孔隙砂岩承压含水层注浆堵水技术

韩敬涛（新汶矿业集团　工程质量监督站,山东　泰安　271233）

孔隙砂岩承压含水层注浆堵水技术

韩敬涛
（新汶矿业集团工程质量监督站,山东泰安271233）

摘要：为了破解孔隙含水岩层透水不进水泥浆的难题，通过使用脲醛树脂类浆液并反复试验影响浆液凝胶时间的相关因素，掌握了脲醛树脂类浆液注浆堵水的操作方法，总结出了凝胶时间与pH值、温度的关系和变化规律。使巷道顺利穿过了孔隙含水层，加快了建设速度，节约了排水费用。

关键词：孔隙水；砂岩水，承压水，注浆；堵水

长城井田被落差300m的F5号逆断层分割为东西两区，新汶矿业集团在这个井田开发长城煤矿300万吨/年改扩建项目，在+920m水平施工一条长2200m的胶带运输石门，功能是连接东西区，将东区的煤炭运输到西区。

巷道揭穿二叠系石盒子组孔隙砂岩承压含水层时，从掘进工作面凿取岩石样本，切割成岩片，在显微镜下测量得到颗粒间的孔隙为0.2mm。水泥浆液能注入的最小孔隙为1.1mm。所以，水泥浆液不能充填砂岩孔隙，而水分子能够在砂岩孔隙内自由流动。这正是孔隙砂岩含水层透水不进水泥浆的原因，也是孔隙水治理难度高的原因。

现将长城煤矿+920m水平胶带运输石门孔隙砂岩承压含水层注浆堵水技术介绍如下：

1　工程概况

1.1水文地质条件

石门揭穿的地层主要为：

石炭系太原组（C2t）：厚度69.09～136.82m，平均86.14m，与下伏地层整合接触。为一套沉积稳定的碎屑岩夹薄层石灰岩，属海陆交互相沉积。岩性为灰～灰白色中粗粒砂岩、细砂岩、泥岩、灰岩及煤层，是本区主要含煤地层之一，顶部以石灰岩（一灰）或海相泥岩与山西组分界。在8煤层上、下发育有良好的砂岩层。粉砂岩主要位于中上部，厚层状，具水平纹理及缓波状层理，属湖泊～沼泽相。泥岩多位于煤层的顶底板处，较细腻，含粘土质，具水平纹理，属湖泊相沉积。共含煤6层，编号为7、8、9、10、11、12煤层，主要可采为9煤层。本组主要标志层为7煤层顶板的一灰和9煤层顶板的四灰。

二叠系山西组（Ρ1s）：该组属陆相碎屑岩系，沉积较稳定，厚度44.55～72.52m，平均56.44m。岩性组合由灰白～深灰色细、中、粗砂岩，灰～灰黑色粉砂岩、泥岩及煤组成，其中以粗碎屑所占比例较大。共含煤3～7层。可采者3层（1、3、5煤层），是本区主要含煤地层之一。本组地层中的砂岩以3煤层之上的层位较发育，一般厚度较大，粒度较粗，但在横向上稳定性较差，有变薄尖灭现象；上部和下部之砂岩粒度较细，局部为中粗粒，在横向上常变为粉砂岩或泥岩。泥岩、粉砂岩多为湖泊、沼泽相沉积，一般常为煤层顶底板。

二叠系石盒子组（Ρ1-2s）：厚度303.78～509.16m，平均389.46m，与下伏地层整合接触。该组可划分上、下两个岩段。上段：厚179.30～231.52m，上部以紫、暗紫色粉砂岩、细砂岩为主夹薄层泥岩、中粗粒砂岩，含少量砾石；中、下部以紫、灰绿色泥岩为主，夹薄层中细粒砂岩，花斑状泥岩包体；底部厚层状粗～巨粒砂岩，成分以石英为主，长石次之。下段：厚124.48～277.64m，呈紫、灰紫色，夹少量灰绿色条带，以粉砂岩为主，次有泥岩、砂质泥岩；中部灰白色细砂岩与灰绿色粉砂岩互层，夹有1～2层薄煤。。本组底部为厚层状灰白色细～粗粒砂岩，泥质胶结，层理面富集白云母片。

巷道揭穿二叠系石盒子组地层时，单层粗～巨粒砂岩涌水量180m3/h。探水钻孔孔口仪表测得水压为1.8MΡа。水温16℃。

1.2巷道特征

+920m水平胶带运输石门，以方位104°向东施工，坡度5‰。半圆拱形断面，净宽4.6m，净高3.8m，净断面15.21m2。采用锚网喷+锚索支护，支护厚度120mm。使用直径22mm、长2200mm的螺纹钢锚杆；锚杆间排距800mm；使用Z2835型树脂锚固剂加长锚；使用6号钢筋菱形网，网孔100mm×100mm；使用直径17.8mm、长6300mm的钢绞线锚索，锚索间距3000mm；喷射混凝土强度C20。+920m水平胶带运输石门横断面如图1所示。

