卢 杰 马艳思

(河北国控矿业开发投资有限公司)

南李庄铁矿破碎段井壁堵水研究

卢 杰 马艳思

(河北国控矿业开发投资有限公司)

南李庄铁矿副井挖至-183 m水平时，上部富含水段-145 m水平发生大水淹井。由于透水处位于井底40 m以上位置，先向井筒内填入骨料以保护井壁，再采用地表钻孔注浆技术，距井筒东侧10 m位置钻主钻孔，至-60 m水平钻分支孔，至靶点后压水注浆，直接作用于井壁外，形成一圈10 m厚的幕墙，拦截流向井筒的潜水,取得很好的效果。

破碎段井壁 堵水 骨料 主钻孔 分支孔

2014年2月10日，南李庄铁矿副井井筒-145～-147 m处开裂出水，涌水量达300 m3/h，并伴有井壁垮塌，垮塌面积为2 m×3 m，此后，涌水量突增至800 m3/h，由于排水能力有限，井筒迅速被淹，目前水位达98 m，基本趋于稳定。该井筒现已掘至-183 m 水平，井筒主要水害是在-140～-153 m 段治理过程中的井壁开裂引发的。

为解决井筒被淹问题，采取快速高效的井上、井下综合治理措施封堵-140～-153 m段井壁涌水，为排水创造条件，并尽量保护井下设备；在封堵出水点的过程中，钻孔揭露-140 m以上裂隙带、溶隙带，探注结合，兼顾-140 m以上淋水处理。

1 治理方案

1.1 骨料阻水塞

在井筒内灌注高于主要涌水点高度的砂石骨料，形成骨料阻水塞。目前，-145～-153 m段为主要涌水段，井筒稳定水位在98 m，大量设备被淹。考虑保护井下设备和水害治理任务，将井筒内砂石骨料段灌注至约-135 m。骨料阻水塞-153～-183 m 段为中细砂，-140～-153 m为公分石子，-135～-140 m为中细砂。

1.2 水泥止浆塞

静水压差越往高处越小，骨料阻水塞顶部强度不够，在其顶部灌注6 m厚的水泥浆，形成水泥止浆塞，完成对骨料段注浆盖帽，在井筒内完成垂向上截流封堵[1]。

1.3 地面定向分支钻孔群

本工程采用地面多向分支钻孔群技术，呈扇状布置分支定向钻孔，依序次施工[2]。

在地面布置向出水点范围内辐射的定向分支钻孔群，即一个主孔，2个定向分支孔。通过孔口下行式静压注浆，对出水点进行封堵改造。

以出水点封堵主钻孔为主脉，向井筒东侧围岩一定范围内布置相应定向分支钻孔，进行探查并注浆加固。地面钻孔和向井筒内灌骨料、水泥同时施工，缩短工期。

在地面定向钻进揭露-140 m以上段时，遇到大量消耗或漏失的情况，进行注浆封堵。井筒内阻流塞及地面钻孔轨迹剖面示意见图1。

图1 井筒内阻流塞及地面钻孔轨迹剖面示意

2 钻探工程设计

2.1 钻孔布置

本工程主要分两部分，即-140～-153 m段出水封堵和该段井筒东侧帷幕注浆。总体来说，在地面布置一个主孔，二开套管下至垂深327 m，距井壁水平位移约8 m的位置。所有钻孔进入井壁外侧8 m 为裸孔段，根据工作内容及探查治理情况布置相应的定向分支孔，见图2。

首先封堵井筒北东侧溶洞主要出水点，布置一个主孔D1和2个分支钻孔D1-1、D1-2，靶点标高均为-153 m，封堵结束后，向下延伸至-160 m；出水点封堵完成后，在井筒东侧距井壁6～8 m南北两侧布置剖面上呈扇状分布的帷幕钻孔，钻孔靶点标高为-160 m，对井筒东侧富水岩体进行预注浆。

图2 地面钻孔轨迹平面示意

2.1.1 -140～-153 m段井壁涌水封堵钻孔

从地面距离井壁一定位置布置一个扇状钻孔群，由一个主孔D1和2个分支孔D1-1、D1-2组成。

主孔设计靶点为预定主要涌水点井壁外侧2～3 m(为防止井壁破损以及施工安全)。在钻进过程中，对-140～-153 m段实施分段探注结合的施工工艺，使浆液尽量把溶蚀裂隙、溶洞等储水导水空间充填压密。钻孔最终向下延伸至-160 m，并进行注浆加固。

