柳林煤矿回风立井井筒冻结管射孔注浆技术的实践

刘应军

（柳林县应急管理局，山西 吕梁 033300）

现有冻结法立井井筒施工后防治水处理方法存在着施工成本高、施工难度大、防治水效果较差等实际问题。射孔注浆技术在地面注浆不需要另外造孔，同时井下围岩注浆也不需要进行破壁施工，施工便利，成本低，安全性较好。以柳林煤矿回风立井为研究对象进行了冻结管射孔注浆技术的实践研究，制定了合理的射孔注浆方案以及施工方案[1-6]，可以保证射孔注浆的封堵效果，达到提高防治水效果的目的。

1 工程概况

1.1 概况

山西柳林煤矿有限公司立井、副立井、回风立井三条井筒全部采用全深冻结法施工，井壁结构均为双层井壁。通过矿井水文地质补充勘探可知，4#、5#煤正常涌水量分别为1754 m3/h、1886 m3/h，最大涌水量分别为2270 m3/h、2410 m3/h。回风立井井筒深度541.52 m，工程采用全深一次冻结，主排孔数量40 个，深度555 m；防片帮孔数量20 个，深度70 m；测温孔3 个，2 个深度555 m+1 个深度80 m。回风立井井筒冻结孔剖面及设计布孔如图1。

图1 回风立井井筒冻结孔剖面及设计布孔情况

1.2 回风立井井筒冻结管射孔注浆技术的思路

根据矿井水文地质、工程地质条件，确定射孔注浆层位、注浆材料及浆液配比、注浆压力、施工时间段等工艺参数。

研究全深冻结井筒冻结管射孔注浆施工中射孔阶段及注浆阶段施工工艺的质量控制方法及机具，在各施工阶段的施工顺序、层位控制及异常情况处理工艺方案。

设计回风立井井筒完成40 个主冻结孔和2 个测温孔射孔注浆工作，停止冻结后约6 个月自然解冻，贯穿全井深的每个冻结孔与冻结管之间形成“环状空间”，切断冻结孔环状空间垂向导水通道，防止冻结壁解冻后环状空间水压作用在井下构筑物（包括井下巷道、硐室、井筒）上造成构筑物破坏，如图2。

图2 回风立井井筒冻结孔水害形成剖面示意图

2 射孔注浆技术方案设计

2.1 射孔注浆原理

射孔注浆原理：将射孔枪体沿冻结管下放至预定注浆地层，引爆磁电雷管，在井筒壁后裂隙发育、熔岩水丰富的地带将冻结管穿透，并形成一定宽度和长度的裂缝，然后进行围岩注浆加固和堵水。

2.2 射孔注浆设备

冻结管射孔注浆射孔枪选择102 型，射孔弹型号为YD-89B 型，射孔角度为相位90°，孔密度为10 孔/m，配置射孔仪器绞车+25 t 起重机。

2.3 射孔层位选择

本次注浆孔利用回风立井现有的40 个主排冻结孔（Z1～Z40）和2 个测温孔（C1～C2），一共是42 个注浆孔。第一次射孔注浆：井筒与车场连接位置+硐室上方30～50 m 位置，主要是对延安组隔水层（以粉砂岩、泥岩为主）进行注浆；第二次射孔注浆：冻结管内水泥至井筒与车场连接位置+硐室顶部80～100 m位置，主要是对直罗组上段隔水层（以紫色和杂色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主）进行注浆。

Z1～Z40 号注浆孔，单孔射孔深度为431～432 m，射孔长度42 m，射孔段为泥岩；C1～C2 号注浆孔，单孔射孔深度为352～353 m，射孔长度42 m，射孔段为泥岩。

2.4 注浆施工方案

作业方式：单孔注浆采取先下后上分二个层段射孔注浆顺序。每个孔深部层位射孔注浆结束后，立即定量压水（通过计算，压入的水量需将冻结管内的水泥浆全部压到管外），而后关闭冻结管高压球阀，待浆液达到终凝后再打开高压球阀，最后再进行浅部层位射孔、压清水、注浆。

