井筒注浆堵水工艺研究与实践

杨庆龙 YANG Qing-long

（国能宝清煤电化有限公司朝阳露天煤矿，双鸭山 155600）

0 引言

注浆堵水是将水泥浆或化学浆通过管道压入井下岩层空隙、裂隙或巷道中，使其扩散、凝固和硬化，从而使岩层具有较高的强度、密实性和不透水性，达到封堵截断补给水源和加固地层的作用，是矿井防治水害的重要手段之一[1-3]。目前，注浆堵水已广泛用于矿井井筒注浆、封堵突水点、井巷堵水过含水层或导水断层、帷幕注浆堵水截流。注浆堵水是矿井水防治的重要方法之一，具有减轻矿井排水负担，节省排水用电，降低吨煤成本，提高工效和质量，加固井巷薄弱地段，减少突水机率，延长矿井服务年限的明显优点。

1 工程概况

准东二矿副井井筒为竖井，地面坐标为：X=4962531.140，Y=466290.236，H=+595.000m，该井筒净直径为9.5m，井深545m，井壁采用砼支护，砼等级C40。其岩性主要为粉砂岩、细砂岩、泥岩。根据渗、淋水情况及井壁结构、井筒围岩岩性资料分析，井筒出水水源主要是围岩裂隙水，出水通道以井壁的混凝土接缝、砌缝、空洞及胶结薄弱区为主。

通过对井筒地质情况分析，出水主要为砂岩裂隙积水，现场观察多通过两模结合部流出，水质具有腐蚀性，井筒内的涌水量为多点分散式涌出，且遍布井筒内部，以汇流及多点散发之势流出，形成淋水似降雨从高空落下，使井筒内设备设施长期浸湿在淋水中，对设备侵蚀严重。

2 井筒注浆堵水方案

通过对井筒淋水情况现场踏勘，以及对井壁结构、井筒围岩岩性、井筒竣工图纸等资料分析，得知井筒出水水源主要是围岩裂隙水，出水通道以井壁的混凝土接缝、砌缝、空洞及胶结薄弱区为主，对此类涌水情况，需采用壁后注浆方式对漏水通道进行封堵加固。本次堵水施工拟采用在井筒壁施工钻孔，对壁后注水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆，有效充填封堵加固井壁后一定范围内的基岩裂隙，切断井筒壁后含水层水源涌出通道。

根据井筒内设备设施分布情况，为满足注浆作业及安全施工，需在宽罐笼顶部东、西两侧搭建临时施工平台，每侧设五根10#槽钢梁，在槽钢梁上铺设木板形成施工作业平台。

本次注浆堵水施工，为二次注浆堵水，施工工况复杂，井筒裂隙错综复杂，渗水点散乱，反复补充注浆，效果非常不明显，且砼石接触点有破损现象，注浆时不吃浆，止水效果差，这又使得注浆时的困难增加。

本次堵水施工拟采用在井筒壁施工钻孔，通过钻孔进行壁后注浆的方式[4]。通过高压注水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆，不仅对井壁后一定范围内的基岩裂隙进行有效充填加固，减少涌水水源，还能直接封堵淋水区附近井筒壁后空隙及围岩裂隙，切断井筒壁后含水层水源涌出通道，有效减少井筒涌水量的同时，又对井壁进行了加固，从出水水源、出水通道、加固井壁等多方面确保堵水质量。

3 井筒注浆设计

3.1 注浆段范围

本次治理范围约在副井井筒190-490m 埋深段，出水点主要集中在每模砼接茬处。根据井筒岩层柱状及现场查看出水点情况，确定具体注浆范围为：192-338m，347-351m，376-381m，408-491m 段，根据现场施工情况可进行调整见图1。

图1 井筒注浆段示意图

3.2 钻孔孔深设计

副井井筒井壁砼厚度在0.65m 与0.75m 之间，钻孔破壁后初步确定注浆孔深为1m；如出现较大出水点、注浆效果检查孔、堵漏补缺加固钻孔等特殊情况，确定孔深为1.5-3m。

3.3 钻孔孔距设计

据注浆孔扩散半径计算公式，计算得出初步预计注浆孔扩散半径R=3.4m 时，单孔注浆量为Q*t=30L/min*60min=1.8m3。注浆孔排距4m，间距4m，井筒直径9.5m，每排设计8个孔，上下层间钻孔位置呈三花眼分布。

注浆扩散半径计算公式如下：

式中，R 为注浆扩散半径，m；Q 为单位时间内注浆量，30L/min；t 为注浆持续时间，取60min；h 为一次注入的岩层厚度，取0.25m；n 为岩层孔隙率，砂岩为12%-34%，取20%。

