张集煤矿第二副井及东回风井压力注浆技术应用

2014-07-13尹德战江多如杨保林

钻探工程 2014年6期

尹德战，江多如，杨保林

(安徽省煤田地质局第一勘探队，安徽淮南 232052)

压力注浆法就是指利用压力把可凝固的浆液均匀地注入地层中，充足的浆液注入量，在高压持续作用下，浆液以填充、渗透和挤密等方式驱走土颗粒间的水分和空气后填充其空隙，压密脱水，固结形成稳固注浆帷幕体，切断裂隙涌水通道，堵死地下水补给来源，将原来松散的土粒胶结成一个整体，从而使地层得到加固，并形成防水帷幕，为竖井开凿施工提供良好的井壁稳定及止水环境，是常规煤矿进行竖井施工前的首要工序之一。

张集煤矿位于安徽淮南市凤台县张岳集镇，现年生产能力为1240万t，采用一矿两井开发模式，为满足开采接替规划和瓦斯综合治理的需要，实施安全改建及二水平延深工程，投资兴建东回风井和第二副井，解决中央区长距离通风和下山开采等问题。该井由山西约翰芬雷设计院设计，井筒地面预注浆工程由我队承担施工。

1 工程及地质情况

第二副井设计井筒净直径8.8 m，井筒深度876.5 m，井筒荒径:冻结段11.2～12.2 m，基岩段9.8 m。井筒穿过新生界地层338.0 m，基岩段地层538.5 m。井筒上部表土及部分基岩采用冻结法，下部基岩采用地面预注浆特殊施工法凿井，注浆段高370～943.8或945 m，总厚度573.8或575 m。井检报告表明本区构造条件较好。基岩段共有8个含水层，累计厚度135.27 m，岩性以细砂岩和中砂岩为主。第二副井和主井、副井、风井应同属一个水文地质单元，水文地质条件相似，井筒500 m以浅水文地质较复杂，500 m以深地下水补给径流，富水性较差，施工中可能存在采动裂隙。

东回风井设计井筒净直径8.0 m，井筒深度1008.5 m，井筒荒径:冻结段10.1～11.0 m，基岩段9.2 m。井筒穿过新生界地层279.6 m，基岩段地层800.4 m。井筒上部表土及部分基岩采用冻结法，下部基岩采用地面预注浆特殊施工法凿井，注浆段高355～1080 m，总厚度725 m。检查孔所穿过的主要煤层控制准确，层位正常，未见明显的破碎带或断层构造，属构造简单类型。岩体结构特征表现为岩层软硬交替频繁，沉积结构面极发育，局部中～粗粒砂岩高角度或近似垂直裂隙极发育且为开式。基岩段共划分有14个含水层，累计厚度235.95 m。岩性以细砂岩、中砂粗砂岩、粉砂岩为主，主要分布在井筒中上部。

2 注浆施工方案

2.1 注浆孔布置

按照设计要求，每井布置了注浆孔8个直孔和4组Y形孔(如图1所示)，在表土和基岩上部分别采用8个直孔进行注浆，进入基岩后又分别采用4组Y形孔分支出的8个钻孔进行防渗压力注浆。其中直孔布孔圈径15 m，Y形孔40～44 m。Y形孔的分支在进入设计靶域与直孔重叠10 m，靶心圈径13 m，靶域半径2 m，钻孔断面落点位于11.0～15.0 m的环状带内大体匀布，进入靶域后稳斜为直孔。如图2所示。

图1 张集煤矿东回风井井筒地面预注浆工程钻孔平面布置

图2 张集煤矿东回风井井筒地面预注浆工程钻孔轨迹与井筒剖面

2.2 孔斜要求

直孔段终孔偏斜≯1%，固井段钻进内偏不得进入荒径1 m的圈径。Y形孔经定向导斜进入靶域，与设计圈径的偏斜≯1%，并且保证钻孔水平落点大致均布。Y形孔在进入靶域前钻孔落点控制距冻结孔圈径≮5 m的安全距离。

