地層之中，地層特征見表2。

1.3 水文地質特征

進回風立井施工場地的地下水細化分為多個含水層(組)，其中主要承壓含水層有3層，分別為第四系松散層孔隙裂隙潛水含水層、基巖頂界風化殼承壓裂隙水含水層、侏羅系中統直羅組和延安組碎屑巖類裂隙承壓水含水層。第四系松散層孔隙裂隙潛水含水層穩定水位深度為25.05 m，穩定標高為1 254.94 m，屬于潛水類型，補給主要為大氣降水、區域性側向補給及沙漠凝結水補給；基巖頂界風化殼裂隙承壓水含水層穩定水位深度為25.01 m，穩定標高為1 254.98 m，屬承壓水，接受上覆第四系潛水含水層補給，徑流受基巖頂界風化殼控制，向西北方向的沙漠灘地排泄；侏羅系中統直羅組碎屑巖裂隙承壓含水層穩定水位埋深26.14 m，穩定標高為1 253.85 m，屬于承壓水；侏羅系延安組碎屑巖類裂隙承壓水層穩定水位埋深28.01 m，穩定標高為1 251.98 m，屬承壓水類型，在基巖露頭處接受大氣降水補給，局部地段接受上覆含水層的下滲補給。本區域內地下水位受降雨影響，年變幅1.0～3.0 m。含水層預測涌水量見表3。

1.4 井筒施工存在的問題

在此種地層和水文地質條件下，立井施工可能遭遇破碎地層遇水軟化導致鑿進工作面基巖失穩垮塌，或者承壓含水層大量涌至工作面造成施工困難等問題[7-9]。為了有效避免上述問題的出現，進行了細致的研究和探討，確定對立井鑿進工作面進行超前預注漿工藝。

2 近淺埋風積沙承壓含水層立井施工超前注漿工藝設計

2.1 控制井筒工作面水害的技術原則

在進回風立井施工中，首先對照井筒檢查地質柱狀圖，結合迎頭巖性情況加以分析，執行“有疑必探，先探后掘、有水必注”的防治水措施[10-12]。然后，通過超前注漿技術和強力的排水系統實現工作面安全施工，其中工作面預注漿止漿墊優先選用止漿巖帽。

2.2 注漿方法

2.2.1 超前注漿的組成和工藝流程

超前預注漿采用的是前進式注漿工藝，即通過注漿泵克服漿液流動阻力，驅使漿液在巖層裂隙以及層面、破碎帶中流動、擴散、充填、密實，整個過程需要鉆孔、漿液攪拌、注漿、養護、鑿進等工藝。結合鑿進工作面實際的巖層情況，注漿順序為施工止漿墊(鉆進面巖層完整性好，則不需要此項工藝)→鉆孔→下入止漿塞→安裝注漿管路及注漿泵→注入孔內漿液→養護→鑿進→重復上述順序。

2.2.2 注漿前準備工作

首先將工作面浮矸清理干凈、排水除淤，并用風鎬找平，然后在工作面施工止漿墊及預埋孔口管。過程中，采用單極球面型混凝土止漿墊，另外在止漿墊下加一層0.3 m厚濾水層(根據工作面涌水情況調整)，濾水層與止漿墊之間鋪設一層隔漿塑料布，井中預埋350 mm的排水孔(在止漿墊施工時排水用)。止漿墊初凝后利用整體模板的懸吊繩安裝3層吊盤，同時利用四根鋼柱支撐3層平臺，鉆機固定在3層盤上。

2.2.3 注漿孔設計

采用TXU-200A鉆機鉆機施工，在周邊布置的孔口管內打φ75 mm的探孔，探水時應設置防噴閥。如果探眼總出水大于10 m3/h，則進行工作面預注漿。預注漿時止漿墊內設計埋設φ108 mm孔口管，埋設的孔口管數量根據含水層位及井筒斷面確定，孔口管上焊接φ133 mm法拉盤，法蘭盤上連接φ133 mm高壓球閥及防噴閥，鉆具通過球閥鉆進，傾角87°，沿徑向外斜。每個孔口管布置1個注漿孔，井筒中心布置一個檢查孔。

