刘园子煤矿立井凿井工作面预注浆技术的应用

崔 义 陶 树

（1.中国华能集团公司，北京市西城区，100031；2.中国矿业大学（北京），北京市海淀区，100083）

刘园子煤矿立井凿井工作面预注浆技术的应用

崔 义1陶 树2

（1.中国华能集团公司，北京市西城区，100031；2.中国矿业大学（北京），北京市海淀区，100083）

刘园子煤矿在井筒施工中，采用工作面预注浆方法成功通过了白垩系砂砾岩涌水段。采用脲酫树脂加草酸加强型封堵液和普通硅酸盐水泥加XPM纳米灌注剂，分别处理主井和副井井筒，同时采取加密布孔、围幕注浆和加大压力等技术措施和手段，使凿井工作面预注浆取得了良好的效果，并对两种材料效果进行了对比分析。

立井凿井 白垩系 防治水 工作面预注浆

刘园子煤矿位于甘肃省庆阳市环县，地处鄂尔多斯盆地西缘。矿井设计生产能力90万t／a，为立井开拓，主、风井直径均为4m，深456m，副井直径为6.5m，深471.6m。对主井井筒检查孔作了抽水试验，利用大井法对涌水量进行预测，正常涌水量为1928.00m3／d，最大涌水量为2836.59 m3／d。井筒开凿进入白垩系地层后，涌水量逐渐加大，立井凿井工作面需要防治涌水才能通过。

在鄂尔多斯盆地，治理白垩系砂砾岩涌水大多采用冷冻法。而本文研究利用预注浆技术，解决白垩系砂砾岩含水层向施工中的井筒涌水问题。施工约6个月，预注浆资金的投入只相当于冷冻法施工的1／10，解决了白垩系砂砾岩涌水问题，大大节约建井资金。对我国西北地区各类矿井建设中穿过白垩系砂砾岩含水层具有重要的指导意义。

1 井筒水文地质条件

1.1 主要含水层

本井田内发育的地层自老而新有三叠系、侏罗系、白垩系和第四系。根据地层含水特征，将井田内地下水分为第四系松散岩类孔隙裂隙潜水、基岩表层风化裂隙潜水和白垩系下统承压水三大类。

（1）第四系松散岩类孔隙裂隙潜水。来源为大气降水的垂直渗入补给，由于本区为梁、峁、丘陵区，地形坡度大，大气降水后多形成沟谷表流，不利于对地下水渗入补给，富水性较差。

（2）基岩表层风化裂隙潜水。赋存于下白垩统志丹群第二段基岩表层风化裂隙中。马福川沟谷地段由于地势低，地下水接受两侧沟谷风化裂隙潜水的补给，接受地表水的补给条件较其它地段也相对较好，因此其富水性较其它地段也相对较好。

（3）白垩系下统承压水。分布于全井田，主要赋存于白垩系下统志丹群砂岩、砂砾岩中，第二段为一复合型含水层，砂岩总厚82～165m，砂岩比率42%～79%。志丹群含水层总厚度为130～260m，北部较薄，南部较厚，为一富水性强的含水层。

1.2 防治水方法的选择

刘园子煤矿在主井掘至208m、风井掘至198m以及副井掘至223m时，遇白垩系砂砾岩涌水，泥质胶结，遇水粥化，排水和出矸都非常困难，强行凿井已无法通过。可以选择的治水方法有工作面预注浆、壁后注浆和机械排水等。由于井筒开挖较深，若重新回填采用冻结法施工将会耗资巨大。最后经论证，采用脲酫树脂加草酸加强型封堵液和普通硅酸盐水泥加XPM纳米灌注剂进行工作面预注浆，采取加密布孔、围幕注浆并加大压力等技术措施和手段，选择合理浆液浓度、提高注浆压力以及调整注浆段高划分来改进注浆效果。

1.3 含水层岩性及技术难点

白垩系地层成岩时间较晚（1.5亿年前～6500万年前），岩性为砂岩、砂质泥岩和砾岩。岩层呈泥质半胶结，岩体抗风化、抗水浸能力差。且岩石破碎，为散体状结构，属稳定性差的丁类围岩。由于白垩系地层岩性特点，在实际的掘进施工过程中，水泵排水抽不上来，中型及以上抓斗抓岩又难以装载，井筒掘进效率很低，对水泵的磨损非常严重。

