鲁新煤矿火成岩含水层特点与地面预注浆治理

冯旭海（天地科技股份有限公司，北京 100013）

鲁新煤矿火成岩含水层特点与地面预注浆治理

冯旭海（天地科技股份有限公司，北京 100013）

鲁新煤矿主井基岩段全部为火成岩，其裂隙发育特点和含水层特征与成岩过程密切相关，本文以此为例探讨了全孔段火成岩条件下井筒地面预注浆的措施和技术特点，并对注浆参数的变化规律和注浆效果进行了分析，可供类似工程参考。

地面预注浆；火成岩；裂隙；注浆压力；压水吸水率

1 前言

鲁新煤矿位于内蒙古锡林郭勒盟东北部，设计生产能力5万t/a，其中主井井筒净径5.0m，深度308m，松散层采用冻结法施工，基岩段进行地面预注浆防治水后采用爆破法施工。冻结设计深度为184m，注浆段起止深度为164～318m，全部为火成岩。对比于地面预注浆技术应用最广的华东矿区，全孔段火成岩是该井筒地面预注浆最大的地层特点。

2 井筒地层与水文地质概况

鲁新井田为一个封闭的聚煤盆地，含煤盆地的基底为侏罗系火山凝灰岩，盆地整体近似为北东—西南走向的不对称向斜，向斜西北翼较缓，东南翼较陡。井田内断层不甚发育，井筒深度范围内自上而下依次为第四系、新近系、白垩系、侏罗系地层。注浆段地层通属煤系基底火山凝灰岩，在164～318m的基岩注浆段中，上部是火山角砾岩，中部为灰绿色岩浆岩，中下部为具有气孔构造的杏仁状玄武岩，底部是裂隙构造为主的岩浆岩。

以抽水试验和流量测井方法对井筒检查孔进行检测，基岩注浆段分布有12个含水层，通属于基底火山凝灰岩含水层，预计涌水量为170.95m3/h，井筒水文地质条件为复杂型。

3 火成岩裂隙发育特征与含水层特点

火成岩地层特点、裂隙发育特征与其成岩过程具有密切关系。火成岩又称为岩浆岩，分为深成岩、浅成岩和喷出岩(又称火山岩),其中喷出岩是火山爆发时随着深部岩浆的喷出而形成的,由于通道附近围岩碎片的加入，加上喷发强度及深度诸多因素影响，出现火山熔岩、火山角砾岩、火山凝灰岩等，而后经过漫长的地质演化,其火山岩构造与岩性各具特点。根据检查孔地质资料和注浆孔钻探记录、注浆记录,鲁新矿主井基岩注浆段地层的火成岩及含水层具以下特点。

（1）岩石层界面起伏不均。两种岩性的岩层由于火山喷发的特点，即使小区域内层界面也可能起伏巨大，以注浆孔钻探为例，6个钻孔揭露同一层位深度最大的相差8m。

（2）152～190m为灰绿色岩浆岩，坚硬、致密，具有少量溶蚀坑，除下部岩层交界面外，裂隙不发育；下部则为一明显含水层（简称A层位）。

（3）190～280m为灰～灰黑色岩浆岩，岩性质软多孔，密度小，裂隙较发育，含水层分布多，部分层位导通性强。上部层界面裂隙极发育，开度大，或伴有溶洞等（简称B层位）。

（4）280～318m为深灰色岩浆岩，岩质坚硬，脆性大，具玻璃质，裂隙发育，除上层界面外，中下部地层因埋深大，富水性较弱，无明显含水层（简称C层位）。

主井基岩段火成岩属于火山喷出岩，对比于一般沉积岩，该火成岩具有3个明显特点：①岩层交界面不均衡；②岩石气孔构造较多；③岩层裂隙多为原生的成岩裂隙，裂隙中多见火山微尘。结合上述特点，注浆是应该采取对应措施，以有效封堵含水层裂隙；对于注浆参数的分析应结合裂隙特点进行，进而有效控制注浆质量。

