劉輝

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

井筒涌水量來(lái)源于井筒圍巖滲入井內(nèi)的水量，其大小與井筒通過(guò)含水層的性質(zhì)、圍巖的滲透系數(shù)和涌水點(diǎn)與地下水層的壓差有關(guān)。王紹群、曹立洲、程曉博、谷拴成等[1-4]都是在井筒建設(shè)期，利用止?jié){墊和工作面預(yù)注漿通過(guò)含水層；高岳、汪敏華、趙慶彪、袁輝、席奇等[5-9]利用“S”、“L”型鉆孔技術(shù)、多分支鉆探技術(shù)、定向預(yù)注漿技術(shù)、斜井定向技術(shù)，建立臨界角度與其他影響參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式，對(duì)復(fù)雜地層進(jìn)行治理，提出在復(fù)雜富水地（斷） 層中進(jìn)行定向預(yù)注漿技術(shù)，達(dá)到理想的治理效果；關(guān)文濤、張德輝、杜志龍等[10-12]針對(duì)含水層采用地面預(yù)注漿，鑿井涌水后工作面注漿等措施后仍不能滿足涌水治理要求的現(xiàn)狀，提出凍結(jié)法施工、利用疏干井排水治理豎井涌水，解決涌水量過(guò)大的問(wèn)題；李振林[13]選用新型聚合產(chǎn)品HK9101化學(xué)灌漿材料作為堵水材料，采取嚴(yán)格的安全措施，快速、安全、高效地治理了井筒水患；魏世榮等[14]采用旋噴注漿法截?cái)嘀餍本灿克a(bǔ)給水源，采用壁后注漿技術(shù)充填井筒長(zhǎng)期涌水?dāng)y砂所形成的空隙和空洞，加固井筒并進(jìn)一步封堵井筒涌水；樊小舟[15]提出了完善傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法，正確對(duì)待預(yù)測(cè)結(jié)果，樹(shù)立防范意識(shí)的對(duì)策。李永富等[16]采用密度低、擴(kuò)散性強(qiáng)的RSS 高分子化學(xué)堵水材料，結(jié)合低成本水泥注漿材料，進(jìn)行淺孔深孔交叉注漿。本文以甘肅馬福川煤礦為研究對(duì)象，針對(duì)該礦主井斜井筒斜穿流沙層涌水量過(guò)大的問(wèn)題，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，利用定向斜孔分段壓密注漿技術(shù)，解決已建成井筒漏水過(guò)大的問(wèn)題。

1 概 況

甘肅馬福川煤礦主井斜井筒斜穿流砂層，井筒內(nèi)的淋水主要集中在237～350 m 段，與地質(zhì)條件流沙段基本一致，該段巷道頂部、幫部、底部均有不同程度的涌水、淋水。其中252 m 處左底板涌水較大，預(yù)計(jì)涌水量為1.5 m3/h；262 m 處有大量涌水，預(yù)計(jì)涌水量為12 m3/h；280 m 處左底及右底涌水較大，預(yù)計(jì)涌水量為5 m3/h，整個(gè)治理段涌水量約為20 m3/h，詳見(jiàn)表1。

表1 主斜井井筒涌水現(xiàn)狀Table 1 Water inflowstatus of main inclined wellbore

根據(jù)含水層情況，結(jié)合以往堵水注漿經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)該段含水層（含水層埋深220～300 m） 注漿，注漿方式采用帷幕注漿，在井筒外圍10 m 處以水泥+速凝劑+減水劑+水玻璃形成一個(gè)半徑10 m的水泥環(huán)，再通過(guò)定向鉆探在水泥環(huán)內(nèi)部對(duì)井筒進(jìn)行加密注漿，達(dá)到流砂層井筒涌水治理的目的。

2 壓密注漿堵水治理設(shè)計(jì)

2.1 注漿深度設(shè)計(jì)

馬福川煤礦主斜井井筒長(zhǎng)度1 405 m，角度為18°，呈半圓拱形，寬5.5 m，高4.15 m，采用雙層鋼筋混凝土砌碹（流砂層和軟巖層區(qū)段） 和雙層鋼筋錨網(wǎng)噴漿支護(hù)（泥巖段），凝土砌碹層厚度約為500 mm，雙層鋼筋錨網(wǎng)噴漿支護(hù)層厚度約為400 mm；主斜井井筒流沙段范圍237～350 m，斜長(zhǎng)為113 m。

注漿鉆孔沿井筒外邊界5 m 處平行施工4 個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑213 mm，深度360 m，0～230 m 下入180 mm 白管，230～360 m 鉆孔孔徑152 mm，下入127 mm 雙縫花管，雙縫與井筒邊界線平行。注漿工藝采用分段注漿，注漿段長(zhǎng)不大于40 m。

內(nèi)部加密注漿鉆孔沿井筒外邊界平行施工6 個(gè)鉆孔，與外部鉆孔交叉布置，鉆孔孔徑152 mm，深度360 m，0～230 m 下入127 mm 套管，注漿段長(zhǎng)不大于30 m。

2.2 注漿材料及注漿壓力設(shè)計(jì)

根據(jù)井筒壁后注漿（表2） 和成井后井壁巖心試驗(yàn)報(bào)告（表3），此次施工注漿參數(shù)見(jiàn)表4。

表2 井筒壁后注漿段高劃分及注漿壓力Table 2 Height division of grouting section behind wellbore wall and grouting pressure

表3 主井井壁巖心力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Mechanical test data of core of main shaft wall

