馮旭海（天地科技股份有限公司，北京 100013）

魯新煤礦火成巖含水層特點(diǎn)與地面預(yù)注漿治理

馮旭海（天地科技股份有限公司，北京 100013）

魯新煤礦主井基巖段全部為火成巖，其裂隙發(fā)育特點(diǎn)和含水層特征與成巖過(guò)程密切相關(guān)，本文以此為例探討了全孔段火成巖條件下井筒地面預(yù)注漿的措施和技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)注漿參數(shù)的變化規(guī)律和注漿效果進(jìn)行了分析，可供類似工程參考。

地面預(yù)注漿；火成巖；裂隙；注漿壓力；壓水吸水率

1 前言

魯新煤礦位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟東北部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5萬(wàn)t/a，其中主井井筒凈徑5.0m，深度308m，松散層采用凍結(jié)法施工，基巖段進(jìn)行地面預(yù)注漿防治水后采用爆破法施工。凍結(jié)設(shè)計(jì)深度為184m，注漿段起止深度為164～318m，全部為火成巖。對(duì)比于地面預(yù)注漿技術(shù)應(yīng)用最廣的華東礦區(qū)，全孔段火成巖是該井筒地面預(yù)注漿最大的地層特點(diǎn)。

2 井筒地層與水文地質(zhì)概況

魯新井田為一個(gè)封閉的聚煤盆地，含煤盆地的基底為侏羅系火山凝灰?guī)r，盆地整體近似為北東—西南走向的不對(duì)稱向斜，向斜西北翼較緩，東南翼較陡。井田內(nèi)斷層不甚發(fā)育，井筒深度范圍內(nèi)自上而下依次為第四系、新近系、白堊系、侏羅系地層。注漿段地層通屬煤系基底火山凝灰?guī)r，在164～318m的基巖注漿段中，上部是火山角礫巖，中部為灰綠色巖漿巖，中下部為具有氣孔構(gòu)造的杏仁狀玄武巖，底部是裂隙構(gòu)造為主的巖漿巖。

以抽水試驗(yàn)和流量測(cè)井方法對(duì)井筒檢查孔進(jìn)行檢測(cè)，基巖注漿段分布有12個(gè)含水層，通屬于基底火山凝灰?guī)r含水層，預(yù)計(jì)涌水量為170.95m3/h，井筒水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型。

3 火成巖裂隙發(fā)育特征與含水層特點(diǎn)

火成巖地層特點(diǎn)、裂隙發(fā)育特征與其成巖過(guò)程具有密切關(guān)系?；鸪蓭r又稱為巖漿巖，分為深成巖、淺成巖和噴出巖(又稱火山巖),其中噴出巖是火山爆發(fā)時(shí)隨著深部巖漿的噴出而形成的,由于通道附近圍巖碎片的加入，加上噴發(fā)強(qiáng)度及深度諸多因素影響，出現(xiàn)火山熔巖、火山角礫巖、火山凝灰?guī)r等，而后經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化,其火山巖構(gòu)造與巖性各具特點(diǎn)。根據(jù)檢查孔地質(zhì)資料和注漿孔鉆探記錄、注漿記錄,魯新礦主井基巖注漿段地層的火成巖及含水層具以下特點(diǎn)。

（1）巖石層界面起伏不均。兩種巖性的巖層由于火山噴發(fā)的特點(diǎn)，即使小區(qū)域內(nèi)層界面也可能起伏巨大，以注漿孔鉆探為例，6個(gè)鉆孔揭露同一層位深度最大的相差8m。

（2）152～190m為灰綠色巖漿巖，堅(jiān)硬、致密，具有少量溶蝕坑，除下部巖層交界面外，裂隙不發(fā)育；下部則為一明顯含水層（簡(jiǎn)稱A層位）。

