劉孝孔，緒瑞華，趙艷鵬，程 樺，彭世龍，周均民,

(1.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274000； 2.臨沂礦業(yè)集團(tuán)菏澤煤電有限公司 郭屯煤礦，山東 菏澤 274000；3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；4.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；5.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

0 引 言

自20世紀(jì)80年代以來，我國黃淮地區(qū)深厚松散層中相繼有100多個立井井筒發(fā)生了井壁破裂災(zāi)害，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。研究表明，導(dǎo)致井筒破損的原因大致可分為以下4種：①因松散層底部含水層疏水固結(jié)沉降導(dǎo)致的井壁受豎向附加力作用發(fā)生近水平受壓破壞[1-4]；②凍結(jié)法鑿井過程中因凍結(jié)壓力致使井壁出現(xiàn)壓剪破裂[5-6]；③施工井筒連接硐室群引起圍巖多次擾動波及馬頭門上下段井壁破損[7-8]；④非對稱開采導(dǎo)致井筒偏斜等。其中，以第一種井筒破壞最為常見。井筒破壞修復(fù)方案取決于井筒破壞機(jī)理。對此，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員在深入研究不同井筒破壞機(jī)理與大量工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，提出了多種井壁破裂修復(fù)技術(shù)和方法[9-13]，如開切井筒卸壓槽法、地面注漿加固井筒周圍松散層法等。工程實(shí)踐表明，開切井筒卸壓槽法可有效釋放、衰減井壁承受的豎向附加力，是目前修復(fù)因底部含水層疏水固結(jié)沉降引發(fā)井壁破裂的最常用的方法。地面注漿加固井筒周圍松散層法，旨在通過注漿封堵井筒周邊含水地層的水力通道、加固地層，實(shí)現(xiàn)對井筒的修復(fù)與保護(hù)。由于井筒穿越松散層各土層的可注性多變，且鄰近既有井筒，因此采用該法最大的困難是在確保鄰近既有井筒安全的前提下，科學(xué)制定注漿方案和確定注漿參數(shù)。在地面注漿修復(fù)立井井筒研究方面，文獻(xiàn)[14-15]闡述了地面注漿法治理井壁破裂的機(jī)制，地面注漿加固井筒后，作用在井壁上的垂直荷載減少，井壁的豎直附加力得到了有效的緩釋和抑制，并結(jié)合工程監(jiān)測應(yīng)變數(shù)據(jù)對治理效果進(jìn)行了分析；付厚利[16]結(jié)合工程實(shí)際對厚表土層地面注漿加固過程中井壁的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了深厚表土層井壁外注漿加固工程的井壁安全保證核心技術(shù)；楊秀竹等[17]基于廣義達(dá)西定律及球形擴(kuò)散理論模型，推導(dǎo)出冪律型漿液在砂土中進(jìn)行滲透注漿時(shí)有效擴(kuò)散半徑計(jì)算公式；李哲等[18]依據(jù)活塞式驅(qū)替注漿滲流的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出高壓注漿過程中漿體區(qū)和原水體區(qū)的壓力分布，以及停止注漿后井底壓力消退情況，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)建立了注漿井底壓力和水灰比的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系；葛曉光等[19]通過對孔隙含水層中的稀水泥漿液運(yùn)動條件作簡化處理，得到考慮含水層縱向擴(kuò)展的漿液孔隙壓強(qiáng)基本方程；劉全林等[9]和程樺等[10]借助于彈塑性理論對立井井筒壁后土層注漿加固機(jī)制及注漿參數(shù)進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了注漿壓力、注漿量和注漿孔距的計(jì)算公式?，F(xiàn)有資料表明，雖然采用地面注漿修復(fù)井筒已有山東興隆莊礦[20-21]、中煤新集板集礦[7-8]等成功工程案例，但均因鄰近既有井筒，其注漿參數(shù)和施工工藝的確定還有待進(jìn)一步研究解決。筆者以地面注漿地層治理巨野礦區(qū)郭屯煤礦井筒偏斜工程為背景，在深入分析井筒穿越地層水文與工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，針對井筒偏斜變形及鄰近既有偏斜井筒時(shí)地面高壓注漿治理方案特點(diǎn)，通過前期鉆孔注漿試驗(yàn)得到了厚松散層高壓注漿技術(shù)參數(shù)，研發(fā)了“注-泄”聯(lián)合間歇注漿加固技術(shù)，確保了郭屯煤礦厚松散層偏斜井筒地面高壓注漿治理工程安全高效完成。