表4 工作面預(yù)注漿段高劃分及注漿壓力Table 4 Height division of working face pre grouting section and grouting pressure

注漿壓力為工作面表壓力，注漿方式隔孔注漿，前期封堵大裂隙注漿取低值，后期針對(duì)小裂隙注漿取高值。

3 定向斜孔壓密注漿堵水

3.1 注漿孔數(shù)及布置方式

根據(jù)井筒壁后注漿工程相關(guān)資料、流沙含水層的水文地質(zhì)條件、井筒特征、漿液擴(kuò)散半徑，得出主斜井鉆孔布置，如圖1 所示，采用高精度定向鉆探技術(shù)進(jìn)行施工。

圖1 主斜井加密注漿堵水鉆孔布置Fig.1 Layout of densified grouting and water blocking boreholes of main inclined wellbore

外圈注漿孔設(shè)計(jì)4 個(gè)，距離主斜井井筒外邊界6.5 m，內(nèi)圈鉆孔6 個(gè)，距離主斜井井筒外邊界3.5 m。先施工外圈4 個(gè)鉆孔，形成堅(jiān)固水泥外圈，再施工內(nèi)部6 個(gè)鉆孔，進(jìn)行加密注漿，封堵細(xì)小裂隙。

3.2 外圈花管加工設(shè)計(jì)

化學(xué)漿液在重力作用下呈“梨形”擴(kuò)散，即垂向擴(kuò)散距離大于橫向擴(kuò)散距離，與傳統(tǒng)"球形"擴(kuò)散理論有所不同，由此，外圈花管加工的目的在井筒外形成堅(jiān)硬外殼。將φ127 mm 注漿花管加工成對(duì)稱斜縫，斜縫長(zhǎng)度5～15 cm，寬度2～5 cm，同向斜縫間隔5～15 cm，隨著套管下入深度由斜縫寬度和長(zhǎng)度由大到小。在φ127 mm 注漿花管內(nèi)部加入一根φ108 mm 注漿白管2，花管和注漿白管中間用密封墊連接防止漏漿，抗壓強(qiáng)度為10 MPa；φ108 mm 注漿白管按照6 m/段連接，中間連接保護(hù)栓不低于20 MPa，每增加一節(jié)保護(hù)栓增加1 MPa，每段中間均用密封墊連接防止漏漿。

3.3 注漿材料、漿液類型及配比設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況，注漿材料選擇PO.42.5R 普通硅酸鹽水泥，干燥、粉狀、無(wú)結(jié)塊，水玻璃模數(shù)2.8～3.4，濃度36～42Be′，減水劑漿液類型為雙液漿，根據(jù)施工情況選擇需要水泥添加劑。加密注漿漿液見(jiàn)表5。

表5 加密注漿漿液配制Table 5 Slurry preparation of densified grouting

每次注漿的初始濃度，根據(jù)壓水試驗(yàn)測(cè)定的單位鉆孔吸水量選擇，見(jiàn)表6。

表6 加密注漿漿液起始濃度選擇表Table 6 Selection table of initial concentration of densified grouting slurry

外圈鉆孔注漿時(shí)，總體注漿按照注漿濃度先濃后稀；加密注漿時(shí)，總體注漿按照先稀后濃。每次注漿時(shí)，一般先稀后濃，當(dāng)漿液在裂隙沉析、充填階段時(shí)，若壓力不升、進(jìn)漿量也不減時(shí)，應(yīng)逐漸加大濃度；反之，若壓力上升快，減量也快，此時(shí)為保證足夠的注入量，應(yīng)依次降低漿液濃度。每更換一次漿液濃度，一般持續(xù)30 min，按照先降低泵量后降低濃度依次注入。

3.4 實(shí)施效果及評(píng)價(jià)

瞬變電磁對(duì)于礦井水具有較好的敏感性。為了更好的驗(yàn)證加密注漿效果，在外圈第一個(gè)鉆孔施工后對(duì)施工鉆孔進(jìn)行第一次瞬變電磁檢測(cè)，待最后一個(gè)加密注漿鉆孔鉆探施工完成后，進(jìn)行第二次瞬變電磁檢測(cè)，結(jié)果如圖2 所示。同時(shí)，通過(guò)實(shí)測(cè)的井筒內(nèi)集中涌水點(diǎn)（圖3） 和井下集水坑定期測(cè)量結(jié)果（表7），表明定向斜孔加密注漿取得了較為理想的效果。

圖2 加密注漿治理前后瞬變電磁檢測(cè)成果Fig.2 Results of transient electromagnetic testing before and after densified grouting treatment

圖3 主斜井加密注漿前后效果對(duì)比Fig.3 Effect Comparison of Main Inclined wellbore before and after densified grouting treatment

表7 主斜井井底集水坑治理前后涌水量統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics of water inflowbefore and after treatment of bottom water sump in main inclined wellbore

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以甘肅馬福川煤礦為研究對(duì)象，針對(duì)該礦主井斜井筒斜穿流沙層涌水量過(guò)大的問(wèn)題，利用定向斜孔分段壓密注漿技術(shù)進(jìn)行解決，對(duì)注漿鉆孔布置、注漿壓力、注漿材料進(jìn)行分析研究。最后實(shí)踐通過(guò)瞬變電磁檢測(cè)和實(shí)地觀察測(cè)量，表明此次設(shè)計(jì)實(shí)施的定向斜孔加密注漿工程取得了較為理想的效果，保證了煤礦安全開(kāi)采。