高压旋喷桩在某煤矿含水层斜井掘进中的应用

赵悦文

(国家能源集团乌海能源公司骆驼山煤矿， 内蒙古 乌海市 016000)

0 引言

骆驼山煤矿井田南北长约6.1 km，东西宽约4.7 km，面积约28.47 km2。矿井采用斜井开拓方式，设计生产能力150 万t/a，矿井工业场地及主副斜井都布置在井田北部边界外的平沟煤矿Ⅲ盘区内[1]。

骆驼山煤矿地表为残坡积沙、砾石层、沙土及冲洪积沙，井筒建设中需逐步穿过第四系湿陷性粉土层，粗砾岩层，二叠系上、下石盒子组，山西组，石炭系太原组，本溪组进入奥陶系地层。主斜井斜长1231.6 m（倾角22°），一号副斜井斜长1079 m（倾角22°），两条斜井已于2007 年竣工。

主斜井及副斜井在掘进过程中，井筒在穿过第四系及其下部基岩风化带时井筒涌水量较大，井筒建成后该区段井壁持续涌水，并随季节性降雨变化明显。井筒持续出水增加了矿井排水费用，且出水携砂给井筒带来安全隐患，需封堵主斜井和一号副斜井壁后现有出水点。

1 井筒水注浆治理方案设计

通过对井筒水文地质条件及出水情况的分析，骆驼山煤矿主斜井和副斜井井筒水治理工程的总体目标是在井筒外围进行注浆帷幕，截断第四系松散岩类空隙潜水补给水源，同时在井筒壁后进行壁后注浆，充填长期涌水形成的空隙和空洞，加固井筒并进一步封堵井筒涌水。

注浆方案的设计主要依据井筒漏水量、加固段所穿过地层的水文地质条件、井壁结构、井壁材质、注浆目的等因素，以“标本兼治”为原则，以封堵井壁涌水、加固井壁为主，封堵含水层为辅，既解决当前涌水量较大的问题，又能对井筒安全构成威胁的壁后空隙和空洞等涌水通道进行治理。

经综合考虑，对井筒涌水的补给水源—第四系松散岩类孔隙潜水进行旋喷注浆截流，对井筒壁后松动圈和长期涌水形成的空隙和空洞等涌水通道进行壁后注浆充填和封堵，以确保达到既封堵井筒涌水，又充填加固井筒壁后空隙和空洞的目的，消除井筒后期生产运行期间的安全隐患。

2 井筒水注浆治理方案设计

根据骆驼山煤矿主副斜井井筒出水点情况可知，其绝大部分出水层段为第四系含水层和基岩风化带。其中，主斜井出水层段主要集中在K0+37 m以下，副斜井出水层段主要集中在K0+2 5m 以下，判断K0+25 m 为第四系含水层水位标高。主斜井的松散层与基岩交界面标高为K0+36.6 m，一号副斜井的松散层与基岩交界面为K0+40 m，判断K0+40 m 为松散层底界标高。

为确保对松散含水层旋喷注浆帷幕的顶底界截流阻水效果，设计旋喷桩顶界高出松散层水位线2 m，设计旋喷桩底界深入松散层与基岩交界面2 m；同时为了避免旋喷高压注浆过程中破坏井筒顶底板，要求旋喷桩顶界要低于井筒底板2 m，要求旋喷桩底界要高于井筒顶板2 m。

经分析确定，主斜井旋喷注浆治理段为K0+19.1 m 至K0+62.2 m，旋喷注浆治理段长为40 m；副斜井旋喷注浆治理段长为K0+16 m 至K0+65.1 m，旋喷注浆治理段长为45.5 m；主副斜井单根旋喷桩注浆段长为9 m。

为了保证旋喷注浆帷幕效果，设计两排旋喷桩，考虑旋喷桩直径为0.5～0.6 m，旋喷钻孔孔间距设置为0.5 m，排间距为0.3 m，两排间的旋喷钻孔呈梅花形布置，以确保单根旋喷桩之间的帷幕搭接效果（见图1）。考虑井筒两侧钻孔旋喷注浆过程中对井壁的影响，内排钻孔距两侧井筒外壁的间距为0.3 m。