分支钻孔的靶点位于主孔靶点两侧，距离主孔约1.5 m(因井壁坍塌大小为2 m×3 m)。探注结束后，各钻孔均向下延伸至-160 m进行注浆加固。D1-1钻孔从主孔落底靶点以上30 m处开始定向导斜进行分支。D1-2钻孔从主孔落底靶点以上50 m处定向导斜，进行分支。见图3。

图3 出水点封堵钻孔轨迹剖面示意

2.1.2 -140～-153 m段井筒东侧围岩帷幕钻孔

-140～-153 m段井筒东侧通过相应分支钻孔探注结合，对-140～-153 m段井筒北侧及东侧围岩富水岩体注浆改造。

以封堵-140～-153 m段井壁涌水地面钻孔为主脉，钻南北2组分支钻孔。分支钻孔在主孔二开套管底口定向导斜，钻孔轨迹距井壁6～8 m。

2.1.2.1 北侧帷幕钻孔

北侧帷幕注浆钻孔布置W1、W1-1孔。W1孔位置较远，先探注。探注结束之后，W1-1孔从W1孔落底靶点以上50 m处定向导斜，进行分支。对井筒北东侧进行富水岩体帷幕注浆。

2.1.2.2 南侧帷幕钻孔

南侧帷幕注浆钻孔布置W2、W2-1和W2-2孔。W2孔位置最远，先探注。探注结束后，W2-1孔和W2-2孔依次从W2孔落底靶点以上50和80 m处定向导斜，进行分支，对井筒南东侧富水围岩帷幕注浆。见图4。

图4 南侧帷幕注浆钻孔轨迹剖面示意

2.2 钻孔结构

一开直孔段，孔深0～30 m，孔径为311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，至基岩层段，水泥固井，隔离第四系表土地层。

二开定向导斜段，孔深0～327 m，孔径为216 mm，至主要出水点以上约80m，下入φ177.8 mm×8.05 mm套管，水泥固井。

三开裸孔段，孔深0～420m，孔径为152mm，封堵钻孔进入出水点位置。注浆后延深至-160m终孔。

本工程定向分支斜孔从二开套管底口分段定向导斜,进入预定靶位附近[3]。出水点封堵主孔钻孔及分支钻孔结构示意见图5。

图5 出水点封堵主孔钻孔及分支钻孔结构示意

3 注浆工程设计

3.1 单孔注浆结束标准

注浆总压是由孔内浆柱自重压力和注浆泵所产生的压力组成[4]。根据本次注浆工程实际，孔口压力为4 MPa，持续15～30 min，即当孔口压力达到以上值时，认为该受注层段注浆已达到压力结束标准。

当注浆压力达到结束标准后，应逐次换档降低泵量，直至泵量达到40～60 L/min，并维持30 min[4]。之后进行压水试验，试验压力为结束压力的80%，全孔单位吸水率不大于0.01 L/min 时，即达到注浆结束标准。

3.2 注浆材料及参数

工作面出水封堵注浆材料主要为PO42.5普通硅酸盐水泥。注浆工程采用分段下行式、孔口封闭静压注浆法，注浆目标层位是-145～-153 m段出水点，钻探中有漏失或涌水的其他地层，也进行注浆。

-140 m以上段，浆液浓度较高，一般为(0.6～1)∶1，压力控制在2～3 MPa；-140～-153 m段，浆液浓度变化较大，一般浓度高，升压和加固阶段浓度降低，压力控制在3～5 MPa。

4 结 论

采用主孔+定向分支孔的施工技术，钻孔速度快，孔内注浆量大。后期发现浆液已扩散至井筒，浆液扩散半径更大。针对井壁破碎段的分支钻孔注浆作业，封堵了水流通道，且对破碎段井壁起到了加固保护的作用。该方法具有较好的借鉴作用。

[1] 李海燕.立井工作面预注浆止浆垫的设计与施工技术[J].煤炭科学技术，2008(3):48-70.

[2] 金有忠，田文浩.若尔盖铀矿区复杂易斜地层定向分支钻孔施工技术[J].探矿工程，2009(8):22-24.

[3] 陈风云，王 虎，谷天本.小秦岭地区深部钻探钻孔结构设计[J].探矿工程，2011(7):11-13.

[4] 卢 杰，唐良勇.南李庄铁矿富含水段施工技术研究[J].中国安全生产科学技术，2014(1)：109-112.

2014-08-27)

卢 杰(1985—)，男，工程师，硕士，050035 河北省石家庄市。