含水层为粗砂岩层和砾岩层，岩石为泥质胶结，裂隙较发育。但由于受到地下水的浸泡，裂隙中填塞和附着大量的浮沙粒，导致裂隙在井筒中观察不明显，水流可以通过但不能将填塞的沙粒带走。用水泥浆液注浆，由于水泥颗粒粒径较大，对导水裂隙逆向施压后带起浮沙颗粒，在前方形成强大的阻力，致使水泥浆液无法注入，浆液扩散半径很小，复钻检验时，水又复出。强行凿井已无法通过白垩系砂砾岩含水层，研究采用工作面预注浆技术穿过含水层，需要对注浆材料、压力、布孔、段高和方式等做出选择，并制定防治水方案。

2 防治水方案

如果采用工作面超前预注浆措施，在西北地区采用预注浆方法解决涌水问题无成功经验，因此注浆效果存在不确定性。通过组织中国矿大等相关专家进行论证，并结合西北地区矿建经验，认为白垩系地层是孔隙水，毛细管较小，水泥浆不易注入岩层。而化学浆液颗粒粒径较小，浆液扩散半径大，有利于浆液注入，决定使用化学浆液进行工作面预注浆试验。

2.1 主井工作面预注浆

（1）材料选择。选用脲酫树脂＋草酸，材料为液体浆液，草酸溶于水后与脲酫树脂通过地面双液泵双管路压入注浆孔，通过草酸溶液掺入的比例调整浆液凝固时间。

（2）段高和布孔。在实际施工中，根据井筒揭露岩层含水情况，并分析矿井水文地质资料，确定段高为120m。注浆孔为8个，铅垂布置，中心检查孔1个，在2.5m厚的止浆垫上预固定9个孔口管。

（3）注浆压力。根据注浆压力应为静水压力2～4倍的原则，确定终孔压力为6～10MPa。

（4）扩散半径和浆液注入量。浆液有效扩散半径取6m。计算浆液注入量V：

式中：A——浆液损失系数，取A＝1.2；

R——浆液扩散半径，取6m；

H——注浆高度，取70m；

a——岩层孔隙、裂隙率，取3%；

k——浆液有效充填系数，取0.9。由式（1）计算得：V＝256m3。

（5）注浆方式。采用压入式注浆，多循环扫孔复注。

（6）注浆效果。本次注浆达到了预期目的，浆液能够注入岩层，单孔涌水量由注浆前的15.3 m3／h，降低至2.5m3／h，封水效率达到84%；恢复凿井后上部效果较明显，前60m的最大涌水量为5m3／h。经对注浆后的岩层观察，确定了涌水主要来源于层间裂隙和垂直节理裂隙。

（7）注浆经验。本次注浆段高过大，有效注浆段只有60m；注浆孔布置太少，又是铅垂布置，在注浆过程中由于复钻涌水，又加了10个注浆孔，延误了工期；开始注浆时流量过大为105～120L／min，压力升高较快，注浆泵选型不合理，最初选用TJZ120／105型双液注浆泵，最大压力10.5MPa，后更换为XPB－90E可无级调速双液注浆泵（通过调整电机转速调整流量），最大压力26.0MPa。流量控制在20～30L／min，压力提高到15MPa停泵终孔（主要吃浆压力在9～11MPa之间）。

2.2 副井工作面预注浆

（1）材料选择。选用普通42.5硅酸盐水泥＋XPM纳米灌注剂，添加比例为10∶1，水灰比由3∶1逐步增加到1∶1。

（2）段高与布孔。根据副井井筒检查孔资料，结合井筒揭露岩层含水情况，确定段高为35m。注浆孔布置为28个，钻孔角度为外插5°，形成围幕。

（3）注浆压力。根据主井第一次注浆经验，确定终孔压力为15～18MPa。

（4）设备选型和注浆方式。选用坑道Ⅲa（原ZJ－300型）钻机，注浆泵选用XPB－90E型可无级调速双液注浆泵替代单液泵使用，采取小流量（流量控制在20～30L／min），多孔串液压入式注浆，出水便注，多循环扫孔复注。