4 井筒地面预注浆设计

根据井筒技术参数和注浆段地层特点，地面预注浆采用直孔注浆的方案，以粘土水泥浆为主要注浆材料、辅以单液水泥浆。设计6个注浆直孔，布孔圈径为Φ10.0m，均匀布置，钻孔深度318m，其中套管深度164m；注浆总段高为154m，其中岩帽段10m，下部分为4个注浆段；设计岩帽段注浆终压为静水压力的1.5～2.0倍，其余注浆段终压为静水压力的2.5～3.0倍；设计注浆量为6 592m3。

6个注浆孔分两序间隔进行施工，第I序直孔施工完成后钻机挪孔位进行第II序直孔施工，每序孔分段下行注浆。

5 技术措施

根据岩层特点、含水层分布等，从浆液种类选择、段高划分、注浆压水、注浆量次等方面制定具体措施，以保证注浆堵水质量。施工过程中主要采取以下措施。

（1）对于沟通性好的岩石层界面，单独划分段高；重点层位通过扫孔控制段高进行单独复注。154m的注浆总段高，划分了20m的岩帽段和4个粘土水泥浆注浆段，其中有两个注浆段针对裂隙发育的岩石层界面而确定的。

（2）火成岩裂隙充填物多为火山灰微尘，注浆孔钻进时应尽量采用清水钻进，每段首次注浆前压水增加泵量和压水时间，以更好沟通裂隙。首次注浆时，除完成简易水文工作的三级压水外，继续用大泵量压水15分钟以上。

（3）对于大裂隙多、裂隙发育的层位，控制单次浆液注入量，并在前期每次注浆结束前注入一定量的单液水泥浆，适当延长养护时间，增加注浆次数。在5#孔第二注浆段该层位出现持续低压、注入量偏大的现象，即时采取上述措施，经过7次注浆后，达到了注浆效果，且有效地减少因浆液超扩散。

（4）对裂隙不发育岩层，适当调低浆液浓度，增强扩散性能，提高注浆压力。

（5）由于火成岩成岩特点，对于裂隙沟通性不好的岩层，要充分利用高压注浆沟通裂隙的功能，保证设计注入量，最大限度完成岩层裂隙的充填。

（6）重点层位注浆孔取心钻进，如遇有火成岩中常见的孔隙性含水层，采取特殊注浆材料进行处理。

6 注浆参数分析与效果评价

注浆参数是控制注浆质量和分析注浆效果的基础，与一般地层注浆一样，注浆压力、注前压水吸水率是判定注浆效果的两个重要参数，但这些参数在火成岩中所表现出来的规律与一般地层有所区别。

6.1 注浆压力

影响注浆压力Pg的因素很多，有注浆段高△H、注浆深度H、注浆流量q、浆液粘性γ、岩层裂隙发育程度与沟通性N等，表示为以下函数：

确定注浆结束终压的经验公式为：

其中k为系数，与区域性水文地质条件有关，通常取1.5～3.0；α为常数，取2～4MPa；P0为静水压力。

由此可见，岩层裂隙特征不仅应该是影响注浆压力（因素N），也应该是注浆终压选择的依据（系数k）。与一般沉积岩层注浆一样，火成岩岩层发育特征决定了注浆应该结合地层情况分析和预估压力变化情况，合理选择终压以控制注浆质量。上述主井基岩段所描述的A、B、C三个层位，注浆施工中压力变化规律各具特点，以B层位为例，初始注浆，由于裂隙发育，起始压力低，上升缓慢，二至三次注浆后，压力则提升迅速，但在高位未能坚持，由于新裂隙的沟通，压力又数次下降，经过多次单液浆和粘土浆注浆后，最终压力平稳在静水压力的2.5倍左右。对比之下，C层位则注浆过程压力偏高，两次注浆均在高位坚持，终压达到静水压力的3.5倍以上。

