定向斜孔压密注浆技术治理斜井流沙段涌水的试验研究与应用

刘辉

（中国煤炭地质总局 第一水文地质队，河北 邯郸 056004）

0 引 言

井筒涌水量来源于井筒围岩渗入井内的水量，其大小与井筒通过含水层的性质、围岩的渗透系数和涌水点与地下水层的压差有关。王绍群、曹立洲、程晓博、谷拴成等[1-4]都是在井筒建设期，利用止浆垫和工作面预注浆通过含水层；高岳、汪敏华、赵庆彪、袁辉、席奇等[5-9]利用“S”、“L”型钻孔技术、多分支钻探技术、定向预注浆技术、斜井定向技术，建立临界角度与其他影响参数之间的函数关系式，对复杂地层进行治理，提出在复杂富水地（断） 层中进行定向预注浆技术，达到理想的治理效果；关文涛、张德辉、杜志龙等[10-12]针对含水层采用地面预注浆，凿井涌水后工作面注浆等措施后仍不能满足涌水治理要求的现状，提出冻结法施工、利用疏干井排水治理竖井涌水，解决涌水量过大的问题；李振林[13]选用新型聚合产品HK9101化学灌浆材料作为堵水材料，采取严格的安全措施，快速、安全、高效地治理了井筒水患；魏世荣等[14]采用旋喷注浆法截断主斜井井筒涌水补给水源，采用壁后注浆技术充填井筒长期涌水携砂所形成的空隙和空洞，加固井筒并进一步封堵井筒涌水；樊小舟[15]提出了完善传统预测方法，正确对待预测结果，树立防范意识的对策。李永富等[16]采用密度低、扩散性强的RSS 高分子化学堵水材料，结合低成本水泥注浆材料，进行浅孔深孔交叉注浆。本文以甘肃马福川煤矿为研究对象，针对该矿主井斜井筒斜穿流沙层涌水量过大的问题，在总结前人研究的基础上，利用定向斜孔分段压密注浆技术，解决已建成井筒漏水过大的问题。

1 概 况

甘肃马福川煤矿主井斜井筒斜穿流砂层，井筒内的淋水主要集中在237～350 m 段，与地质条件流沙段基本一致，该段巷道顶部、帮部、底部均有不同程度的涌水、淋水。其中252 m 处左底板涌水较大，预计涌水量为1.5 m3/h；262 m 处有大量涌水，预计涌水量为12 m3/h；280 m 处左底及右底涌水较大，预计涌水量为5 m3/h，整个治理段涌水量约为20 m3/h，详见表1。

表1 主斜井井筒涌水现状Table 1 Water inflowstatus of main inclined wellbore

根据含水层情况，结合以往堵水注浆经验，可对该段含水层（含水层埋深220～300 m） 注浆，注浆方式采用帷幕注浆，在井筒外围10 m 处以水泥+速凝剂+减水剂+水玻璃形成一个半径10 m的水泥环，再通过定向钻探在水泥环内部对井筒进行加密注浆，达到流砂层井筒涌水治理的目的。

2 压密注浆堵水治理设计

2.1 注浆深度设计

马福川煤矿主斜井井筒长度1 405 m，角度为18°，呈半圆拱形，宽5.5 m，高4.15 m，采用双层钢筋混凝土砌碹（流砂层和软岩层区段） 和双层钢筋锚网喷浆支护（泥岩段），凝土砌碹层厚度约为500 mm，双层钢筋锚网喷浆支护层厚度约为400 mm；主斜井井筒流沙段范围237～350 m，斜长为113 m。

注浆钻孔沿井筒外边界5 m 处平行施工4 个钻孔，钻孔孔径213 mm，深度360 m，0～230 m 下入180 mm 白管，230～360 m 钻孔孔径152 mm，下入127 mm 双缝花管，双缝与井筒边界线平行。注浆工艺采用分段注浆，注浆段长不大于40 m。

内部加密注浆钻孔沿井筒外边界平行施工6 个钻孔，与外部钻孔交叉布置，钻孔孔径152 mm，深度360 m，0～230 m 下入127 mm 套管，注浆段长不大于30 m。

2.2 注浆材料及注浆压力设计

根据井筒壁后注浆（表2） 和成井后井壁岩心试验报告（表3），此次施工注浆参数见表4。

表2 井筒壁后注浆段高划分及注浆压力Table 2 Height division of grouting section behind wellbore wall and grouting pressure