当一个段高的注浆量达设计量的80%～120%，且注浆终压达到设计压力，泵量为30～50 L/min，并稳定20 min 以上时，可结束该段注浆。

注浆站布设：布置XPB90E 型液压注浆泵1 台、HFV-C 型液压注浆泵1 台，建一次搅拌池1 个、二次搅拌池1 个、清水池1 个，布置螺旋给料机1 台。

注浆浆液配备：当浆液水灰比为1:1 时，水750 L，P.O42.5 水泥750 kg，外加食盐37.5 kg，三乙醇胺3.75 kg，此时浆液比重1.50 t/m3，浆液体积1.000 m3；当浆液水灰比为0.75:1 时，水712 L，P.O42.5水泥950 kg，外加食盐77.5 kg，三乙醇胺4.75 kg，此时浆液比重1.66 t/m3，浆液体积1.029 m3。

3 射孔注浆方案的实施过程分析

3.1 盐水置换

回风立井布置42 个射孔注浆孔，射孔注浆孔盐水置换主要流程为立钻→凿孔→压风与钻杆连接→盐水置换。

（1）立钻。在井筒冻结沟槽内原冻结孔位置进行标记，利用吊垂线确定冻结孔位中心和冻结管中心位置。（2）凿孔。冲击钻向上打孔后用15 mm 水钻扫孔、射孔注浆通道。（3）对压风管与钻杆进行连接；（4）盐水置换。下放钻杆，开启风管阀门，进行盐水置换。

3.2 子弹穿管

根据射孔注浆技术方案，采用专用射孔在冻结管内指定位置进行打孔并延伸至岩层内实施子弹穿管作业工序。冻结射孔过程原理如图3，主要流程包括下放绞车→枪体枪头连接→枪体回收。射出孔孔径8～12 mm，穿透岩石深度220～320 mm 左右。

图3 冻结管射孔原理示意图

下放射孔枪之前，在冻结管内注入一定量的浆液，让射孔位置淹没在浆液之中，保障射孔枪在浆液内发生引爆，防止爆破炸裂现象。实践结果表明：起爆后枪身孔数为10 a，无哑炮和二次引爆现象发生，子弹穿管施工较理想。

3.3 注浆施工

注浆施工浆液流程主要为，搅拌桶→浆液池→注浆泵→注浆口。在注浆施工中，注浆压力会有变化，可通过调整浆液浓度、控制泵量的办法进行调整。注浆施工中当注浆量超过13 m3时，必须实时监测注浆压力，用人为的方法控制泵量，使压力达到终压。

4 工程质量分析

回风立井井筒施工射孔共42 次，经检查42 个全部都为有效射孔，射孔成功率达到了100%，射孔施工效果理想。经分析可知，该回风立井井筒冻结孔采用Φ190 mm 的钻头造孔，下放冻结管管径为Φ140 mm，水泥浆置换孔底往上约150～220 m。理论计算结果表明：单孔仅仅需要13 m3的液浆即可填满注浆孔及冻结孔的环形空间。但在该工程施工过程中发现，回风立井井筒实际累计注液浆量达1546 m3，平均单孔注浆量高达36.8 m3，431～432 m段注浆量达873 m3，上段（352～353 m）注入水泥浆液673 m3。从这一情况来看，实际注浆量远大于理论注浆量。分析可知，射孔注浆不仅是对注浆孔及冻结孔的环形空间进行了充填，也对局部地层进行了加固封堵。

在回风立井井筒底部南侧和北侧位置，在施工井筒连接处及硐室时，揭露冻结管后，检测发现冻结管密实良好，无淋水、出水现象发生，消除了回风立井井筒的水害威胁。

5 结语

以柳林煤矿回风立井井筒为研究对象，进行了冻结管射孔注浆技术的实践工程试验，施工射孔共42 次，射孔成功率达到了100%，射孔施工效果理想，达到了封堵冻结管与地层环状空间导水通道的目的。揭露冻结管后，发现冻结管密实良好，无淋水、出水现象发生，消除了煤矿回风立井井筒的水害威胁，满足了矿井的正常生产要求。