立井过砂岩富含水层工作面预注浆分析

任亚东

(河南锦源建设有限公司，河南 郑州 450000)

随着煤矿开采范围和深度的不断增加，煤矿立井井筒的深度不断加深，井筒突水的危险性也在不断增大，突水区域也在不断扩大。立井井筒地下水突出是立井施工中一种极其复杂的现象，它在很短的时间内，由岩层内向井筒突然涌出大量的地下水，严重影响井筒施工进度和安全。因此，解决立井井筒突水问题已经成为我国矿业界的重大技术难题之一[1-3]。

砂岩是石炭—二叠纪煤系地层顶板、地质地貌的独特特征，以岩石坚硬、纵向裂隙发育横向不贯通、含水层量大为主要特征。河南省内豫北、豫西绝大多数矿区的立井井筒施工需穿过砂岩含水层，过砂岩期间极易造成突水淹井事故，严重影响了井筒施工的进度及安全。如何安全、快速通过有砂岩层，一直是全国建井行业共同探求的难题[4]。本次尝试利用注浆钻孔向岩体注入10～11 MPa高压浆液，强制置换出岩层缝隙内含水并固结成岩，同时在井筒周边10 m范围内形成隔水帷幕，把水控制在井筒周边8 m范围以外。通过本次尝试，为类似井筒施工提供工程经验。

1 工程概况

裴沟煤矿43采区樊寨副立井井筒直径7 m，井口设计标高+229 m，落底标高-546 m，井深775 m，施工至井深381 m时，井筒出现突水现象，单孔最大涌水量130 m3/h，水压最大达2.8 MPa，通过下放钻孔内摄像头对井下围岩节理裂隙发育情况进行观测，多为竖向裂隙，横向不联系。根据井检孔钻孔柱状图岩性描述，本段主要为中粗粒砂岩，呈灰色、灰白色，巨厚层状，上部中粒结构，下部粗粒结构，成分以石英为主，次为长石，次棱角状，分选差，纵向裂隙发育，裂隙面被铁质、水浸染，有小溶洞，硅质胶结，岩芯破碎，富水性强。同时结合井检孔资料判定该层位为二叠系平顶山组富含水层，厚度57 m，实测该含水层涌水量为187 m3/h。第1回次采用普通水泥工作面预注浆，吸浆量少，升压快，效果差，达不到预期目的，严重影响建设工期。

2 工作面预注浆方案

注浆方案的总体目标要求：利用浆液把裂隙极发育且连通性好的砂岩层空隙充填饱满，固结成岩，形成整体帷幕，改变井筒周边的水流方向，改善此井段周围地层物理力学性质和赋水性，同时制定专项措施确保高压注浆期间已施工副井井壁不受损坏。

前期采用10 MPa以上高压、高密度双层梅花型注浆孔、清水、水玻璃强制置换出岩层缝隙、细小裂隙通道内锈蚀物，打通注浆通道，后期强压下利用高性能、微膨胀水泥浆等新型材料进行充填注浆，在井筒周边8 m范围内形成一道隔水帷幕，把水控制在井筒周边8 m范围以外，工作面预注浆采用分段整体推进的方法，最大限度地利用水泥浆液在井筒水平断面上形成帷幕圈，提高注浆成效，彻底根治井筒涌水。

3 施工难点

(1)该砂岩的层位深度为381～438 m，厚度达57 m，地质勘察预计该含水层涌水量187 m3/h，实测单孔(φ90 mm)最大涌水量130 m3/h，水压2.5～2.8 MPa，水量大、水压大，工作面预注浆难度大。

(2)该层砂岩竖直裂隙极为发育，横向裂隙不发育，部分裂隙贯通，透水性极强，突水危险系数大。

(3)该层砂岩采用普通注浆法时吸浆量少，升压快，与涌水量不对称，造成注浆效果差或无效。

(4)该层砂岩注浆凿孔时出现流沙破碎带，钻孔出现涌沙、淤沙，造成钻杆无法拔出、钻孔无法注浆和透孔。

(5)该层砂岩主要为中粗粒砂岩，质地坚硬，钻机凿孔深度受限，造成注浆段高低，每回次掘进进尺有限。

4 施工工艺及技术要求

4.1 注浆钻孔布置

注浆钻孔布置对工作面预注浆的成败至关重要，因此结合超前探测资料以及以往注浆经验设计了本次注浆钻孔布置方案，本次钻孔布置设计分为基础钻孔、补强孔和检验孔，确保形成帷幕。同时由于每回次注浆搭接部位孔间距较大，结合实际情况，适当情况下增加颈部补强钻孔。

(1)基础孔。内外双圈布置，孔口、孔底呈梅花型布置，成三角连锁区域，增加帷幕封闭性，减少注浆空白区域。具体布置如图1、图2所示。

图1 钻孔平面布置Fig.1 Drilling layout

图2 钻孔立面Fig.2 Drilled facade

(2)补强孔。内外圈钻孔施工完成后根据现场情况进行补孔，单孔涌水量>5 m3/h的钻孔，在其两侧进行补孔，补孔参数与单孔涌水量>5 m3/h的钻孔一致；若补孔的单孔涌水量仍>5 m3/h，则在该孔施工完成后在与其两侧钻孔的中间位置处各布置1个钻孔，直至钻孔涌水量≤5 m3/h。

