井筒地面预注浆在汉水泉三号煤矿风井中的应用

邵晨霞 安许良

(1. 煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京市朝阳区，100013； 2. 北京中煤矿山工程有限公司，北京市朝阳区，100013)

汉水泉三号煤矿位于新疆哈密地区巴里坤县境内，矿区内布置主井、副井、风井3个立井井筒，井筒自上而下穿过的地层分别为第四系、新近系、中生代侏罗系。根据井检孔地质资料，风井的侏罗系地层预计涌水量为 25.62 m3/h。根据我国西部部分矿井建设的经验及教训，我国西部煤矿部分矿井的水文地质资料预测涌水量偏小，特别是中生代地层预测涌水量很小，在采用普通凿井法施工时，地下水的危害却很严重，诸如涌水、涌砂、岩壁垮塌、井筒变形等事故频发，甚至造成井筒建设无法继续；当事故发生后，再采取导水强排、工作面注浆等补救措施，施工难度非常大。为了保证汉水泉三号煤矿风井的顺利掘进，同时为了缩短工期、节省成本，对风井第四系、新近系及上部侏罗系地层进行冻结法处理，下部侏罗系地层采用地面预注浆法处理。

1 地质与水文地质条件

1.1 地质条件

汉水泉三号井田揭露的地层从上到下依次是第四系、新近系、中生界侏罗系，风井侏罗系地层起始深度为196.75 m，从地质年代看，属于中生代侏罗纪中侏罗世(J2)早期地层，分为侏罗系西山窑组致密岩组和三工河组致密岩组。

侏罗系西山窑组致密岩组主要为湖沼相沉积，岩性上粗下细，为本区的含煤地层，地层厚度300～550 m；岩石以煤、粉砂岩、中砂岩为主，夹厚层砂砾岩。岩石成分以石英、长石为主，含植物化石和少量暗色矿物，局部可见黄铁矿。岩石抗压强度多为0.33～19.6 MPa，为不稳固岩段。侏罗系三工河组致密岩组主要岩性以灰色粉砂岩、泥岩、砂岩与砂砾岩不等厚互层，局部夹炭质泥岩。

1.2 水文地质条件

汉水泉井田内侏罗系共划分为西山窑组基岩孔隙/裂隙含水层组(H3)和三工河组基岩孔隙/裂隙含水层组(H4)两个含水层。根据井检孔资料，风井含水层以粗砂岩、中砂岩及煤层为主，局部裂隙发育，具有储水空间，虽然富水性弱，但含水层主要接受上部含水层组的垂直渗入补给，井筒开挖之后，一旦与上部含水层沟通，其导水性及富水性将随之发生变化。风井预计涌水量如表1所示。

表1 风井涌水量预算

2 设计概况

2.1 总体设计

根据风井地质、水文地质条件以及西部煤矿井筒施工经验，同时结合中东部地区井筒建设情况，决定采用风井上部冻结下部注浆的凿井方案，根据规范文件要求及中东部地区石炭二叠系地层施工经验，注浆起始深度与冻结段重合20 m，注浆终止深度超过井筒设计深度至少10 m。由此设计风井注浆起止深度为386～652 m，注浆段总高为266 m。根据现场情况，地面预注浆均采用全直孔施工方案，注浆孔均布置在井筒荒径(井筒净径7.5 m)以外，风井注浆布孔圈径为12.5 m，共设计注浆孔6个，相邻孔间距为6.25 m；对于井筒上部、下部与井底车场连接处，采用增加单液水泥浆的方法进行加固；在井筒上部、下部与井底车场连接处注浆加固段高的选取上，均以连接处巷道顶板以上20 m、底板以下20 m，并结合巷道高度确定。钻孔布置图如图1所示，注浆段高如图2所示。

2.2 浆液注入量

根据浆液有效径向扩散距离和注浆段平均裂隙率，以及《立井井筒地面预注浆黏土水泥浆技术规范》对浆液注入量进行计算，关于马头门加固，上部和下部马头门均取加固高度47 m，在井筒设计黏土水泥浆的基础上，井筒增加8 m3/m单液水泥浆。由此计算风井总的注浆量如表2所示。

图1 风井井注浆钻孔平面布置图

井筒注浆段单液水泥浆/m3黏土水泥浆/m3合计/m3岩帽段641641正常段75290729824固管6060总计1453907210525

2.3 注浆段高及注浆压力

注浆段高的划分取决于含水层的位置、厚度、止浆层位、浆液性能以及注浆泵性能等诸多因素。根据不同的地质条件，段高划分遵循针对性、特殊性及一致性的原则。根据检查孔地质剖面图及相应地质报告，划分不同的注浆段高。注浆压力是影响浆液扩散范围的因素之一，注浆压力过小时，浆液扩散范围缩小，无法达到帷幕厚度要求；注浆压力过大时，浆液扩散范围扩大，造成浆液浪费。根据规范文件要求，岩帽段注浆终压为静水压力的1.5～2.0倍；正常注浆终压为静水压力的2.0～2.5倍。风井段高划分及注浆终压值见表3。

