深立井地面预注浆放射孔加固马头门技术

杜 凯

(开滦建设(集团)有限责任公司，河北 唐山 063018)

引言

煤矿立井井筒地面预注浆工程是立井井筒防治水的一种常用方法，该方法工艺成熟，可靠性较高，几十年来在我国的众多立井井筒防治水施工中得到了成功应用。但是近年来随着立井井筒深度的增加，含水层的水量、水压也不断增大，特别是马头门及相关部位岩层变形破坏越来越严重，所以对井筒深部高压含水层进行预注浆及软岩加固的技术又是一个全新课题，以往未有成功经验借鉴。针对这一新课题，只有进行技术创新，采用特殊施工工艺，才能满足项目的设计要求。

一、工程设计

利用直孔+S孔的钻探技术，形成注浆孔的注浆圈径，从而保证形成完整的注浆帷幕;针对深井压力大、地压大、地层变形破坏严重等，分析深井底面预注浆的浆液配比和注浆压力的控制，以确定解决这些问题的办法，并且在工程实施过程中不断优化设计方案，以保证工程质量，确保井筒顺利施工。

采用冻注平行作业方案，地面预注浆采用直孔+S孔方案，并利用“S”孔施工放射型分支孔:直孔注浆段注岩帽及670m以上地层，670m以下基岩采用S孔进行注浆，在井筒掘砌爆破影响圈以外形成有效帷幕，帷幕的有效厚度不小于7m。马头门及其附属设施利用“S”孔施工放射孔注浆加固(详见图1)。

二、工程实施过程

工程施工直孔、“S”孔各8个，马头门附近利用“S”孔施工放射型分支孔4个。

第一阶段:先施工直孔，分两轮施工。第一轮施工Z1、Z3、Z5、Z7孔，4个钻孔施工到注浆段，下入套管后，移塔至Z2、Z4、Z6、Z8孔;Z2、Z4、Z6、Z8孔全部施工结束后，移塔至Z1、Z3、Z5、Z7孔，继续注浆段施工。结束后，让出场地留给冻结、井架安装、开挖等工序进行平行施工作业。

第二阶段:“S”孔施工，分两轮施工。第一轮直孔施工结束后，先利用这4个“S”孔采用定向造孔技术施工放射孔，每个“S”孔施工一个放射型分支孔，对马头门及附属设施进行注浆加固;然后施工第二轮“S”孔。(见图2)

图1 注浆设计图

图2 马头门加固注浆工程平面投影图

第三阶段:Z1、S4号孔作为滞后一个注浆段，兼作检查孔做压水试验。

(一)钻探施工工艺

1．“S”型钻孔的施工

钻孔以注浆圈径(Φ=12m)上的参考点(直孔段钻孔为开孔点，S孔段钻孔为靶点)为基准，使得钻孔在注浆圈径(Φ=12m)上分布大体均匀。S孔在固管段就开始定向钻进，在651．5m的深度均进入Φ12m注浆圈径上的靶域。

2．放射型分支孔的施工

以原S孔段钻孔为靶点，由770m开始进行再次定向导斜施工放射型分直孔，在984～1000m水平落点进入距井壁12～15m的设计靶域内。见图2所示。

(二)注浆施工工艺

1．注浆材料的选择

基岩注浆段采用成本低、适宜高效注浆的CLC型粘土水泥浆，这是目前国际和国内广泛使用的一种新型注浆材料。

CL－C型粘土水泥浆是综合注浆技术所采用的注浆材料，是由粘土、水泥、水玻璃组成的悬浮液，主要成分为粘土。其特点是材料价格便宜，与水泥浆相比，水泥用量可节省70%以上，有良好的抗震性同时具有很好的隔水性和耐久性，对防止在井筒开凿过程中由于放炮造成的新生裂隙，封堵迟到涌水起着很好的作用。CL－C型粘土水泥浆由于注浆压力较高，浆液在裂隙中的充填率可以达到90%以上，所以对提高工程质量，减短工期都有积极作用。十几年来，经我国几十个井筒地面预注浆工程中的应用已证实，粘土水泥浆是一种堵水和加固效果十分理想的材料。

破碎带和马头门水平所在注浆段及马头门外轴向20m巷道顶底板上下20m位置采用粘土水泥浆与单液水泥浆交替进行施工，对其进行加固处理。

2．注浆浆液的特性

(1)浆液的稳定性

析水率是反映浆液稳定性和充填裂隙饱满程度的重要指标。浆液在一定时间内的析水率反映了浆液的稳定性能，最终析水率则能反映出浆液的结石率。析水率低，析水速率小，浆液越稳定，结石率越高，充填裂隙越饱满。当浆液静止2h后，浆液的析水率大于5%时，浆液为非稳定性浆液。

(2)浆液的可注性

浆液的可注性是指浆液注入裂隙的难易程度。水泥类颗粒型浆液的可注性取决于浆液的流动性、稳定性和颗粒粒径等因素;而溶液型浆液则取决于浆液的流动性。

(3)浆液参数的确定

为了保证浆液的扩散距离和注浆堵水的效果，根据浆液的基本特性，针对马头门附近岩体的加固，选择密度小、粘度相对较高、流动性较好的粘土水泥浆加上一定的添加剂形成的综合浆液，同时为了增加岩体强度，再利用单液水泥浆进行补强注浆。

