立井冻结孔导水通道注浆堵水施工技术

张秀兵

(山西中太工程建设监理公司，山西 太原 030001)

白家海子矿井水文地质类型为复杂类型，立井井筒穿越四个含水层，砂层和弱固结岩层厚度大，为保证井筒施工安全、井筒质量、施工工期，并吸取周边矿井建井经验采用全深度立井冻结法施工。冻结孔钻孔与冻结管之间的环形空间采用缓凝水泥浆液进行充填处理，预防冻结管外环形空间成为竖向导水通道，但限于地质地层条件和水文水质条件复杂、缓凝水泥浆液配比和置换高度、冻结管与水泥浆液粘结强度弱、冻融、施工扰动、马头门冻结管封堵等多种因素影响，冻结管外环形空间很难避免成为竖向导水通道。

1 工程概况

白家海子矿井位于国家大型煤炭基地——神东煤炭基地内的东胜煤田纳林河矿区，矿井生产能力1 500万t/年，采用立井开拓方式，工业场地内布置主井、副井、中央1号回风立井、中央2号回风立井4个井筒，井筒净直径分别为φ9.5 m,φ10.5,φ7.0 m,φ6.8 m，井筒深度分别为765.0 m,755.0 m,704.0 m,679.0 m，冻结孔布置图见图1。

2 水文地质情况及井筒涌水量

矿井内主要地下水含水层可划分为新生界松散岩类孔隙潜水含水层(组)和中生界碎屑岩类孔隙裂隙承压含水层(段)两类，较厚层泥岩和粘土岩为隔水层。根据地下水的埋藏条件及其水力特征，井筒穿过各含、隔水层自上而下分述如下。

2.1 新生界松散岩类孔隙潜水含水层(组)

该含水层是下部志丹群(K1zh)碎屑岩类承压水含水岩组的直接补给来源，该层主要受大气降水的补给，该组地层平均厚度46.07 m。最大降深时涌水量3.13 L/s，单位涌水量0.157 13 L/(s·m),渗透系数0.530 1 m/d，Kcp=0.597 4 m/d，含水层的富水性中等，水化学类型为SO4-K+Na型水。

2.2 中生界碎屑岩类孔隙裂隙承压含水层(段)

1)白垩系下统志丹群(K1zh)碎屑岩类孔隙、裂隙承压含水岩(段)。该组地层结构疏松，孔隙率高，给地下水形成良好的储水空间，是主要含水岩(层)组，透水、含水性较强，平均厚度343.33 m，最大降深时涌水量2.86 L/s，单位涌水量0.174 71 L/(s·m),渗透系数0.050 81 m/d，Kcp=0.068 14 m/d，含水层的富水性中等，水化学类型为SO4-K+Na型水。

2)安定组和直罗组(J2a-J2z)地层碎屑岩类孔隙裂隙承压水含水层(段)。平均厚度234.37 m，最大降深时涌水量1.192 L/s～1.69 L/s，单位涌水量0.046 8 L/(s·m)～0.047 98 L/(s·m),渗透系数0.049 67 m/d～0.052 91 m/d，Kcp=0.048 25 m/d～0.063 62 m/d，含水层的富水性弱，水化学类型为SO4-K+Na.Ca,SO4-K+Na型水。

3)延安组(J2y)地层碎屑岩类孔隙裂隙承压水含水层(段)。为本区的含煤地层，揭露厚度75.10 m～150.47 m，最大降深时涌水量1.894 L/s～1.95 L/s，单位涌水量为0.060 8 L/(s·m)～0.053 53 L/(s·m),渗透系数为0.118 7 m/d～0.053 86 m/d，Kcp=0.116 4 m/d～0.060 94 m/d，含水层的富水性弱，水化学类型为SO4-K+Na.Ca型水。

4)隔水层。侏罗系中统安定组(J2a)的中上部及直罗组(J2z)的中上部,分布有多层泥岩、砂质泥岩等泥质岩类及其互层组成的岩层，其岩性较致密，直罗组揭露厚度153 m左右，安定组揭露厚度66 m左右。侏罗系中统延安组(J2y)的煤层间也分布有多层泥质岩类及其互层组成的岩层，其横向上具不连续性，垂向上与各粒级砂岩呈互层状分布，它们为基岩中的隔水层，延安组二段揭露厚度72 m左右，延安组三段揭露厚度88 m左右。

2.3 井筒检查孔抽水试验所取得水文地质参数估算井筒涌水量

主井井筒涌水量为659 m3/h；副井井筒涌水量为631 m3/h；中央1号回风井井筒涌水量为525 m3/h；中央1号回风井井筒涌水量为525 m3/h。

3 导水通道及井筒防治水方案设计

1)水平导水通道：井筒穿过多个含水层，水平方向来水通过井筒施工缝薄弱位置、井筒裂缝渗入井筒内，需要采取壁间注浆、壁后注浆、井壁修复阻断出水点，同时起到加固井筒和壁后冻融损伤岩层的作用。

竖向导水通道：地质地层条件和水文水质条件复杂、缓凝水泥浆液配比和置换高度、冻结管与水泥浆液粘结强度弱、冻融、施工扰动、马头门冻结管封堵导致冻结管外环形空间成为薄弱部位，成为良好的竖向导水通道，上部含水层持续向冻结管外环形空间汇集，造成马头门上部冻结管承压突水，破坏井下构筑物；在垂直导水通道的下部水压较大，通过弱固结岩层或岩层交界面作用于井筒。

