井筒过巨厚含水层工作面预注浆防治水

2010-04-03张海力赵晓举

采矿与岩层控制工程学报 2010年3期

关键词：水玻璃井筒含水层

张海力,赵晓举

(中国平煤神马能源化工集团公司,河南平顶山 467000)

井筒过巨厚含水层工作面预注浆防治水

张海力,赵晓举

(中国平煤神马能源化工集团公司,河南平顶山 467000)

Water Prevention with Pregrunting forW orking Face of Shaft Through Extremely Thick Hydro-Seam

平煤集团十三矿已回采区进风井井深 670m,在深度 20～100.8m段为砂岩含水层,富水性强。施工中坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘”的原则,在该段实施以工作面预注浆为主,避后注浆与机械排水为辅的治水方案,达到了良好的堵水效果,保证了井筒无水快速掘进,最月成井 105m,减轻了井筒排水系统的压力,减少了排水费用的投入,降低了生产成本。

井筒;巨厚含水层;预注浆

平煤集团十三矿己四采区进风井井口设计标高为 135.5m,净直径 6.5m,井筒深度约 670m。井筒支护方式:表土和风化基岩段为钢筋混凝土井壁,壁厚 800mm;基岩段采用素混凝土支护,强度为 C25,壁厚 400mm。

1 预注浆工艺原理

注浆是采用机械的方法将浆液压入地层中,以驱逐地下水,并在空隙中流动、扩散、凝胶,最后形成堵水帷幕的过程。按注浆工作与井巷掘砌及地层加固的先后时间次序进行分类,分为预注浆和后注浆。预注浆是在工程施工前或工程进行到含水层之前进行注浆工程。按其施工地点不同,预注浆法可分为地面预注浆和工作面预注浆 2种,工作面预注浆即为当井筒掘进到含水层以前停止掘进,利用上部不透水的岩层作为防护岩帽,在工作面打钻、注浆封堵含水层裂隙,以便井筒能顺利继续施工。工作面预注浆具有注浆孔工程量小,浆液消耗量少,并可根据岩石的裂隙方向准确布孔,堵水效果高,检查注浆效果直观等优点。工作面预注浆常用于含水层厚度不大,赋存较深时,或含水层之间相距较远,中间有隔水层的条件下。厚度较大的含水层进行工作面注浆,必须设计施工止浆垫作为防护岩帽,并选用合适的注浆方案和注浆材料。

2 水文地质情况

井筒在深度为 20～100.8m处揭露二叠系的平顶山砂岩段,上部无水,46m以下涌水量预计在50m3/h左右。岩层倾向南西,倾角约 15～20°。平顶山砂岩段竖向裂隙发育,横向裂隙不发育,其顶部有少量黏土充填,随深度的增加充填减少,富水性增强。该层砂岩为细、中、粗粒砂岩,硅质胶结,岩石硬度大,最大 f值为 19.8。其静止水位为46m,标高 89.6m,补给来源为井筒北侧的汝河。

3 注浆方案

坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水原则,将上述约 80m厚的砂岩含水层做为注浆段,采用以工作面注浆为主,以壁后注浆与机械排水为辅的治水方案,减少井筒涌水对施工的影响。工作面注浆保证含水层顶板预留不小于 5m的岩柱作为止浆垫,用潜孔钻机造孔,安设注浆管注浆,工作面注浆结束后,如果井壁有漏水则采取壁后注浆进行堵水。

工作面注浆孔 8个,沿距井筒荒断面周边0.5m处均匀布置,角度为 83°,孔底超过荒断面周边 2m以上,孔深 20m (<95mm),注浆完毕后,在以上 8个孔中间间隔打检查孔,直至达到终孔要求。以上外圈施工完毕后,再沿距井筒荒断面周边向内 2.2m处均匀布置 4个角度为 87°,孔深20m的钻孔 (<95mm)作为注浆孔,注浆完毕后再在以上井筒中心打检查孔,如果无水则注入适量浆液并达到终孔要求封孔,有水则重新注浆,直至达到终孔要求。注浆完毕后,向下掘进时,每炮施工前进眼前,必须先用伞钻施工探水眼,眼深 7m,共布置 4个,沿井筒荒断面周边眼位置均匀布置。无水则掘进,有水则重新采取措施。