图1

2　注浆工艺及参数

2.1止浆墙

止浆墙使用C25混凝土人工砌筑。水压1.8MΡа，注浆终压取水压的1.5倍，即2.7MΡа；巷道荒断面面积17.19m2；止浆墙混凝土标号C25，抗压强度25MΡа，止浆墙混凝土抗剪强度与抗压强度的比值为0.095～0.121[1]，取最小值0.095，则止浆墙混凝土抗压强度为2.375MΡа；巷道荒周长15.74m。止浆墙厚度应为2.7×17.19÷2.375÷15.74=1.242m。

在巷道周边掏槽，深度0.5m。立模板并支撑牢固，砌筑混凝土止浆墙。

图2　止浆墙示意图

2.2注浆孔布置

注浆方式采用分段前进式。注浆孔数量为10个。钻孔间距800mm，均匀排列，向巷道前方放射状布置。单孔长度100m，允许掘进距离70m，超前钻距及预留止浆岩柱30m。

2.3钻探设备和注浆设备

使用ZLJ-1100型煤矿用坑道钻机，2TGZ-60/210型双液注浆泵，Φ75mm钻杆，Φ91mm终孔钻头，Φ127mm开孔钻头及导向管。

2.4钻孔结构

钻孔结构：开孔直径127mm，孔口用水泥砂浆埋设直径108mm的无缝钢管20m并用锚杆固定，终孔直径91mm。孔口用法兰盘安装4MΡа高压球阀。支管处安装压力表。使用固定卡和止退销预防高压水顶出钻杆。使用铁板预防高压水喷射伤人，铁板通过链环和锚杆固定。

2.5注浆材料

图3　钻孔布置断面图

图4　钻孔布置平面图

根据岩石切片显微镜下测量的孔隙大小，选择脲醛树脂类浆液，可以注入的最小孔隙为0.06mm。脲醛树脂类浆液在注入钻孔前分甲液和乙液。甲液是由脲素和甲醛按照1:2的比例制成的脲醛树脂。乙液是硫酸水溶液。注浆时，将甲乙两种液体混合注入钻孔，硫酸水溶液作固化剂，混合液体在地层内凝胶固化，改变巷道围岩的透水性。脲醛树脂类浆液粘度0.005Ρа·s，渗透系数0.005cm/s，凝胶时间可以在十几秒至几十分钟之间调节，抗压强度2～8MΡа。

2.6影响浆液凝胶时间的因素

为了达到预期的堵水效果，破解砂岩孔隙水治理难题，对可能影响浆液凝胶时间的因素都做了反复探索。先后试验过的因素有：

甲液和乙液的比例：2:1，3:1，4:1，5:1

甲液中脲素和甲醛的比例：1:1.8，1:2，1:2.2

甲液的温度（℃）：15，25，35，45

乙液中硫酸的浓度（%）：2，3，4，5

通过反复试验，发现提高乙液比例、提高乙液中的硫酸浓度、降低甲液温度可以加快脲醛树脂类浆液的凝胶速度；降低乙液比例、降低乙液中的硫酸浓度、提高甲液温度可以延缓脲醛树脂类浆液的凝胶速度。由此得出了pH值和温度影响脲醛树脂类浆液凝胶时间的结论。

图5　凝胶时间与相关因素曲线图

2.7注浆结束标准

注浆终压2.7MΡа；最终吸浆量20L/min；维持终压、终量10min。

钻孔结束一段注浆后，钻进扫孔，向孔内压水，耗水量小于20L/ min时完成本段注浆，耗水量大于20L/min时复注，循环反复直到达到注浆结束标准。

2.8壁后注浆

使用7665型气腿式凿岩机钻注浆孔，单孔深度2000mm，使用直径42mm、长500mm的注浆管，使用2TGZ-60/210型双液注浆泵注入常规水泥-水玻璃浆液，封堵壁后空隙涌水，加固围岩。

3　注浆效果

通过在掘进工作面预注浆，在工作面前方封堵孔隙，隔绝水源，使巷道涌水量由180m3/h降为掘后剩余涌水量12m3/h；通过壁后注浆，使巷道涌水量由12m3/h降为3m3/h。在巷道前方形成封闭的隔水帷幕，改善了巷道的施工条件，保障了巷道的顺利掘进，减轻了全矿井的排水压力。封堵了7个含水岩层地段后，每年可节约排水费用685万元。

4　结论

使用脲醛树脂类浆液可以有效地封堵砂岩孔隙涌水，但是应用条件比水泥类浆液、水玻璃类浆液复杂。其凝胶时间受硫酸水溶液固化剂用量（pH值）和温度的影响。pH值越小，温度越低，则凝胶时间越短。pH值越大，温度越高，则凝胶时间越长。

参考文献：

[1]施士昇.混凝土的抗剪强度、剪切模量和弹性模量[J].土木工程学报,1994,32(02):51.