综合注浆技术的应用与发展

冯旭海

(煤炭科学研究总院， 北京 100013)

1 综合注浆技术简介

综合注浆技术是前苏联上世纪60年代末开发的一种注浆新工艺[1]。国内由煤炭科学研究总院建井研究所(现为建井研究分院)于上世纪90年代，经过课题攻关研究成功综合注浆法的成套技术，首先在枣庄付村西风井、高庄混合井应用成功。经过十余年的发展，综合注浆技术已在华东、两淮、河北、山西、内蒙等煤田上百个井筒成功应用，开创了我国井筒地面预注浆技术的新局面。结合注浆孔定向钻进技术开发的冻结、注浆、凿井“三同时”快速建井工艺和注浆、钻井“两平行”作业工艺，大大缩短了煤矿建井周期，使得综合注浆技术得到更为广泛的应用，为国家煤矿建设起到了积极作用。

2 综合注浆法的主要特点

(1)注浆材料浆液性能好。浆液采用黏土水泥浆(CL-C)，主要由黏土、水泥、结构添加剂和水组成，其中黏土用量超过水泥是浆液固体成分的主要部分；配置的浆液稳定性高、可注性好、结石体堵水效果好、析水率低，较单液水泥浆更适合基岩裂隙含水层注浆堵水。

(2)注浆设计、施工及效果评价。具有科学的试验依据和工程计算。综合注浆法以地层地质与水文地质资料为基础，进行工程方案设计；施工过程中，通过对注浆钻孔的运用水力动力学方法，进一步计算和研究地层的水文地质参数，指导注浆施工[2]；采用科学的抽水试验或压水试验进行地层渗透系数计算，对注浆段的剩余水量预测，评价注浆效果。

(3)注浆工艺。对压力、流量、浆液比重等参数连续进行监测；工艺上能够采用高性能注浆设备，大泵量、大段高注浆，实现快速高效施工。

3 研究与应用现状

综合注浆技术的研究与应用，主要集中在煤矿建设领域，以立井井筒地面预注浆防治水为最多。经过多年实践，在注浆新材料开发、工艺参数优化、设备性能提高等方面有了长足的发展。目前，国内立井井筒地面预注浆深度已经超过千米[3,4]；BQ-350、BQ-500型注浆泵几经改进，成为性能良好煤矿井筒地面预注浆的主要注浆设备；KWS止浆塞在密封胶筒材料研究方面取得重要突破，针对特殊地层开发的新型注浆材料研究正在进行；结合定向钻进技术实现冻结、注浆、凿井平行作业的“三同时”快速建井工艺，已经在深井建设中得到广泛应用。除此之外，综合注浆技术还在立井工作面注浆[5]、煤矿采取底板改造注浆[6]、破损井壁修复治理、采空区充填、煤矿突水治理等方面得到成功应用；近年来，金矿、铁矿、石膏矿等非煤矿山防治水领域，也有综合注浆技术应用的工程实例。以下结合煤矿立井井筒地面预注浆设计，阐述综合注浆技术的应用。

4 注浆工艺设计

4.1 注浆深度与钻孔布置

井筒地面预注浆起止深度的确定，与井筒整体设计相关。一般而言，具有深厚冲积层的井筒，采取上部冻结(或钻井)下部注浆的方法凿井，注浆起始深度要求与冻结段或钻井段重叠10～20m，且在风化带以下，终止深度要求超过井筒最下含水层底板(实践中一般超过井筒设计深度10m)。

目前，地面预注浆的钻孔一般采用在井筒荒径之外环形均匀布置的方式，钻孔数量与井筒的技术参数、地层的地质和水文地质特征紧密相关。钻孔数量的本质是孔间距的选择，以保证注浆帷幕的连续性和密实性为原则：在以水平裂隙为主的含水层中，裂隙开度越小孔间距也越小，对于高角度裂隙发育的地层，则要相对加密钻孔。工程实践中，一般孔数在4～8个，孔间距为5～9m。

4.2 段高划分与注浆方式

注浆段高，要根据含水层的位置、厚度、裂隙开度、止浆层位以及注浆泵的性能等诸多因素确定；工程中要结合具体的地质条件，遵循针对性、特殊性及一致性的原则进行段高划分。所谓针对性，是指对已确定的含水层(段)进行注浆；特殊性是指注浆用于特殊的目的，如断层及破碎带的加固等；一致性是指将具有相同地质沉积环境、相同的岩性及裂隙发育规律的一组或两组以上岩层划为同一注浆段高。综合注浆法的井筒地面预注浆段高，一般为40～75m[2]。

