丰龙矿井北翼风井井筒注浆工艺的应用

诸献斌，舒伟君

（丰龙公司，江西 丰城 331100）

1 概况

丰龙矿井北翼风井井筒冻结深度110m（+40.5m～-69.5m），支护形式为单层钢筋砼复合井壁，内壁和外壁支护厚度分别为350mm，砼强度C35，外壁净直径6.2m，内壁净直径5.5 m。井检孔和冻结单位实际打钻情况显示：其含水层主要集中在14～80m 之间，水文资料预测含水层涌水量11.5m3／h；冻结单位打钻过程中，分别在104 m、106m 位置发现裂隙（未充填），为防止井筒突水，在井深95m 位置，进行超前探水工作。

2 探水、注浆方案

2.1 探水方案

本次探水深度40m（累深95～135m），工作面四周及中心各布置一个探孔，钻孔直径90mm，钻孔布置见图1，根据冻结单位提供的冻结资料，在冻结钻孔过程中，1＃孔在106m 位置发现裂隙，7＃、9＃孔在104m 位置发现裂隙。探孔顺序为：1＃、3＃、0＃、5＃、7＃。29＃～10＃冻结管之间做为探查重点，判断裂隙存在位置，若探查含水，应再补孔（补孔2～3个，位置主要在29＃～10＃冻结管之间），其它部位根据探孔情况确定是否补孔。钻探过程中，如若出水，则立即停钻注浆，封堵后，再恢复钻进直至终孔。

探水前搭设工作平台，固定潜孔钻机，预埋孔口管，根据工作面实际冻结情况，确定是否加固止浆岩帽，接着在止浆岩帽上部浇筑500mm 厚混凝土，待凝固后，对止浆岩帽进行打压试验，符合要求后，方可进行探水工作。

图1 探水钻孔布置

在探孔钻探过程中，若出水，则立即停钻注浆，封堵后，再恢复钻进直至终孔。

2.2 注浆方案

采用预埋孔口管、工作面预留止浆岩帽的方法注浆。将注浆泵安置在井口附近，并在井筒内悬吊1趟2吋铁管做为注浆管路，对工作面进行注浆。

工作面探水出水后，立即停钻注浆，注浆浆液以单液为主，浆液水灰比为0.6∶1～2∶1，在工作面跑浆或吃浆量太大时，采用双液注浆方案。

工作面注浆，主要以探水时的探孔为注浆孔，根据探孔的涌水量和注浆情况，来确定是否补打注浆孔，补打注浆孔的孔号分别为2＃、4＃、6＃、8＃孔，开口圈径与探水孔一致，孔距1.85m，角度为1.3°，深度根据探孔注浆后扫孔情况确定，并穿过该段含水层进入非含水层5m。

3 探水施工步骤

3.1 确定探水参数

主要参数：①探眼个数5个（0＃、1＃、3＃、5＃、7＃孔）；②探眼深度：40m；③布眼方式：同心圆径向斜孔，角度α=1.15°；④开口圆径和间距：D=4.7m，L=3.7m。

3.2 搭设工作平台

木结构，四梁十二柱，150mm×150mm×3.6m 方木2根，150mm×150mm×6.0m 方木2根，200mm×200 mm×2.2m 方木12根，70mm 厚木板37.4m2。工作平台高度（指岩面到平台净空高度）为1.7m。

3.3 预埋孔口管及施工止浆垫

（1）止浆岩帽厚度计算。

B=Po·D／4〔τ〕=4×6.9／4×1.1=6.3m，取7m。

式中：B为止浆岩帽厚度，m；Po为注浆终压，取静水压的2.5倍，即3.25 MPa，取4 MPa；D 为井筒直径，6.9m；〔τ〕为岩石抗剪强度，取1.1 MPa。

（2）预埋孔口管及施工止浆岩帽步骤。

施工步骤：①搭好工作平台后，打开口钻采用Φ130 mm 钻头钻进1.5m，然后埋入Φ108mm×2.3m×4mm无缝钢管作为孔口管，孔口管管壁外焊接几圈Φ6 mm 盘条，孔口管带高压阀门，采用CS双液固定；②孔口管全部下好后，在止浆岩帽上部浇注厚500mm 的C35混凝土，并在混凝土与井帮交接处均匀的埋设10根2吋钢管，长度0.7m，钢管埋入止浆岩帽表面100mm 以下，待混凝土凝固后，采用双液浆封堵加固；③根据工作面实际冻结情况决定是否加固止浆岩帽。如需加固时，应打到止浆岩帽表面以下7m，打一个注一个，全部注完后养护至少24h；④止浆垫养护24h后，用钻机对孔口管进行扫孔并超过原钻进深度100～200mm。关闭孔口管闸阀，采用1.2倍注浆终压压送清水并稳定15 min，确认无泄漏方可认定为合格。

4 导向管制作与布置要求

4.1 导向管的制作与验收

导向管为2.3m，采用Φ108mm×4mm 无缝钢管制作。

技术要求：①焊前，法兰盘必须与闸门压盖试配；②管的材质、规格符合设计要求；③法兰盘要与管身轴线垂直；④按高压容器要求焊接，不许有砂眼；⑤管身要直，自上而下不许有凹坑。采用旧管时不得有影响强度的损伤、锈斑或锈坑。