图1 主副斜井旋喷注浆帷幕钻孔设计平面

3 高压旋喷注浆工程施工方案

3.1 钻孔布置与结构

考虑到井下施工旋喷钻孔困难，主副斜井旋喷注浆钻孔全部设计为地面钻孔，其中井筒两侧钻孔、主斜井K0+62.2 m 处钻孔、副斜井K0+65.1 m处钻孔均设计为地面垂直钻孔。主斜井K0+19.1 m处钻孔和副斜井K0+16 m 处钻孔由于无法在井筒上方直接施工垂直钻孔，为了确保旋喷注浆帷幕封闭止水效果，地面旋喷钻孔孔径均设计为Φ90 mm，其中在主副斜井井筒两侧钻孔、主斜井K0+62.2 m处钻孔、副斜井K0+65.1 m 处钻孔单孔孔深均为17 m。

3.2 高压旋喷注浆参数

3.2.1 注浆材料

旋喷注浆材料包括水泥、食盐、三乙醇胺，其中水泥单液浆水灰比为1:1[2]，食盐和三乙醇胺为添加剂，食盐添加进入水泥浆液的比例为5‰，三乙醇胺添加进入水泥浆液的比例为万分之五[3]。

3.2.2 旋喷注浆工艺参数

（1）喷射流的破坏力与射流速度的平方成正比，喷射注浆的压力愈大[4]，射流流量及流速就愈大，本工程高压水泥浆的压力为20～25 MPa。

（2）为提高固结体直径或强度，可采取重复喷射的方式[5]。采用退杆旋转喷射方式时，退杆速度为0.15～0.25 m/min，旋转速度取15～25 r/min。

（3）喷嘴一般采用指数收敛直径为2～3 mm的硬质合金喷嘴，数量为1～2 个。

3.2.3 旋喷注浆工程量

（1）主斜井旋喷注浆工程量。由于在主斜井两侧和K0+62.2 m 处单根旋喷桩旋喷段长为9 m，因此根据在主斜井两侧和K0+62.2 m 处的总旋喷桩根数为349根，计算可得其旋喷注浆段长为3141 m。在主斜井K0+19.1 m 处，旋喷桩都设计为倾斜钻孔。主斜井K0+19.1 m 处旋喷桩旋喷注浆段长为636.2 m。因此，结合主斜井两侧和K0+62.2 m 处旋喷桩的旋喷注浆段长为3141 m，计算得到主斜井总的旋喷注浆段长为3777.2 m。

（2）一号副斜井旋喷注浆工程量。由于在副斜井两侧和K0+65.1 m 处单根旋喷桩旋喷段长为9 m，根据在副斜井两侧和K0+65.1 m 处的总旋喷桩根数为431根，计算可得其旋喷注浆段长为3879 m。在副斜井K0+16 m 处，由于旋喷桩都设计为倾斜钻孔，统计得到副斜井K0+16 m 处旋喷桩旋喷注浆段长为574.8 m。因此，结合副斜井两侧和K0+65.1 m处的旋喷桩的旋喷注浆段长为3879 m，计算得到副斜井总的旋喷注浆段长为4453.8 m。

3.2.4 旋喷注浆施工

由于旋喷注浆桩设计的间距为0.5 m，实际施工中按1 m 的孔间距跳孔施工，使用的设备与机具主要有旋喷钻机、高压注浆泵、浆液搅拌机、旋喷钻喷一体钻具等[6]。

具体实施方式详见图2，在钻进成孔时，由于受到钻进阻力，组合钻具被轴向压缩，这时旋喷喷头基本封闭，钻进液由钻杆中心通过芯体2 上的组合孔进入芯体的连通腔，再通过芯体上的前组合孔进入钻头，达到钻进排硝、冷却、润滑目的。在旋喷时，由于受到重力及浆液压力，组合钻具被轴向拉伸，这时芯体的连通腔封闭，旋喷喷头打开，高压水泥浆液由喷头喷出，达到旋喷成桩的目的[7]。

