張海力,趙曉舉

(中國平煤神馬能源化工集團(tuán)公司,河南平頂山 467000)

井筒過巨厚含水層工作面預(yù)注漿防治水

張海力,趙曉舉

(中國平煤神馬能源化工集團(tuán)公司,河南平頂山 467000)

Water Prevention with Pregrunting forW orking Face of Shaft Through Extremely Thick Hydro-Seam

平煤集團(tuán)十三礦已回采區(qū)進(jìn)風(fēng)井井深 670m,在深度 20～100.8m段為砂巖含水層,富水性強(qiáng)。施工中堅持“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘”的原則,在該段實施以工作面預(yù)注漿為主,避后注漿與機(jī)械排水為輔的治水方案,達(dá)到了良好的堵水效果,保證了井筒無水快速掘進(jìn),最月成井 105m,減輕了井筒排水系統(tǒng)的壓力,減少了排水費用的投入,降低了生產(chǎn)成本。

井筒;巨厚含水層;預(yù)注漿

平煤集團(tuán)十三礦己四采區(qū)進(jìn)風(fēng)井井口設(shè)計標(biāo)高為 135.5m,凈直徑 6.5m,井筒深度約 670m。井筒支護(hù)方式:表土和風(fēng)化基巖段為鋼筋混凝土井壁,壁厚 800mm;基巖段采用素混凝土支護(hù),強(qiáng)度為 C25,壁厚 400mm。

1 預(yù)注漿工藝原理

注漿是采用機(jī)械的方法將漿液壓入地層中,以驅(qū)逐地下水,并在空隙中流動、擴(kuò)散、凝膠,最后形成堵水帷幕的過程。按注漿工作與井巷掘砌及地層加固的先后時間次序進(jìn)行分類,分為預(yù)注漿和后注漿。預(yù)注漿是在工程施工前或工程進(jìn)行到含水層之前進(jìn)行注漿工程。按其施工地點不同,預(yù)注漿法可分為地面預(yù)注漿和工作面預(yù)注漿 2種,工作面預(yù)注漿即為當(dāng)井筒掘進(jìn)到含水層以前停止掘進(jìn),利用上部不透水的巖層作為防護(hù)巖帽,在工作面打鉆、注漿封堵含水層裂隙,以便井筒能順利繼續(xù)施工。工作面預(yù)注漿具有注漿孔工程量小,漿液消耗量少,并可根據(jù)巖石的裂隙方向準(zhǔn)確布孔,堵水效果高,檢查注漿效果直觀等優(yōu)點。工作面預(yù)注漿常用于含水層厚度不大,賦存較深時,或含水層之間相距較遠(yuǎn),中間有隔水層的條件下。厚度較大的含水層進(jìn)行工作面注漿,必須設(shè)計施工止?jié){墊作為防護(hù)巖帽,并選用合適的注漿方案和注漿材料。

2 水文地質(zhì)情況

井筒在深度為 20～100.8m處揭露二疊系的平頂山砂巖段,上部無水,46m以下涌水量預(yù)計在50m3/h左右。巖層傾向南西,傾角約 15～20°。平頂山砂巖段豎向裂隙發(fā)育,橫向裂隙不發(fā)育,其頂部有少量黏土充填,隨深度的增加充填減少,富水性增強(qiáng)。該層砂巖為細(xì)、中、粗粒砂巖,硅質(zhì)膠結(jié),巖石硬度大,最大 f值為 19.8。其靜止水位為46m,標(biāo)高 89.6m,補(bǔ)給來源為井筒北側(cè)的汝河。

3 注漿方案

堅持“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原則,將上述約 80m厚的砂巖含水層做為注漿段,采用以工作面注漿為主,以壁后注漿與機(jī)械排水為輔的治水方案,減少井筒涌水對施工的影響。工作面注漿保證含水層頂板預(yù)留不小于 5m的巖柱作為止?jié){墊,用潛孔鉆機(jī)造孔,安設(shè)注漿管注漿,工作面注漿結(jié)束后,如果井壁有漏水則采取壁后注漿進(jìn)行堵水。