（3）190～280m為灰～灰黑色巖漿巖，巖性質(zhì)軟多孔，密度小，裂隙較發(fā)育，含水層分布多，部分層位導(dǎo)通性強(qiáng)。上部層界面裂隙極發(fā)育，開(kāi)度大，或伴有溶洞等（簡(jiǎn)稱B層位）。

（4）280～318m為深灰色巖漿巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，脆性大，具玻璃質(zhì)，裂隙發(fā)育，除上層界面外，中下部地層因埋深大，富水性較弱，無(wú)明顯含水層（簡(jiǎn)稱C層位）。

主井基巖段火成巖屬于火山噴出巖，對(duì)比于一般沉積巖，該火成巖具有3個(gè)明顯特點(diǎn)：①巖層交界面不均衡；②巖石氣孔構(gòu)造較多；③巖層裂隙多為原生的成巖裂隙，裂隙中多見(jiàn)火山微塵。結(jié)合上述特點(diǎn)，注漿是應(yīng)該采取對(duì)應(yīng)措施，以有效封堵含水層裂隙；對(duì)于注漿參數(shù)的分析應(yīng)結(jié)合裂隙特點(diǎn)進(jìn)行，進(jìn)而有效控制注漿質(zhì)量。

4 井筒地面預(yù)注漿設(shè)計(jì)

根據(jù)井筒技術(shù)參數(shù)和注漿段地層特點(diǎn)，地面預(yù)注漿采用直孔注漿的方案，以粘土水泥漿為主要注漿材料、輔以單液水泥漿。設(shè)計(jì)6個(gè)注漿直孔，布孔圈徑為Φ10.0m，均勻布置，鉆孔深度318m，其中套管深度164m；注漿總段高為154m，其中巖帽段10m，下部分為4個(gè)注漿段；設(shè)計(jì)巖帽段注漿終壓為靜水壓力的1.5～2.0倍，其余注漿段終壓為靜水壓力的2.5～3.0倍；設(shè)計(jì)注漿量為6 592m3。

6個(gè)注漿孔分兩序間隔進(jìn)行施工，第I序直孔施工完成后鉆機(jī)挪孔位進(jìn)行第II序直孔施工，每序孔分段下行注漿。

5 技術(shù)措施

根據(jù)巖層特點(diǎn)、含水層分布等，從漿液種類選擇、段高劃分、注漿壓水、注漿量次等方面制定具體措施，以保證注漿堵水質(zhì)量。施工過(guò)程中主要采取以下措施。

（1）對(duì)于溝通性好的巖石層界面，單獨(dú)劃分段高；重點(diǎn)層位通過(guò)掃孔控制段高進(jìn)行單獨(dú)復(fù)注。154m的注漿總段高，劃分了20m的巖帽段和4個(gè)粘土水泥漿注漿段，其中有兩個(gè)注漿段針對(duì)裂隙發(fā)育的巖石層界面而確定的。

（2）火成巖裂隙充填物多為火山灰微塵，注漿孔鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)盡量采用清水鉆進(jìn)，每段首次注漿前壓水增加泵量和壓水時(shí)間，以更好溝通裂隙。首次注漿時(shí)，除完成簡(jiǎn)易水文工作的三級(jí)壓水外，繼續(xù)用大泵量壓水15分鐘以上。

（3）對(duì)于大裂隙多、裂隙發(fā)育的層位，控制單次漿液注入量，并在前期每次注漿結(jié)束前注入一定量的單液水泥漿，適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，增加注漿次數(shù)。在5#孔第二注漿段該層位出現(xiàn)持續(xù)低壓、注入量偏大的現(xiàn)象，即時(shí)采取上述措施，經(jīng)過(guò)7次注漿后，達(dá)到了注漿效果，且有效地減少因漿液超擴(kuò)散。

（4）對(duì)裂隙不發(fā)育巖層，適當(dāng)調(diào)低漿液濃度，增強(qiáng)擴(kuò)散性能，提高注漿壓力。

（5）由于火成巖成巖特點(diǎn)，對(duì)于裂隙溝通性不好的巖層，要充分利用高壓注漿溝通裂隙的功能，保證設(shè)計(jì)注入量，最大限度完成巖層裂隙的充填。

