杜 凱

(開灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018)

引言

煤礦立井井筒地面預(yù)注漿工程是立井井筒防治水的一種常用方法，該方法工藝成熟，可靠性較高，幾十年來在我國(guó)的眾多立井井筒防治水施工中得到了成功應(yīng)用。但是近年來隨著立井井筒深度的增加，含水層的水量、水壓也不斷增大，特別是馬頭門及相關(guān)部位巖層變形破壞越來越嚴(yán)重，所以對(duì)井筒深部高壓含水層進(jìn)行預(yù)注漿及軟巖加固的技術(shù)又是一個(gè)全新課題，以往未有成功經(jīng)驗(yàn)借鑒。針對(duì)這一新課題，只有進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，采用特殊施工工藝，才能滿足項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。

一、工程設(shè)計(jì)

利用直孔+S孔的鉆探技術(shù)，形成注漿孔的注漿圈徑，從而保證形成完整的注漿帷幕;針對(duì)深井壓力大、地壓大、地層變形破壞嚴(yán)重等，分析深井底面預(yù)注漿的漿液配比和注漿壓力的控制，以確定解決這些問題的辦法，并且在工程實(shí)施過程中不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以保證工程質(zhì)量，確保井筒順利施工。

采用凍注平行作業(yè)方案，地面預(yù)注漿采用直孔+S孔方案，并利用“S”孔施工放射型分支孔:直孔注漿段注巖帽及670m以上地層，670m以下基巖采用S孔進(jìn)行注漿，在井筒掘砌爆破影響圈以外形成有效帷幕，帷幕的有效厚度不小于7m。馬頭門及其附屬設(shè)施利用“S”孔施工放射孔注漿加固(詳見圖1)。

二、工程實(shí)施過程

工程施工直孔、“S”孔各8個(gè)，馬頭門附近利用“S”孔施工放射型分支孔4個(gè)。

第一階段:先施工直孔，分兩輪施工。第一輪施工Z1、Z3、Z5、Z7孔，4個(gè)鉆孔施工到注漿段，下入套管后，移塔至Z2、Z4、Z6、Z8孔;Z2、Z4、Z6、Z8孔全部施工結(jié)束后，移塔至Z1、Z3、Z5、Z7孔，繼續(xù)注漿段施工。結(jié)束后，讓出場(chǎng)地留給凍結(jié)、井架安裝、開挖等工序進(jìn)行平行施工作業(yè)。

第二階段:“S”孔施工，分兩輪施工。第一輪直孔施工結(jié)束后，先利用這4個(gè)“S”孔采用定向造孔技術(shù)施工放射孔，每個(gè)“S”孔施工一個(gè)放射型分支孔，對(duì)馬頭門及附屬設(shè)施進(jìn)行注漿加固;然后施工第二輪“S”孔。(見圖2)

圖1 注漿設(shè)計(jì)圖

圖2 馬頭門加固注漿工程平面投影圖

第三階段:Z1、S4號(hào)孔作為滯后一個(gè)注漿段，兼作檢查孔做壓水試驗(yàn)。

(一)鉆探施工工藝

1．“S”型鉆孔的施工

鉆孔以注漿圈徑(Φ=12m)上的參考點(diǎn)(直孔段鉆孔為開孔點(diǎn)，S孔段鉆孔為靶點(diǎn))為基準(zhǔn)，使得鉆孔在注漿圈徑(Φ=12m)上分布大體均勻。S孔在固管段就開始定向鉆進(jìn)，在651．5m的深度均進(jìn)入Φ12m注漿圈徑上的靶域。

2．放射型分支孔的施工

以原S孔段鉆孔為靶點(diǎn)，由770m開始進(jìn)行再次定向?qū)笔┕し派湫头种笨?，?84～1000m水平落點(diǎn)進(jìn)入距井壁12～15m的設(shè)計(jì)靶域內(nèi)。見圖2所示。

(二)注漿施工工藝

1．注漿材料的選擇

基巖注漿段采用成本低、適宜高效注漿的CLC型粘土水泥漿，這是目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)廣泛使用的一種新型注漿材料。

