錢營孜煤礦新副井筒地面預(yù)注漿工藝設(shè)計與施工應(yīng)用

郁志利，孫忠遠(yuǎn)

（皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司規(guī)劃發(fā)展部，安徽 宿州 234000）

0 引 言

立井井筒地面預(yù)注漿是在井筒開鑿前，利用鉆機(jī)，從地面井筒周圍鉆出注漿孔；把制備好的漿液用注漿泵，經(jīng)各注漿孔，壓送到地層裂隙中；隨著漿液的充填、凝固，在井筒周圍形成不透水的注漿帷幕，達(dá)到堵水和加固地層的目的[1-3]。目前，地面預(yù)注漿是立井井筒順利施工且快速通過基巖含水層最為有效的一種施工方法之一[4]。采用地面預(yù)注漿帷幕方法，隔離與地下水之間聯(lián)系，與工作面注漿、壁后注漿相比，具有工藝操作簡單，工期性短、漿液擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)和永久帷幕持久等優(yōu)點(diǎn)[5,6]。立井井筒采用地面預(yù)注漿技術(shù)比較少，該技術(shù)在我國中西部煤礦為解決富水基巖裂隙含水層問題上，實現(xiàn)井筒安全快速掘砌[7]，地層多采用預(yù)注漿、凍結(jié)、井筒掘砌同時施工，地面預(yù)注漿采用“內(nèi)圈直孔+外圈S 孔+分支孔”的施工方案，達(dá)到安全及經(jīng)濟(jì)有效開采條件。

1 工程概況

錢營孜煤礦為區(qū)域瓦斯治理，提高礦井通風(fēng)系統(tǒng)能力和安全可靠性，保證礦井的正常接替，礦井改建及二水平延深工程建設(shè)需要，擬在本礦井工業(yè)場地內(nèi)增設(shè)一個副立井井筒，井筒采用立井開拓方式。新副井筒井口絕對標(biāo)高為+25.0 m，新副井車場二水平標(biāo)高暫定-970.0 m，井筒深度暫為1 032.0 m，井筒凈直徑為6.5 m。為實現(xiàn)井筒安全快速掘砌，采用“上凍下注”方法施工，即新副井井筒表土段和基巖風(fēng)氧化帶采用凍結(jié)法施工，表土深度223.2 m，凍結(jié)深度325 m，基巖段采用地面預(yù)注漿封水，初步設(shè)計地面預(yù)注漿直孔段224～460 m，S 孔段445～1047 m，新副井井筒主要技術(shù)特征見表1。

表1 新副井井筒主要技術(shù)特征

2 水文地質(zhì)

本礦井為第四系松散層覆蓋下的全隱蔽裂隙充水礦床，根據(jù)其賦存介質(zhì)特征進(jìn)一步劃分為第四系松散層孔隙含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層（段）。

2.1 第四系松散層含、隔水層（組）

根據(jù)檢查孔鉆探取芯和地球物理測井成果綜合分析，檢查孔穿過新生界松散層可劃分出3 個含水層（組）和3 個隔水層（組），見表2。

表2 松散層含水層分層

2.2 二疊系含、隔水層（段）

二疊系巖性由砂巖、泥巖、粉砂巖、煤層等組成，并以粉砂巖為主。地下水主要儲存和運(yùn)移在以構(gòu)造裂隙為主的裂隙網(wǎng)絡(luò)之中，以儲存量為主。富水性主要取決于砂巖的裂隙發(fā)育程度、聯(lián)通性和補(bǔ)給條件。自上而下劃分為2 個含水層（段）和1 個隔水層（段），見表3。

表3 二疊系含水層分層

3 總體設(shè)計

3.1 鉆孔設(shè)計

直孔地面均勻布置，“S”孔的布置要根據(jù)井筒掘砌單位的整體布局及井架安裝布局而進(jìn)行布置，并確保鉆孔落點(diǎn)進(jìn)入注漿靶域設(shè)計范圍。鉆孔布置及布孔圈徑：直孔段均布4 個孔，布孔圈徑13.4 m，“S”孔地面布孔4 個，注漿段布孔4 個，地面布孔圈徑暫定32.0～34.0 m，注漿段鉆孔落點(diǎn)圈徑為14.4 m，地面注漿孔布置示意圖如圖1 所示。