1 工程概況

1.1 水文與工程地質(zhì)條件

郭屯煤礦位于巨野煤田中北部，為第四系覆蓋的全隱伏式井田，上覆530～580 m巨厚新生界松散層，煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.4 Mt/a，工廠內(nèi)主、副風(fēng)井直徑分別為5.0、6.5、5.5 m，井深853.0、882.0、773.0 m，檢查孔揭露的地層自下而上分為奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系，區(qū)域內(nèi)含煤地層主要賦存于二疊系山西組和石炭-二疊系太原組。礦區(qū)東起田橋斷層，西界為煤系地層隱伏露頭，總體為向東傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角5°～10°，平均6°。區(qū)域內(nèi)新生界含水層自上而下可分為3個含水層(組)和2個隔水層(組)，其主井井筒穿過表土地層主要含、隔水層見表1。

表1 主井井筒穿過表土地層及其主要含、隔水層

第三含水層也稱“底含”，為新近系最下部地層，其厚度為35～120 m，整個礦區(qū)內(nèi)自東北至西南部均發(fā)育較厚的底部含水層，東南和西北兩側(cè)相對較薄(圖1)。由于下部無隔水層，故直接覆蓋于基巖面上部，其下部基巖風(fēng)氧化帶裂隙發(fā)育，因此底含與下部基巖含水層之間具有一定水力聯(lián)系，極易受采動影響而發(fā)生疏水固結(jié)。

圖1 郭屯煤礦表土層底部含水層厚度Fig.1 Bottom aquifer thickness of loose layer in Guotun Coal Mine

由郭屯煤礦礦井涌水量統(tǒng)計(jì)資料可知，該礦礦井涌水量從建井初期50～60 m3/h 增加至開采后500～600 m3/h，水量增加了10倍。底部含水層在建井前水位為-6.35 m，生產(chǎn)后，水位急劇下降，截至2017年底已下降至-203.45 m。此外，在2009年巷道頂板冒落事故中，5 a時(shí)間內(nèi)連續(xù)出水1 300萬 m3，出水水體為混合水樣，且含有松散層底部含水層水。

1.2 井筒偏斜特征與原因

郭屯煤礦自2009年投產(chǎn)以來，由于長期的采煤活動和地下水位變化，工業(yè)廣場地表出現(xiàn)較大沉降和水平位移，于2015年左右發(fā)現(xiàn)：該礦主、副、風(fēng)3個井筒原預(yù)設(shè)的豎向可縮性接頭發(fā)生壓縮變形，井筒罐道梁發(fā)生豎向彎曲，經(jīng)測量，3個井筒均在松散層地層段向北、向西產(chǎn)生不同程度的偏斜。其中，主井井口向北的最大偏斜量為30 mm，向西的最大偏斜量為348 mm；副井井口向北的最大偏斜量為104 mm；風(fēng)井暫無測斜數(shù)據(jù)，但受偏斜影響，井筒內(nèi)梯子間觀測到多處損壞，可伸縮井壁變形、混凝土脫落、鋼筋露出等現(xiàn)象。研究分析認(rèn)為，郭屯礦主、副、風(fēng)井筒出現(xiàn)的豎向壓縮變形與破損是由于地層非均勻疏水固結(jié)沉降產(chǎn)生的豎向附加力與水平環(huán)向附加力共同作用所致；井筒出現(xiàn)偏斜的原因可能是在巨厚松散層薄基巖特殊地質(zhì)條件下，非對稱開采引起的井筒周邊地層不均勻沉降所致。