工作面注漿孔 8個,沿距井筒荒斷面周邊0.5m處均勻布置,角度為 83°,孔底超過荒斷面周邊 2m以上,孔深 20m (<95mm),注漿完畢后,在以上 8個孔中間間隔打檢查孔,直至達(dá)到終孔要求。以上外圈施工完畢后,再沿距井筒荒斷面周邊向內(nèi) 2.2m處均勻布置 4個角度為 87°,孔深20m的鉆孔 (<95mm)作為注漿孔,注漿完畢后再在以上井筒中心打檢查孔,如果無水則注入適量漿液并達(dá)到終孔要求封孔,有水則重新注漿,直至達(dá)到終孔要求。注漿完畢后,向下掘進(jìn)時,每炮施工前進(jìn)眼前,必須先用傘鉆施工探水眼,眼深 7m,共布置 4個,沿井筒荒斷面周邊眼位置均勻布置。無水則掘進(jìn),有水則重新采取措施。

4 注漿設(shè)備及有關(guān)參數(shù)

(1)注漿設(shè)備及布置 設(shè)備選用 2TGZ-60/ 210型雙液調(diào)速高壓注漿泵。在井口利用 JL-200型攪拌機(jī)拌制漿液,在工作面搭設(shè)一高度為 1.5m的工作臺,放置 1臺注漿泵及操作開關(guān)。另需存放4個 0.5m3的鐵桶,2個存放水泥漿,1個存放清水,1個存放水玻璃。工作面的供風(fēng)、信號、動力電纜以及照明電纜利用原有的設(shè)施。供水采用吊桶供水,水泥漿利用吊桶運輸,潛孔鉆機(jī)打眼造孔。

(2)鉆孔設(shè)備的規(guī)格 采用平頂山勘察機(jī)電廠產(chǎn)的潛孔鉆機(jī),<50mm×1000mm鉆桿,直徑95mm的鉆頭造孔。

(3)注漿孔口管選擇及規(guī)格 注漿管由<25.4mm×2000mm的插管以及外套 3個直徑為50.8mm,長度為 500mm左右的套管構(gòu)成,套管兩端焊上厚為 10mm的環(huán)形鐵墊。插管底端向上120mm焊上 10mm厚的環(huán)形鐵墊 (與插管焊為一體),間隔為 3組,每組由 2個 <90mm×60mm的止?jié){膠墊組成。插管頂端加工成 500mm的絲扣,在加工 1個厚 30mm的螺帽以使上緊套管擠壓止?jié){墊使其膨脹貼緊孔壁。裝上 <25.4mm的球閥以控制進(jìn)漿量。使用多組止?jié){膠墊以增加其與孔壁的摩擦力,不至于注漿壓力過大時將注漿管頂出。

(4)注漿材料選擇 無機(jī)化學(xué)注漿材料目前應(yīng)用最廣,特別是水泥既可用作單液注漿,也可與水玻璃等漿液用作雙液注漿。水泥作為注漿材料歷史悠久,是所有注漿材料中使用最廣的一種,具有來源豐富、價格低廉、漿液結(jié)石體強(qiáng)度高、抗?jié)B性能好的優(yōu)點。由于水泥是顆粒性材料,對微細(xì)裂隙及細(xì)砂層較難注入,所以常用水玻璃等各種化學(xué)附加劑來提高水泥的可注性,縮短凝固時間,提高結(jié)石體早期強(qiáng)度和穩(wěn)定性等?；谝陨峡紤],本次注漿采用水泥 -水玻璃雙液漿液,水泥采用 P.O42.5級新鮮普通硅酸鹽水泥,水玻璃采用模數(shù)為 2.4～3.2,濃度為 35～45Be堿性水玻璃。