圖1 地面注漿孔布置示意圖

鉆孔結(jié)構(gòu)，固管段，孔徑190～215 mm，上部15m 下入φ194 mm×8 mm 無縫鋼管，其余下入φ168 mm×8 mm 無縫鋼管；注漿段：孔徑120 ～133 mm；鉆孔結(jié)構(gòu)詳見圖2。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 MWD 隨鉆測量儀

3.2 注漿設(shè)計

3.2.1 注漿材料選取

注漿材料以粘土、水泥為主，外加劑有食鹽、三乙醇胺、水玻璃等。固管、巖帽注漿段、破碎帶、煤層、馬頭門及井筒連接處采用單液水泥漿，基巖主要采用粘土水泥漿。根據(jù)要求對主要煤層進(jìn)行加固，因此，主要煤層所在層段在粘土水泥漿注漿合格基礎(chǔ)上另采用單液水泥漿加固注漿。單液水泥漿材料配比見表4。粘土水泥漿水泥加入量一般為100 ～300 kg/m3、水玻璃加入量為10～30 L/m3。注漿漿液一般先稀后稠，視注前壓水試驗及注漿實際進(jìn)行調(diào)整。

表4 單液水泥漿材料配比表

3.2.2 注漿段高劃分及注漿結(jié)束壓力

根據(jù)檢查孔地質(zhì)剖面圖及相應(yīng)地質(zhì)報告，劃分不同的注漿段高，施工中可以依據(jù)鉆探的詳細(xì)資料和施工情況進(jìn)行合理優(yōu)化（可以合并或調(diào)整有關(guān)段高）。對于破碎帶等不穩(wěn)定地層，必要時采用小段高，進(jìn)行單獨(dú)注漿。注漿終壓：巖帽段終壓為靜水壓力的1.5～2.0 倍；終量≤100 L/min，其它注漿段終量≤250 L/min；穩(wěn)定時間≥30 min。其余注漿段終壓：400 m 以上靜水壓力的2.5～3.0 倍，400 m 以下靜水壓力的2.0～2.5 倍；施工中應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，具體注漿段高劃分和注漿終壓值見表5。

表5 注漿段高劃分和注漿終壓值

4 施工作業(yè)

工程施工作業(yè)主要有鉆孔作業(yè)和注漿作業(yè)2 道工序，兩者工序相互轉(zhuǎn)換。整體工藝流程如下：

鉆場施工→鉆孔孔位放樣→鉆塔、鉆機(jī)安裝→鉆機(jī)就位→開孔→固管段鉆進(jìn)→下套管及固管→巖帽段鉆進(jìn)→注漿→掃孔→第1 注漿段鉆進(jìn)→注漿→(依次施工第2、3、4、5 段) 一序孔注漿全部結(jié)束→封孔后轉(zhuǎn)二序孔施工（二序孔注漿全部結(jié)束流最后1 孔壓水試驗）→封孔后轉(zhuǎn)S 孔施工。

4.1 鉆場作業(yè)

1）直孔段鉆場基礎(chǔ)：以井心為圓心建造φ24 m的灰土盤，灰土盤用三七灰土分層夯實，高出工廣地坪0.5 m 左右。

2）S 孔段鉆場基礎(chǔ)：待S 孔位確定后，砌筑與鉆塔底盤尺寸相當(dāng)?shù)拇u墻基礎(chǔ)，高出工廣地坪0.5 m左右。

3）在直孔段鉆場基礎(chǔ)（S 孔段鉆場基礎(chǔ)）做好后對基礎(chǔ)頂面高程進(jìn)行測定，以指導(dǎo)鉆孔深度的調(diào)整。

4）在距井心40 m 以外適宜的位置建造5 個泥漿循環(huán)池，每個泥漿池規(guī)格為3 m×3 m×2 m，并附3 m×6 m 的泵房基礎(chǔ)和相應(yīng)的泥漿循環(huán)溝槽。

4.2 鉆孔作業(yè)

