崔 義 陶 樹

（1.中國華能集團公司，北京市西城區(qū)，100031；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京市海淀區(qū)，100083）

劉園子煤礦立井鑿井工作面預(yù)注漿技術(shù)的應(yīng)用

崔 義1陶 樹2

（1.中國華能集團公司，北京市西城區(qū)，100031；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京市海淀區(qū)，100083）

劉園子煤礦在井筒施工中，采用工作面預(yù)注漿方法成功通過了白堊系砂礫巖涌水段。采用脲酫樹脂加草酸加強型封堵液和普通硅酸鹽水泥加XPM納米灌注劑，分別處理主井和副井井筒，同時采取加密布孔、圍幕注漿和加大壓力等技術(shù)措施和手段，使鑿井工作面預(yù)注漿取得了良好的效果，并對兩種材料效果進行了對比分析。

立井鑿井 白堊系 防治水 工作面預(yù)注漿

劉園子煤礦位于甘肅省慶陽市環(huán)縣，地處鄂爾多斯盆地西緣。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t／a，為立井開拓，主、風(fēng)井直徑均為4m，深456m，副井直徑為6.5m，深471.6m。對主井井筒檢查孔作了抽水試驗，利用大井法對涌水量進行預(yù)測，正常涌水量為1928.00m3／d，最大涌水量為2836.59 m3／d。井筒開鑿進入白堊系地層后，涌水量逐漸加大，立井鑿井工作面需要防治涌水才能通過。

在鄂爾多斯盆地，治理白堊系砂礫巖涌水大多采用冷凍法。而本文研究利用預(yù)注漿技術(shù)，解決白堊系砂礫巖含水層向施工中的井筒涌水問題。施工約6個月，預(yù)注漿資金的投入只相當(dāng)于冷凍法施工的1／10，解決了白堊系砂礫巖涌水問題，大大節(jié)約建井資金。對我國西北地區(qū)各類礦井建設(shè)中穿過白堊系砂礫巖含水層具有重要的指導(dǎo)意義。

1 井筒水文地質(zhì)條件

1.1 主要含水層

本井田內(nèi)發(fā)育的地層自老而新有三疊系、侏羅系、白堊系和第四系。根據(jù)地層含水特征，將井田內(nèi)地下水分為第四系松散巖類孔隙裂隙潛水、基巖表層風(fēng)化裂隙潛水和白堊系下統(tǒng)承壓水三大類。

（1）第四系松散巖類孔隙裂隙潛水。來源為大氣降水的垂直滲入補給，由于本區(qū)為梁、峁、丘陵區(qū)，地形坡度大，大氣降水后多形成溝谷表流，不利于對地下水滲入補給，富水性較差。

（2）基巖表層風(fēng)化裂隙潛水。賦存于下白堊統(tǒng)志丹群第二段基巖表層風(fēng)化裂隙中。馬福川溝谷地段由于地勢低，地下水接受兩側(cè)溝谷風(fēng)化裂隙潛水的補給，接受地表水的補給條件較其它地段也相對較好，因此其富水性較其它地段也相對較好。

（3）白堊系下統(tǒng)承壓水。分布于全井田，主要賦存于白堊系下統(tǒng)志丹群砂巖、砂礫巖中，第二段為一復(fù)合型含水層，砂巖總厚82～165m，砂巖比率42%～79%。志丹群含水層總厚度為130～260m，北部較薄，南部較厚，為一富水性強的含水層。

1.2 防治水方法的選擇

劉園子煤礦在主井掘至208m、風(fēng)井掘至198m以及副井掘至223m時，遇白堊系砂礫巖涌水，泥質(zhì)膠結(jié)，遇水粥化，排水和出矸都非常困難，強行鑿井已無法通過?？梢赃x擇的治水方法有工作面預(yù)注漿、壁后注漿和機械排水等。由于井筒開挖較深，若重新回填采用凍結(jié)法施工將會耗資巨大。最后經(jīng)論證，采用脲酫樹脂加草酸加強型封堵液和普通硅酸鹽水泥加XPM納米灌注劑進行工作面預(yù)注漿，采取加密布孔、圍幕注漿并加大壓力等技術(shù)措施和手段，選擇合理漿液濃度、提高注漿壓力以及調(diào)整注漿段高劃分來改進注漿效果。