验收：①按技术要求逐项验收；②抽样打压试验，试验压力为5 MPa。

4.2 下导向管

（1）钻机在预开口位置固定，调整机头，根据技术要求调整钻杆方向，保证按照技术方案施工。

（2）开口要低压慢速，防止跑钻。

（3）导向管孔深度为1.5m，技术要求误差±100mm，角度误差±0.50。

5 注浆施工

5.1 确定注浆参数

①注浆终压：P=khρ／100

式中：K 为静水压力的2～2.5倍，取2.5；h为注浆深度，125m；ρ为水的比重，1t／m3。

计算得注浆终压P=3.13Pa，取4 MPa。

②钻孔倾角。采用径向斜孔，钻孔倾角按照下式计算：a=tg-1（S／H）

式中：a为钻孔在径向l二与竖直轴线的夹角，°；A 为注浆孔与井壁距离，为0.8m；H 为注浆段高，H=35 m（暂按35m 考虑）。

计算得：a=1.3°。

③单液水泥浆的预计注入量：V=AhπR2βη／m

式中：A 为浆液消耗系数，取1.5；h为注浆段高35m；R 为浆液有效扩散半径，取6m；β为浆液充填系数，取0.85；η为裂隙率，前期注浆取3%；m 为结石率，取0.85。

计算得水泥浆液量V=178.13 m3，施工中根据注浆实际情况进行调整。

④注浆补孔：在探水孔中间补打注浆孔，并利用其检查探水施工钻孔的钻注效果，0＃孔全孔扫孔，作为全注段的检查孔。

⑤浆液材料及浓度配合比。a-注浆材料：P.O.42.5普通硅酸盐水泥。水玻璃，模数为2.4～3.4，浓度为45Be以上；b-注浆配合比单液注浆时，水灰比为：2∶1、1.5∶1、1.25∶1、1∶1、0.75∶1、0.6∶1六种，以水泥浆为主。双液浆时，水泥浆液与水玻璃体积比为：1∶0.3～1∶0.5浓度配合比视注水试验来确定起始注浆浓度：先稀-逐渐加浓-最后又变稀（接近终压时）。

⑥钻进方式及钻孔规格：采用无芯钻进法，钻孔规格为Φ90mm。

5.2 注浆施工步骤

（1）注浆前先将注浆泵及储浆罐等安置在井口附近，然后连接管路，并认真检查管路联接是否正常，材料准备是否充足，准备工作完成后对注浆泵进行试运转，一切正常后方可注浆。

（2）井筒内注浆管路用2〞铁管，两端用1〞高压注浆胶管连接。

（3）进行打压实验，具体步骤如下：关闭孔口阀，启动注浆泵，用清水对管路打压，当压力达到5 MPa时，稳定五分钟，管路无跑漏现象即为合格。

（4）进行压水试验，具体步骤如下：在打压试验结束后，打开孔口阀向孔内注清水，观察压力及吸水量，压力时间不得低于10min，以便为注浆提供依据。

（5）根据钻孔吸水量确定浆液起始浓度，当钻孔吸水量大于250L／min时，起始浓度为1.5∶1；吸水量小于200 L／min时，用2∶1。

（6）造浆前，对所用水泥进行凝胶时间的测定，初凝时间超过15h，不准使用。搅拌罐应放过滤筛，以防止杂物及硬块混入浆液。搅拌罐内的浆液应随时搅拌，防止浆液沉淀。注浆泵应有专人负责。

（7）注浆时观察纪录一次压力、进浆量、浆液浓度，认真填写记录，作为分析该孔注浆效果的依据。

（8）注浆时，应遵循先稀后浓的原则，水灰比分为2∶1、1.5∶1、1.25∶1、1∶1、0.75∶1、0.6∶1等6个级别，起始浓度浆液注入时间为30min，然后调换浓一级浆液，如用某级浆液压力上升很快，吸浆量随之减小，则需调换稀一级浆液，以保证钻孔的注入量。

（9）当用最浓浆液时，注入量达到设计量的80%，压力仍不升，吸浆不减，可能属超扩散，应采用注、停结合的方法，间歇时间为20min，这时应关闭孔口阀，打开放浆阀使吸浆管吸清水，以防注浆管路凝固或堵塞。

（10）单孔注浆结束标准单位注入量小于20L／min，注浆达到设计终压时，维持20min方可结束该孔注浆。

（11）钻注原则上钻一个孔注一个孔，最后一个孔加深2m，作为总检查孔。

6 治理效果

通过采用预埋孔口管、工作面预留止浆岩帽的方法注浆后，风井井筒涌水量由原来的11.5m3／h降至少于0.5 m3／h，注浆堵水率达到了90%左右，取得了良好的治理效果。现该井筒已经投入生产2年，井筒内涌水量仍保持在0.3m3／h左右，能够满足正常生产要求。

北翼风井井筒通过注浆后，取得了较好堵水效果，避免了水患，实现了矿井的安全生产。实践证明，此次井筒注浆方案是科学合理的，为以后的井筒堵水治理工作提供了可靠有效的依据。