（6）重點(diǎn)層位注漿孔取心鉆進(jìn)，如遇有火成巖中常見(jiàn)的孔隙性含水層，采取特殊注漿材料進(jìn)行處理。

6 注漿參數(shù)分析與效果評(píng)價(jià)

注漿參數(shù)是控制注漿質(zhì)量和分析注漿效果的基礎(chǔ)，與一般地層注漿一樣，注漿壓力、注前壓水吸水率是判定注漿效果的兩個(gè)重要參數(shù)，但這些參數(shù)在火成巖中所表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律與一般地層有所區(qū)別。

6.1 注漿壓力

影響注漿壓力Pg的因素很多，有注漿段高△H、注漿深度H、注漿流量q、漿液粘性γ、巖層裂隙發(fā)育程度與溝通性N等，表示為以下函數(shù)：

確定注漿結(jié)束終壓的經(jīng)驗(yàn)公式為：

其中k為系數(shù)，與區(qū)域性水文地質(zhì)條件有關(guān)，通常取1.5～3.0；α為常數(shù)，取2～4MPa；P0為靜水壓力。

由此可見(jiàn)，巖層裂隙特征不僅應(yīng)該是影響注漿壓力（因素N），也應(yīng)該是注漿終壓選擇的依據(jù)（系數(shù)k）。與一般沉積巖層注漿一樣，火成巖巖層發(fā)育特征決定了注漿應(yīng)該結(jié)合地層情況分析和預(yù)估壓力變化情況，合理選擇終壓以控制注漿質(zhì)量。上述主井基巖段所描述的A、B、C三個(gè)層位，注漿施工中壓力變化規(guī)律各具特點(diǎn)，以B層位為例，初始注漿，由于裂隙發(fā)育，起始?jí)毫Φ停仙徛?，二至三次注漿后，壓力則提升迅速，但在高位未能堅(jiān)持，由于新裂隙的溝通，壓力又?jǐn)?shù)次下降，經(jīng)過(guò)多次單液漿和粘土漿注漿后，最終壓力平穩(wěn)在靜水壓力的2.5倍左右。對(duì)比之下，C層位則注漿過(guò)程壓力偏高，兩次注漿均在高位堅(jiān)持，終壓達(dá)到靜水壓力的3.5倍以上。

因此，火成巖注漿壓力的控制不能片面追求壓力的高低和倍數(shù)，應(yīng)保證合理的注入量，結(jié)合受注巖層裂隙發(fā)育特點(diǎn)和壓力變化規(guī)律判斷注漿效果。

6.2 壓水吸水率

壓水吸水率ω是判定受注巖層裂隙發(fā)育程度和裂隙改變情況的重要依據(jù)，是注漿簡(jiǎn)易水文工作的重要內(nèi)容，充分做好注前壓水和壓水?dāng)?shù)據(jù)分析是控制注漿質(zhì)量的重要手段。壓水吸水率由下式計(jì)算：

式中：ω——壓水吸水率，L/(min·m·m)；

Q——壓水流量，L/min；

L——壓水段高，m；

P——壓水壓力水柱高，m。

以184～236m為例，各孔注漿前壓水吸水率見(jiàn)表1。從表1中數(shù)據(jù)可知，初次注前壓水吸水率，二序孔明顯低于一序孔，說(shuō)明經(jīng)過(guò)一序3個(gè)孔的注漿，巖層裂隙已被有效充填，各孔ω的變化也體現(xiàn)了逐次注漿的效果；5#孔壓水吸水率的變化則說(shuō)明了火成巖在這一層位裂隙發(fā)育存在的不均衡性，主要體現(xiàn)在巖層交界面部位含水層注漿量明顯增大，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)注漿，也得到有效治理；最終本段巖層經(jīng)注漿改造后壓水吸水率穩(wěn)定在0.000 3左右，與注漿結(jié)束前進(jìn)行的壓水試驗(yàn)檢查數(shù)據(jù)基本吻合。