2.3 注浆深度

第二副井要求注浆段与冻结段重叠30 m，冻结深度400 m，注浆上限深度为370 m，注浆下限深度945 m。注浆段长573.8或575 m。内圈直孔注浆深度为370～620 m;外圈Y形孔注浆深度为610～945 m。

东回风井要求注浆段与冻结段重叠20 m，冻结深度375 m，注浆上限深度为355 m，注浆下限深度1080 m，注浆段长725 m。内圈直孔注浆深度为355～515 m;外圈Y形孔注浆深度为505～1080 m。

2.4 注浆段的划分

本工程注浆浆液类型有2种:单液水泥浆、粘土水泥浆。

单液水泥浆主要成分是水，水泥，三乙醇胺和NaCl。该工艺简单，施工方便，结石率低，结石强度高。

粘土水泥浆采用内含膨胀性矿物蒙脱石、伊利石等粘土配制，水玻璃模数3.2，浓度38.7～40 Be'。粘土水泥浆颗粒细，粘度可调，可注性好，塑性强度高，析水率小，抗渗性强，结石率高，耐久性强，注浆填水效果好，节省水泥，成本低廉。

本次注浆单液水泥浆用于固管和岩帽注浆，粘土水泥浆用于基岩段注浆。

注浆段高的大小依据井检孔资料和井筒预计柱状图中含水层、隔水层、煤层深度、赋存厚度、富水性、连通性、裂隙发育程度及地层受注能力等确定。

由于粘土水泥浆颗粒细、可注性好、注浆持续时间长，故注粘土水泥浆注浆段高比单液浆注浆的段高大，划分原则是:首先突出重点含水层，明确重点注浆段，重点段采用小段高，非重点段可适当放大，含水层位于受注段中上部，水文地质特征相似的岩层划在同一段高内。通过分析，将注浆段共计分为岩帽及9～11个段高。

2.5 地面预注浆工程施工流程(图3)

图3 地面预注浆工程施工流程图

2.6 注浆压力

注浆压力是驱使浆液克服流动的阻力，即在岩层裂隙中运移、扩散、充填的动力，它与浆液类型及其浓度、裂隙开度和连通性等因素密切相关。注浆压力的大小对注浆质量、材料消耗有着直接影响。根据本井筒地质及水文地质条件，结合淮南地区注浆经验，参照有关标准、规范，确定的注浆压力:岩帽段注浆终压为地层孔隙压力的1.5～1.8倍，直孔基岩段注浆为2～2.5倍，Y形孔为2～2.2倍。第一轮孔取低值，第二轮取高值。

2.7 注浆量

注浆量是井筒地面预注浆形成可靠隔水帷幕体的物质保证，是决定注浆质量的又一重要参数。第二副井设计注入量16546 m3，其中单液水泥浆510 m3，粘土水泥浆16036 m3。东回风井的设计注入量24528 m3，其中单液水泥浆1352 m3，粘土水泥浆23176 m3。

2.8 注浆工艺技术措施

注浆施工多采用下行式，无论采用上行式还是下行式，岩层破碎、坍塌掉块严重时，均先行注浆加固后再进行钻进。岩帽注单液水泥浆，岩帽以下段注粘土水泥浆。具体注浆施工技术措施如下。

(1)注浆前压水试验10～15 min。遵循先稀浆打开裂隙，稍后标准浆液压注，最后浓浆结束，稀浆复注的原则，保证注浆质量和堵水效果。

(2)根据注浆前压水试验，计算吸水量、吸水率，判断岩层的透水性，确定浆液的配比及钻孔每米注入量，控制浆液扩散半径;若测得单位吸水量较大时，增加水泥和水玻璃用量，使用大密度粘土浆(1.20～1.25 g/cm3)。

(3)采取控制性注浆，每次注浆时间不宜太长，注浆量不宜太多，实施少注量、多次注、延长固结养护的时间等。

(4)注浆过程中连续2 h压力没有变化，应及时调整浆液配比，若压力仍不上升或下降，停止注浆，养护12 h后再注。

(5)注浆终压达到后，减小注浆泵量，以小泵量终压并稳定，达到治水效果。

(6)必要时缩短终压稳定时间，减小高压对巷道的威胁，第五注浆段(635～700 m)、第七注浆段(765～830 m)终压达到1.5～1.8倍地层空隙压力即可，第六注浆段(700～765 m)终压达到1.2～1.5倍地层空隙压力可结束注浆，但不得降低注浆质量，原设计注浆量不得减少。