2 厚松散層地面注漿現(xiàn)場試驗(yàn)

鑒于國內(nèi)外關(guān)于巨厚松散層注漿相關(guān)理論少有研究，且無類似工程案例可供參考，加之郭屯煤礦地面注漿時(shí)存在因注漿壓力過大導(dǎo)致鄰近井筒破壞的較大風(fēng)險(xiǎn)，因此，合理選擇注漿壓力及注漿量對避免井筒破壞，確保煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。為此，先期開展了巨厚松散地層注漿現(xiàn)場試驗(yàn)，為科學(xué)制定注漿方案提供可靠技術(shù)參數(shù)與依據(jù)。

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為全面獲得主、副、風(fēng)三井筒地層注漿技術(shù)參數(shù)，共施工8個孔，其中主井井筒2個，副井井筒2個，風(fēng)井井筒3個，風(fēng)檢3驗(yàn)證孔1個，7個試驗(yàn)孔在不同的層位共完成11次不同壓水水頭的壓水試驗(yàn)，6次注漿試驗(yàn)，各孔其平面位置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)孔平面位置Fig.2 Plane position of test hole

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

風(fēng)檢3孔5個層段的最大壓水水頭的單位吸水率見表2。由表2和圖3可知：各段地層吸水量隨壓力增大而增大，基本呈正比關(guān)系；地層的透水率隨深度的增加而減小，松散層上部層段壓水呂榮值5.39 Lu，松散層下部層段壓水呂榮值1.36 Lu。

表2 風(fēng)檢3孔各層段壓水試驗(yàn)結(jié)果

圖3 風(fēng)檢3孔受注點(diǎn)壓力與壓入水量關(guān)系Fig.3 Relation between pressure and amount of water atinjected point of No. 3 check hole in ventilation shaft

由國內(nèi)相關(guān)注漿工程實(shí)踐可知，透水率在3或5 Lu以上的地層，可注性較好；透水率1～3(或5)Lu之間的地層，可注性一般；透水率小于1 Lu的地層，可注性較差。郭屯煤礦井筒深部地層的透水率(呂榮值)小于2 Lu，可知地層的可注性一般。

風(fēng)檢3孔注漿試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4，經(jīng)過分析可知：

表3 風(fēng)檢3孔各層段注漿試驗(yàn)結(jié)果

表4 相同壓力下壓水流量與注漿流量對比

1)當(dāng)注漿壓力達(dá)到靜水壓力的2.0～2.5倍時(shí)，水泥漿可順利注入。

2)松散層深度越深，地層的單位吸漿量越小，單位吸漿量由上部的161.5 L/min下降至底部的125.0 L/min。

3)各注漿段同一受注點(diǎn)近似相同壓力下，壓水試驗(yàn)流量與注漿流量最小為1.8，最大為2.2，平均2.0。

結(jié)合試驗(yàn)孔取得成果，注漿壓力設(shè)計(jì)為：受注點(diǎn)壓力控制在靜水壓力的2.0～2.5倍(按地面0為靜水位計(jì)算)，上部第7段取低值，同時(shí)注漿壓力根據(jù)監(jiān)測情況可適時(shí)調(diào)整。

3 厚松散層偏斜井筒地面注漿治理方案

郭屯煤礦井筒地面注漿是基于井筒修復(fù)的特殊注漿，不同于一般的立井井筒地面預(yù)注漿，不能簡單套用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和采用傳統(tǒng)地面預(yù)注漿經(jīng)驗(yàn)，更多地需要在確定注漿原則的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動態(tài)注漿過程監(jiān)測，分析水文地質(zhì)及地層變化情況。