图2 钻喷一体钻

4 旋喷注浆实施效果分析

4.1 主斜井实施分析

2020 年11 月3 日主斜井地面旋喷施工已完成所有设计工程量。分析发现，前期多个旋喷钻孔施工过程中存在漏失情况，考虑到反复扫孔注浆导致孔壁存在浆壳，可能存在旋喷桩成桩效果不佳的情况，故在原有双排帷幕线中间设计26 个验证钻孔进行针对性探查验证。

施工成果表明，在原设计帷幕底界深度以下时，未发现存在完整基岩或者是经水泥浇筑的完整乱石和砂土凝胶体，而是返出类似井下壁后注浆钻孔一样的黄沙土，分析认为该区域在原设计帷幕底界以下揭露的黄沙土为井筒掘进进入基岩段开凿后的回填杂土，随着帷幕及井下壁后注浆工作的结束，区域水位恢复，此区域会在松散层水水压的作用下形成新的过水通道，这会致使井筒底板破裂。

2021 年2 月16 日井下壁后注浆设计工作量完成后，针对井下局部残存出水点进行排查分析，决定对井下原主要出水区域K0+36 m～K0+58 m进行探查性注浆。钻孔间隔1 m 均匀布置于井筒两侧，共计施工钻孔44 个，钻探进尺21.12 m；测试注浆压力控制在0.25～0.35 MPa 之间，累计注浆0.8 m3，单孔吃浆量0.018 m3，整体吃浆量很小，说明整个施工区域井筒壁后已无可注性，进一步佐证壁后注浆工作已完成填充井筒壁后空洞的任务。

4.2 副斜井实施分析

2020 年11 月23 日副斜井地面旋喷施工已完成所有设计工程量。由于未见井下涌水量有明显衰减，且所有旋喷帷幕钻孔施工过程中无明显漏失点，多方论证后认为，副井暖风机房整体坐落在副斜井井筒上方，导致帷幕线距离井壁过远无法保证帷幕完整性，故在尽可能贴近暖风机房位置处向井壁施工探查验证孔验证帷幕施工效果。

副井暖风机房东侧施工探查验证孔19 个，施工至原设计帷幕底界深度，施工过程中均未发现明显漏失，终孔后再次高压旋喷封孔；累计旋喷桩长221.3 m，水泥用量44.4 t，单米平均旋喷水泥用量约0.2 t，符合设计参数要求。故此证明副斜井施工区域地面旋喷帷幕符合设计要求。

2021年3月22日副斜井涌水量已锐减至5 m3/h左右，分析发现，随着施工进度向井口方向推进，前序钻孔施工已对壁后主要出水通道进行了有效封堵。但前序钻孔施工过程中有多个钻孔存在底板跑浆漏浆现象，虽已采用双液浆间歇注浆的方式封堵，但仍可能存在盲区。因此，研究决定针对K0+55～K0+35 m 区域进行检查性注浆验证。

针对K0+55～K0+35 m 之间跑浆串浆情况，3月23 日至3 月24 日施工了10 个检查验证孔，钻孔主要布置于前序跑浆钻孔近侧，累计孔深23.59 m，测试注浆压力控制在0.4～0.5 MPa 之间，累计注浆3 m3，单孔吃浆量为0.3 m3，整体吃浆量很小，说明整个施工区域井筒壁后已无可注性，进一步佐证壁后注浆工作已完成填充井筒壁后空洞的任务。

4.3 治理效果分析评价

4.3.1 主斜井治理效果评价

主斜井旋喷注浆治理段为 K0+19.1 m 至K0+62.2 m，旋喷注浆治理段长为40 m；井下壁后注浆治理段为K0+15 m 至K0+65 m 区域，壁后注浆治理段长为50 m。工程开工前按照要求在治理段下方水沟处安设了流量表，由监理组织矿方和施工单位代表共同对治理区域的涌水量进行了测量记录，测得主斜井治理段（K0+19.1 m～K0+62.2 m）涌水量为62.94 m3/h。2021 年4 月治理工程结束后，三方组织人员对主斜井治理段进行了为期1 个月的密集观测（4 月1 日至4 月29 日），最终计算得出主斜井平均最终涌水量为4.93 m3/h，较工程初始涌水量减少58.01 m3，堵水率达到92.1%，满足设计要求。