表3 主井井壁岩心力学试验数据Table 3 Mechanical test data of core of main shaft wall

表4 工作面预注浆段高划分及注浆压力Table 4 Height division of working face pre grouting section and grouting pressure

注浆压力为工作面表压力，注浆方式隔孔注浆，前期封堵大裂隙注浆取低值，后期针对小裂隙注浆取高值。

3 定向斜孔压密注浆堵水

3.1 注浆孔数及布置方式

根据井筒壁后注浆工程相关资料、流沙含水层的水文地质条件、井筒特征、浆液扩散半径，得出主斜井钻孔布置，如图1 所示，采用高精度定向钻探技术进行施工。

图1 主斜井加密注浆堵水钻孔布置Fig.1 Layout of densified grouting and water blocking boreholes of main inclined wellbore

外圈注浆孔设计4 个，距离主斜井井筒外边界6.5 m，内圈钻孔6 个，距离主斜井井筒外边界3.5 m。先施工外圈4 个钻孔，形成坚固水泥外圈，再施工内部6 个钻孔，进行加密注浆，封堵细小裂隙。

3.2 外圈花管加工设计

化学浆液在重力作用下呈“梨形”扩散，即垂向扩散距离大于横向扩散距离，与传统"球形"扩散理论有所不同，由此，外圈花管加工的目的在井筒外形成坚硬外壳。将φ127 mm 注浆花管加工成对称斜缝，斜缝长度5～15 cm，宽度2～5 cm，同向斜缝间隔5～15 cm，随着套管下入深度由斜缝宽度和长度由大到小。在φ127 mm 注浆花管内部加入一根φ108 mm 注浆白管2，花管和注浆白管中间用密封垫连接防止漏浆，抗压强度为10 MPa；φ108 mm 注浆白管按照6 m/段连接，中间连接保护栓不低于20 MPa，每增加一节保护栓增加1 MPa，每段中间均用密封垫连接防止漏浆。

3.3 注浆材料、浆液类型及配比设计

根据实际情况，注浆材料选择PO.42.5R 普通硅酸盐水泥，干燥、粉状、无结块，水玻璃模数2.8～3.4，浓度36～42Be′，减水剂浆液类型为双液浆，根据施工情况选择需要水泥添加剂。加密注浆浆液见表5。

表5 加密注浆浆液配制Table 5 Slurry preparation of densified grouting

每次注浆的初始浓度，根据压水试验测定的单位钻孔吸水量选择，见表6。

表6 加密注浆浆液起始浓度选择表Table 6 Selection table of initial concentration of densified grouting slurry

外圈钻孔注浆时，总体注浆按照注浆浓度先浓后稀；加密注浆时，总体注浆按照先稀后浓。每次注浆时，一般先稀后浓，当浆液在裂隙沉析、充填阶段时，若压力不升、进浆量也不减时，应逐渐加大浓度；反之，若压力上升快，减量也快，此时为保证足够的注入量，应依次降低浆液浓度。每更换一次浆液浓度，一般持续30 min，按照先降低泵量后降低浓度依次注入。

3.4 实施效果及评价

瞬变电磁对于矿井水具有较好的敏感性。为了更好的验证加密注浆效果，在外圈第一个钻孔施工后对施工钻孔进行第一次瞬变电磁检测，待最后一个加密注浆钻孔钻探施工完成后，进行第二次瞬变电磁检测，结果如图2 所示。同时，通过实测的井筒内集中涌水点（图3） 和井下集水坑定期测量结果（表7），表明定向斜孔加密注浆取得了较为理想的效果。

图2 加密注浆治理前后瞬变电磁检测成果Fig.2 Results of transient electromagnetic testing before and after densified grouting treatment

图3 主斜井加密注浆前后效果对比Fig.3 Effect Comparison of Main Inclined wellbore before and after densified grouting treatment

表7 主斜井井底集水坑治理前后涌水量统计Table 7 Statistics of water inflowbefore and after treatment of bottom water sump in main inclined wellbore

4 结 语

本文以甘肃马福川煤矿为研究对象，针对该矿主井斜井筒斜穿流沙层涌水量过大的问题，利用定向斜孔分段压密注浆技术进行解决，对注浆钻孔布置、注浆压力、注浆材料进行分析研究。最后实践通过瞬变电磁检测和实地观察测量，表明此次设计实施的定向斜孔加密注浆工程取得了较为理想的效果，保证了煤矿安全开采。