地面顺层孔注浆技术在帷幕截流工程中的应用

石志远

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

朱仙庄煤矿北部8煤顶板覆盖侏罗系灰岩角砾含水层(“五含”)，岩溶极其发育，与太灰、奥灰水力联系密切，具有静储量大、导水性好、动态补给强(2000m3/h)、水压高(3～4MPa)的特征[1，2]。1993年放水试验稳定水量590m3/h，五含疏降中心水位下降98m，太灰水位下降57.7m，奥灰水位下降12.8m，2015年1月30日，866-1工作面发生五含溃水事故，疏干开采不可行。五含水严重威胁下伏1500余万吨煤炭开发，矿井面临接替失衡，服务年限大幅缩短的困境，五含水害难题亟需解决。因此提出了“帷幕截流，疏干开采”的治理思路[3-13]。同时，鉴于地面定向钻进注浆技术在薄层灰岩区域治理[14-16]、水害探查[17，18]和突水灾害治理[19]及断层预注浆加固[20]等多种灾害防治领域的应用日渐成熟，具有超前高效精准探查、注浆充分可控、覆盖空间范围大、水害隐患整体消除效果好等优势，与帷幕注浆技术相结合可以解决现有帷幕的弊端。基于此，本文针对五含深埋区(埋深大于325m)，基于地面顺层孔注浆技术研究了深埋巨厚溶隙裂隙含水层帷幕建造技术，对钻孔布置方法、注浆控制技术和效果检验方法进行了研究和工程实践，为矿山截流帷幕建造提供了借鉴，也为类似条件下地下岩土工程帷幕截水提供了参考。

1 朱仙庄矿五含水文地质特征

朱仙庄矿北部8煤的直接充水含水层是顶板五含，五含覆盖在向斜扬起端，井田内面积2.8km2，向北呈喇叭状，如图1(a)所示。五含岩溶发育具有浅强深弱的垂向分带特征，标高-300m以浅岩溶发育率为8.82%，标高-350m至-300m为13.2%，标高-400m至-350m为0.83%，k=0.326～6.842m/d，径流条件好，静储量大。单位涌水量0.293～4.378L/(s·m)，富水性中等-强。五含稳定水位约标高-20m至-30m，8煤开采标高-350m至-400m，顶板承受水压约3～4MPa。

钻孔揭露厚度55～65m，埋深220～530m，西高东底，南北向和东西向地质剖面图分别如图1(b)和图1(c)所示，五含角度不整合压覆于煤系、太灰及奥灰之上，受太灰、奥灰顶托补给。奥灰水量丰富，是五含的主要补给水源，根据放水试验计算采区内五含疏放至-350m时动态补给量不小于2000m3/h。因此，五含和太灰、奥灰是威胁8煤开采的主要充水含水层，水量大、水压高、难疏降。

2 地面顺层钻孔帷幕注浆技术

2.1 钻孔布置

钻孔设计遵循“探查-治理-加固-验证”的原则，斜孔探查，顺层孔治理，交叉斜孔加固，直孔检验。帷幕地面顺层钻孔布置如图2所示。

图2 帷幕地面顺层钻孔布置

1)每个定向孔组首先施工一个探查斜孔，查明五含顶底界，为分支孔设计提供依据。

2)顺层孔双排并列布置，排距20m，单侧分支孔的垂向间距20m，最上层孔位于五含上5m，最下层孔位于五含下15m，内外排平行错位布置。

3)相邻孔组搭接长度不小于20m，确保不留空白区。

4)每个组孔布置1个延伸到对侧末端的检查加固孔，自上至下、从一侧向另一侧钻进，进行贯穿帷幕的质量检查和加固。

5)帷幕完成后在钻井液漏失严重、注浆量大及断层带等注浆薄弱区段施工检查直孔，进行取芯和水文地质试验检验帷幕注浆效果。

2.2 注浆控制方法

帷幕注浆既要控制浆液在设定范围内扩散，又要帷幕全断面封堵过水通道。采用孔口封闭止浆、静压注浆法。针对不同溶隙裂隙发育程度的地层，制定了相应的帷幕建造注浆工艺：一是对于岩石完整，溶隙、裂隙不发育，钻井液不漏失或轻微漏失的含水层段，采用前进式控压注浆法；二是对于断层破碎带、岩溶、裂隙发育段，钻井液漏失大于10m3/h，采用多回次控量注浆法。

2.2.1 前进式控压注浆

1)每延伸30～50m进行一次压水试验，透水率小于1Lu则继续钻进，大于1Lu则注浆。

2)采用纯水泥浆，浆液比重在1.2～1.7之间由小到大调整。

3)注浆终压为帷幕承受水压力的1.5～2倍，即设计终压4.5～8MPa。

4)每段注浆完毕后进行压水试验，透水率小于1Lu则继续钻进，大于1Lu则补充注浆。

2.2.2 多回次控量注浆

1)注浆段长：当遇到钻井液漏失超过10m3/h时，向前延伸5～10m，进行注浆。

2)注浆量控制：在控制注浆量方面，由于岩溶地层中节理裂隙发育不规则，且存在溶洞、构造破碎带等情况，在注浆过程中极易出现某一段注浆量大而压力低的现象，因此应根据回次极限注浆量控制注浆，回次极限注浆量计算可采用以下公式：

