深厚表土层井壁出水注浆加固技术研究

张 建，朱昌元

(山东公信安全评价有限公司，山东 枣庄 277100)

井壁出水不仅造成井壁混凝土粉化、剥落而影响井筒安全运行，严重时可能造成井筒溃砂突水，威胁矿井的安全生产。自1980年以来，在华东地区的淮北、大屯、兖州和徐州等地已有超过100个井筒井壁发生破坏，诸多破坏的井壁经注浆加固治理后不足3a便再次发生了井壁破坏，均反复多次进行了加固治理，不但井壁安全不能得到保障，更对生产造成较大影响[1，2]。深厚表土层井壁相较其他井壁来说，井壁承受的水压力更大，井壁出水问题频繁且涌水量大，其治理难度更艰巨。本文以张集煤矿副井井壁出水为例，分析深厚表土层井壁出水机理，制定和设计深厚表土层井壁注浆加固方案、注浆参数和施工工艺，分析和研究深厚表土层井壁注浆加固技术。

1 井壁出水特征分析

张集煤矿副井井筒深度671.2m，净直径6.50m，表土层厚度460m，采用冻结法施工，冻结深度619m，于2012年4月建设完成。副井冻结段井壁为内外双层钢筋混凝土复合井壁结构，外层井壁后施工有泡沫塑料板，内外层井壁间铺设高密度塑料薄板。

2014年3月，在副井井筒垂深268m处(井筒西侧)的混凝土井壁接茬处有出水点，水压较大且水流连续，经过几天连续观察出水量明显加大。随后几天井筒内不但环向出水点增多，出水范围沿井壁竖直范围也有增加，其中有4个出水点出现喷水现象(射程约1.5m)，井筒综合涌水量约18m3/h，并有进一步增加趋势。井壁出水有以下几个特点：

1)井深268m混凝土接茬出水呈分散集中式，其中，井深266m接茬在东南侧局部出水，井深267m及268m接茬除东北方向出水不明显外，其余方向多处沿井壁接茬集中出水，且水压较大。

2)井深280m井壁接茬多处集中出水，水压较大。

3)在井深268～290m段高，井壁接茬出现明显环向裂隙，但无渗水现象。

4)两道可缩井壁外喷水泥浆未发现有脱落现象，可判断可缩井壁未有明显变形。

2 井壁出水机理分析

根据井田勘探资料，井深266～290m段高处于新生界松散层第三含水层，相对应的岩层为砂层，该含水层富水性中等，水压大，经水质化验证实井壁出水为第三含水层。在井筒建成后，第三含水层中水压力直接作用在井壁上，由于矿井采动和疏排水引起含水层的水位下降，特别是在表土层厚度大的情况下，含水层水位下降明显，土层固结压缩引起地表沉降，因井筒周围地层整体下移与井壁竖直位移不同步，使井壁受到方向向下的摩擦力增强，即产生竖直向下的附加应力[3-6]。另外，井筒在施工时受季节性气温变化(热胀冷缩)、混凝土强度等因素影响，井壁中可能存在着裂纹。井壁出水多集中在井深280m井壁接茬处，水压较大。

综合以上分析，张集煤矿副井井壁出水主要是由于表土层段含水层水位下降导致井壁承受附加应力增大，同时井壁还承受表土层段含水层水压力；附加应力和含水层水压力加速了井壁接茬处裂纹的扩张和贯通，在二者的长期作用下达到了井壁结构的极限强度，最终导致井壁在接茬处附近最先破坏，从而出现井壁出水现象。

3 注浆方案和施工工艺设计

张集煤矿副井出水量已达18m3/h，井壁出水点埋深大、水压高。随着时间的推移，井壁裂纹会逐渐扩展和贯通，涌水量进一步增大，甚至可能造成井壁突水溃砂。因此，为确保张集煤矿副井井筒的安全使用，应及早开展井筒防治水工作。

3.1 注浆方案的确定

结合井壁出水现状、深厚表土层地质条件及井壁受力分析的基础上，选择井壁壁间和壁后注浆相结合的注浆工艺[7-12]。井筒冻结段采取壁间注浆，封堵壁间渗水通道；对井筒深度250～290m处集中出水点进行壁后注浆，通过壁后套孔复注方式对含水层段壁后空隙予以充填密实，提高井壁整体抗载和防水性能；对井筒深度270m处变径段的井壁进行充填加固，改善地层性质，提高其自承载能力。

3.1.1 注浆方式

由于注浆位置对应地层为表土层，在注浆时有可能发生涌水、涌砂的现象，为尽量减少注浆活动对井壁的扰动，并且增加井壁强度、减少浆液流动阻力，本次井壁注浆采用诱导注浆和单孔少注、群孔多注的注浆方式。

1)诱导注浆。在注浆造孔时同时造孔3个，中间一个用于注浆，两侧孔破壁后安装压力表和高压阀门，实时监测壁后串浆压力，一旦发现压力过大立即打开阀门进行泄浆，每一循环先造2～3个孔进行泄水、压水，联通孔与孔之间的通道，分出先注孔和后注孔。

2)单孔少注、群孔多注。即先增加钻孔密度，然后对浅孔低压注浆，最后深插管或套孔高压注浆。采取控压控量工艺，以低压慢注方式进行注浆，并争取单孔进浆量较为均衡确保壁间夹层或壁后空隙充填密实。