4.3.2 副斜井治理效果评价

副斜井旋喷注浆治理段为K0+16 m～K0+65.1 m，旋喷注浆治理段长为45.5 m；副斜井井下壁后注浆治理段长为K0+5 m～K0+55 m，壁后注浆治理段长为50 m。工程开工前按照要求在治理段下方水沟处安设了流量表，由监理组织矿方和施工单位代表共同对治理区域的涌水量进行了测量记录，测得一号副斜井治理段（K0+16 m～K0+65.1 m）涌水量为29.42 m3/h。2021 年4 月治理工程结束后三方组织人员对副斜井治理段进行了为期1 个月的密集观测（4 月1 日至4 月29 日），最终计算得出副斜井平均最终涌水量为1.77 m3/h，较工程初始涌水量减少27.65 m3，堵水率达到93.98%，满足设计要求。

4.3.3 松散层水位变化对地面建筑物影响评价

主副井筒作为骆驼山煤矿的主要生产系统组成部分，其配套的建筑众多，主要有主井驱动机房、联合建筑楼、副井加热室、副井井口房、主井空气加热室、空压机站等。参照《矿井初步设计》，以上建（构）筑层均为高17 m 以下的双层或单层建筑，建筑结构以钢筋混凝土框排架结构为主，基础构造均为钢筋砼独立基础。

根据观察，多年涌水携砂对井筒上覆及周边建筑存在不同程度的影响，由于缺少有效的背景观测值，已无法全面评价多年来地下水水位下降对井筒周边建筑造成的影响。随着井筒水治理工程效果的显现，周边第四系地下水位快速回升，针对水位恢复阶段对地面建筑的影响评价工作也急需开展。矿山于2020 年11 月1 日井筒水治理工程施工过半后在井筒周边设立多个建筑物沉降观测点，持续监测地面沉降情况，观察持续时间至2021 年3 月23 日。

结果表明，地面各个建筑基础标高相比治理前均存在不同程度的变化，大部分观测点数据显示建筑基础在观测期内既有沉降也有抬升，尤其是副井加热机房西北部D15、东侧中北部D8 两个观测点持续沉降。分析认为其他建筑物地基标高变化随第四系水位变化趋势明显，而副井加热机房则因平面内靠近井下出水位置，处于第四系水位降落漏斗的中心部位，随着井下出水点的成功处置和水位恢复，副井加热机房基础沉降趋势必然能得到有效遏制，但是建筑内外非承重墙体和屋内砼地坪与建筑结构本身因沉降产生的分离裂缝存在一定的安全隐患，需进行修缮后才能重新启用。

5 结论与建议

（1）骆驼山煤矿主斜井、一号副斜井井筒水治理工程采用地面旋喷帷幕截断井筒涌水的补给水源—第四系松散岩类孔隙潜水，减少井筒涌水量。壁后钻孔注浆充填了井筒壁后松动圈和由于长期涌水形成的空隙和空洞，提高了井筒围岩稳定性，封堵了井筒涌水。

（2）主斜井、副斜井旋喷钻孔施工符合设计要求，严格按照旋喷工艺设计参数，所有旋喷钻孔均达到成桩标准，资料真实可靠，质量合格。

（3）施工的辅助工程包括：施工水位观测孔7个，施工降水井2 个，主、副井壁后空洞探查钻孔59 个，井筒壁后取砼样6 组进行了岩石力学测试，辅助工程的实施为矿井安全运行提供有效助力。

（4）通过多日测量，主斜井治理段涌水量由开工前的62.94 m3/h 减少至4.93 m3/h，减少了58.01 m3，堵水率达到92.1%，满足矿井安全使用要求。副斜井治理段涌水量由开工前的29.42 m3/h 减少为1.77 m3/h，减少了27.65 m3，堵水率达到93.98%，满足安全使用要求。

根据上述结论，提出了以下两点建议：

（1）针对主斜井、一号副斜井第四系松散层段，应长期观测注意涌水量变化情况；地面松散层水位观测孔和降水井加强防护，并将其纳入矿井水文观测体系中分析总结。

（2）对井筒周边建筑物进行系统排查，并编写评价报告，对存在安全隐患的地面建筑及时进行修缮后再行启用。