2.2.4 注漿工藝設計

打鉆、注漿平行作業，漿液注入量根據注漿孔孔內情況而定。注漿泵采用HZP22型雙液注漿泵，安裝于地面，井筒內吊掛φ32 mm高壓膠管作為注漿管路，漿液采用水泥單液漿，水泥-水玻璃雙漿液作為最后封孔。水泥漿水灰比0.8∶1；C∶S比1∶1。水泥為42.5#普通硅酸鹽水泥；水玻璃模數為2.8～3.2，波美度35～40；注漿漿液先稀后濃，逐漸調級，注漿時必須連續不斷直至達到注漿結束標準。注漿終壓為靜水壓的2.0～2.5倍，每次注漿完一段高后進行掘進，掘進時必須留5 m，作為下一段高的巖帽。若巖石破碎，應澆灌混凝土止漿墊，并對鉆孔進行壓水試驗，檢查止漿墊的密封效果。

表3 含水層預測涌水量

2.2.5 特殊情況下的注漿措施

在注漿過程中，對于巖層裂隙發育，裂隙跑漿量較大的情況。采取在水泥漿內加入一定數量的骨料注入巖層內，使骨料在漿液外泄時留在裂隙內以堵塞裂隙，并封注漿液，或采取斷續開機，使裂隙內漿液有一定的凝固時間，并使混合器以下的管路內漿液基本初凝后注入巖層縫隙內，以達到充填密實的目的。

2.3 立井井筒工作面排水系統設計

當工作面涌水小于10 m3/h時，可通過BQF-50/25風動潛水泵將水排至吊桶的方法進行排水。工作面涌水大于10 m3/h，安裝排水系統，迎頭用BQF-50/25風動潛水泵將水排至吊盤水箱，由2臺臥泵排至地面，并進行工作面預注漿封堵。臥泵型號100DG-100×10，排水量Q為70 m3/h，揚程H為1 000 m，電機功率440 kW，電壓等級6 kV。在上層盤布置臥泵和轉水箱，井筒內排水管選用-108 mm×6 mm鋼管。

3 超前注漿施工

根據地質資料，針對109～139 m承壓含水層，在可能會發生涌水災害和超過約定涌水量的地段，進行了超前預注漿。

3.1 一號進風立井注漿施工

在一號進風立井實際施工過程中，實際最大涌水量達到52 m3/h，利用一臺TXU-200A鉆機在工作面施工56個φ45 mm×4 000 mm注漿孔，其中在工作面中部布置一個泄水孔進行觀測，鉆孔總進尺為464 m，注漿液的單液漿水灰比為0.75∶1，消耗PO.42.5水泥236.3 t；雙液漿(水泥∶水玻璃)為1∶0.6，消耗水泥為8.7 t，水玻璃6.93 t，施工C40混凝土止漿墊4.1 m，共計195.8 m3。超前預注漿完成后，經泄水孔觀測無涌水后，破除止漿墊開始鑿進作業，重復上述工作，最終順利通過承壓含水層。

3.2 一號回風立井注漿施工

回風立井鑿進工作面涌水量超過約定涌水量(20 m3/h)時，利用一臺TXU-200A鉆機，施工56個φ45×4 000 mm注漿孔，并用水灰比為1∶0.8單液漿、(水泥漿∶水玻璃)為1∶0.3的雙液漿進行超前預注漿。一號回風立井實際施工中，實際最大涌水量達到75 m3/h，利用TXU-200A鉆機在工作面注漿打鉆115.5 m。注漿過程中，單液漿水灰比為0.75∶1，消耗PO.42.5水泥936 t，雙液漿(水泥∶水玻璃)配合比為1∶0.6，消耗水泥14 t，水玻璃11.22 t。井筒止漿墊澆筑C40混凝土113.35 m3。

3.3 注漿效果

通過超前預注漿工藝控制住了2條立井井筒的涌水量，在一號進風立井工作面的最大涌水量為52 m3/h，一號回風立井工作面最大涌水量75 m3/h，經過注漿工藝，最后涌水量均小于1 m3/h，遠小于6 m3/h的要求，注漿效果明顯。對比結果見表4。

表4 施工和竣工涌水量對比

4 結語

杭來灣煤礦處于環境比較脆弱的毛烏素沙漠與黃土高原交接地帶，在采煤層為近淺埋煤層，進回風立井井筒施工時遭遇3層承壓含水層。為保證礦井接續、彰顯企業環境保護責任，在立井普通法施工過程中，通過采用超前預注漿工藝，改進了近淺埋風積沙承壓含水層立井施工超前注漿工藝；結合實際地層情況提出了注漿材料合理配比及其性能要求。在杭來灣煤礦302盤區進、回風立井合理選型配置了注漿設備和安全設施，保證了立井鑿進安全，保護了地下承壓含水層，減小了對地表生態環境的影響，可以為本地區類似地質條件下立井施工過承壓含水層提供參考。