深立井砂岩含水层工作面预注浆技术

齐贺鹏

摘要：当前随着建井技术不断进步和煤炭开采需要，超千米立井井筒施工越来越多，特别是在基岩段施工过程中，需要穿过涌水量较大的含水层。含水层赋水形式包括裂隙水和孔隙水，为了提高施工效率和井壁质量，防止突水事故的发生，采用工作面预注浆进行堵水。在井筒施工中奎山砂岩含水层涌水量大，注浆难度高，注浆堵水技术要求严格。含水层涌水还会影响施工速度和工程质量，在立井井筒施工中，根据地质预测预报，充分利用工作面预注浆和壁后注浆加固技术，有效的解决了这一难题。通过理论分析和现场实践相结合的方法，山东双合煤矿主井井筒在施工含水层段时，进行工作面预注浆，注浆达到了封水效果，并且有效的保证了井筒质量。

关键词：深立井；工作面预注浆；防治水；含水层

引言

工作面预注浆是把注浆站设在井筒工作面作业平台吊盘或地面，浆液由蓄浆池、注浆泵、输浆管、混合器（俗称三通，注双液浆时使用）、孔口管、注浆孔进入含水层的岩石裂缝或孔隙中，为了保证注浆工作的进行必须在距含水层10米以上的岩体上进行整体浇注止浆垫。下面主要介绍在山东双合煤矿主井井筒施工过程中防治水应用实例。

1 主要含水层水文地质情况

含水层在1037-1047 m的深度，厚度10米，是一种棕褐色的细砂岩，部分呈棕色。细粒结构，块状，局部含粉砂质及泥质包体及纵向裂隙，长10cm，不充填，下粒粗大，块-次棱形，局部有细小的砾石，砾石直径为2-6毫米，硅质胶结物。出水形式为大面积渗水，千米深度含水层，涌水赋存压力大，最大涌水量为65m³/h。典型砂岩孔隙水，注浆材料要求超细，注浆压力高才能达到设计注浆流量。

2 工作面预注浆方案

2.1止浆垫设计

采用预留岩帽，整体浇注混凝土止浆垫，止浆垫采用倒楔形设计，上小底大，止浆垫上沿超过永久井壁至少0.2m，止浆垫上部直径7.5m，下部直径8.5m，止浆垫形式采用平底圆台型止浆垫，混凝土井壁压住止浆垫，止浆垫受力后会与岩壁越塞越紧，止浆垫砼强度等级为选用C50。

如果出现预留岩帽上已经有涌水，必须在止浆垫设计时根据涌水量设置石子（粒径10-20mm）滤水层，加工滤水桶（滤水桶直径由匹配排水量潜水泵大小决定，长度超出止浆垫上平0.6米，滤水桶上沿焊设高压法兰盘，下部埋入石子滤水层，并加工滤水孔），经过计算滤水桶内安设与涌水量相匹配电动潜水泵，确保能将涌水完全排至吊盘卧泵。

砼止浆垫凝固满足设计强度，孔口管和止浆垫应当接受抗压试验,并且试验不得少于22Mpa的压力。

2.2止浆垫施工

止浆垫施工的关键是井壁上的淋水不能进入到混凝土中，必须配足劳动力和混凝土的供应，保证大体量混凝土连续浇注完成。在浇注止浆垫之前，根据井壁淋水的状况按设多道截水槽，将井壁淋水引入到吊盘储水箱内。由吊盘上排水卧泵通过井筒排水管排至地面。施工前必须检修混凝土制作各种设备运行情况，杜绝浇注过程中出现机械故障造成混凝土施工中断，使止浆垫混凝土分层，造成质量隐患，如果使用商用混凝土一定进行预演，确保正常供应能力后方可开始浇注。同时在施工过程中必须对混凝土进行充分振捣，均匀分层浇注。浇注完成后保持正常排水到混凝土凝固，达到养护强度后进行淹水养护。混凝土没有达到要求强度前不得在止浆垫上钻孔或破坏。