(7)视情况可采取分段下行、分段上行或上下行混合注浆方式，但必须确保注浆质量。

(8)注浆时密切观察注浆压力变化，如若出现压力突然降低情况，停泵观察20 min后恢复注浆，如无改善应停止注浆、养护、待下次复注。

实际注浆施工中，各段高注浆终量及稳定时间均达到了设计标准，即岩帽段终量≤100 L/min，稳定时间≥20 min;粘土水泥浆段终量≤250 L/min，稳定时间≥30 min。

3 施工情况

施工中精心设计、精心施工，克服了凿井、冻结、井架安装、注浆多行业立体交叉、平行作业等困难，解决了注浆孔钻孔轨迹控制、注浆串浆、开采区安全穿越等困难，顺利完成了2口竖井的注浆工作。

第二副井井筒地面预注浆工程于2011年8月16日开工，2012年7月30日竣工，完成8个直孔和4个Y形孔的造孔、岩帽及9个段高注浆任务。东回风井井筒地面预注浆工程于2012年7月12日开工，2013年8月12日竣工，完成8个直孔和4个Y形孔的造孔、岩帽及11个段高注浆任务。

第二副井Y形孔位于井架基础距井中距离为20～22 m。Y形孔在610 m进入设计靶域与直孔重叠10 m，最终落点分别距井中 7.38、7.33、5.63、7.54、6.33、7.44、7.25、5.97 m，全部落点均在靶域内，610 m以深为直孔，终孔深度945 m。共完成钻探进尺10895.2 m，注浆总量18914 m3。

东回风井Y形孔在514.6 m进入设计靶域与直孔重叠10.4 m，最终全部落点均在靶域内，515 m以深为直孔，终孔深度1080 m。该工程共完成钻探进尺11204 m，注浆总量25182 m3。

表1 东回风井注浆段隔水帷幕最小厚度计算

从表1中可看出注浆隔水帷幕最薄处为8.76 m，这大于凿井炮震裂隙影响范围，注浆帷幕厚度达到设计和凿井施工的技术要求。

3.1 钻孔轨迹的控制

为了加快钻孔施工进度，降低施工成本，经过对该区域以往钻探施工资料的查阅和总结，摸清了区域钻孔偏斜的基本规律，在直孔和Y形孔开孔时采取人工初级定向。施工中成功地运用了有线随钻受控定向工艺，控制钻孔轨迹。

测斜时每10 m读取顶角、方位角，必要时加密测点，取得大量可靠的测斜数据，再深入分析，科学取舍，保证了测斜数据的精准，及时将测斜成果填绘到钻孔偏斜图上，随时掌握钻孔轨迹，并根据钻孔偏斜情况及时采取措施，保证各水平钻孔落点在井筒周围分布较均匀。

3.2 串浆问题的解决措施

在注浆过程中，一旦发生串、返浆时就必须停止注浆，从而增加复注次数，这样会给注浆带来新的难度，工期也相应延长，甚至影响注浆质量。因此，应认真研究分析井筒地质条件，制定行之有效的措施，重点含水层段适当缩小段高，提高注浆压力，加大注浆量，确保了注浆堵水质量。

孔口返浆的原因:注浆止浆塞没有良好座封;钻孔不规整也会导致孔口返浆;注浆压力大，将止浆塞顶开;纵向裂隙发育。串浆原因:两孔同时注浆时易发生串浆，平衡塞位置不易控制;注浆孔之间有裂隙连通;纵向裂隙发育。

在发生串、返浆时要注意分析原因，针对性的采取措施:止浆塞固定不住应及时更换或改变拉塞位置，加大卡瓦、止浆塞尺寸，尽量在完整岩层中封隔;注浆时必须专人监测压力表，一旦有异动，必须立即采取措施，防止止浆塞完全被顶开;多孔同时注浆时采取注浆段高错开的方式，使各孔注浆段处在不同段高的层位上。