CL－C型粘土水泥漿是綜合注漿技術(shù)所采用的注漿材料，是由粘土、水泥、水玻璃組成的懸浮液，主要成分為粘土。其特點(diǎn)是材料價(jià)格便宜，與水泥漿相比，水泥用量可節(jié)省70%以上，有良好的抗震性同時(shí)具有很好的隔水性和耐久性，對(duì)防止在井筒開鑿過程中由于放炮造成的新生裂隙，封堵遲到涌水起著很好的作用。CL－C型粘土水泥漿由于注漿壓力較高，漿液在裂隙中的充填率可以達(dá)到90%以上，所以對(duì)提高工程質(zhì)量，減短工期都有積極作用。十幾年來，經(jīng)我國(guó)幾十個(gè)井筒地面預(yù)注漿工程中的應(yīng)用已證實(shí)，粘土水泥漿是一種堵水和加固效果十分理想的材料。

破碎帶和馬頭門水平所在注漿段及馬頭門外軸向20m巷道頂?shù)装迳舷?0m位置采用粘土水泥漿與單液水泥漿交替進(jìn)行施工，對(duì)其進(jìn)行加固處理。

2．注漿漿液的特性

(1)漿液的穩(wěn)定性

析水率是反映漿液穩(wěn)定性和充填裂隙飽滿程度的重要指標(biāo)。漿液在一定時(shí)間內(nèi)的析水率反映了漿液的穩(wěn)定性能，最終析水率則能反映出漿液的結(jié)石率。析水率低，析水速率小，漿液越穩(wěn)定，結(jié)石率越高，充填裂隙越飽滿。當(dāng)漿液靜止2h后，漿液的析水率大于5%時(shí)，漿液為非穩(wěn)定性漿液。

(2)漿液的可注性

漿液的可注性是指漿液注入裂隙的難易程度。水泥類顆粒型漿液的可注性取決于漿液的流動(dòng)性、穩(wěn)定性和顆粒粒徑等因素;而溶液型漿液則取決于漿液的流動(dòng)性。

(3)漿液參數(shù)的確定

為了保證漿液的擴(kuò)散距離和注漿堵水的效果，根據(jù)漿液的基本特性，針對(duì)馬頭門附近巖體的加固，選擇密度小、粘度相對(duì)較高、流動(dòng)性較好的粘土水泥漿加上一定的添加劑形成的綜合漿液，同時(shí)為了增加巖體強(qiáng)度，再利用單液水泥漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿。

3．粘土水泥漿漿液的特點(diǎn)

(1)漿液穩(wěn)定性好，在泵送及擴(kuò)散過程中漿液不離析、不沉淀，凝固過程中析水少，結(jié)石率高，抗?jié)B性能好。粘土顆粒較細(xì)，漿液流動(dòng)性好，易于滲透到巖層的細(xì)小裂隙中。

(2)漿液塑性強(qiáng)度可調(diào)范圍大，漿液凝結(jié)固化時(shí)間可以調(diào)節(jié)控制，適用于不同地層條件下的基巖裂隙注漿。粘土水泥漿的礦物成分具有良好的化學(xué)惰性，對(duì)地下水的抗侵蝕能力強(qiáng)，結(jié)實(shí)體的耐久性好。

4．注漿壓力的選擇

注漿壓力是使?jié){液克服各種阻力，使?jié){液在巖石裂隙中充填、擴(kuò)散的動(dòng)力。它是了解漿液是否充滿被注層裂隙的一個(gè)重要指標(biāo)。注漿壓力在注漿過程中同時(shí)又受諸多因素的影響，在施工過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要合理的調(diào)整，來滿足注漿質(zhì)量的要求。

依據(jù)巖石性質(zhì)、水文特征作如下設(shè)計(jì):巖帽段為1．6～2．0倍的靜水壓，直孔段粘土水泥漿為2．5～3．0倍的靜水壓，S孔段和放射型分支孔段注漿壓力2．0～2．5倍靜水壓。

5．注漿段的劃分

注漿段高的劃分是依據(jù)注漿工藝、含水層特征、巖性以及注漿設(shè)備、注漿材料品種等諸多因素綜合確定。注漿段高劃分見表1。

表1 井筒注漿段高劃分一覽表

6．注漿有效擴(kuò)散距離確定

注漿有效擴(kuò)散距離取(7～10)m。

7．特殊的注漿加固措施

為了提高馬頭門位置加固效果，在考慮井筒注漿帷幕的前提下，要適當(dāng)考慮注漿鉆孔在相應(yīng)的水平內(nèi)距井下相關(guān)硐室及連接部的位置保持盡可能小的距離，在8個(gè)S孔馬頭門所在2個(gè)注漿段注漿后分別進(jìn)行單液水泥漿多次加固，并在井筒兩旁馬頭門位置的四個(gè)S孔內(nèi)各施工一個(gè)放射孔，即770～1020m的位置進(jìn)行分支孔的施工，要求鉆孔軌跡在馬頭門外巷道中點(diǎn)水平距離井壁約12～15m，而后在964～1020m位置先用粘土水泥漿進(jìn)行1次注漿之后用單液漿進(jìn)行多次加固注漿。