（5）注浆效果。为取得预期围幕效果，共注入水泥150t、XPM纳米灌注剂15t，单孔涌水量由最大25m3／h，降为最大2.8m3／h，封水效率88%，恢复凿井掘进后，注浆段工作面最大涌水量为5.6m3／h。

3 注浆效果及经济对比

刘园子煤矿主、副、风三座井筒，分别经过近3个月的工作面预注浆治理白垩系含水层，现三座井已全部施工到位，成功实现三座井贯通。

在主井和风井施工中间临时水仓时，实见预注浆浆液注入扩散半径为1.5～3.0m，注入以层间裂隙和节理裂隙为主。工作面预注浆钻进及复钻总计15163.9m，注入脲醛树脂740.89t，草酸49.8t，改性脲醛树脂324.2t，水泥385.75t，XPM纳米灌注剂36.92t。

副井井筒工作面预注浆（采用水泥＋XPM纳米灌注剂），总计费用约为250万元；主井注浆（采用脲醛树脂＋草酸）费用约为600万元；若采用冻结凿井法穿越含水层每米造价为15万元（该数据为经验值），按照冻结258m计算，预计总价为约11610万元。

刘园子煤矿采用预注浆施工主井、副井和风井，采用水泥＋XPM纳米灌注剂注浆穿越含水层比采用采用化学浆注浆（脲醛树脂＋草酸注浆）穿越含水层费用可节约1000万元左右。

采用水泥＋XPM纳米灌注剂注浆比冻结法穿越含水层可节约1亿元左右。

通过比较可知，采用水泥＋XPM纳米灌注剂工作面预注浆穿越白垩系砂砾岩是比较经济的方法。

4 结论

刘园子煤矿三条井筒成功通过白垩系砂砾岩含水层的实践，证明采用工作面预注浆的方法治理西北地区白垩系砂砾岩含水层井筒涌水是成功的。采用水泥＋XPM纳米灌注剂进行工作面预注浆的方法治理西北地区白垩系砂砾岩含水层井筒涌水，与化学浆、冻结法相比较是成本最低的，可有效降低工程造价。同时，注浆效果好，在施工过程中成功穿过含水层。另外，由于白垩系地层岩石的特殊性，也存在着工作面预注浆扩散半径小，在放炮震动的影响下，对注浆形成的封闭岩石圈将造成破坏，井壁复出水可能性比较大，因此，还需在成井后做壁后注浆处理。

［1］ 张荣立，何国维，李铎.采矿工程设计手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2003

［2］ 赵铁锤，袁亮，葛世荣等.煤矿总工程师技术手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2010

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［4］ 李飞越.立井凿井工作面预注浆设计与施工［J］.煤炭工程，2007（12）

［5］ 刘仁武，宋海涛等.新构造裂隙特征在立井工作面预注浆中的应用［J］.煤炭科学技术，2000（1）

［6］ 孟晓洁，姚直书等.地面注浆加固异常地质构造带机理分析与实践［J］.中国煤炭，2011（7）

［7］ 李金凯.矿井岩溶水防治［M］.北京：煤炭工业出版社，1990

［8］ 辛广龙.采掘及防治水［M］.北京：煤炭工业出版社，2007

Pre－grouting technology applied to shaft sinking face of Liuyuanzi Coal Mine

Cui Yi1，Tao Shu2
（1.Coal Project Management Department，China Huaneng Group，Xicheng，Beijing 100031，China；2.China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China）

The section with water gushing in the cretaceous sandy conglomerate of Liuyuanzi coal mine was successfully get across during the shaft construction by using pre－grouting method.Using urea－formaldehyde resins mixed oxalic acid or ordinary portland cement blended XPM nanometered perfusion agent as the sealing liquids，the main shaft and auxiliary shaft were respectively sealed with the aid of other techniques，such as drilling in small intervals，surrounding grouting and enhancing grouting pressure，achieving agood result.The sealing effects of two materials were comparatively analyzed too.

shaft sinking，cretaceous system，prevention and control of mine water，pregrouting in working face

TD353

A

崔义（1982－），男，硕士学位，工程师，现在中国华能集团公司从事煤矿生产技术管理工作。

（责任编辑 张毅玲）