3.1.2 注浆顺序

采取“总体下行、段内上行”注浆顺序，段内采取“上行初注、下行复注”注浆方式，即：自下而上逐排进行初注水泥浆，经套孔后采取下行式进行复注。首先对集中出水段250～290m进行注浆，再依次上行230m(20m为一个段高，设计注浆层位12个)至井筒锁口段进行壁间注浆，最后再对300～610m段进行上行式壁间注浆。

3.2 注浆施工工艺设计

3.2.1 注浆参数设计

注浆材料选择水泥-水玻璃浆液，水泥浆液采用P.O 42.5R水泥，水玻璃浓度为40Be′(模数为2.8～3.4)。在注浆过程中，根据井筒出水水质硬度大及出水裂隙局部发育的特点，随时合理调整浆液浓度配比和注浆参数，提高注浆效果。对于壁间注浆，注浆压力一般为静水压力的1.5～2倍；对于壁后注浆，一般为静水压力的2～3倍。井筒冻结段-6m至-610m段进行壁间注浆，一层布孔6个，孔距3.40m，层间距20m，设计注浆层位30层，造孔180个；-250m至-290m段进行壁后注浆，一层布孔6个，孔距3.40m，层间距3～4m，设计注浆层位10层，造孔60个。考虑到副井在建井期间曾经进行过部分区段壁间注浆，根据现场实际及时调整注浆压力及孔位，以保证合理的浆液扩散范围和井壁安全。

3.2.2 注浆设备

注浆采用QB50/18型气动双液注浆泵和2条高压输浆软管，注浆泵放在罐笼内，二次搅拌罐安置在地面，采用JS-1000型搅拌机，搅拌筒容量不低于0.5m3。此外，配置容量不低于1.0m3的搅拌箱配合输浆。注浆系统设备布置如图1所示。

图1 注浆系统设备布置图

孔口管选用Φ42mm×4.5mm无缝钢管制作，长度为700～900mm(视井壁厚度确定)，前部加工成400～500mm长的鱼鳞扣，后部加工成50mm长的丝扣。注浆孔口管结构如图2所示。

图2 注浆孔口管结构示意图

3.2.3 注浆施工工艺流程

壁后(间)注浆施工利用罐笼搭建工作平台，在注浆地点按设计的孔深和孔径用风锤造孔，然后安装孔口管(孔口管进入井壁部分不小于500mm)并在注浆管路上安装孔口阀、三通阀和高压阀，在进行压水耐压试验后，用Φ28mm钎头从阀门内套孔穿透井壁进入地层。关闭阀门并连接好注浆设施，将配制好的浆液通过注浆泵压入井壁内。注浆施工工艺流程如图3所示。

图3 注浆施工工艺流程图

注浆时，记录压力、浓度、流量的变化，根据注浆参数实时调整注浆材料浓度。注浆施工结束后，通过注浆体内钻孔，用压水、注水或抽水等办法测定围岩的流量及渗透系数，不合格者进行补充注浆。检查孔的数目约为总注浆孔数的5%～10%，布孔的重点是地质条件不好的地段以及注浆质量较差或有疑问的部位。

3.2.4 注浆结束标准

注浆量达到设计要求的80%～120%；出水得到有效治理，井壁无明显出水孔，涌水量小于1.0m3/h，且不得受注浆压力影响而造成井壁发生破坏。

4 注浆效果

注浆工作自2014年3月28日开始，至2014年5月6日结束，共注入水泥203.5t、水玻璃6.2t，各施工孔注浆量和总注浆量均达到设计要求。煤矿建立了井壁安全监测系统，设置了压力传感器、温度传感器、应变传感器，实时测试和评估井壁的安全状态，注浆完成后井壁未发生变化。注浆施工结束后，井壁无渗水，井筒涌水量为0m3/h，注浆效果理想，确保了井筒的安全运行。

5 结 论

1)张集煤矿副井在井深268～290m混凝土接茬处出现集中出水现象，通过从水文地质条件、水质化验和井筒施工情况等方面进行分析，井壁出水主要原因是由于表土层段含水层水位下降导致井壁承受的附加应力增大，附加应力和水压力的共同作用加速了井壁接茬处裂纹的扩张和贯通，最终出现渗水通道。

2)深厚表土层段壁间注浆阻断了井筒内外壁之间的水力联系，对内外层井壁间空隙及内外层井壁裂隙进行了充填加固，井壁承受的附加应力得到缓释；壁后注浆改善了地层的物理性质，使井壁与壁后地层无间隙紧密接触，达到了较好的充填防渗效果。

3)采用诱导注浆和单孔少注、群孔多注的注浆方式尽可能减少了注浆活动对井壁的扰动；根据井筒出水水质硬度大及出水裂隙局部发育的特点，合理调整浆液浓度配比和注浆参数；建立了井壁安全监测系统，实时测试和评估井壁的安全状态。

4)深厚表土层井壁注浆加固技术在张集煤矿副井得到成功的应用，确保了井筒的安全运行，延长了井壁的服务年限，并为国内外相似条件矿井井壁出水治理提供借鉴。