在张集二副井直孔第一轮注浆中，串、返浆现象严重，第二轮注浆时除了制定以上注浆措施以外，还采取了先加固孔壁后注浆，采用上行式注浆，尽量减少扫孔次数，保持钻孔规整。所以第二轮注浆大多一次完成，基本没有复注，串、返浆次数明显少于第一轮。

3.3 过巷道措施

为提高已有矿井的产量，近些年淮南矿业集团对部分矿井进行了大规模的改、扩建。在改、扩建矿井进行地面预注浆时，存在对相邻原有井筒和井下巷道的威胁以及穿越问题。如果处理不当，有可能带来巨大的经济损失和安全隐患，必须保证3点:(1)保证井筒安全，防止井筒漏浆，杜绝井筒井壁和巷道被压坏;(2)保证注浆量，不得少于设计值的60%，保证注浆帷幕有足够的厚度;(3)尽量控制注浆压力。在保证以上3点的同时，尽可能使注浆压力接近或达到设计值，但井筒和巷道一旦出现漏水、冒浆时，严格执行过巷措施。

根据经验，注浆影响范围为150～200 m，在此范围内的所有巷道和井筒必须进行临时管制，重点关注最近的几条巷道的安全。二副井距主井210 m、副井340 m、风井185 m，距西一回风巷、综采设备储存硐室、西翼新增回风巷等大巷较近，离最近的巷道只有35 m。

为保证－600 m井下巷道不受注浆影响，组织有关专家及专业人员就现有地质状况、注浆参数等技术问题展开论证研究，围绕工期，保证注浆质量进行施工方案优化，对原施工组织设计中的注浆段高和技术参数加以调整。具体技术和组织措施如下。

(1)注浆时在影响范围内的巷道禁止行人和作业，并实行24 h巡视制度，密切关注井筒和巷道壁。一旦发生渗、漏、冒浆、变形、底鼓等情况，立刻通知注浆站。同时注浆站人员时刻关注压力变化情况，一有异动，首先停注，观察井筒和巷道无异常后才可以继续注浆。

(2)若出现井下巷道窜浆，在所在的注浆段采取每次定量少注，分多次注浆达到设计要求;可以加大浆液浓度，首先封堵裂隙，等浆液有一定强度后再次复注。

(3)若岩层裂隙较大，且连通性好时，必须首先采取注入堵漏剂堵漏，增加养护期，然后再注入高浓度粘土水泥浆。

(4)当出现漏浆和冒浆时，注浆终压控制在地层空隙压力的1.2～1.5倍。

(5)当浆液量差得不多时，也可以采用间歇式注浆的方式使注浆量达到结束标准。

(6)特殊情况下还要减小段高，分多段完成过巷道段注浆。尽量以小泵量为宜(＜181 L/min)。

(7)在井下已受损或冒浆的地方安装压力表，设专人监护，一旦发现压力大于临界值立即通知地面停注。在淋水的地方还要加设变形监测仪。变形过大时必须进行加固处理。

(8)巷道要配备必要的人、材、物，能迅速处理突发事件，以最大限度减少对矿山生产、安全的影响。

通过以上技术改进和针对措施，张集二副井在过－500～－600 m巷道时，没有出现大面积漏浆和压坏井筒、巷道现象，只见巷道少量起皮和冒出少量稀浆。东回风井筒－745 m未影响掘进，只见少许底鼓现象。

3.4 注浆效果

从开挖效果来看，张集矿二副井井筒注浆设计压力及扩散范围较为理想;从注入量分析，设计为16546 m3，实际为18914 m3，超过设计注入量2368 m3。

张集矿东回风井井筒总注浆量25182 m3，超过设计注入量654 m3，注浆孔深1080 m，最大注浆段距725 m，最大注浆压力27 MPa，为全国之最。注浆工程的钻孔偏斜、注浆量、终压、终量等技术参数均满足或超过设计要求，注浆结束后经过2次压水试验，预计井筒剩余涌水量为1.18 m3/h，达到设计质量要求。