矿井井壁淋水治理技术实践

仇美玲 冯国栋

【摘 要】济宁二号煤矿主井于1989年11月24日～1991年4月30日施工建设，运行30年来井壁出水导致井筒设备锈蚀严重，维护工作量增大，工作环境恶劣，同时存在井筒出水涌沙、垮塌的风险。济宁二号煤矿采取壁后注浆治理后，原明水点及新生的出水点被有效封堵，消除了井壁出水涌沙的隐患，改善了井筒内工作环境，保障了主井井筒的安全运行。

【关键词】井壁;淋水;涌沙;垮塌;注浆;治理

中图分类号： TD745 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）08-0171-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.074

【Abstract】The main shaft of Jining No.2 Coal Mine was constructed from November 24，1989 to April 30，1991. After 30years of operation，wellbore equipment was seriously corroded，maintenance workload increased，and working environment was harsh.At the same time，there were risks of wellbore water gushing sand and collapse.After the wall post-grouting treatment was adopted in Jining No.2 Coal Mine，the original open water point and the new water outlet point were effectively blocked，eliminating the hidden danger of water and sand gushing from the well wall，improving the working environment in the well bore and ensuring the safe operation of the main well bore.

【Key words】Wall of a well;Water drenching;Sand gushing;Collapse;Grouting;Governance

1 概况

1.1 井筒结构

济宁二号煤矿主井井筒净径φ6.0m，井口设计标高+38.00m，井深666.25m。松散层厚度181.30m，冻结深度258m。冻结段井壁为普通双层钢筋混凝土井壁，内、外层厚度分别为400mm、350mm;基岩段采用钻爆法施工，井壁为单层素混凝土井壁，厚度400mm。冻结段外层钢筋混凝土井壁表面铺设25-50mm厚的泡沫塑料板。井筒内布置一对提升箕斗，提升方位270°。安装球扁钢组合罐道，工字钢罐道梁，罐道梁采用支座固定，井筒内铺设通信、信号电缆。

1.2 井壁出水区段

根据现场观察，主井在松散层段主要存在4个显见的出水点，分布于井深45-53m段，出水点均位于罐道梁梁座附近，四个出水点总涌水量约为6.3m3/h。

针对主井井深52.9m西南、西北侧两个水量较大的水点，2013年曾尝试用螺丝刀将棉纱与锚固剂的混合物填入罐道梁梁座与井壁的缝隙，待锚固剂凝固后，采用木楔打进出水口以期起到封堵出水的目的，由于水量及水压较大，封堵效果不理想。

1.3 出水区段地层情况

井筒主要地层从上到下依次为第四系、侏罗系、二叠系和石炭系。井壁出水区段位于第四系，本系深度0-181.3m，厚度181.3m，主要由粘土、砂质粘土、粘土质粉砂及砂砾层组成，属冲积、湖泊相沉积，整个表土层可分为上、中、下三组，其中中组为隔水层，上组有两个含水层，下组有三个含水层，含水层属第四系砂砾含水层，含水量十分丰富，表土以下为侏罗系地层，主要由砂岩、粉砂岩间夹泥岩组成。

2 治理的必要性

根据出水区段的围岩结构可以看出，在出水点壁后直接对应地层为砂姜粘土层，但出水点附近均有沙层分布。在井壁出水分布45-53m段的延伸段35-63m段内，沙层累计厚度為7.66m。

井壁出水长期存在，目前未发现出水携沙现象，但具有出水涌沙的两个基本条件：一是具有壁后相对丰富的水沙源，二是具有出水涌沙的通道。因此应组织治理，以消除这一安全隐患。

另外，封堵井壁淋水可显著改善井筒检修人员的作业环境，减小排水的费用，减小水对井筒装备的锈蚀等不利影响。

3 井壁出水治理

3.1 注浆孔布置

（1）细沙层注浆孔

细沙层顶面埋深53.05m，与主井的两个较大出水点位置接近，细沙层厚度3.3m，设计均匀布设1排孔，共6个注浆孔。一般情况下浅埋土层注浆浆液主要向上扩散，所以注浆孔布置砂层底面，为井深56.35m位置。