1.3 含水層巖性及技術(shù)難點

白堊系地層成巖時間較晚（1.5億年前～6500萬年前），巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖和礫巖。巖層呈泥質(zhì)半膠結(jié)，巖體抗風(fēng)化、抗水浸能力差。且?guī)r石破碎，為散體狀結(jié)構(gòu)，屬穩(wěn)定性差的丁類圍巖。由于白堊系地層巖性特點，在實際的掘進施工過程中，水泵排水抽不上來，中型及以上抓斗抓巖又難以裝載，井筒掘進效率很低，對水泵的磨損非常嚴(yán)重。

含水層為粗砂巖層和礫巖層，巖石為泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙較發(fā)育。但由于受到地下水的浸泡，裂隙中填塞和附著大量的浮沙粒，導(dǎo)致裂隙在井筒中觀察不明顯，水流可以通過但不能將填塞的沙粒帶走。用水泥漿液注漿，由于水泥顆粒粒徑較大，對導(dǎo)水裂隙逆向施壓后帶起浮沙顆粒，在前方形成強大的阻力，致使水泥漿液無法注入，漿液擴散半徑很小，復(fù)鉆檢驗時，水又復(fù)出。強行鑿井已無法通過白堊系砂礫巖含水層，研究采用工作面預(yù)注漿技術(shù)穿過含水層，需要對注漿材料、壓力、布孔、段高和方式等做出選擇，并制定防治水方案。

2 防治水方案

如果采用工作面超前預(yù)注漿措施，在西北地區(qū)采用預(yù)注漿方法解決涌水問題無成功經(jīng)驗，因此注漿效果存在不確定性。通過組織中國礦大等相關(guān)專家進行論證，并結(jié)合西北地區(qū)礦建經(jīng)驗，認(rèn)為白堊系地層是孔隙水，毛細(xì)管較小，水泥漿不易注入巖層。而化學(xué)漿液顆粒粒徑較小，漿液擴散半徑大，有利于漿液注入，決定使用化學(xué)漿液進行工作面預(yù)注漿試驗。

2.1 主井工作面預(yù)注漿

（1）材料選擇。選用脲酫樹脂＋草酸，材料為液體漿液，草酸溶于水后與脲酫樹脂通過地面雙液泵雙管路壓入注漿孔，通過草酸溶液摻入的比例調(diào)整漿液凝固時間。

（2）段高和布孔。在實際施工中，根據(jù)井筒揭露巖層含水情況，并分析礦井水文地質(zhì)資料，確定段高為120m。注漿孔為8個，鉛垂布置，中心檢查孔1個，在2.5m厚的止?jié){墊上預(yù)固定9個孔口管。

（3）注漿壓力。根據(jù)注漿壓力應(yīng)為靜水壓力2～4倍的原則，確定終孔壓力為6～10MPa。

（4）擴散半徑和漿液注入量。漿液有效擴散半徑取6m。計算漿液注入量V：

式中：A——漿液損失系數(shù)，取A＝1.2；

R——漿液擴散半徑，取6m；

H——注漿高度，取70m；

a——巖層孔隙、裂隙率，取3%；

k——漿液有效充填系數(shù)，取0.9。由式（1）計算得：V＝256m3。

（5）注漿方式。采用壓入式注漿，多循環(huán)掃孔復(fù)注。

（6）注漿效果。本次注漿達(dá)到了預(yù)期目的，漿液能夠注入巖層，單孔涌水量由注漿前的15.3 m3／h，降低至2.5m3／h，封水效率達(dá)到84%；恢復(fù)鑿井后上部效果較明顯，前60m的最大涌水量為5m3／h。經(jīng)對注漿后的巖層觀察，確定了涌水主要來源于層間裂隙和垂直節(jié)理裂隙。

（7）注漿經(jīng)驗。本次注漿段高過大，有效注漿段只有60m；注漿孔布置太少，又是鉛垂布置，在注漿過程中由于復(fù)鉆涌水，又加了10個注漿孔，延誤了工期；開始注漿時流量過大為105～120L／min，壓力升高較快，注漿泵選型不合理，最初選用TJZ120／105型雙液注漿泵，最大壓力10.5MPa，后更換為XPB－90E可無級調(diào)速雙液注漿泵（通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速調(diào)整流量），最大壓力26.0MPa。流量控制在20～30L／min，壓力提高到15MPa停泵終孔（主要吃漿壓力在9～11MPa之間）。