1）鉆孔偏斜率控制：直孔固管段不大于2%，直孔注漿段不大于5 %，且內(nèi)偏不大于0.5 m，其余各段注漿鉆孔的落點(diǎn)不大于2 m 的“靶域”、在相同的注漿深度應(yīng)相對均勻，各注漿鉆孔在相同的注漿深度內(nèi)孔位間距相對均勻分布。

2）鉆孔糾斜：當(dāng)鉆孔偏斜將超出靶域范圍時，要及時進(jìn)行鉆孔糾斜措施，采用螺桿鉆具加無磁隨鉆測量儀（MWD）鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)。根據(jù)隨鉆測量的數(shù)據(jù)，可以隨時調(diào)整螺桿鉆具的行進(jìn)方向，確保鉆孔軌跡進(jìn)入理想的靶域范圍，電磁波傳輸方式見圖2。

3）鉆孔造斜：S 孔的固管段及注漿段、分支孔段均采用定向鉆孔完成。S 孔地面布孔圈徑暫定32～34 m（場地條件許可情況下，開孔位置距要求落點(diǎn)區(qū)域的水平距離盡可能縮短）；自孔深60～70 m 處開始定向鉆進(jìn)，每孔向設(shè)計的兩注漿孔落點(diǎn)的水平中心區(qū)域圈徑進(jìn)行定向，在固管段445 m 以上深度進(jìn)入注漿落點(diǎn)的圈徑水平中心區(qū)域靶域；鉆孔落點(diǎn)按不大于2 m 的“靶域”控制，落點(diǎn)要求基本均勻分布于井筒周圍。

4.3 套管安裝及固管

鉆孔至預(yù)定深度后，改用優(yōu)質(zhì)泥漿沖洗鉆孔，將孔內(nèi)的巖粉沖洗干凈，待返出的泥漿中無巖屑后方可起鉆。然后下φ168 mm×8 mm DZ40 地質(zhì)鉆探專用管，確定套管下至預(yù)定深度后，在套管內(nèi)下止?jié){塞，止?jié){塞一般下至距套管底部3～4 m 處。先用注漿泵壓清水，檢查止?jié){效果，孔內(nèi)若有返水現(xiàn)象，應(yīng)起塞重新下塞，直至不返水為止。壓水過程中，套管外緣孔壁將發(fā)生返水現(xiàn)象，待返水至澄清后，改用0.6∶1 單液漿注漿，待套管外緣返出濃漿后停止注漿，再定量壓入清水。6～8 h 起塞，12 h 后掃出套管內(nèi)距底1.0～1.5 m 上的水泥漿，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)24～36 h，掃孔至原深，經(jīng)套管內(nèi)壓水試驗，套管外不返水并達(dá)到固管質(zhì)量要求后，認(rèn)為固管合格，否則繼續(xù)固結(jié)。

為保證套管連接滿足打鉆和注漿要求，套管將選用絲扣+焊接方式連接，在套管絲扣上到位后對接縫進(jìn)行焊接。

4.4 注漿作業(yè)

注漿方式：主要采用下行式注漿，可以根據(jù)注漿孔的實際情況采取混合式注漿。每一段當(dāng)一次注漿不能達(dá)到設(shè)計要求的應(yīng)予以復(fù)注至合格。

粘土水泥漿注漿工藝流程：采集粘土→制備粘土漿→除砂→原漿池→儲漿池→一次攪拌（加水泥）→二次攪拌（加水玻璃）→注漿泵輸送→注漿管路→受注巖層段。

1）注漿前的準(zhǔn)備及管路打壓試驗：注漿前的準(zhǔn)備工作主要包括注漿站的建設(shè)、注漿管路系統(tǒng)的形成、水電、注漿材料來源的確定以及注漿管路系統(tǒng)的打壓試驗。所有注漿系統(tǒng)形成后，應(yīng)進(jìn)行管路打壓試驗，并記錄備查。

