錢營孜煤礦新副井筒地面預注漿工藝設計與施工應用

郁志利，孫忠遠

（皖北煤電集團有限責任公司規劃發展部，安徽 宿州 234000）

0 引 言

立井井筒地面預注漿是在井筒開鑿前，利用鉆機，從地面井筒周圍鉆出注漿孔；把制備好的漿液用注漿泵，經各注漿孔，壓送到地層裂隙中；隨著漿液的充填、凝固，在井筒周圍形成不透水的注漿帷幕，達到堵水和加固地層的目的[1-3]。目前，地面預注漿是立井井筒順利施工且快速通過基巖含水層最為有效的一種施工方法之一[4]。采用地面預注漿帷幕方法，隔離與地下水之間聯系，與工作面注漿、壁后注漿相比，具有工藝操作簡單，工期性短、漿液擴散范圍遠和永久帷幕持久等優點[5,6]。立井井筒采用地面預注漿技術比較少，該技術在我國中西部煤礦為解決富水基巖裂隙含水層問題上，實現井筒安全快速掘砌[7]，地層多采用預注漿、凍結、井筒掘砌同時施工，地面預注漿采用“內圈直孔+外圈S 孔+分支孔”的施工方案，達到安全及經濟有效開采條件。

1 工程概況

錢營孜煤礦為區域瓦斯治理，提高礦井通風系統能力和安全可靠性，保證礦井的正常接替，礦井改建及二水平延深工程建設需要，擬在本礦井工業場地內增設一個副立井井筒，井筒采用立井開拓方式。新副井筒井口絕對標高為+25.0 m，新副井車場二水平標高暫定-970.0 m，井筒深度暫為1 032.0 m，井筒凈直徑為6.5 m。為實現井筒安全快速掘砌，采用“上凍下注”方法施工，即新副井井筒表土段和基巖風氧化帶采用凍結法施工，表土深度223.2 m，凍結深度325 m，基巖段采用地面預注漿封水，初步設計地面預注漿直孔段224～460 m，S 孔段445～1047 m，新副井井筒主要技術特征見表1。

表1 新副井井筒主要技術特征

2 水文地質

本礦井為第四系松散層覆蓋下的全隱蔽裂隙充水礦床，根據其賦存介質特征進一步劃分為第四系松散層孔隙含水層、二疊系煤系砂巖裂隙含水層（段）。

2.1 第四系松散層含、隔水層（組）

根據檢查孔鉆探取芯和地球物理測井成果綜合分析，檢查孔穿過新生界松散層可劃分出3 個含水層（組）和3 個隔水層（組），見表2。

表2 松散層含水層分層

2.2 二疊系含、隔水層（段）

二疊系巖性由砂巖、泥巖、粉砂巖、煤層等組成，并以粉砂巖為主。地下水主要儲存和運移在以構造裂隙為主的裂隙網絡之中，以儲存量為主。富水性主要取決于砂巖的裂隙發育程度、聯通性和補給條件。自上而下劃分為2 個含水層（段）和1 個隔水層（段），見表3。

表3 二疊系含水層分層

3 總體設計

3.1 鉆孔設計

直孔地面均勻布置，“S”孔的布置要根據井筒掘砌單位的整體布局及井架安裝布局而進行布置，并確保鉆孔落點進入注漿靶域設計范圍。鉆孔布置及布孔圈徑：直孔段均布4 個孔，布孔圈徑13.4 m，“S”孔地面布孔4 個，注漿段布孔4 個，地面布孔圈徑暫定32.0～34.0 m，注漿段鉆孔落點圈徑為14.4 m，地面注漿孔布置示意圖如圖1 所示。

圖1 地面注漿孔布置示意圖

鉆孔結構，固管段，孔徑190～215 mm，上部15m 下入φ194 mm×8 mm 無縫鋼管，其余下入φ168 mm×8 mm 無縫鋼管；注漿段：孔徑120 ～133 mm；鉆孔結構詳見圖2。

圖2 鉆孔結構示意圖

圖3 MWD 隨鉆測量儀

3.2 注漿設計

3.2.1 注漿材料選取

注漿材料以粘土、水泥為主，外加劑有食鹽、三乙醇胺、水玻璃等。固管、巖帽注漿段、破碎帶、煤層、馬頭門及井筒連接處采用單液水泥漿，基巖主要采用粘土水泥漿。根據要求對主要煤層進行加固，因此，主要煤層所在層段在粘土水泥漿注漿合格基礎上另采用單液水泥漿加固注漿。單液水泥漿材料配比見表4。粘土水泥漿水泥加入量一般為100 ～300 kg/m3、水玻璃加入量為10～30 L/m3。注漿漿液一般先稀后稠，視注前壓水試驗及注漿實際進行調整。