4 注浆设备及有关参数

(1)注浆设备及布置设备选用 2TGZ-60/ 210型双液调速高压注浆泵。在井口利用 JL-200型搅拌机拌制浆液,在工作面搭设一高度为 1.5m的工作台,放置 1台注浆泵及操作开关。另需存放4个 0.5m3的铁桶,2个存放水泥浆,1个存放清水,1个存放水玻璃。工作面的供风、信号、动力电缆以及照明电缆利用原有的设施。供水采用吊桶供水,水泥浆利用吊桶运输,潜孔钻机打眼造孔。

(2)钻孔设备的规格采用平顶山勘察机电厂产的潜孔钻机,<50mm×1000mm钻杆,直径95mm的钻头造孔。

(3)注浆孔口管选择及规格注浆管由<25.4mm×2000mm的插管以及外套 3个直径为50.8mm,长度为 500mm左右的套管构成,套管两端焊上厚为 10mm的环形铁垫。插管底端向上120mm焊上 10mm厚的环形铁垫 (与插管焊为一体),间隔为 3组,每组由 2个 <90mm×60mm的止浆胶垫组成。插管顶端加工成 500mm的丝扣,在加工 1个厚 30mm的螺帽以使上紧套管挤压止浆垫使其膨胀贴紧孔壁。装上 <25.4mm的球阀以控制进浆量。使用多组止浆胶垫以增加其与孔壁的摩擦力,不至于注浆压力过大时将注浆管顶出。

(4)注浆材料选择无机化学注浆材料目前应用最广,特别是水泥既可用作单液注浆,也可与水玻璃等浆液用作双液注浆。水泥作为注浆材料历史悠久,是所有注浆材料中使用最广的一种,具有来源丰富、价格低廉、浆液结石体强度高、抗渗性能好的优点。由于水泥是颗粒性材料,对微细裂隙及细砂层较难注入,所以常用水玻璃等各种化学附加剂来提高水泥的可注性,缩短凝固时间,提高结石体早期强度和稳定性等。基于以上考虑,本次注浆采用水泥 -水玻璃双液浆液,水泥采用 P.O42.5级新鲜普通硅酸盐水泥,水玻璃采用模数为 2.4～3.2,浓度为 35～45Be碱性水玻璃。

(5)注浆参数选择井筒工作面预注浆浆液浓度遵循先稀后浓的原则。开注时,利用单液水泥浆注浆,水灰比前期为 1∶0.8,后期为 1∶1;封孔时为增加封孔的质量和效果,采用水泥 -水玻璃双液浆封孔,水泥浆与水玻璃比为 1∶0.3～1∶0.5。封孔前期时使用 15～20Be的水玻璃浆液,后期加大浓度到25～30Be,终孔时加大浓度到35Be。

(6)注浆压力通过大量的防治水实践,在采用井筒工作面预注浆时,一般将注浆压力定为静水压力的 2～2.5倍,具体要根据注浆段的现场岩石的裂隙发育情况、渗透系数等参数,作微观上的调整,以期达到最佳的注浆效果,经研究并根据经验值,综合以前注浆的参数压力值,工作面注浆压力宜为10MPa。

(7)扩散半径在井筒工作面的注浆过程中,浆液的扩散半径同样也随着岩层的渗透系数、裂隙宽度、注浆的压力、注入时间的增加而增加,随着浆液浓度和黏度的增加而减小。根据经验,在裂隙极为发育的含水层中,扩散半径控制到 5m以上。对裂隙分布不均匀和细小裂隙较多的情况,则通过合适的注浆压力,扩散半径控制到 3m以上,能达到较为理想的注浆效果。为此,本次注浆扩散半径控制在3m左右。

5 注浆施工效果

井筒 2007年 4月开工,于 5月 7日施工到46m位置,经第 1次超前探水,孔内均无水,按探放水措施要求继续施工 10m,保持 10m超前距,然后继续探水。5月 22日当井筒施工到井深 95m,进行第 4次探水时,探水钻孔于 14m位置出水,单孔涌水量 25m3/h,随按进风井防治水措施要求进行注浆治水,注浆后在所有检查孔均无水的情况下向下掘进 10m,保持 10m超前距,然后继续探水注浆,检查孔内有水则继续注浆,直至无水,直到通过含水层。

十三矿己四进风井已成功地进行了 5次工作面预注浆,达到了良好的堵水效果,在平顶山砂岩段单孔涌水量 25m3/h的条件下,达到了注浆后掘进期间工作面无水的条件,并在已施工的 350m井筒中顺利通过了共计 3层含水层,已施工过的井筒最大淋帮水量仅为 2m3/h,保证了井筒无水快速掘进,在防治水期间最高月成井 105m。