3.1 方案設(shè)計(jì)原則

基于對郭屯煤礦主、副、風(fēng)井井筒豎向變形與偏斜致因分析，經(jīng)多次專家論證，決定采用地面地層注漿方法治理該礦井筒偏斜，并提出以下方案設(shè)計(jì)原則:①井筒周邊同時(shí)布設(shè)注漿孔和泄壓孔，以確保鄰近既有井筒安全，不影響礦井安全正常生產(chǎn)；②重點(diǎn)注漿加固松散層含水層，以抑制井筒偏斜，衰減底部含水層疏水固結(jié)速率及固結(jié)變形量；③將主井井筒與風(fēng)井井筒作為一個整體單元，副井井筒作為一個獨(dú)立單元來考慮，兼顧2個單元之間的相互影響；④松散層注漿段采用高壓滲透壓密注漿。

3.2 注漿孔布設(shè)

1)注漿鉆孔圈徑的確定。根據(jù)檢查孔壓水試驗(yàn)、注漿試驗(yàn)、試驗(yàn)孔取樣室內(nèi)試驗(yàn)及取得的各項(xiàng)成果資料分析，松散層不均勻系數(shù)最小為2.80，最大為20，影響半徑最大為20 m，基于以上考慮，同時(shí)確保井筒安全，故本次注漿孔(外圈孔)布孔圈徑以井筒中心為圓心，半徑為30 m的圓周上(視現(xiàn)場井筒周圍建筑物情況進(jìn)行合理調(diào)整)，泄壓孔(內(nèi)圈孔)布孔圈徑以井筒中心為圓心，半徑16 m的圓周上(在凍結(jié)孔布孔圈徑外3 m左右)。注漿孔與泄壓孔插花布置。

2)注漿鉆孔間距及數(shù)量。根據(jù)注漿試驗(yàn)取得的參數(shù)，在一定壓力和注漿量情況下，受注地層注漿擴(kuò)散半徑為8 m左右；本次注漿工程注漿擴(kuò)散半徑按8 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，為保證注漿效果，鉆孔注漿時(shí)要重疊一部分，故本次鉆孔設(shè)計(jì)孔間距為14 m左右。主井井筒地面注漿鉆孔布置：注漿孔(外圈孔)11個，孔間距13.84 m；泄壓孔(內(nèi)圈孔)7個(包括主1、主檢孔)，孔間距9.81～15.00 m(圖4)。風(fēng)井井筒地面注漿鉆孔布置：注漿孔(外圈孔)11個，孔間距13.84 m；泄壓孔(內(nèi)圈孔)7個(包括風(fēng)檢2孔)，孔間距10.534～15.00 m(圖4)。副井井筒地面注漿鉆孔布置：注漿孔(外圈孔)14個，孔間距13.35 m；泄壓孔(內(nèi)圈孔)8個(包括副檢孔、副1孔)，孔間距10.00～13.02 m(圖5)。

圖4 主-風(fēng)井注漿鉆孔布置Fig.4 Layout for grouting holes in main shaft and wind shaft

圖5 副井注漿鉆孔布置Fig.5 Layout of grouting hole in auxiliary shaft

3.3 注漿段劃分與孔深

注漿段劃分以隔水層(黏土層)為控制層位，以砂層為主，砂層和黏土層互層較多的層段作為注漿段，一次注漿段高控制在25～50 m。

為保證底含注漿時(shí)漿液不竄入基巖風(fēng)化帶，預(yù)留4 m左右的保護(hù)層，故本次注漿孔(外圈孔)注漿深度為基巖界面深度之上4 m左右，泄壓孔(內(nèi)圈孔)深度位為揭露基巖界面停鉆，各井筒周邊注漿鉆孔深度見表5。

表5 郭屯礦主副風(fēng)井注漿鉆孔深度

4 “注-泄”聯(lián)合間歇注漿施工技術(shù)