浇注止浆垫混凝土前，如果工作有涌水，必须将石子滤水层按照设计铺设，并埋设滤水桶，按照潜水泵进行排水试运转，均达到要求后，在滤水层上铺设一层彩条布，防止混凝土进入滤水层影响正常涌水排出，混凝土浇注时需要安排专人观察滤水桶内潜水泵排水情况，出现异常立即更换备用潜水泵，滤水层涌水正常排水是止浆垫混凝土浇注成功关键。滤水桶保持正常排水到止浆垫达到初期设计强度方可间歇暂停。

布孔方式以及数量

①预注浆采用的是径向斜孔布孔方式

②注浆孔数量确定

N=π（D-2A）/L；D——井筒净直径，5.5m；A——注浆孔与井壁的距离，0.5m；L——注浆孔的间距（1.4R，R=1m）1.4m。

计算出注浆孔，孔口管长度的取值：

按照《简明建井工程手册》的规定，要根据现场条件、注浆深度和岩石的性质，适当地确定孔口管的长度，孔口管取值见表1。

孔口管采用混凝土预埋方式设置，孔口管深入岩体2米，根据设计角度提前安设完毕后浇注混凝土。

表1止浆垫厚度及孔口管长度表

2.3止浆垫充填加固

止浆垫达到设计强度后，首先将带有防压阀门滤水桶盖紧固到滤水桶法兰上，利用孔口管和滤水桶反复对滤水层进行充填，紧固后，对止浆垫、预留岩帽进行填充，以确保止浆垫与周边岩层接触表面的压密，形成整体，保证不会出现漏浆跑浆。充填加固采用水灰比为2:1～0.75:1的水泥浆（必要时候可以用超细水泥浆来进行进一步的加固）；尽可能地用水泥浆料，以保证胶浆固化后的强度，如果确实需要，可以选择水玻璃和水泥浆，即：以1:0.4-1:1为质量比例的双液浆，水泥为 P.042.5，水玻璃为35-42 Be。注浆压力不大于11 Mpa，填充围岩，加固，对井壁的安全具有良好的防护效果。（见图1）

图1 止浆垫剖面图

2.4注浆期间为防止上部井壁段开裂所采取的措施

1027～1037 m段的井壁采用C50水泥加固，本段井壁厚提高200 mm。

井壁强度验算：P=【K（E²+2R0E）】/2（R0+E）²

式中：P——井壁部位井壁能够承受的压力，Mpa；K——井壁砼材料的允许抗压强度，Mpa，K=R/n=25Mpa；R——井壁砼材料的极限抗压强度，50Mpa；N——安全系数，取2；E——井壁厚度，0.8m；R0——井筒净半径，2.75m

代入上式得出：P=5Mpa（是井壁能承受的压力），井壁可经受5 Mpa的压力；经过计算说明，加固后的井壁抗压强度仍然小于注浆压力。

为了确保井壁的安全，我们制订了如下防止井壁破裂的方法：

（1）采用止浆垫的养护时间对止浆垫以上的井壁进行加固，设计3圈加固孔，在止浆垫以上1.5 m处开始设置第1圈钻孔，每道钻孔深度为2米，间距1.5米后插花布设第二圈8个加固孔，深度2.5米，间距1.5米插花布置第三圈8个孔，孔深3.5米注浆加固，注浆采用小型电动或风动注浆机在工作面作业平台上进行，加固采用水灰比为2:1～0.75:1的水泥浆；水泥采用超细水泥浆，保证浆液扩散范围，封孔采用水玻璃：灰浆=1:0.4～1:1（体积比）的双液浆，水玻璃选用35-42Be。注浆压力不超过4Mpa，充填围岩、加固，根据注浆量可以采用反复套孔复注工艺确保壁后充填密实，杜绝工作面高压预注浆时浆液窜至井壁后造成破坏，对井壁安全起到保护作用。

（2）孔口管埋入岩帽2米。利用钻机根据设计角度和深度凿孔预埋，并用防拔钢筋彼此相连固定，孔口高压法兰盘要求用棉布包裹，防止撞击损坏，保证不了后续高压注浆要求。

（3）止浆垫、岩帽孔隙进行注浆充填。加固时根据顺序从依次反复套孔注浆充填加固，压力由小及大，浆液由普通水泥到超细水泥，确保充填加固质量，最后将滤水桶充填密实。

2.5扩散半径

由于岩石渗透率和裂缝分布的非均质性，浆液在裂缝内的分布呈不规则分布，浆液的扩散半径存在较大差异，根据涌水压力和帷幕强度要求设计扩散半径；该注浆的有效扩散半径为3~5m，以减小浆液流失。为了确保达到扩散半径可以依次采用普通水泥浆-超细水泥浆-脲醛树脂浆液。采用注浆站设置在地面，提前在井筒内敷设两趟高压胶管，以备脲醛树脂注浆时使用。