Q=aLnπr2/m

(1)

式中，Q为回次极限注浆量，m3；a为浆液充填率，取0.6～0.8；L为注浆段长，m；n为线岩溶率；r为浆液扩散控制半径，取帷幕宽度的四分之一，m；m为浆液结实率，取80%～98%。

3)浆液类型和配比：采用粉煤灰水泥浆，粉煤灰掺量10%～40%，浆液比重1.4～1.7。注浆量达到回次极限注浆量的60%仍无压或压力小于1倍水压，采用间歇注浆，间歇时间不大于4h。

4)压水试验检验：每回次注浆完毕后，进行压水试验，透水率小于1Lu则继续延伸，大于1Lu则重复控量注浆至达到结束标准。

2.3 工程实施

朱仙庄煤矿帷幕东线五含埋深大于325m，采用地面顺层孔建造，顺层孔段帷幕全长2.5km，施工10对20个水平孔组，91个分支孔，检查直孔7个。钻探进尺41464m。注浆340056t。朱仙庄帷幕地面顺层钻孔布置如图3所示。

图3 朱仙庄帷幕地面顺层钻孔布置

3 帷幕注浆效果检验

通过施工过程中一、二序孔注浆指标对比、帷幕贯通后的检查孔压水试验检验和帷幕竣工后的放水试验对帷幕注浆效果进行三阶段的检查验证。

3.1 一、二序孔注浆指标对比

将一、二序孔的注浆终压和单位注浆量进行对比分析，注浆终压提升和单位注浆量下降可以在一定程度上反应帷幕注浆的效果，如图4所示。其中，一序孔采用较低的终压5～6MPa对五含进行低压充填，二序孔可以提高注浆压力至6～9MPa进行高压加固；一、二序孔单位注浆量分别为7～26t/m和1～8t/m，下降60%～80%，帷幕注浆充分填充了五含溶隙裂隙，提高了阻水性。

图4 一、二序孔注浆终压和单位注浆量对比

3.2 检查孔取芯和分段压水检验

五含角砾岩注浆改造前后物理力学性质见表1，改造后的抗压强度提高1.6MPa，弹性模量提高0.18MPa，泊松比和密度略有增大，而孔隙率降低77.5%，说明注浆充分充填了岩体空隙，改变了砾岩的物理力学性质，注浆效果良好。

表1 注浆改造前后角砾岩物理力学性质对比

6个检查直孔分段压水试验结果如图5所示，注浆后五含透水率小于1Lu，相比较注浆前五含透水率10.00～225.11Lu(平均47.8Lu)，五含渗透性显著下降，已改造为相对隔水层。

图5 检查孔单位透水率散点图

3.3 井下放水检验

一方面通过放水试验，得到帷幕内外各含水层水位、降深、降速的历时曲线，判断帷幕内外各含水层的水力联系；另一方面得到帷幕过水量计算截流率。

2018年5月试放水平均放水量186m3/h，帷幕内外五含最大水位差233m。9月16日帷幕内外五含水位已近趋稳定。9月16日至10月29日进行了工业性疏干放水，放水量约450m3/h，至2021年7月总放水量小于80m3/h，其中帷幕过水量小于40m3/h，与放水试验计算的直接疏干开采补给量2000m3/h对比，截流率超过98%，放水试验期间观测孔水位动态如图6所示。帷幕范围内五含全部疏干，帷幕外五含、奥灰和太灰水位稳定，帷幕内五含地面观测孔水位标高-350m，井下观测孔水位标高小于-390m，内外水位差接近350m且趋于稳定。目前已完成五含下2个工作面回采，期间无涌水，帷幕过水量趋于下降，观测孔水位稳定，帷幕截流效果显著，稳定性良好。

图6 放水期间帷幕内外典型含水层水位动态

4 结 论

1)利用地面定向顺层孔通过双排平行错位布孔，内外交叉检验加固，以及前进式控压、多回次控量的注浆控制工艺和三阶段质量检查，可解决煤矿大埋深、巨厚层、极强富水溶隙裂隙含水层的帷幕截流问题，具有跨度大、无效进尺少、施工周期短、经济高效的优势。

2)五含砾岩注浆改造后的抗压强度提高1.6MPa，孔隙率降低77.5%，弹性模量、密度也略有提高，透水率小于1Lu，注浆效果良好。

3)井下放水验证帷幕过水量小于40m3/h，截流率大于98%，内外水位差大于350m，帷幕截流效果良好且运行稳定。

4)研究成果具有广泛的推广应用价值，可以解决侧向强补给顶底板水害和断层带侧向强补给底板水害等综合性水害难题，可推广应用至煤矿、金属矿山和隧道等领域的水害防治。