4.1 注漿孔施工

對于新生界松散地層注漿時(shí)常需要分段分層進(jìn)行，單個鉆孔進(jìn)行多層段注漿時(shí)，目前常規(guī)有2種方式：①多層套管分段注漿方式。第1層套管下到注漿段上部，用純水泥漿固管，緊接著鉆穿目的層段進(jìn)行注漿，然后再繼續(xù)向下鉆進(jìn)，再下小套管，對下一目的層段進(jìn)行注漿。②射孔或割管注漿方式。全孔下置套管(實(shí)管)，用純水泥漿固管(把套管與井壁之間環(huán)狀間隙進(jìn)行全封閉)，然后在套管內(nèi)對注漿目的層段分別進(jìn)行爆破射孔或割管形成注漿通道再進(jìn)行注漿。以上2種情況操作時(shí)間長，所產(chǎn)生的費(fèi)用巨大，技術(shù)難度也大，安全性也相應(yīng)降低。因此，為提高巨厚沖積層單井多層段注漿的效率和安全性，研制了巨厚沖積層單井多層段注漿新型套管，鉆孔結(jié)構(gòu)如下：

圖6 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic of drilling structure

由于施工場地的限制，本次鉆探施工采用直孔鉆進(jìn)和定向斜孔鉆進(jìn)施工，鉆孔偏斜率不大于0.5%，且各段鉆孔在相同的注漿深度內(nèi)呈相對均勻分布。根據(jù)郭屯煤礦地層分布特征，厚松散層注漿鉆孔全孔孔徑190 mm，下?139.7×6.2 mm無縫鋼管，注漿段為花管，非注漿段為實(shí)管。

4.2 注漿工藝

根據(jù)郭屯煤礦工業(yè)廣場主、副、風(fēng)3個井筒空間分布特征及其生產(chǎn)功能，為服從于綜合治理的整體方案，經(jīng)討論，將主井井筒與風(fēng)井井筒作為一個單元來考慮，副井單獨(dú)作為一個單元進(jìn)行科學(xué)布孔，設(shè)計(jì)外圈孔、內(nèi)圈孔2類鉆孔，外圈孔進(jìn)行注漿，內(nèi)圈孔進(jìn)行泄壓，一個注漿孔在注漿期間，至少有2個泄壓孔進(jìn)行注漿壓力控制。

采用上行式分段對松散層主要含水層進(jìn)行注漿，注漿方式采用上行式注漿：即將注漿孔鉆至基巖界面以上4 m左右停鉆，并對松散層底部含水層進(jìn)行注漿，依次從下至上分段對松散層含水層進(jìn)行注漿。

4.3 注漿壓力與注漿量控制

與建井期立井地面預(yù)注漿不同，鄰近既有井筒周圍注漿，其注漿壓力的取值和控制是確保井筒安全的關(guān)鍵。根據(jù)厚松散層地面注漿現(xiàn)場試驗(yàn)及注漿治理原則，確定了每段注漿以多次定量注漿與控制壓力注漿為主，各注漿段受注點(diǎn)壓力為靜水壓力的2.0～2.5倍的注漿壓力與注漿量控制方法。

郭屯煤礦主、副、風(fēng)井井筒周圍地面注漿前，已按照設(shè)計(jì)要求在井壁內(nèi)布設(shè)光纖傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測注漿期間井筒變形，進(jìn)而確定井筒所受注漿壓力。注漿孔注漿壓力采用泄壓孔和井壁光纖傳感器進(jìn)行雙重控制，其各注漿段受注點(diǎn)初始壓力為靜水壓力的2.0～2.5倍，當(dāng)井壁井壁附加注漿受力達(dá)到井壁變形預(yù)警值或泄壓孔孔口壓力出水時(shí)，均停止注漿；根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)資料，距離注漿孔21.26 m時(shí)，注漿壓力基本完全損耗，充分考慮凍結(jié)鉆孔及凍結(jié)對地層結(jié)構(gòu)的破壞，凍結(jié)范圍內(nèi)地層對注漿壓力損耗有可能不一樣，注漿時(shí)泄壓孔表頭壓力小于1 MPa。

注漿孔各注漿段以實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場壓水試驗(yàn)確定的有效孔隙率，按擴(kuò)散半徑8 m計(jì)算注漿量；各注漿孔400 m以下底部注漿段足量注漿，其他注漿段(特別是上部以及礦井生活用水取水層段)適量減小。因第1層、第2層、第3層為主要注漿段，故其設(shè)計(jì)注漿量取計(jì)算量的100%；400 m以上每層注漿量按計(jì)算量遞減。