因此，從各孔最后注前和壓水試驗(yàn)壓水吸水率分析，其值為0.000 3L/(min·m·m)左右，小于粘土水泥漿注漿的經(jīng)驗(yàn)值0.000 5L/(min·m·m)，注漿達(dá)到了預(yù)期效果。井筒開(kāi)鑿實(shí)測(cè)剩余水量小于4m3/h，地面預(yù)注漿對(duì)井筒含水層的堵水治理效果良好。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)魯新礦主井井筒火成巖地面預(yù)注漿設(shè)計(jì)方案、施工實(shí)踐、質(zhì)量控制和效果分析，可以得出如下總結(jié)可供相似工程參考。

表1 184～236m段各孔注漿前壓水吸水率ω 10-2L/(min·m·m)

（1）不同巖性的巖石層界面往往是裂隙極度發(fā)育的部位，是注漿的重點(diǎn)層位。

（2）火山巖裂隙往往多火山微塵等充填物，每個(gè)注漿孔段首次注漿前應(yīng)以大泵量長(zhǎng)時(shí)間壓水，以沖洗和溝通裂隙，增加巖層的可注性。

（3）火山角礫巖部分多為松散型，注漿時(shí)應(yīng)該以單液水泥漿配合粘土水泥漿施工，加固和堵水兼顧，且減少漿液超擴(kuò)散。

（4）具有氣孔構(gòu)造的火成巖注漿時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高壓力，加大注入量，以高壓和長(zhǎng)時(shí)間注漿提高裂隙的溝通性，確保注漿效果；而多鉆孔設(shè)計(jì)也是應(yīng)對(duì)這一地層特點(diǎn)采用專門(mén)措施。

（5）因熔巖急速降溫形成的火山巖具有堅(jiān)硬、脆性大特點(diǎn)，裂隙面巖石剛度大，注漿壓力高，掘進(jìn)是易產(chǎn)生爆破裂隙而破壞注漿帷幕，值得注意。

（6）注漿終壓應(yīng)根據(jù)受注巖層水文地質(zhì)條件、裂隙發(fā)育特點(diǎn)和壓力變化規(guī)律判斷，不宜機(jī)械的采用單一標(biāo)準(zhǔn)。

（7）注前壓水吸水率是控制注漿質(zhì)量、判斷注漿效果的重要依據(jù)，其變化規(guī)律也與火成巖含水層裂隙發(fā)育特點(diǎn)緊密相關(guān)。

[1] 陸鳳香，桑隆康.巖石學(xué)（第一版）[M].北京：地質(zhì)出版社，2002.

[2] 中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)，北京建井所.注漿堵水加固技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1998.

[3] 唐智良等.火成巖裂隙含水層（體）注漿改造技術(shù)研究[J].河北煤炭，2006，（1）.

[4] 鄭軍等，注漿過(guò)程中壓水吸水率與注漿效果關(guān)系探討[J].建井技術(shù)，1996，（4）.

Characteristic of igneous rock aquifer and treatment of ground advance grouting in Luxin coal mine

The bedrock section of main shaft in Luxin coal mine is entirely structured with igneous rock,and its fissure development and aquifer characteristics are closely related to diagenetic process.Based on the project,the measures and technical characteristic of pit shaft’s ground advance grouting under the condition of igneous rocks was discussed,and the variation law of grouting parameters and grouting effect were analyzed,which could provide reference for future similar projects.

ground advance grouting;igneous rock;fissure;grouting pressure;pressure water absorption

1672-609X（2010）06-0031-03

TD743

B

2010-04-27

馮旭海（1976-），男，巖土工程碩士，高級(jí)工程師，從事煤礦注漿防治水、地基處理等地下特殊工程技術(shù)研究和工程管理工作。