井筒注漿堵水工藝研究與實踐

楊慶龍 YANG Qing-long

（國能寶清煤電化有限公司朝陽露天煤礦，雙鴨山 155600）

0 引言

注漿堵水是將水泥漿或化學漿通過管道壓入井下巖層空隙、裂隙或巷道中，使其擴散、凝固和硬化，從而使巖層具有較高的強度、密實性和不透水性，達到封堵截斷補給水源和加固地層的作用，是礦井防治水害的重要手段之一[1-3]。目前，注漿堵水已廣泛用于礦井井筒注漿、封堵突水點、井巷堵水過含水層或導水斷層、帷幕注漿堵水截流。注漿堵水是礦井水防治的重要方法之一，具有減輕礦井排水負擔，節省排水用電，降低噸煤成本，提高工效和質量，加固井巷薄弱地段，減少突水機率，延長礦井服務年限的明顯優點。

1 工程概況

準東二礦副井井筒為豎井，地面坐標為：X=4962531.140，Y=466290.236，H=+595.000m，該井筒凈直徑為9.5m，井深545m，井壁采用砼支護，砼等級C40。其巖性主要為粉砂巖、細砂巖、泥巖。根據滲、淋水情況及井壁結構、井筒圍巖巖性資料分析，井筒出水水源主要是圍巖裂隙水，出水通道以井壁的混凝土接縫、砌縫、空洞及膠結薄弱區為主。

通過對井筒地質情況分析，出水主要為砂巖裂隙積水，現場觀察多通過兩模結合部流出，水質具有腐蝕性，井筒內的涌水量為多點分散式涌出，且遍布井筒內部，以匯流及多點散發之勢流出，形成淋水似降雨從高空落下，使井筒內設備設施長期浸濕在淋水中，對設備侵蝕嚴重。

2 井筒注漿堵水方案

通過對井筒淋水情況現場踏勘，以及對井壁結構、井筒圍巖巖性、井筒竣工圖紙等資料分析，得知井筒出水水源主要是圍巖裂隙水，出水通道以井壁的混凝土接縫、砌縫、空洞及膠結薄弱區為主，對此類涌水情況，需采用壁后注漿方式對漏水通道進行封堵加固。本次堵水施工擬采用在井筒壁施工鉆孔，對壁后注水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿，有效充填封堵加固井壁后一定范圍內的基巖裂隙，切斷井筒壁后含水層水源涌出通道。

根據井筒內設備設施分布情況，為滿足注漿作業及安全施工，需在寬罐籠頂部東、西兩側搭建臨時施工平臺，每側設五根10#槽鋼梁，在槽鋼梁上鋪設木板形成施工作業平臺。

本次注漿堵水施工，為二次注漿堵水，施工工況復雜，井筒裂隙錯綜復雜，滲水點散亂，反復補充注漿，效果非常不明顯，且砼石接觸點有破損現象，注漿時不吃漿，止水效果差，這又使得注漿時的困難增加。

本次堵水施工擬采用在井筒壁施工鉆孔，通過鉆孔進行壁后注漿的方式[4]。通過高壓注水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿，不僅對井壁后一定范圍內的基巖裂隙進行有效充填加固，減少涌水水源，還能直接封堵淋水區附近井筒壁后空隙及圍巖裂隙，切斷井筒壁后含水層水源涌出通道，有效減少井筒涌水量的同時，又對井壁進行了加固，從出水水源、出水通道、加固井壁等多方面確保堵水質量。

3 井筒注漿設計

3.1 注漿段范圍

本次治理范圍約在副井井筒190-490m 埋深段，出水點主要集中在每模砼接茬處。根據井筒巖層柱狀及現場查看出水點情況，確定具體注漿范圍為：192-338m，347-351m，376-381m，408-491m 段，根據現場施工情況可進行調整見圖1。

圖1 井筒注漿段示意圖

3.2 鉆孔孔深設計

副井井筒井壁砼厚度在0.65m 與0.75m 之間，鉆孔破壁后初步確定注漿孔深為1m；如出現較大出水點、注漿效果檢查孔、堵漏補缺加固鉆孔等特殊情況，確定孔深為1.5-3m。

3.3 鉆孔孔距設計

據注漿孔擴散半徑計算公式，計算得出初步預計注漿孔擴散半徑R=3.4m 時，單孔注漿量為Q*t=30L/min*60min=1.8m3。注漿孔排距4m，間距4m，井筒直徑9.5m，每排設計8個孔，上下層間鉆孔位置呈三花眼分布。

注漿擴散半徑計算公式如下：

式中，R 為注漿擴散半徑，m；Q 為單位時間內注漿量，30L/min；t 為注漿持續時間，取60min；h 為一次注入的巖層厚度，取0.25m；n 為巖層孔隙率，砂巖為12%-34%，取20%。