（2）出水点注浆孔

针对井深45m、49m东南侧水量较小的两个出水点及可能新生的水点，在距离出水点0.5～1.0位置施工2-3个壁后注浆孔。先注单液水泥浆，出水点返浆时，改注水泥-水玻璃双液浆，待出水点停止出水后，及时换注化学浆液，彻底封堵壁后出水通道及水源。

针对井深52.9m西南侧及西北侧水量较大的两个出水点，在距离出水点1.5m左右位置施工3-4个壁后疏水泄压孔;然后在距离出水点0.5-1.0m左右施工2-3个注浆孔。先注距离出水点较近的孔，初注单液水泥浆，出水点返浆时，改注水泥-水玻璃双液浆，待出水点被封堵后，针对疏水泄压孔注化学浆液，彻底封堵壁后出水通道及水源。

3.2 注浆孔结构

注浆孔利用Φ42mm钢钎成孔;注浆孔结构为“孔口管（Φ42mm）+裸孔（Φ28mm）”。孔口管安装长度设计为0.55m（距离壁后土层0.20m）。注浆孔深度设计为2.0m。采用Φ42mm钢钎钻进0.55m（不破壁），安装孔口管0.55m，再采用Φ28mm钢钎套孔钻进至孔深2.0m。

孔口管采用Φ42mm×4mm无缝钢管加工，孔口管总长度为60cm（主体长度55cm+丝扣、挡环5cm）。外段设置15～20mm长的丝扣，内段加工成鱼鳞扣并缠绕麻丝以增加注浆管与井壁及壁后围岩间的摩阻力。安装时要求孔口管通体紧密缠麻丝，采用专用推打装置进行稳固安装，以保证孔口管与壁后围岩紧密接触，可相对减小注浆压力对井壁的直接作用，相对保护井壁的安全。

3.3 注浆材料

本次井壁注浆主要选择水泥-水玻璃双液浆及溶胶化学浆液。水泥-水玻璃双液浆絮凝固化强化速度快，临时封堵明水点具有优势;溶胶化学浆液具有较好可注性，同等条件下需要的注浆压力低，主要用于封堵壁后水的通道及水源。

（1）水泥-水玻璃双液浆

水泥-水玻璃双液浆是注浆常用材料，浆液配制选用42.5#水泥及40波美度水玻璃。先配制单液水泥浆，然后采用双液注浆泵分别泵取水泥浆及水玻璃，在注浆孔孔口采用三通混合，形成双液浆。水泥-水玻璃双液注浆时，水泥浆的水灰质量比为 W：C=2～1：1，水泥浆：水玻璃浆体积比为 C：S=1：（0.3～0.6），可根据井下实际情况调整其配比。

（2）化学浆液

化学注浆材料设计采用中国矿业大学自主开发研制的ZK-Ⅲ溶胶树脂浆液，由A液、B液及专用改性添加剂组成。与水泥浆相比，ZK-Ⅲ型孔隙溶胶（高分子树脂）属溶液型，具有粘度低、可注性好、凝胶时间可调范围大等优势。可根据注浆过程随时调整浆液配比，调控浆液絮凝固化时间。另外与聚氨酯（马丽散）不同，孔隙溶胶不含硫酸根离子，对井壁的腐蚀作用极为微弱。

此种浆液配方对施工组织和管理要求较高，注浆过程中，须根据注浆压力、现场井壁渗漏情况适时灵活的随时调节A、B液配比，以合理控制浆液的渗透性。

3.4 注浆压力控制

控制注浆压力的主要目的是保护井壁，防止由于注浆压力过大而发生井壁致裂的现象。井壁强度校验采用下式进行：

式中：p为井壁安全压力，MPa;D0为井筒直径，6.0m;H为井壁厚度，0.75m;Rk为井壁材料的允许抗压强度，Rk=Rn/n，14MPa，其中Rn为井壁材料的极限强度，28MPa;n为安全系数，一般情况下n=2。

主井井壁可承受的安全压力计算值为2.9MPa，即注浆过程中注浆压力不得大于2.9MPa。本次注浆最深位置为井深53m，正常情况下最大地应力约为1.1MPa左右，本次注浆的机理为劈裂注浆，考虑1.0MPa的土层粘聚力，则正常情况下，注浆压力最大为2.1MPa。正常注浆过程中应不会对井壁造成影响。