2.2 副井工作面預(yù)注漿

（1）材料選擇。選用普通42.5硅酸鹽水泥＋XPM納米灌注劑，添加比例為10∶1，水灰比由3∶1逐步增加到1∶1。

（2）段高與布孔。根據(jù)副井井筒檢查孔資料，結(jié)合井筒揭露巖層含水情況，確定段高為35m。注漿孔布置為28個，鉆孔角度為外插5°，形成圍幕。

（3）注漿壓力。根據(jù)主井第一次注漿經(jīng)驗，確定終孔壓力為15～18MPa。

（4）設(shè)備選型和注漿方式。選用坑道Ⅲa（原ZJ－300型）鉆機，注漿泵選用XPB－90E型可無級調(diào)速雙液注漿泵替代單液泵使用，采取小流量（流量控制在20～30L／min），多孔串液壓入式注漿，出水便注，多循環(huán)掃孔復(fù)注。

（5）注漿效果。為取得預(yù)期圍幕效果，共注入水泥150t、XPM納米灌注劑15t，單孔涌水量由最大25m3／h，降為最大2.8m3／h，封水效率88%，恢復(fù)鑿井掘進后，注漿段工作面最大涌水量為5.6m3／h。

3 注漿效果及經(jīng)濟對比

劉園子煤礦主、副、風(fēng)三座井筒，分別經(jīng)過近3個月的工作面預(yù)注漿治理白堊系含水層，現(xiàn)三座井已全部施工到位，成功實現(xiàn)三座井貫通。

在主井和風(fēng)井施工中間臨時水倉時，實見預(yù)注漿漿液注入擴散半徑為1.5～3.0m，注入以層間裂隙和節(jié)理裂隙為主。工作面預(yù)注漿鉆進及復(fù)鉆總計15163.9m，注入脲醛樹脂740.89t，草酸49.8t，改性脲醛樹脂324.2t，水泥385.75t，XPM納米灌注劑36.92t。

副井井筒工作面預(yù)注漿（采用水泥＋XPM納米灌注劑），總計費用約為250萬元；主井注漿（采用脲醛樹脂＋草酸）費用約為600萬元；若采用凍結(jié)鑿井法穿越含水層每米造價為15萬元（該數(shù)據(jù)為經(jīng)驗值），按照凍結(jié)258m計算，預(yù)計總價為約11610萬元。

劉園子煤礦采用預(yù)注漿施工主井、副井和風(fēng)井，采用水泥＋XPM納米灌注劑注漿穿越含水層比采用采用化學(xué)漿注漿（脲醛樹脂＋草酸注漿）穿越含水層費用可節(jié)約1000萬元左右。

采用水泥＋XPM納米灌注劑注漿比凍結(jié)法穿越含水層可節(jié)約1億元左右。

通過比較可知，采用水泥＋XPM納米灌注劑工作面預(yù)注漿穿越白堊系砂礫巖是比較經(jīng)濟的方法。

4 結(jié)論

劉園子煤礦三條井筒成功通過白堊系砂礫巖含水層的實踐，證明采用工作面預(yù)注漿的方法治理西北地區(qū)白堊系砂礫巖含水層井筒涌水是成功的。采用水泥＋XPM納米灌注劑進行工作面預(yù)注漿的方法治理西北地區(qū)白堊系砂礫巖含水層井筒涌水，與化學(xué)漿、凍結(jié)法相比較是成本最低的，可有效降低工程造價。同時，注漿效果好，在施工過程中成功穿過含水層。另外，由于白堊系地層巖石的特殊性，也存在著工作面預(yù)注漿擴散半徑小，在放炮震動的影響下，對注漿形成的封閉巖石圈將造成破壞，井壁復(fù)出水可能性比較大，因此，還需在成井后做壁后注漿處理。

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［8］ 辛廣龍.采掘及防治水［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2007

Pre－grouting technology applied to shaft sinking face of Liuyuanzi Coal Mine

Cui Yi1，Tao Shu2
（1.Coal Project Management Department，China Huaneng Group，Xicheng，Beijing 100031，China；2.China University of Mining and Technology，Haidian，Beijing 100083，China）

The section with water gushing in the cretaceous sandy conglomerate of Liuyuanzi coal mine was successfully get across during the shaft construction by using pre－grouting method.Using urea－formaldehyde resins mixed oxalic acid or ordinary portland cement blended XPM nanometered perfusion agent as the sealing liquids，the main shaft and auxiliary shaft were respectively sealed with the aid of other techniques，such as drilling in small intervals，surrounding grouting and enhancing grouting pressure，achieving agood result.The sealing effects of two materials were comparatively analyzed too.

shaft sinking，cretaceous system，prevention and control of mine water，pregrouting in working face

TD353

A

崔義（1982－），男，碩士學(xué)位，工程師，現(xiàn)在中國華能集團公司從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。

（責(zé)任編輯 張毅玲）