計算得出：R=3.4m。

3.4 井筒注漿壓力設計

通過注漿壓力公式計算，得出本次注漿正常壓力設計值為不得高于靜水壓力的1.5-2MPa，正常結束壓力不得高于靜水壓力2MPa，任何情況均不得高于靜水壓力2.5MPa。注漿時，若井壁、孔壁出現異常，不論壓力高低，均停止注漿，查明原因采取措施后方可恢復施工。

注漿壓力公式計算如下：

式中，P 為注漿部位井壁能承受的壓力，MPa；K 為井壁材料的允許抗壓強度，40MPa；E 為井壁厚度，0.65m，0.75m；R 為井筒凈直徑，9.5m；η 為安全系數，取2。

計算得出：當E=0.65m 時，P=2.48MPa；當E=0.75m時，P=2.8MPa。

3.5 注漿工序及要求

注漿工序為：地面制漿→輸漿至施工平臺→風泵注漿→達到終壓條件停止→封孔。注漿孔終孔孔徑為φ38mm，注漿管采用φ25×3.5mm 無縫鋼管，外端以絲扣與閥門相連接，里端150-300mm 段加工成馬牙扣，注漿管外露井壁長度50mm。根據注漿深度適當調整注漿管長度，通過注漿管末端直接向導水裂隙注入漿液，注漿管管壁不做打眼處理。對于井壁內附屬物（電纜、風水管路）后的出水點堵水，鉆孔位置距離附屬物邊緣要大于0.5m，并對管線作遮擋防護。注漿材料以水泥單液漿為主，水泥-水玻璃雙液漿為輔。選用堿性水泥，水玻璃為35-45°Bé，模數2.8-3.2。注漿水泥單液漿水灰比為1:1～1:0.5 調節，雙液漿的配合比為水泥漿和水玻璃體積比1:0.8～1:1。漿液濃度可根據清水試壓情況，施工進展及涌漏水情況，以及注漿時的進漿、井壁、孔口狀況進行調整。為保證堵水質量及井壁安全，本次注漿正常壓力設計值為1.5MPa。注漿前必須對鉆孔進行洗孔，注單液漿期間如遇跑漿漏漿可改用雙液漿封堵，也可以停注放水對跑漿處進行加固，直到出水點閥門關閉井壁不跑水不漏水為止。漿液濃度可根據清水試壓情況，施工進展及涌漏水情況，以及注漿時的進漿、井壁、孔口狀況進行調整。

3.6 注漿系統及設備

地面制漿、輸漿。使用一臺攪拌機制水泥漿，用BW-250 型注漿泵向井內輸送水泥漿。井筒注漿設備選用2ZBQ10/16 型氣動注漿泵一臺，存放清水、水玻璃、混漿桶各一個。注漿設備布置在罐籠內，方便準確控制注漿參數。

4 井筒注漿施工技術

4.1 施工工藝

該工程采用井壁施工鉆孔，通過注漿管注入水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿方式，分四段進行堵水施工。施工采用風動鑿巖機打孔、預埋注漿管、風動注漿泵注漿的工藝進行。打孔前，首先對破損井壁進行修補，采用風鎬破壁、塑膠泥修復的工藝對薄弱井壁進行加固。

4.2 施工順序

工程施工按照破壁修復、加固→打孔→注漿→封孔的施工工序進行，施工順序為：

①先采取下行方式打孔、注漿。目的是封堵明顯的出水點，封堵大部分水量。方式是自上而下，在明顯出水區域，布置鉆孔，進行注漿，直到出水區域水量基本被封堵。

②再采取上行方式，檢查復注。自下而上，對仍有明顯出水、滲水的部位、可疑部位、薄弱部位及這些部位周邊范圍布置鉆孔，打孔、注漿，目的是：1）對已確定為治理好的出水部位打孔檢驗注漿效果；2）對遺漏的尚未治理徹底的出水區進行布孔復注、加固。

4.3 現場施工條件準備

提升絞車選用副井絞車提升，利用副井提升寬罐籠作業。在罐籠頂部加裝施工平臺進行施工，使操作范圍能達到井壁，為施工提供打鉆和注漿操作空間；在井筒寬罐籠內放置注漿泵等施工設備及相關材料。

施工用風管路準備：在井筒布設風管為風鉆及風動雙液注漿泵供風，風管采用1 寸高壓膠管。

輸漿、輸水管路準備：輸漿、輸水共用一趟管路，采用一趟1 寸高壓膠管。

風水管路沿井筒內閑置電纜固定架向下布設，每處電纜固定架與膠管交叉處均采用10#雙股鉛絲捆扎固定，施工區域內每20m 留設一套三通閥門接口。

4.4 施工平臺設計

根據井筒永久設施分布和罐籠情況，為了滿足注漿作業需要，需在寬罐籠東、西兩側搭建臨時施工平臺。施工平臺固定點要位于罐籠外沿以里至少200mm 處，設計要合理、安全可靠；工作平臺的框架與井壁、梁和井筒內突出物的安全間隙不得小于150mm。