因此，火成岩注浆压力的控制不能片面追求压力的高低和倍数，应保证合理的注入量，结合受注岩层裂隙发育特点和压力变化规律判断注浆效果。

6.2 压水吸水率

压水吸水率ω是判定受注岩层裂隙发育程度和裂隙改变情况的重要依据，是注浆简易水文工作的重要内容，充分做好注前压水和压水数据分析是控制注浆质量的重要手段。压水吸水率由下式计算：

式中：ω——压水吸水率，L/(min·m·m)；

Q——压水流量，L/min；

L——压水段高，m；

P——压水压力水柱高，m。

以184～236m为例，各孔注浆前压水吸水率见表1。从表1中数据可知，初次注前压水吸水率，二序孔明显低于一序孔，说明经过一序3个孔的注浆，岩层裂隙已被有效充填，各孔ω的变化也体现了逐次注浆的效果；5#孔压水吸水率的变化则说明了火成岩在这一层位裂隙发育存在的不均衡性，主要体现在岩层交界面部位含水层注浆量明显增大，经过多次反复注浆，也得到有效治理；最终本段岩层经注浆改造后压水吸水率稳定在0.000 3左右，与注浆结束前进行的压水试验检查数据基本吻合。

因此，从各孔最后注前和压水试验压水吸水率分析，其值为0.000 3L/(min·m·m)左右，小于粘土水泥浆注浆的经验值0.000 5L/(min·m·m)，注浆达到了预期效果。井筒开凿实测剩余水量小于4m3/h，地面预注浆对井筒含水层的堵水治理效果良好。

7 结语

通过鲁新矿主井井筒火成岩地面预注浆设计方案、施工实践、质量控制和效果分析，可以得出如下总结可供相似工程参考。

表1 184～236m段各孔注浆前压水吸水率ω 10-2L/(min·m·m)

（1）不同岩性的岩石层界面往往是裂隙极度发育的部位，是注浆的重点层位。

（2）火山岩裂隙往往多火山微尘等充填物，每个注浆孔段首次注浆前应以大泵量长时间压水，以冲洗和沟通裂隙，增加岩层的可注性。

（3）火山角砾岩部分多为松散型，注浆时应该以单液水泥浆配合粘土水泥浆施工，加固和堵水兼顾，且减少浆液超扩散。

（4）具有气孔构造的火成岩注浆时应适当提高压力，加大注入量，以高压和长时间注浆提高裂隙的沟通性，确保注浆效果；而多钻孔设计也是应对这一地层特点采用专门措施。

（5）因熔岩急速降温形成的火山岩具有坚硬、脆性大特点，裂隙面岩石刚度大，注浆压力高，掘进是易产生爆破裂隙而破坏注浆帷幕，值得注意。

（6）注浆终压应根据受注岩层水文地质条件、裂隙发育特点和压力变化规律判断，不宜机械的采用单一标准。

（7）注前压水吸水率是控制注浆质量、判断注浆效果的重要依据，其变化规律也与火成岩含水层裂隙发育特点紧密相关。

[1] 陆凤香，桑隆康.岩石学（第一版）[M].北京：地质出版社，2002.

[2] 中国煤炭学会，北京建井所.注浆堵水加固技术及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1998.

[3] 唐智良等.火成岩裂隙含水层（体）注浆改造技术研究[J].河北煤炭，2006，（1）.

[4] 郑军等，注浆过程中压水吸水率与注浆效果关系探讨[J].建井技术，1996，（4）.

Characteristic of igneous rock aquifer and treatment of ground advance grouting in Luxin coal mine

The bedrock section of main shaft in Luxin coal mine is entirely structured with igneous rock,and its fissure development and aquifer characteristics are closely related to diagenetic process.Based on the project,the measures and technical characteristic of pit shaft’s ground advance grouting under the condition of igneous rocks was discussed,and the variation law of grouting parameters and grouting effect were analyzed,which could provide reference for future similar projects.

ground advance grouting;igneous rock;fissure;grouting pressure;pressure water absorption

1672-609X（2010）06-0031-03

TD743

B

2010-04-27

冯旭海（1976-），男，岩土工程硕士，高级工程师，从事煤矿注浆防治水、地基处理等地下特殊工程技术研究和工程管理工作。