注浆方式要根据井筒深浅和地层条件选择，一般有上行式、下行式、上下行结合的混合式三种方式。上行式即一次成孔、分段上行，多适用于浅井注浆；下行式和上下行混合式即边钻边注，个别区间段采用上行式注浆，应用灵活，多用于深井和具有地质构造的井筒注浆。

4.3 注浆帷幕设计

注浆帷幕是指井筒开凿前，通过注浆对裂隙充填，在周围形成一个有效的隔水帷幕。隔水帷幕的尺寸与井筒的荒径、开凿方式、地下水特征等有关。目前，在注浆孔环形布置的井筒中，有效注浆帷幕一般要求超过井筒荒径之外6m，且水压越大、裂隙开度越大，帷幕要求越厚。在注浆帷幕设计尺寸、注浆孔布置选定后，注浆压力确定和注入量计算是帷幕设计的最重要内容。

浆液压力是注浆能量系统的直观表现，注浆压力通常指注浆泵出浆口的浆液压力，即注浆泵表压(P)。浆液在泵的推动下，沿管路(管路压力损失为ΔPL)进入钻孔，再进入含水层裂隙，克服裂隙面的剪切阻力(ΔPτ)和地下水压力(P0)进行扩散。在浆液停止流动时，存在如下关系：

(1)

(2)

式中：Pr为浆液在管路中的自重压力，与注浆深度有关；ΔPα为浆液在裂隙中流动扩散的其他阻力，如由充填物、裂隙的弹性变形引起的阻力；ΔPL可以通过试验测得；ΔPτ与裂隙的数量、开度、裂隙面的粗糙程度、扩散距离等有关；P0通常取含水层的静水压力。

由于对ΔPτ、ΔPα的计算较为复杂，且处于理论探索阶段。因此，实际应用中通常用式(3)确定[2]：

(3)

式中：k为系数，根据区域性地质和水文地质条件确定，取值范围为1.5～3.0；α为常数，与注浆深度有关，浅部取大值，深度取小值。

对于式(3)的应用，经常根据注浆深度直接取静水压力值的倍数作为注浆压力设计值：孔深小于400m的注浆段终压值为静水压力值的2.5～3.0倍；孔深大于等于400m的注浆段终压值为静水压力值的2.0 ～2.5倍。

注入量(Q)是保证注浆堵水质量的重要参数，根据注浆段岩层裂隙率、注浆帷幕尺寸、浆液的有效扩散半径等因素确定，综合注浆法一般采用式(4)计算：

(4)

式中：A为浆液消耗系数，取1.2～1.5；R是浆液扩散半径，R=φ/2 + r；φ是注浆段布孔圈径，m；r是浆液有效扩散半径，通常取8～12m；Hi为注浆段长度，m；ηi是岩层裂隙率；β为充填系数，一般取0.95；m为浆液高压脱水结石率，一般取0.85；n为注浆段数。

施工时，当某一注浆段压力和注入量达到设计要求时，注浆终量在250L/min以下稳定时间不少于20min时，即可结束该段注浆。

4.4 黏土水泥浆的配方设计

黏土水泥浆的主要性能指标，包括塑性强度、析水率、粘度、比重等，其堵水性能主要取决于塑性强度。研究表明，影响浆液塑性强度的主要因素是黏土浆比重、水泥用量、结构添加剂(水玻璃)用量，并且黏土浆比重越大、水泥用量越大、水玻璃用量越大，浆液的塑性强度越高。上述规律的定量、定性试验是浆液性能研究的重要内容。

工程中，通常对原材料取样进行浆液配方试验，测定浆液性能，确定配方范围。目前，浆液配比多采用黏土浆密度为1.15～1.24g/cm3，水泥加入量为100～300kg/m3，水玻璃加入量为15～40l/m3。对原材料要求一般为：普通硅酸盐水泥，标号不应低于42.5号；黏土塑性指数10～25，含砂量不宜大于5%；水玻璃模数2.6～3.4，比重1.368～1.465g/cm3。注浆时，应该根据不同的地质和水文地质条件，调整浆液的配比，满足注浆堵水需要。

4.5 注浆效果检查与评价

堵水效果采用注浆过程参数分析与最后抽(压)水试验结合的方法进行检查与评价，二者都是以科学的工程计算为手段，探查岩体的水文力学性质变化。施工过程中，着重对比注浆前后简易水文参数、注浆压力变化，判断注浆效果；在井筒注浆结束前，利用注浆钻孔做抽水或压水试验，测定受注岩层的渗透系数，进而计算预测井筒开凿时剩余水量，检查和评价注浆效果。