图2 风井注浆段高示意图

注浆段起止深度/m段长/m设计终压/MPa岩帽段386～4011561～821401～4555493～1162455～51055104～1303510～56050114～1434560～60444123～1545604～65248131～164

3 现场施工

汉水泉三号煤矿风井井筒地面预注浆工程于2014年6月16日开始施工，同年10月21日施工结束。设计6个钻孔，分两序施工，Z1、Z3、Z5为一序孔，Z2、Z4、Z6为二序孔，共进行116次注浆，注入单液水泥浆1506 m3，黏土水泥浆10468 m3，合计11974 m3，根据注浆结束的压水试验，预计风井井筒注浆段注后剩余涌水量为1.7 m3/h，满足规范文件及施工组织设计井筒剩余涌水量小于10 m3/h的要求，注浆质量优良，风井各孔浆液注入量如表4所示。

表4 风井各孔浆液注入量统计表

4 注浆参数及注浆质量分析

4.1 注浆量

浆液注入量是井筒地面预注浆形成隔水帷幕的物质保证，是决定注浆堵水质量的基础，风井井筒注浆段注入量11974 m3，各段注入量达到设计要求，如表5所示，风井单位井筒注入量最大值为87.53 m3/m，最小值为34.71 m3/m，平均值为41.31 m3/m，与中东部地区井筒40～60 m3/m的经验值相比，属于正常范围。

表5 风井各段单位注浆量统计表

4.2 注浆压力

汉水泉三号煤矿风井注浆段各孔各段高注浆技术压力如表6所示。从表6中数据看，汉水泉三号煤矿风井各孔、各注浆段注浆终压与中东部石炭二叠系地层相比，压力相对较低，但均在设计终压范围内，满足设计要求。

表6 风井各孔各段注浆终压汇总表

4.3 注浆范围

汉水泉三号煤矿风井注浆钻孔施工过程中，各钻孔偏斜都得到了很好的控制，满足了设计要求。根据钻孔偏斜资料以及岩帽段扩散半径8 m、正常段10 m的设计数据可知，风井最大注浆帷幕直径为28.65 m，最小为26.36 m，如表7所示。而风井的井筒直径分别为7.5 m，各段交圈帷幕均能满足注浆堵水要求。

表7 风井各段注浆帷幕交圈统计表

4.4 水文地质条件改善

4.4.1 钻孔吸水率

注浆过程中常用岩层压水吸水率评价注浆堵水效果和评价所注岩层水文地质改善的程度。根据吸水率计算公式可计算出风井各孔各注浆段注浆前后吸水率变化情况，如表8所示。

由表8可以看出，风井注前压水和注后压水吸水率均有明显变化，说明地层裂隙具有较好的连通性和渗透性，即地层具有适宜注浆的前提条件；注浆后吸水率变小，证明注浆对地层裂隙进行了封堵，保证了较好的堵水和加固效果。岩帽段的Z5孔降幅明显，由1.231 L/m·m·min降为0.016 L/m·m·min，风井第一段Z5孔降幅明显，由0.039 L/m·m·min降为0.005 L/m·m·min；单位钻孔吸水率的最大降幅为98%。由此可见风井注浆堵水效果明显。

表8 风井岩帽段及第一段吸水率对比表

4.4.2 井筒含水层剩余涌水量

为了检验井筒注浆段的注浆效果及质量，计算井筒剩余涌水量，根据煤炭行业标准《立井井筒地面预注浆效果压水试验检验方法》，风井选取Z6孔为压水试验孔，压水段386～652 m，风井剩余涌水量为1.70 m3/h。根据汉水泉三号煤矿井检孔地质报告可知，风井注浆段所经过的侏罗系地层注前预计涌水量为25.62 m3/h，注浆后，风井注浆段井筒预计剩余涌水量为1.70 m3/h，比注前减少23.92 m3/h，堵水率达93%。风井注浆效果显著，能达到注浆堵水的目的。

5 结论

我国西部煤炭资源丰富，但地层条件不同于中东部地区，尤其是中生代地层急需有效的特殊凿井方法。地面预注浆技术是保证基岩段井筒安全快速建设、避免水害的主要方法，通过井筒地面预注浆技术在汉水泉三号矿井风井的成功应用，为安全快速凿井提供了有利条件，同时也总结了注浆压力、注浆量等一系列参数，实现了井筒地面预注浆工艺的推广，为西部地区中生代地层的水害治理提供了更多的选择依据和参考。

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