计算得出：R=3.4m。

3.4 井筒注浆压力设计

通过注浆压力公式计算，得出本次注浆正常压力设计值为不得高于静水压力的1.5-2MPa，正常结束压力不得高于静水压力2MPa，任何情况均不得高于静水压力2.5MPa。注浆时，若井壁、孔壁出现异常，不论压力高低，均停止注浆，查明原因采取措施后方可恢复施工。

注浆压力公式计算如下：

式中，P 为注浆部位井壁能承受的压力，MPa；K 为井壁材料的允许抗压强度，40MPa；E 为井壁厚度，0.65m，0.75m；R 为井筒净直径，9.5m；η 为安全系数，取2。

计算得出：当E=0.65m 时，P=2.48MPa；当E=0.75m时，P=2.8MPa。

3.5 注浆工序及要求

注浆工序为：地面制浆→输浆至施工平台→风泵注浆→达到终压条件停止→封孔。注浆孔终孔孔径为φ38mm，注浆管采用φ25×3.5mm 无缝钢管，外端以丝扣与阀门相连接，里端150-300mm 段加工成马牙扣，注浆管外露井壁长度50mm。根据注浆深度适当调整注浆管长度，通过注浆管末端直接向导水裂隙注入浆液，注浆管管壁不做打眼处理。对于井壁内附属物（电缆、风水管路）后的出水点堵水，钻孔位置距离附属物边缘要大于0.5m，并对管线作遮挡防护。注浆材料以水泥单液浆为主，水泥-水玻璃双液浆为辅。选用碱性水泥，水玻璃为35-45°Bé，模数2.8-3.2。注浆水泥单液浆水灰比为1:1～1:0.5 调节，双液浆的配合比为水泥浆和水玻璃体积比1:0.8～1:1。浆液浓度可根据清水试压情况，施工进展及涌漏水情况，以及注浆时的进浆、井壁、孔口状况进行调整。为保证堵水质量及井壁安全，本次注浆正常压力设计值为1.5MPa。注浆前必须对钻孔进行洗孔，注单液浆期间如遇跑浆漏浆可改用双液浆封堵，也可以停注放水对跑浆处进行加固，直到出水点阀门关闭井壁不跑水不漏水为止。浆液浓度可根据清水试压情况，施工进展及涌漏水情况，以及注浆时的进浆、井壁、孔口状况进行调整。

3.6 注浆系统及设备

地面制浆、输浆。使用一台搅拌机制水泥浆，用BW-250 型注浆泵向井内输送水泥浆。井筒注浆设备选用2ZBQ10/16 型气动注浆泵一台，存放清水、水玻璃、混浆桶各一个。注浆设备布置在罐笼内，方便准确控制注浆参数。

4 井筒注浆施工技术

4.1 施工工艺

该工程采用井壁施工钻孔，通过注浆管注入水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆方式，分四段进行堵水施工。施工采用风动凿岩机打孔、预埋注浆管、风动注浆泵注浆的工艺进行。打孔前，首先对破损井壁进行修补，采用风镐破壁、塑胶泥修复的工艺对薄弱井壁进行加固。

4.2 施工顺序

工程施工按照破壁修复、加固→打孔→注浆→封孔的施工工序进行，施工顺序为：

①先采取下行方式打孔、注浆。目的是封堵明显的出水点，封堵大部分水量。方式是自上而下，在明显出水区域，布置钻孔，进行注浆，直到出水区域水量基本被封堵。

②再采取上行方式，检查复注。自下而上，对仍有明显出水、渗水的部位、可疑部位、薄弱部位及这些部位周边范围布置钻孔，打孔、注浆，目的是：1）对已确定为治理好的出水部位打孔检验注浆效果；2）对遗漏的尚未治理彻底的出水区进行布孔复注、加固。

4.3 现场施工条件准备

提升绞车选用副井绞车提升，利用副井提升宽罐笼作业。在罐笼顶部加装施工平台进行施工，使操作范围能达到井壁，为施工提供打钻和注浆操作空间；在井筒宽罐笼内放置注浆泵等施工设备及相关材料。

施工用风管路准备：在井筒布设风管为风钻及风动双液注浆泵供风，风管采用1 寸高压胶管。

输浆、输水管路准备：输浆、输水共用一趟管路，采用一趟1 寸高压胶管。

风水管路沿井筒内闲置电缆固定架向下布设，每处电缆固定架与胶管交叉处均采用10#双股铅丝捆扎固定，施工区域内每20m 留设一套三通阀门接口。

4.4 施工平台设计

根据井筒永久设施分布和罐笼情况，为了满足注浆作业需要，需在宽罐笼东、西两侧搭建临时施工平台。施工平台固定点要位于罐笼外沿以里至少200mm 处，设计要合理、安全可靠；工作平台的框架与井壁、梁和井筒内突出物的安全间隙不得小于150mm。