每側設五根10#槽鋼梁，在槽鋼梁上鋪設木板以形成施工作業平臺，具體如下：槽鋼梁靠井壁端頭距井壁150-200mm，在端頭用16#鋼筋焊鼻用于固定φ8mm 鋼絲繩，鋼絲繩另一端上斜拉固定在罐籠主繩附件上，槽鋼的另一端500mm 部分用兩根36mm 的高強度螺栓固定在寬罐籠上，槽鋼梁安裝平整后，再在上面鋪設規格50×200×2500mm 的木板，并用扁鐵壓板固定在槽鋼梁上，方可打鉆和注漿作業。風動注漿泵及注漿材料放置于寬罐籠內。寬罐籠南北兩側如需作業，采取鋪設50×200×2500mm 木板的方式處理，封閉到井壁邊緣。

寬罐籠與平衡錘重合位置為井深257.5m 處，如需在井深250-255m 施工，則平衡錘緊鄰側井壁不進行注漿作業，其它部分井壁段施工時，施工平臺搭設東側平臺不安裝中間槽鋼梁，合理避開平衡錘空間，然后進行施工。

在寬罐籠東、西兩側搭建臨時施工平臺，施工平臺一側共安設5 根槽鋼梁，槽鋼梁尺寸為3.15m 一根、2.85m兩根、1.95m 兩根。槽鋼梁與寬罐籠搭接長度均為0.5m，則槽鋼梁超出罐籠長度分別為1.45m、1.45m、2.35m、2.35m、2.65m，則施工平臺一側整體承重能力為（1.45+1.45+2.35+2.35+2.65）m×1111kg/m=11387.75kg=11.38t，施工平臺搭設示意圖如圖2、圖3 所示。

圖2 正常注漿段施工平臺平面圖

圖3 井深250-255 m 段施工平臺平面圖

5 井筒注漿效果

針對準東二礦副井井筒注漿工作，進行了系統的注漿工藝的設計，通過以單點出水為中心“環形施工”注漿方法，鉆孔深度為“一深一淺”交叉式施工，深孔為4m，淺孔為0.7m，將注漿管末端加工成鏤空花管，注漿時可多方位擴散漿液，對壁后與圍巖間裂隙進行全段式注漿封堵。整個施工期間實施了嚴格科學的管理，技術工藝合理先進，保證了本工程得到了良好的治理。注漿壓力根據鉆孔靜水壓力及時變化，注漿后出水量有所減少，取得了明顯效果。

6 注漿施工中的難點及解決辦法

6.1 注漿中存在的問題

井筒216-220m 段注漿時，井壁出現細微裂縫，裂縫錯綜復雜，滲水點較散亂，看不到明顯滲水但下部又出現明顯匯流。在最明顯出水3 個點周邊注漿時，出現此處止水，又從其它裂縫滲出的現象，反復補注，效果不明顯。

在井筒320m 施工段，砼塊接茬處出現破損現象，局部出現泥狀物，外露高度為300-500mm 左右，滲水沿破損處匯合后流入井壁，此處注漿時不吃漿，且止水效果不明顯。

6.2 解決辦法

井筒216-220m 段經礦專業人員綜合分析后，大膽提出采用以單點出水為中心“環形施工”注漿方法，鉆孔深度為“一深一淺”交叉式施工，深孔為4m，淺孔為0.7m，將注漿管末端加工成鏤空花管，注漿時可多方位擴散漿液，對壁后與圍巖間裂隙進行全段式注漿封堵。注漿壓力根據鉆孔靜水壓力及時變化，注漿后出水量有所減少，取得了明顯效果。

井筒320m 段經分析后，鉆孔施工沿破損處采用“鋸齒狀”方式布置，鉆孔深度均為4m，上下距離為2-3m 左右，橫向鉆孔距離為2m 左右，鉆孔采用斜孔施工，傾角10°左右，注漿時壓力控制在靜水壓力的基礎上增加2.5MPa范圍內。

7 結論

本次注漿堵水施工，施工前井筒水量為5.2m3/h 左右，施工后副井水量為0.98m3/h，堵水效果顯著，井壁得到有效加固。目測井筒內已無淋水，井壁設備及井筒表面干燥，滿足井筒注漿止水要求，達到了注漿預期效果。為延長井筒設備服務年限，降低運行維護成本，提高井筒設備安全可靠性，以及礦井安全生產標準化驗收等工作提供了有力保障。