(3)颈部补强钻孔。布孔形式与基础孔一致，径向倾斜布孔，个数与外圈基础孔保持一致；孔底一般布置于井筒轮廓线外6 m，与本回次基础孔注浆区域进行重合；孔口尽量布置靠近于井筒掘进轮廓线，以加大上部井壁薄弱段的注浆区域。

(4)检验孔。检验孔根据现场注浆情况确定，井筒中心处布置1个，其他检验孔布置原则：钻孔单孔涌水量>20 m3/h的区域也需重新布置检验孔，参数与单孔涌水量>20 m3/h的钻孔一致。如果检验孔无水则注入适量浆液并达到终孔要求封孔；若检验孔单孔涌水量>1.5 m3/h，则该检验孔充作注浆孔重新进行注浆，然后再布置检验孔直至检验孔涌水量≤1.5 m3/h。

4.2 钻孔结构

使用φ130 mm型冲击器钻头开孔至孔口管深度后，下入φ108 mm×8 mm的孔口管，然后使用φ90 mm钻头套孔钻进至设计深度。孔口管采用φ108 mm×6 mm的无缝钢管，单节长度1.5 m，孔口管上部焊接子母扣法兰中凹盘，凹盘与阀门连接采用高强度螺栓。为防止埋设孔口管期间钻孔发生涌沙无法进行注浆，正常地质区域孔口管长度按照15 m布置，破碎带区域孔口管长度调整为7 m，同时每个孔口管需采用2根φ20 mm×2 m长锚杆进行固定。 孔口管埋设后，安装注浆堵盘，并进行耐压试验。

4.3 钻孔施工顺序

为加快钻孔进度，采用2台钻机同时进行对称打孔，先施工外圈孔，后施工内圈孔，然后再进行补孔、中部补强孔，最后施工中心钻孔和效果检验孔。

4.4 注浆流程

标定孔位→确定钻孔方位角→造孔→洗孔→注浆埋孔口管→注水测定孔口管耐压值→钻孔→放水、压水→注单液浆→注双液浆→再注单液浆→双液浆封孔。

4.5 注浆参数

(1)注浆段高。本次含水层厚度为57 m，设计注浆孔深度33 m，前3个回次注浆结束每次允许井筒掘进距离13 m，预留不小于20 m超前距，第4回次穿过含水层，且穿过砂岩底板不小于10 m处，通过探注与掘支交替作业方式通过该含水层。

(2)注浆材料及配比。采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥、CGM-1000型超细水泥和BY12-I型高性能无收缩注浆料、BY12-IA型早凝早强高强注浆料、水玻璃模数为3.0～3.3的改性水玻璃。注浆时优先采用普通硅酸盐水泥，当出现吸浆量少，升压快时采用超细水泥。单浆液密度要控制在1.1～1.2t/m3(水∶水泥=6∶1～3∶1)，双液浆的水泥浆与水玻璃浆液配比为1∶(0.8～1.0)(体积比)；单孔涌水量大于10 m3/h，采用普通注浆法：水泥单液浆，水泥、水玻璃双液浆；单孔涌水量5～10 m3/h，采用超细水泥注浆；单孔涌水量小于5 m3/h，采用BY12-I型高性能无收缩注浆料、BY12-IA型早凝早强高强注浆料。

(3)注浆方式及注浆压力。平行作业注浆时要间隔跳孔作业方式，防止注浆发生串浆。注浆时按照分级打压原则，先高速挡后低速挡，按照4速→3速→2速的顺序对钻孔进行注浆，高速挡注浆时升压后及时更换为低速挡，直到2速挡达到注浆结束标准后停止注浆。孔内注浆采用孔口、孔底正反向同时注浆方式，下行注浆管在围岩破碎时采用钢管。具体布置如图3所示。

图3 下行注浆示意Fig.3 Downward grouting indication

根据实际施工经验，注浆压力的大小可用经验公式计算：

P=(2～4)Pw

式中，P注浆压力；Pw为注浆点的静水压力。

根据探水期间实测静水压力确定此次工作面注浆终压，现场实测静水压力2.5～2.8 MPa，则注浆压力控制在10～11 MPa。孔口管耐压值主要取决于注浆的最大压力和注浆终压，孔口管耐压值不低于12 MPa，且持续时间不小于30 min。

5 注浆结束标准和注浆效果评价

注浆泵的2速挡的注浆压力达到11 MPa，吸浆量低于20 L/min且持续30 min；注浆孔的涌水已封堵、无喷水，且其涌水量小于1 m3/h。砂岩富含水层工作面预注浆总共施工钻孔124个，注浆前最大涌水量达到130 m3/h，注浆后整个段高内涌水量不超过2 m3/h，材料用量为普通硅酸盐水泥301.6 t，超细水泥758.59 t，注浆料427.9 t。掘进期间的涌水量均不大于2 m3/h，取得了较好的效果，顺利完成了该段砂岩的井筒掘砌施工。

6 结语

杨河煤业43采区副立井过平顶山富含水层砂岩工作面预注浆堵水，通过采用优化段高控制、优化钻孔布置、采用新型注浆材料、孔内正反同时注浆和优化复杂地带注浆措施的实施，成功地完成了平顶山富含水层厚砂岩段的探注、掘进工作，掘进期间最大涌水量2 m3/h，成功穿过砂岩富含水层57 m，该工作面预注浆技术堵水效果良好。研究为今后在类似立井工程过富含水层施工积累了工程经验，具有广泛的推广和应用价值。