每侧设五根10#槽钢梁，在槽钢梁上铺设木板以形成施工作业平台，具体如下：槽钢梁靠井壁端头距井壁150-200mm，在端头用16#钢筋焊鼻用于固定φ8mm 钢丝绳，钢丝绳另一端上斜拉固定在罐笼主绳附件上，槽钢的另一端500mm 部分用两根36mm 的高强度螺栓固定在宽罐笼上，槽钢梁安装平整后，再在上面铺设规格50×200×2500mm 的木板，并用扁铁压板固定在槽钢梁上，方可打钻和注浆作业。风动注浆泵及注浆材料放置于宽罐笼内。宽罐笼南北两侧如需作业，采取铺设50×200×2500mm 木板的方式处理，封闭到井壁边缘。

宽罐笼与平衡锤重合位置为井深257.5m 处，如需在井深250-255m 施工，则平衡锤紧邻侧井壁不进行注浆作业，其它部分井壁段施工时，施工平台搭设东侧平台不安装中间槽钢梁，合理避开平衡锤空间，然后进行施工。

在宽罐笼东、西两侧搭建临时施工平台，施工平台一侧共安设5 根槽钢梁，槽钢梁尺寸为3.15m 一根、2.85m两根、1.95m 两根。槽钢梁与宽罐笼搭接长度均为0.5m，则槽钢梁超出罐笼长度分别为1.45m、1.45m、2.35m、2.35m、2.65m，则施工平台一侧整体承重能力为（1.45+1.45+2.35+2.35+2.65）m×1111kg/m=11387.75kg=11.38t，施工平台搭设示意图如图2、图3 所示。

图2 正常注浆段施工平台平面图

图3 井深250-255 m 段施工平台平面图

5 井筒注浆效果

针对准东二矿副井井筒注浆工作，进行了系统的注浆工艺的设计，通过以单点出水为中心“环形施工”注浆方法，钻孔深度为“一深一浅”交叉式施工，深孔为4m，浅孔为0.7m，将注浆管末端加工成镂空花管，注浆时可多方位扩散浆液，对壁后与围岩间裂隙进行全段式注浆封堵。整个施工期间实施了严格科学的管理，技术工艺合理先进，保证了本工程得到了良好的治理。注浆压力根据钻孔静水压力及时变化，注浆后出水量有所减少，取得了明显效果。

6 注浆施工中的难点及解决办法

6.1 注浆中存在的问题

井筒216-220m 段注浆时，井壁出现细微裂缝，裂缝错综复杂，渗水点较散乱，看不到明显渗水但下部又出现明显汇流。在最明显出水3 个点周边注浆时，出现此处止水，又从其它裂缝渗出的现象，反复补注，效果不明显。

在井筒320m 施工段，砼块接茬处出现破损现象，局部出现泥状物，外露高度为300-500mm 左右，渗水沿破损处汇合后流入井壁，此处注浆时不吃浆，且止水效果不明显。

6.2 解决办法

井筒216-220m 段经矿专业人员综合分析后，大胆提出采用以单点出水为中心“环形施工”注浆方法，钻孔深度为“一深一浅”交叉式施工，深孔为4m，浅孔为0.7m，将注浆管末端加工成镂空花管，注浆时可多方位扩散浆液，对壁后与围岩间裂隙进行全段式注浆封堵。注浆压力根据钻孔静水压力及时变化，注浆后出水量有所减少，取得了明显效果。

井筒320m 段经分析后，钻孔施工沿破损处采用“锯齿状”方式布置，钻孔深度均为4m，上下距离为2-3m 左右，横向钻孔距离为2m 左右，钻孔采用斜孔施工，倾角10°左右，注浆时压力控制在静水压力的基础上增加2.5MPa范围内。

7 结论

本次注浆堵水施工，施工前井筒水量为5.2m3/h 左右，施工后副井水量为0.98m3/h，堵水效果显著，井壁得到有效加固。目测井筒内已无淋水，井壁设备及井筒表面干燥，满足井筒注浆止水要求，达到了注浆预期效果。为延长井筒设备服务年限，降低运行维护成本，提高井筒设备安全可靠性，以及矿井安全生产标准化验收等工作提供了有力保障。