采用压水试验检查注浆效果，以式(5)～式(10)计算单位吸水率、渗透系数和井筒剩余水量。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，W为单位吸水量，l/min·m·m；Q为压水流量，l/min；P为压水压力(换算成水柱高度)，m；L为压水段高度，m；q为单位吸水率，l/min·m；K为渗透系数，m/d；r为钻孔半径，m；Q井为井筒剩余水量，m3/d；Ho为含水层静水位至含水层底板的高度，m；M为含水层厚度，m；R为水位降至含水层底板时的影响半径，m；Sw为含水层最大降深，m；r#为井筒荒半径，m。

5 应用实例

(1)工程概况

皖北某矿设计生产能力2.4Mt/a，立井开拓方式，设主﹑副﹑风3个井筒。井筒采用冻结法和地面预注浆法施工，其中主、副井井筒采用冻、注、凿平行作业的“三同时”快速建井工艺。三个井筒主要技术特征参数见表1。

表1 井筒主要技术主要特征

井筒基岩段中等硬度岩石所占比例高，破碎层位多；裂隙以斜向、竖向为主，沟通性差；基岩段有5个含水层，井筒预计涌水量分别为主井50 m3/h，副井96 m3/h，风井62 m3/h，附近矿井有突水淹井现象。工程地质条件与水文条件综合评定为复杂型。

(2)工程设计与施工情况

根据矿井建设的总体方案，主、副井井筒施工采用“三同时”施工工艺，注浆分为内圈直孔段和外围S孔注浆两期工程；风井井筒采用全直孔注浆。岩帽段为10～20m，黏土水泥浆段高最大77m，最小48m；采用下行式为主、上下行结合的注浆方式。各井筒地面预注浆工程主要施工参数见表2。

5.3 效益分析

井筒地面预注浆应用综合注浆法的，在经济上的效益集中体现在施工工期和材料成本两个面。与传统的水泥注浆相比，平均每个井筒节约工期4个月，节约水泥约6300t；由于有效的封堵井筒含水层涌水，大大提高了基岩段掘砌速度；主、副井由于实行了“三同时”工艺，井筒建设工期仅为15个月，从而缩短了煤矿投资建设周期。综合注浆技术地成功应用，实现了为建设单位节约投资、为施工单位节省成本的双赢，取得了良好效益，对该矿区具有复杂地质条件的其他井筒注浆施工具有参考价值[7]。

表2 井筒地面预注浆工程主要施工参数表

6 综合注浆技术展望

注浆技术的发展现状是理论落后于实践[8]，综合注浆技术也是如此。因此，综合注浆技术的发展，应该从加强理论研究、加大技术创新、拓宽应用领域三个方面进行。

(1)加强理论研究。目前，研究重点集中在浆液与裂隙的作用方式、黏土水泥浆在高压环境下的固结机理、地层水文地质条件对注浆的影响规律等方面，以求注浆参数选择提供更为科学的理论依据。

(2)加大技术创新。应该结合工程中亟需解决的问题，从材料、设备、过程监测、质量检查等方面进行研发，使得工程施工走向高效节能环保。以井筒地面预注浆为例，针对煤矿千米深井建设，正在进行的研究主要有特殊地层的新型材料研发(如高塑性浆液、添加粉煤灰、高水材料等)，改进设备和关键机具的性能(高压无级调速注浆泵等)，开发注浆过程监测的信息化系统，解决与其他工艺配合应用的问题等，这些方面有些已经取得了阶段性的成果。

(3)应该利用综合注浆技术的优点。积极拓展应用领域。就煤矿领域而言，除井筒地面预注浆外，还可在工作面注浆、采区(巷道、底板)防治水改造、井壁治理、采空区充填等方面尝试；除煤矿领域外，还可以在交通、铁路、水利、非煤矿山等领域的防治水和充填等方面尝试。

[1] 周兴旺.综合注浆技术在我国的应用和发展 [J]. 建井技术，1994(3).

[2] 周兴旺,等.注浆堵水加固技术及其应用 [C].北京：煤炭工业出版社，1998.

[3] 张庆和,等.千米立井综合治理方案与实践 [J]. 煤炭工程，2004(11).

[4] 王洪理.千米深井快速预注浆技术的探索 [J]. 煤炭技术，2005(12).

[5] 工作面采用综合注浆技术快速通过石英砂岩含水层 [J]. 工程质量，2007(20).

[6] 刘义永.注浆改造技术在矿井防治煤层底板承压水中的应用 [J]. 煤炭技术，2005(09).

[7] 昌修林.地面预注浆技术在立井井筒施工中的应用 [J]. 建井技术，2007(5).

[8] 岩土注浆理论与工程实践 [M].北京：科学出版社，2001.