2)井筒防治水方案：采取“先堵后排”，先通过立井冻结孔导水通道注浆封堵环形空间竖向导水通道，降低井筒涌水量；再通过壁间注浆、壁后注浆、井壁修复阻断水平导水通道，进一步降低井筒涌水量，并配合积极的排水措施。该方案有效降低井筒涌水量、预防井筒突水、确保安全，为矿建二期工程施工创造有利条件。

割孔及注浆工艺流程见图2。

4 注浆方案设计和施工工艺

4.1 注浆方案设计

4.1.1注浆层位选择及注浆扩散半径范围

注浆层位的选择应满足在主要含水层下，选择稳定隔水层进行局部注浆封堵，根据井筒检查孔和井筒实际揭露地质资料，侏罗系中统安定组(J2a)的中上部和侏罗系中统直罗组(J2z)的中部存在泥岩、砂质泥岩，是稳定的天然隔水层，因此选择389 m～400 m,619 m～630 m进行注浆。对马头门位置冻结管采取特殊措施封堵冻结管端部，双液多次复注封堵冻结管环形空间和马头门上部突水点。

浆液的有效扩散半径一般6 m～10 m，利用原有冻结管和测温孔进行注浆，冻结孔和测温孔终孔孔斜和孔深误差满足规范要求，其间距较小，注浆孔间距满足浆液扩散半径。

4.1.2注浆材料

注浆材料以水泥单液浆为主，水泥浆液以普通硅酸盐水泥为主，水泥标号为P.O42.5R,水灰比为0.5∶1～1∶1，正常注浆取0.75∶1；特殊区段使用水玻璃—水泥双液，水玻璃模数为2.4～3.4，水玻璃浓度35Be′～42Be′，体积比为1∶0.5～1∶1.3；严格控制水泥细度小于5%，正常控制在2%以下，增加浆液的渗透性；因纯水泥浆容易沉淀析水、稳定性差、凝结时间较长，在地下室流速较大时水泥浆液易受到水的冲刷和稀释，为此添加工业级三乙醇胺、工业级食盐，提高水泥浆液的稳定性和注入性，同时注意搅拌水泥浆防止离析。

注浆过程中，根据注浆量和压力变化情况，及时调整浆液浓度：当某级浓度注入20 min～30 min后注浆量不减或压力不提高时，调高浆液浓度，若浆液浓度提高后仍不升压及时改用双液注浆。

4.1.3注浆压力

根据煤矿井巷工程施工规范：孔深不大于400 m的注浆层位终压值取静水压力的2.5倍～3倍，孔深大于400 m的注浆层位终压值取净水压力值的2倍～2.5倍，同时使用井下可视探头观测井壁，防止压力过大损坏井壁。结合以往环形空间注浆施工经验，在389 m～400 m层位注浆终压取不低于7.8 MPa，在619 m～630 m层位注浆终压取不低于12.6 MPa。

注浆结束标准：注入量为50 L/min～60 L/min及注浆压力达到终压时，继续以同样压力注入较稀浆液20 min～30 min后方可停止该孔段的注浆工作。为防止注浆结束后浆液倒流，继续封管10 h确保水泥浆液终凝。

4.2 注浆施工工艺

施工步骤：扫孔通井→下部层位割孔→注浆→压水替浆→上部层位割孔→注浆→二次灌浆封孔。

扫孔工艺：井筒冻结施工完成后冻结管回收难度较大，仅回收供液管和冻结液，对冻结管用水泥浆进行全管填充。正常情况使用三翼PDC钻头扫除冻结管内填充的水泥浆，特殊情况使用自制三翼弹簧钢板刀片扫除冻结孔内遗留的塑料供液管、使用打捞工具和取芯钻头清除杂物。

割孔工艺：原计划采用聚能射孔弹进行破壁，因火工品申请困难改用水力式内割刀(如图3所示)进行割孔破壁，这是一种利用水压来推动割刀进行管内切割的工具，它较机械式内割刀简单，修理更为方便，切割更为快速。

工艺控制：通过钻杆数量控制扫孔、割孔深度；通过钢屑出渣量控制割孔情况；注浆过程测量水泥浆比重控制水泥浆配比，定时观测注浆泵压力、瞬时排量、注浆量、地面返浆情况、注浆终压和总注浆量，保证注浆效果；通过井下电视成像仪观测井筒出水点和井壁变形情况。

5 注浆效果检验

本工程4个井筒共计完成185个冻结孔割孔注浆施工，使用井下电视成像仪检查井壁情况未发现因注浆压力过大导致井壁破损开裂，通过抽水试验检查井筒漏水量，各井筒总漏水量符合《煤矿井巷工程质量验收规范》要求，达到验收要求。

6 结语

白家海子立井井筒穿越4个含水层，砂层和弱固结岩层厚度大，采用全深度立井冻结法施工。冻结管外环形空间解冻后成为竖向导水通道，导致井壁淋水、马头门突水，严重制约矿井建设生产。

通过分析水平和竖向导水通道，设计井筒防治水方案和注浆方案，包括注浆层位选择、注浆扩散半径范围、注浆材料、注浆压力，为冻结孔环形空间竖向导水通道注浆封堵提供技术支撑。

注浆施工过程中优化冻结管扫孔/割孔工艺，严格落实注浆工艺过程控制，加固水平隔水层和阻断竖向环形空间导水通道，井筒总漏水量控制在规范要求范围，对完善立井冻结法施工工艺和冻结孔环形空间竖向导水通道注浆堵水工艺具有重要意义。