2）止?jié){：選擇巖層較堅硬、鉆孔較規(guī)整處止?jié){，止?jié){塞下放深度一般位于預(yù)注漿段之上2～10 m 處。

3）注漿作業(yè)：根據(jù)注漿前的壓水試驗計算出的壓水吸水率選用適宜的漿液配比，配制注漿漿液。漿液濃度的調(diào)整原則一般是先稀后濃，逐漸加大；如果壓力上升過快，注漿量較小，應(yīng)逐級降低漿液濃度。一般在每段第1 次注漿期間，前100～150 m3漿液水泥加入量選用100 kg/m3，在注漿結(jié)束接近設(shè)計注漿量100～150 m3漿液水泥加入量選用250 kg/m3或300 kg/m3，兩者之間漿液選用水泥加入量150 kg/m3或200 kg/m3的。經(jīng)過注漿，終壓、終量、注入量、穩(wěn)定時間等參數(shù)達(dá)到了設(shè)計要求的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，即可結(jié)束該段高的注漿工作。

4）注漿結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)：巖帽注漿段應(yīng)達(dá)到或超過設(shè)計終壓值，泵量不大于100 L /min，穩(wěn)定時間不少于20 min；粘土水泥漿注漿段也應(yīng)達(dá)到或超過設(shè)計終壓值，泵量不大于250 L/ min，穩(wěn)定時間不少于30 min，每注漿段注漿達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，即可結(jié)束該段注漿工作。

5）注后壓水：每次注漿完畢，均應(yīng)進(jìn)行注后壓水，以清洗注漿管路，便于止?jié){塞的順利提出。壓水量控制在能將管路中的漿液排出即可。

6）起塞：注漿后待孔內(nèi)余壓消除（一般情況下，注單液水泥漿需悶塞20～40 min，注粘土水泥漿需悶塞2～4 h），即可將止?jié){塞從孔內(nèi)起出。

7）養(yǎng)護(hù)、掃孔、復(fù)注：單液水泥漿注后掃孔間隔時間一般為4～8 h，復(fù)注間隔時間一般為20～24 h。注粘土水泥漿時，應(yīng)力求一個段高的注漿一次性結(jié)束，以便于提高注漿效率和保證注漿質(zhì)量；若沒有達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，須掃孔復(fù)注。

4.5 漿液帷幕交圈

先用注漿擴(kuò)散半徑減去注漿圈半徑得出該段單孔漿液擴(kuò)散距離，再根據(jù)每個鉆孔在該段底水平偏斜投影位置畫出該注漿段漿液帷幕交圈，后根據(jù)交圈情況確定本段的有效隔水帷幕厚度[8,9]，見表6。

表6 各水平有效帷幕厚度統(tǒng)計表

5 效果分析

通過壓水實驗[10]可得出新副井直孔段預(yù)計井筒剩余涌水量2.131 m3/h，S 孔段預(yù)計井筒剩余涌水量3.312 m3/h，預(yù)計全井筒剩余涌水量5.443 m3/h，滿足設(shè)計要求注漿后井筒剩余涌水量≤6 m3/h 的條件?？梢钥闯鼍沧{后含水層的裂隙絕大部分被封堵，水流通道被切斷，水文地質(zhì)條件大大改善，證明注漿是成功的。

1）各注漿段的有效帷幕厚度均超過6.0 m。新副井經(jīng)過注漿，各注漿段漿液擴(kuò)散交圈完好，形成了有效的堵水帷幕，完全達(dá)到設(shè)計和施工的技術(shù)要求。

2）該井基巖段雖經(jīng)地面預(yù)注漿堵水，預(yù)計注漿后井筒殘余水量較小。但井筒地面預(yù)注漿屬隱蔽性工程，注漿段的殘余水量在鑿井前只能靠注漿施工情況的分析和終檢孔的壓水試驗等來進(jìn)行分析判斷，且因井壁出現(xiàn)裂隙、掉塊，終止S 孔復(fù)注。

3）因井壁裂隙、掉塊，取消分支孔施工，建議掘砌單位在施工馬頭門時要加強(qiáng)支護(hù)。

4）井筒掘砌施工中，發(fā)現(xiàn)水量較大的明顯出水點(diǎn)，要用導(dǎo)水管引出，以保證井壁質(zhì)量和便于采取進(jìn)一步降低井筒涌水量的措施。