三、注漿效果與質(zhì)量的檢驗(yàn)

注漿是隱蔽性的工程，隨著注漿的進(jìn)行隨時(shí)要對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行評(píng)估和調(diào)整，注漿過程的控制是決定注漿質(zhì)量的關(guān)鍵，所以對(duì)注漿質(zhì)量的檢查和鑒定，不僅要通過最后檢查孔的壓(抽)水試驗(yàn)，更要對(duì)鉆注過程參數(shù)進(jìn)行分析評(píng)估。

(一)注漿過程的質(zhì)量分析

根據(jù)注漿鉆孔分布情況與各個(gè)鉆孔注漿量分布情況，由巖層裂隙率算出井筒各注漿段漿液擴(kuò)散半徑，再根據(jù)各注漿段段底水平切面的鉆孔軌跡落點(diǎn)位置分別繪制出了注漿擴(kuò)散半徑交圈圖，在井筒開鑿過程中必須有6～9m的有效帷幕才能保證井筒的安全掘進(jìn)，以此計(jì)算距井中的最小安全帷幕半徑如下:井筒荒半徑4．55m+隔水帷幕厚度9m=13．55m。根據(jù)井筒掘砌施工設(shè)計(jì)要求注漿有效半徑不小于13．55m，從表2可以看出各注漿段的有效隔水帷幕半徑均超過13．55m，各注漿段漿液擴(kuò)散交圈完好，形成了有效的堵水帷幕，見表2。滿足設(shè)計(jì)和規(guī)程規(guī)范要求，質(zhì)量合格。

表2 各水平有效隔水帷幕半徑統(tǒng)計(jì)表

(二)剩余涌水量檢查方法

鉆孔水文地質(zhì)試驗(yàn)是對(duì)地下水進(jìn)行定量研究的重要手段，在井筒地面預(yù)注漿工程中是檢驗(yàn)注漿效果的有效方法。常用剩余涌水量檢查的水文試驗(yàn)方法有壓水試驗(yàn)、抽水試驗(yàn)和放水試驗(yàn)等。本次確定了最后1個(gè)孔做為正式壓水試驗(yàn)鉆孔，其結(jié)果代表井盤上各個(gè)注漿鉆孔的注漿效果。通過檢查孔壓水試驗(yàn)收集參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)計(jì)算出井筒剩余涌水量即可初步判斷注漿質(zhì)量。通過壓水實(shí)驗(yàn)計(jì)算出井筒注漿段剩余涌水量≤2．524m3/h。可以看出井筒注漿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，堵水效果明顯。礦井掘進(jìn)揭露的實(shí)際剩余涌水量不到1 m3/h。

四、結(jié)論

(一)成功地利用井筒S型注漿孔，再一次施工定向分支孔到達(dá)馬頭門附近，形成了有效的注漿堵水帷幕，完成了馬頭門附近巖體的注漿加固工作。

(二)針對(duì)馬頭門附近巖體的裂隙含水層及破碎帶，采取了粘土水泥漿和單液注漿交替施工技術(shù)，并以單液水泥漿為主，即保證了含水層的封堵，又加固了圍巖，達(dá)到了預(yù)期的效果。

(三)遠(yuǎn)期效益:有效降低了井巷工程施工中巖體破碎與淋水情況，增強(qiáng)了馬頭門附近圍巖的穩(wěn)定性，大大提高了井巷施工的速度，縮短了建井工期，節(jié)省了日后生產(chǎn)排水費(fèi)用，減少了井下粉塵排放，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

[1]唐山開灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司．信湖煤礦副井井筒地面預(yù)注漿工程總結(jié)報(bào)告[R]．唐山．唐山開灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，2011:1－3．

[2]張永成．董書寧．盧相忠等，礦井注漿施工手冊(cè)[M]．北京煤炭工業(yè)出版社．2003:4－6．

[3]張永成．注漿技術(shù)[M]．北京．煤炭工業(yè)出版社．2012:4－6．

[4]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．MT/T1058～2008立井井筒地面預(yù)注漿粘土水泥漿技術(shù)規(guī)范[S]．北京．煤炭工業(yè)出版社．2008:4－6．

[5]國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局．MT/T1057－2008立井井筒地面預(yù)注漿效果壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)方法[S]．北京．煤炭工業(yè)出版社．2008:6－7．