(5)注漿參數(shù)選擇 井筒工作面預(yù)注漿漿液濃度遵循先稀后濃的原則。開注時,利用單液水泥漿注漿,水灰比前期為 1∶0.8,后期為 1∶1;封孔時為增加封孔的質(zhì)量和效果,采用水泥 -水玻璃雙液漿封孔,水泥漿與水玻璃比為 1∶0.3～1∶0.5。封孔前期時使用 15～20Be的水玻璃漿液,后期加大濃度到25～30Be,終孔時加大濃度到35Be。

(6)注漿壓力 通過大量的防治水實踐,在采用井筒工作面預(yù)注漿時,一般將注漿壓力定為靜水壓力的 2～2.5倍,具體要根據(jù)注漿段的現(xiàn)場巖石的裂隙發(fā)育情況、滲透系數(shù)等參數(shù),作微觀上的調(diào)整,以期達(dá)到最佳的注漿效果,經(jīng)研究并根據(jù)經(jīng)驗值,綜合以前注漿的參數(shù)壓力值,工作面注漿壓力宜為10MPa。

(7)擴(kuò)散半徑 在井筒工作面的注漿過程中,漿液的擴(kuò)散半徑同樣也隨著巖層的滲透系數(shù)、裂隙寬度、注漿的壓力、注入時間的增加而增加,隨著漿液濃度和黏度的增加而減小。根據(jù)經(jīng)驗,在裂隙極為發(fā)育的含水層中,擴(kuò)散半徑控制到 5m以上。對裂隙分布不均勻和細(xì)小裂隙較多的情況,則通過合適的注漿壓力,擴(kuò)散半徑控制到 3m以上,能達(dá)到較為理想的注漿效果。為此,本次注漿擴(kuò)散半徑控制在3m左右。

5 注漿施工效果

井筒 2007年 4月開工,于 5月 7日施工到46m位置,經(jīng)第 1次超前探水,孔內(nèi)均無水,按探放水措施要求繼續(xù)施工 10m,保持 10m超前距,然后繼續(xù)探水。5月 22日當(dāng)井筒施工到井深 95m,進(jìn)行第 4次探水時,探水鉆孔于 14m位置出水,單孔涌水量 25m3/h,隨按進(jìn)風(fēng)井防治水措施要求進(jìn)行注漿治水,注漿后在所有檢查孔均無水的情況下向下掘進(jìn) 10m,保持 10m超前距,然后繼續(xù)探水注漿,檢查孔內(nèi)有水則繼續(xù)注漿,直至無水,直到通過含水層。

十三礦己四進(jìn)風(fēng)井已成功地進(jìn)行了 5次工作面預(yù)注漿,達(dá)到了良好的堵水效果,在平頂山砂巖段單孔涌水量 25m3/h的條件下,達(dá)到了注漿后掘進(jìn)期間工作面無水的條件,并在已施工的 350m井筒中順利通過了共計 3層含水層,已施工過的井筒最大淋幫水量僅為 2m3/h,保證了井筒無水快速掘進(jìn),在防治水期間最高月成井 105m。

6 結(jié)束語

(1)提高了立井井筒施工防治水治理水平,提高了治水效果,為打干井提供了技術(shù)支持,為井筒快速、優(yōu)質(zhì)施工創(chuàng)造了條件。

(2)為以后此類井筒預(yù)注漿施工注漿壓力、擴(kuò)散半徑、注漿材料等參數(shù)確定提供了依據(jù)。

(3)通過注漿堵水的實施,減輕了井筒排水系統(tǒng)的壓力,減少了排水設(shè)施及排水費用的投入,降低了生產(chǎn)成本。

[責(zé)任編輯:李宏艷]

TD214

B

1006-6225(2010)03-0109-02

2009-09-02

張海力 (1974-),男,河南社旗人,工程碩士,工程師,現(xiàn)任中平能化集團(tuán)平煤股份開拓處重點工程辦公室主任。