2.6注浆段高

从岩性分析和注浆效果看，注浆段高为24m，由1027m开始，至1051m，向下深入泥岩至4m，24m终孔深度。

2.7注浆参数的选择

含水层工作面注浆主要是以水泥单液浆为主的，如有需要，可加入添加剂，以三乙醇胺、盐为主，三乙醇胺的用量为0.05%，盐的用量为0.5%。

注浆水泥采用P.O42.5R，若注浆量不能达到设计要求，可采用超细水泥或脲醛树脂，其水灰比例为2:1～0.75:1。

水玻璃为中性，模数2.8-3.2，浓度35-42Be

2.8注浆压力

注浆终压：

依照《煤矿井巷施工规范》第5.4.10条规定，注浆终压应为静水压力值的2～4倍。根据预测得出相关的分析，此段的静水压力预计为10Mpa。

根据公式PH=（2～4）Hr/100计算

Hr=10，预测静水压力为10Mpa

最后计算的注浆终压为20-40Mpa，考虑到注浆的实际情况和对井壁的防护，最终的压力值确定在25Mpa。

2.9注浆量

注浆量对堵水效果有很大的影响，各方面的因素都表明，注浆口内涌水量大，注浆量也就大；在不漏浆的条件下，在井壁周围形成注浆帷幕，岩体裂缝充分填充，从而改善注浆效率。

按下列经验公式计算注浆量

Q=Vnab

式中   V——注浆加固体积，m³；n——孔隙率，2％；a——浆液的损失系数；b——注浆孔孔数；Q——注浆量，m³。

2.10注浆效果和标准

（1）每个注浆孔的注浆最终压力都能满足要求，而且注浆速度不大于10 L/min。

（2）在完成扫孔作业后，每个注浆孔最终达到每小时小于0.5m3。否则，要对所有的孔进行重新扫孔复注，直至达到上述要求规定为止。

2.11注浆设备

使用MKGJ120/40型潜孔钻具进行预注浆钻孔，该钻具装备了Ф90mm和Φ60mm的钻杆，注浆泵由天津XPB-90E型高压注浆泵灌浆，0.2m3的搅拌装置，清洗槽和泥槽各一个。

2.12注浆效果

在注浆之前的涌水量为65m³/h，注浆完毕之后，实际测掘进工作面的涌水量为6.9m³/h（含井壁淋水），堵水效率达到了89.4％，这样大大减少了井筒含水层的涌水量，降低了排水工作量，保证了正常施工条件和作业，确保了井壁的施工质量，同时工作面预注浆效果达到预期目的。

3 结语

通过采用先探后掘工作面预注浆封堵含水层，根据具体情况选用适合的注浆充填材料，配置匹配的注浆机具，设计合理注浆压力参数，最大程度保证注浆效果。从而降低了突水淹井的发生率。立井砂岩含水层施工前的预注浆、注浆孔的预埋、岩帽的留置及补强等措施，均可确保井壁的施工质量。为了保证凿孔施工质量建议在工作面预注浆时选用液压钻，可以提高注浆孔质量和设计要求，同时可以降低工作噪音和劳动强度，故障率也大大减低。

需要强调深立井砂岩含水层孔隙涌水注浆治理难度较大，治水工作必须严格按照要求进行，由于含水层静水压力大，吃浆量小，涌水易反复等困难，技术人员一定要根据现场实际情况及时调整浆液种类、配比和注浆压力，确保注浆帷幕的形成和强度才能达到预想注浆效果。

参考文献：

[1]劳动保护科学技术学会.矿井水害防治技术[M].煤炭工业社出版，2010.

[2]王省身.矿井灾害防治理论与技术[M].北京煤炭工业出版社，1990.

[3]崔云龙.简明建井手册[M].煤炭工业出版社，2000.