表4 單液水泥漿材料配比表

3.2.2 注漿段高劃分及注漿結束壓力

根據檢查孔地質剖面圖及相應地質報告，劃分不同的注漿段高，施工中可以依據鉆探的詳細資料和施工情況進行合理優化（可以合并或調整有關段高）。對于破碎帶等不穩定地層，必要時采用小段高，進行單獨注漿。注漿終壓：巖帽段終壓為靜水壓力的1.5～2.0 倍；終量≤100 L/min，其它注漿段終量≤250 L/min；穩定時間≥30 min。其余注漿段終壓：400 m 以上靜水壓力的2.5～3.0 倍，400 m 以下靜水壓力的2.0～2.5 倍；施工中應根據實際情況進行適當調節，具體注漿段高劃分和注漿終壓值見表5。

表5 注漿段高劃分和注漿終壓值

4 施工作業

工程施工作業主要有鉆孔作業和注漿作業2 道工序，兩者工序相互轉換。整體工藝流程如下：

鉆場施工→鉆孔孔位放樣→鉆塔、鉆機安裝→鉆機就位→開孔→固管段鉆進→下套管及固管→巖帽段鉆進→注漿→掃孔→第1 注漿段鉆進→注漿→(依次施工第2、3、4、5 段) 一序孔注漿全部結束→封孔后轉二序孔施工（二序孔注漿全部結束流最后1 孔壓水試驗）→封孔后轉S 孔施工。

4.1 鉆場作業

1）直孔段鉆場基礎：以井心為圓心建造φ24 m的灰土盤，灰土盤用三七灰土分層夯實，高出工廣地坪0.5 m 左右。

2）S 孔段鉆場基礎：待S 孔位確定后，砌筑與鉆塔底盤尺寸相當的磚墻基礎，高出工廣地坪0.5 m左右。

3）在直孔段鉆場基礎（S 孔段鉆場基礎）做好后對基礎頂面高程進行測定，以指導鉆孔深度的調整。

4）在距井心40 m 以外適宜的位置建造5 個泥漿循環池，每個泥漿池規格為3 m×3 m×2 m，并附3 m×6 m 的泵房基礎和相應的泥漿循環溝槽。

4.2 鉆孔作業

1）鉆孔偏斜率控制：直孔固管段不大于2%，直孔注漿段不大于5 %，且內偏不大于0.5 m，其余各段注漿鉆孔的落點不大于2 m 的“靶域”、在相同的注漿深度應相對均勻，各注漿鉆孔在相同的注漿深度內孔位間距相對均勻分布。

2）鉆孔糾斜：當鉆孔偏斜將超出靶域范圍時，要及時進行鉆孔糾斜措施，采用螺桿鉆具加無磁隨鉆測量儀（MWD）鉆進技術進行鉆進。根據隨鉆測量的數據，可以隨時調整螺桿鉆具的行進方向，確保鉆孔軌跡進入理想的靶域范圍，電磁波傳輸方式見圖2。

3）鉆孔造斜：S 孔的固管段及注漿段、分支孔段均采用定向鉆孔完成。S 孔地面布孔圈徑暫定32～34 m（場地條件許可情況下，開孔位置距要求落點區域的水平距離盡可能縮短）；自孔深60～70 m 處開始定向鉆進，每孔向設計的兩注漿孔落點的水平中心區域圈徑進行定向，在固管段445 m 以上深度進入注漿落點的圈徑水平中心區域靶域；鉆孔落點按不大于2 m 的“靶域”控制，落點要求基本均勻分布于井筒周圍。

4.3 套管安裝及固管

鉆孔至預定深度后，改用優質泥漿沖洗鉆孔，將孔內的巖粉沖洗干凈，待返出的泥漿中無巖屑后方可起鉆。然后下φ168 mm×8 mm DZ40 地質鉆探專用管，確定套管下至預定深度后，在套管內下止漿塞，止漿塞一般下至距套管底部3～4 m 處。先用注漿泵壓清水，檢查止漿效果，孔內若有返水現象，應起塞重新下塞，直至不返水為止。壓水過程中，套管外緣孔壁將發生返水現象，待返水至澄清后，改用0.6∶1 單液漿注漿，待套管外緣返出濃漿后停止注漿，再定量壓入清水。6～8 h 起塞，12 h 后掃出套管內距底1.0～1.5 m 上的水泥漿，繼續養護24～36 h，掃孔至原深，經套管內壓水試驗，套管外不返水并達到固管質量要求后，認為固管合格，否則繼續固結。