综上计算，本次注浆过程稳定压力不得大于2.1MPa，瞬间冲击压力不大于2.5MPa。实际施工过程中要求专人看管注浆泵压力表，防止发生超压现象。专人监视井壁，防止发生漏浆及井壁破裂现象。

3.5 注浆孔钻进

工艺流程：注浆孔钻至0.55m深度（不破壁）→安装孔口管→套孔钻进破壁→压水冲孔→准备注浆。

（1）钻进顺序：先施工细沙岩层的排状注浆孔，再根据出水量大到小的顺序逐个施工单水点封堵的注浆孔。

（2）钻眼施工：初次用7655风钻，φ42mm“一”字型钻头，扫孔延伸用φ28mm钻头。

（3）压水冲孔，每孔孔口管安装完成后，接通输浆管路进行压水试验，试验压力不大于2.5MPa，压水时间要求持续10分钟。

（4）钻进过程中如果钻孔位置井壁实际厚度小于0.55m，即在未安装孔口管的情况下，钻孔已破壁，则立即停止钻进，拔出钻杆，安装孔口管;如果钻孔出水沙量大，无法安装孔口管，则立即在距离出水沙钻孔0.5m左右位置施工分流疏放孔，减小出水沙的量后，及时安装孔口管。

3.6 注浆施工

工艺流程：连接注浆管路→注浆→封孔。

（1）注浆泵选用QB50/19型气动双液注浆泵，为双液无极变速可调。

（2）压力调整：注浆压力变化有时渐变，有时呈波状，调整压力应与孔内压力情况、浆液配比等密切配合，当浆液配比确定后，人为控制泵量，使压力控制在安全压力之内。

（3）浆液调整：浆液在岩层裂隙渗透扩散过程中，如压力和进浆量稳定不变时，应逐级增大浆液中B液/水玻璃的含量（浆液絮凝固化时间减少）;如压力上升快，进浆量很快减小，应依次减小浆液B液/水玻璃的含量（浆液絮凝固化时间增大），每改变一次浆液浓度持续10分钟。

（4）注浆结束前，应压注清水，使管路大部分浆液注入岩层裂隙中去，但要防止清水压入地层，當压清水时需及时通知孔口准备闭阀泄浆，然后清洗整个注浆系统。

3.7 注浆过程特殊情况处理

（1）井壁跑浆

注浆时出现点、缝轻微跑浆属正常现象，但如从裂缝、接茬或孔洞出现严重跑浆则须及时采取措施：①出现孔洞跑浆可用木楔（缠绕麻丝）楔入堵塞;②出现接茬、缝隙跑浆则可停注一会儿再注（停注时间一般控制在4～5分钟，停注前要压水0.5～1分钟冲洗管路），或适当提高B液/水玻璃浓度并采取间歇式注浆（注入一定量出现跑浆迹象时停注1～2分钟），这种情况下须严防浆液堵塞混合器管路。

（2）已注位置出现新的渗漏点

注浆治理目的水点封堵后，在渗漏水点附近由于壁后水压的回升可能出现新的渗漏点，须在渗漏部位附近补打注浆孔进行补注，直至渗漏点消失。

（3）出现机械故障等

当注浆机械出现故障时，要及时关闭孔口阀门，并将管路中的浆液排出，待机械维修完成后，再扫孔复注，扫孔采用φ28mm“一”字型钻头进行。

4 结论

（1）济宁二号煤矿主井井壁淋水自建井以来长期存在，主要分布于井深45-53m段，出水点均位于罐道梁梁座附近，四个出水点总涌水量约为6.3m3/h。

（2）井壁长期出水导致井筒装备严重锈蚀，井筒维护人员工作环境极为恶劣，根据主井地质断面图分析出水点位于第四系含水层附近，井壁长期存在出水涌沙后垮塌的风险。

（3）主井井壁出水点采取壁后注浆技术治理后，原明水点及新生的出水点被有效封堵，消除了井壁出水涌沙的重大风险，井筒装备及人员工作环境明显改善，保障了主井井筒的安全运行。