3．粘土水泥浆浆液的特点

(1)浆液稳定性好，在泵送及扩散过程中浆液不离析、不沉淀，凝固过程中析水少，结石率高，抗渗性能好。粘土颗粒较细，浆液流动性好，易于渗透到岩层的细小裂隙中。

(2)浆液塑性强度可调范围大，浆液凝结固化时间可以调节控制，适用于不同地层条件下的基岩裂隙注浆。粘土水泥浆的矿物成分具有良好的化学惰性，对地下水的抗侵蚀能力强，结实体的耐久性好。

4．注浆压力的选择

注浆压力是使浆液克服各种阻力，使浆液在岩石裂隙中充填、扩散的动力。它是了解浆液是否充满被注层裂隙的一个重要指标。注浆压力在注浆过程中同时又受诸多因素的影响，在施工过程中应根据实际情况进行必要合理的调整，来满足注浆质量的要求。

依据岩石性质、水文特征作如下设计:岩帽段为1．6～2．0倍的静水压，直孔段粘土水泥浆为2．5～3．0倍的静水压，S孔段和放射型分支孔段注浆压力2．0～2．5倍静水压。

5．注浆段的划分

注浆段高的划分是依据注浆工艺、含水层特征、岩性以及注浆设备、注浆材料品种等诸多因素综合确定。注浆段高划分见表1。

表1 井筒注浆段高划分一览表

6．注浆有效扩散距离确定

注浆有效扩散距离取(7～10)m。

7．特殊的注浆加固措施

为了提高马头门位置加固效果，在考虑井筒注浆帷幕的前提下，要适当考虑注浆钻孔在相应的水平内距井下相关硐室及连接部的位置保持尽可能小的距离，在8个S孔马头门所在2个注浆段注浆后分别进行单液水泥浆多次加固，并在井筒两旁马头门位置的四个S孔内各施工一个放射孔，即770～1020m的位置进行分支孔的施工，要求钻孔轨迹在马头门外巷道中点水平距离井壁约12～15m，而后在964～1020m位置先用粘土水泥浆进行1次注浆之后用单液浆进行多次加固注浆。

三、注浆效果与质量的检验

注浆是隐蔽性的工程，随着注浆的进行随时要对注浆参数进行评估和调整，注浆过程的控制是决定注浆质量的关键，所以对注浆质量的检查和鉴定，不仅要通过最后检查孔的压(抽)水试验，更要对钻注过程参数进行分析评估。

(一)注浆过程的质量分析

根据注浆钻孔分布情况与各个钻孔注浆量分布情况，由岩层裂隙率算出井筒各注浆段浆液扩散半径，再根据各注浆段段底水平切面的钻孔轨迹落点位置分别绘制出了注浆扩散半径交圈图，在井筒开凿过程中必须有6～9m的有效帷幕才能保证井筒的安全掘进，以此计算距井中的最小安全帷幕半径如下:井筒荒半径4．55m+隔水帷幕厚度9m=13．55m。根据井筒掘砌施工设计要求注浆有效半径不小于13．55m，从表2可以看出各注浆段的有效隔水帷幕半径均超过13．55m，各注浆段浆液扩散交圈完好，形成了有效的堵水帷幕，见表2。满足设计和规程规范要求，质量合格。

表2 各水平有效隔水帷幕半径统计表

(二)剩余涌水量检查方法

钻孔水文地质试验是对地下水进行定量研究的重要手段，在井筒地面预注浆工程中是检验注浆效果的有效方法。常用剩余涌水量检查的水文试验方法有压水试验、抽水试验和放水试验等。本次确定了最后1个孔做为正式压水试验钻孔，其结果代表井盘上各个注浆钻孔的注浆效果。通过检查孔压水试验收集参数，然后根据参数计算出井筒剩余涌水量即可初步判断注浆质量。通过压水实验计算出井筒注浆段剩余涌水量≤2．524m3/h。可以看出井筒注浆后含水层的裂隙绝大部分被封堵，水流通道被切断，水文地质条件大大改善，证明注浆是成功的，堵水效果明显。矿井掘进揭露的实际剩余涌水量不到1 m3/h。

四、结论

(一)成功地利用井筒S型注浆孔，再一次施工定向分支孔到达马头门附近，形成了有效的注浆堵水帷幕，完成了马头门附近岩体的注浆加固工作。

(二)针对马头门附近岩体的裂隙含水层及破碎带，采取了粘土水泥浆和单液注浆交替施工技术，并以单液水泥浆为主，即保证了含水层的封堵，又加固了围岩，达到了预期的效果。

(三)远期效益:有效降低了井巷工程施工中岩体破碎与淋水情况，增强了马头门附近围岩的稳定性，大大提高了井巷施工的速度，缩短了建井工期，节省了日后生产排水费用，减少了井下粉尘排放，经济效益和社会效益显著。

[1]唐山开滦建设(集团)有限责任公司．信湖煤矿副井井筒地面预注浆工程总结报告[R]．唐山．唐山开滦建设(集团)有限责任公司，2011:1－3．

[2]张永成．董书宁．卢相忠等，矿井注浆施工手册[M]．北京煤炭工业出版社．2003:4－6．

[3]张永成．注浆技术[M]．北京．煤炭工业出版社．2012:4－6．

[4]国家安全生产监督管理总局．MT/T1058～2008立井井筒地面预注浆粘土水泥浆技术规范[S]．北京．煤炭工业出版社．2008:4－6．

[5]国家安全生产监督管理总局．MT/T1057－2008立井井筒地面预注浆效果压水试验检验方法[S]．北京．煤炭工业出版社．2008:6－7．