為保證套管連接滿足打鉆和注漿要求，套管將選用絲扣+焊接方式連接，在套管絲扣上到位后對接縫進行焊接。

4.4 注漿作業

注漿方式：主要采用下行式注漿，可以根據注漿孔的實際情況采取混合式注漿。每一段當一次注漿不能達到設計要求的應予以復注至合格。

粘土水泥漿注漿工藝流程：采集粘土→制備粘土漿→除砂→原漿池→儲漿池→一次攪拌（加水泥）→二次攪拌（加水玻璃）→注漿泵輸送→注漿管路→受注巖層段。

1）注漿前的準備及管路打壓試驗：注漿前的準備工作主要包括注漿站的建設、注漿管路系統的形成、水電、注漿材料來源的確定以及注漿管路系統的打壓試驗。所有注漿系統形成后，應進行管路打壓試驗，并記錄備查。

2）止漿：選擇巖層較堅硬、鉆孔較規整處止漿，止漿塞下放深度一般位于預注漿段之上2～10 m 處。

3）注漿作業：根據注漿前的壓水試驗計算出的壓水吸水率選用適宜的漿液配比，配制注漿漿液。漿液濃度的調整原則一般是先稀后濃，逐漸加大；如果壓力上升過快，注漿量較小，應逐級降低漿液濃度。一般在每段第1 次注漿期間，前100～150 m3漿液水泥加入量選用100 kg/m3，在注漿結束接近設計注漿量100～150 m3漿液水泥加入量選用250 kg/m3或300 kg/m3，兩者之間漿液選用水泥加入量150 kg/m3或200 kg/m3的。經過注漿，終壓、終量、注入量、穩定時間等參數達到了設計要求的結束標準，即可結束該段高的注漿工作。

4）注漿結果標準：巖帽注漿段應達到或超過設計終壓值，泵量不大于100 L /min，穩定時間不少于20 min；粘土水泥漿注漿段也應達到或超過設計終壓值，泵量不大于250 L/ min，穩定時間不少于30 min，每注漿段注漿達到上述標準，即可結束該段注漿工作。

5）注后壓水：每次注漿完畢，均應進行注后壓水，以清洗注漿管路，便于止漿塞的順利提出。壓水量控制在能將管路中的漿液排出即可。

6）起塞：注漿后待孔內余壓消除（一般情況下，注單液水泥漿需悶塞20～40 min，注粘土水泥漿需悶塞2～4 h），即可將止漿塞從孔內起出。

7）養護、掃孔、復注：單液水泥漿注后掃孔間隔時間一般為4～8 h，復注間隔時間一般為20～24 h。注粘土水泥漿時，應力求一個段高的注漿一次性結束，以便于提高注漿效率和保證注漿質量；若沒有達到注漿結束標準，須掃孔復注。

4.5 漿液帷幕交圈

先用注漿擴散半徑減去注漿圈半徑得出該段單孔漿液擴散距離，再根據每個鉆孔在該段底水平偏斜投影位置畫出該注漿段漿液帷幕交圈，后根據交圈情況確定本段的有效隔水帷幕厚度[8,9]，見表6。

表6 各水平有效帷幕厚度統計表

5 效果分析

通過壓水實驗[10]可得出新副井直孔段預計井筒剩余涌水量2.131 m3/h，S 孔段預計井筒剩余涌水量3.312 m3/h，預計全井筒剩余涌水量5.443 m3/h，滿足設計要求注漿后井筒剩余涌水量≤6 m3/h 的條件?？梢钥闯鼍沧{后含水層的裂隙絕大部分被封堵，水流通道被切斷，水文地質條件大大改善，證明注漿是成功的。

1）各注漿段的有效帷幕厚度均超過6.0 m。新副井經過注漿，各注漿段漿液擴散交圈完好，形成了有效的堵水帷幕，完全達到設計和施工的技術要求。

2）該井基巖段雖經地面預注漿堵水，預計注漿后井筒殘余水量較小。但井筒地面預注漿屬隱蔽性工程，注漿段的殘余水量在鑿井前只能靠注漿施工情況的分析和終檢孔的壓水試驗等來進行分析判斷，且因井壁出現裂隙、掉塊，終止S 孔復注。

3）因井壁裂隙、掉塊，取消分支孔施工，建議掘砌單位在施工馬頭門時要加強支護。

4）井筒掘砌施工中，發現水量較大的明顯出水點，要用導水管引出，以保證井壁質量和便于采取進一步降低井筒涌水量的措施。