5 注漿效果分析

郭屯煤礦正式注漿工程自2017年8月14日開始施工，2019年6月20日完工，共完成54個鉆孔的鉆探施工，注漿孔37個，泄壓孔22個(包括部分前期試驗(yàn)孔)，其中主井井筒周邊注漿孔12個，泄壓孔7個；副井井筒周邊注漿孔14個，泄壓孔8個；風(fēng)井井筒周邊注漿孔11個，泄壓孔7個，各鉆孔平面位置如圖4和圖5所示。

設(shè)計(jì)鉆探工程量30 971 m，實(shí)際鉆探工程量31 026.8 m，完成鉆探工程量100.2%。注漿孔嚴(yán)格按照“注-泄”聯(lián)合間歇注漿加固技術(shù)進(jìn)行注漿，整個注漿過程持續(xù)19個月，最終注漿工程量見表6。

表6 主、副、風(fēng)井井筒注漿工程量

由表6實(shí)際注漿工程量可知，主、副、風(fēng)井井筒各注漿層段總設(shè)計(jì)注漿量為48 417 m3，實(shí)際注漿量為35 536.66 m3，實(shí)際注漿量與設(shè)計(jì)注漿量誤差控制在26.6%以內(nèi)，與設(shè)計(jì)注漿量基本吻合。

3個井筒周邊各注漿孔注漿過程中，鄰近主、副、風(fēng)3個井筒變形與應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)低于黃色預(yù)警值，井筒均處于安全運(yùn)行狀態(tài)；井壁內(nèi)未發(fā)現(xiàn)示蹤劑、出漿等現(xiàn)象，說明通過注漿孔和泄壓孔“注-泄”聯(lián)合間歇注漿技術(shù)發(fā)揮了衰減注漿壓力向井壁的傳遞作用，大幅降低了施工風(fēng)險(xiǎn)；通過井筒偏斜測量觀測結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，2017年10月至2018年6月期間，主井井筒井口處的偏斜量北方向減小了12 mm，西方向減小了18 mm；副井井筒井口處北方向減小了13 mm，西方向減小了41 mm，井筒偏斜量減小，有回正的趨勢；注漿后，主、副、風(fēng)井井筒表土段井壁淋水明顯減小，達(dá)到了預(yù)期效果。

6 結(jié) 論

1)與常規(guī)工程類比法相比，通過現(xiàn)場試驗(yàn)孔注水與注漿試驗(yàn)獲取的注漿參數(shù)，可大幅提高注漿參數(shù)選取的科學(xué)性，確保注漿效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2)松散層同類地層透水率隨深度的增加而減小。郭屯礦松散層上部層段壓水呂榮值5.39 Lu，下部層段壓水呂榮值1.36 Lu，屬于可注性一般地層，當(dāng)厚松散層地面高壓注漿壓力達(dá)到2.0～2.5倍的靜水壓力時(shí)，水泥漿可順利注入擬加固地層；各注漿層位壓水試驗(yàn)和注漿試驗(yàn)受注點(diǎn)壓力相同的情況下，注漿流量是壓水流量的一半。

3)研發(fā)的“注-泄”聯(lián)合間歇注漿加固技術(shù)可大幅衰減高壓地層注漿對鄰近既有井筒傳遞的壓力，確保井筒安全運(yùn)行。郭屯煤礦3個井筒各注漿層段總設(shè)計(jì)注漿量為48 417 m3，實(shí)際注漿量為35 536.66 m3，實(shí)際注漿量與設(shè)計(jì)注漿量誤差控制在26.6%以內(nèi)，注漿后，主、副、風(fēng)井井筒表土段井壁淋水明顯減小，且有回正的趨勢，可為今后類似條件工程應(yīng)用了提供成功工程經(jīng)驗(yàn)。