伍增强，李岁宁，薛志强

(陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西 咸阳 713600)

0 引言

孟村煤矿主立井属于该矿井3个立井井筒之一，主要用于提煤运输。井筒深度549.15 m，净直径6.5 m，掘进直径8.4 m。井筒开拓期间揭露8个地层；其中含水层5个，最大厚度328 m，最大单位涌水量0.332 3 L/(s·m)，最大渗透系数0.087 425 m/d。根据地层分布情况，考虑井筒开凿前、开凿时以及成井后的防治水需要，在充分调研了国内主要的井筒防治水技术后，从主动、被动两方面考虑[1-4]，选取了全深冻结、双层钢筋混凝土浇筑、射孔注浆、壁间壁后注浆综合技术进行防治水应用。

1 工程背景

将各层地质厚度、主要岩性、地质及水文地质特征以表格形式列出，具体见表1。

表1 主井井筒地层信息表

2 综合治水技术

2.1 全深冻结

钻孔布置：本次采用单圈孔方式冻结，设计有防片孔、主排孔、测温孔、水文孔，冻结壁厚3.8 m，冻结工程20 758 m。其中，防片孔14个、单孔深20 m、开孔间距2.58 m、布置直径选取11.6 m；主排孔32个、单孔深580 m、开孔间距1.37 m、布置直径选取14 m；测温孔3个，单孔深度580 m；水文孔2个，孔深分别为123 m、55 m，钻孔分布图如图1所示。

图1 主井冻结钻孔分布示意图

施工过程：该工程总工期410 d，其中冻结工期约220 d，冻结钻孔偏斜采用“靶域”控制，防片帮孔内外偏值≤0.3 m；主排孔内偏值≤0.7 m，外偏值≤1.5 m，终孔间距≤3.5 m，最大偏斜率≤2.5‰。在井筒的掘进过程中井壁最大水量0.6 m3/h，达到了很好的治水效果。

2.2 双层钢筋混凝土井壁

施工过程：该井筒采用了双层井壁，外壁采用350 mm厚钢筋混凝土砌碹支护，内壁采用600厚钢筋混凝土砌碹支护，混凝土标号在不同区段采用了C30、C40、C55、C60，在内外层井壁之间铺设2 mm厚的聚乙烯塑料薄板，共消耗10 970 m2。施工时，混凝土中添加WG-HEA抗裂型防水剂，加入量为水泥用量的10%，总计加入770 t。混凝土入模温度控制在15～20 ℃范围内。

工程量及材料消耗：井筒掘进期间的部分工程量及材料消耗见表2。

表2 主井井筒部分工程量及材料消耗表

2.3 射孔注浆

射孔注浆原理：射孔注浆的原理是采用聚能式爆破射孔技术，将专用的射孔枪体沿冻结管内下放到预定的注浆地层部位，通过引爆射孔枪中的磁电雷管，使枪中一定数量的射孔弹定时定向爆破，穿透枪体及冻结管，并进入地层一定深度，从而形成新的注浆通道，在地面进行注浆加固预定地层，既可以起到堵水作用，又能减弱地层沉降对井壁的纵向附加力，防止井壁破裂[5-8]。射孔穿透深度一般为200～300 mm，射出孔的孔径一般为8～12 mm，使用1 m长的射孔枪，射孔弹安装密度10发/m，射孔注浆效果示意图,如图2所示。

图2 射孔及注浆效果示意图

施工方法：为了切断主井马头门上方地层与下方地层的水力联系，防止冻结壁解冻后冻结管内或冻结管和地层之间的环形空间的水压作用在马头门上。对冻结管及环形空间进行注浆充填。注浆采用主排冻结孔、测温孔，单孔注浆采取由下向上射孔注浆方案。分段注浆法是指第一次射孔后接着注浆；然后扫冻结管内水泥到相应位置，进行第二次射孔，进行第二次注浆充填，依次顺序直至结束单孔。

注意事项：射孔注浆时应加强造孔质量的检查，浆液配比的监测，浆参数及注浆资料的收集、整理，注浆压水试验，注浆压力的控制，浆液注入量的控制，当一个段高的注浆量达设计量的80%～120%，且注浆终压达到设计压力，并稳定20 min时，可考虑结束该段注浆，水泥浆液配比见表3。根据设计要求的射孔深度，准确定位射孔根据井筒检查孔和井筒实际揭露地质资料，确定在冻结管底部(马头门上部30 m处)、白垩系底部分别进行一次射孔注浆，具体注浆情况见表4。

表3 水泥浆液配比表

表4 射孔注浆参数统计表

射孔注浆效果：在施工过程中，对单孔不同段高的注浆量做了汇总统计，其中-430 m段高单孔最大注浆量60 t，最小3.8 t，累计363.3 t；-401 m段高单孔最大注浆量16.7 t，最小1.5 t，累计562.7 t，各孔射孔注浆量统计情况如图3所示。将各孔注浆量(方量)换算成1 m高圆柱体的体积参数分析，可了解各孔的注浆影响范围。从主井1 m柱状等效直径图上分析得出：第1段射孔注浆的注浆量远比第2段注浆量大，说明射孔注浆可达到充填、置换、固结的堵水效果。经过下部射孔注浆后，浆液已将下部射孔位置以上部分环状空间充填固结；第1段射孔注浆可达到充填环状空间效果，第2段注浆可达到加固效果。在第2次射孔注浆时，浆液的注入量相对较少，因为大部分的水泥浆已经充填了地层和环形空间的孔隙通道，在一定的压力下，浆液会再一次被压实、挤密，水泥浆就会充填冻结管内容积，直至压力达到设计值。该施工现象也说明冻结管与地层的环形空间已经被充填封堵，达到了封堵导水通道的目的。

图3 主井钻孔射孔注浆量统计图

2.4 壁间壁后注浆

注浆方式及注浆孔布置：井筒完成射孔注浆后，在永久装备之前部分段高开始有出水，经分析出水通道应该主要来自内外井壁之间、外层井壁与地层基岩之间。为此，决定采用壁间壁后注浆方式。注浆计划采取下行式注浆同时，针对个别出水点再采用上行式复注，即先由上而下局部由下而上逐步推进的方式。原则上要求是顶水打眼造孔，以找到出水通道为准，加强注浆眼均匀布置为宜[9-13]。

注浆孔布置：考虑井筒井壁侏罗系含水层吃浆困难，为孔隙水的特点，根据浆液扩散半径，布孔密度间排距2.5 m×6 m、每排8孔、孔深2.5 m，孔口管以超过井壁50 mm为宜，上下两排注浆深、浅孔位交错布置，呈“三花”型分布孔，钻孔平面布置如图4所示。注涌水量较大的水泥收缩缝处，在距出水点500 mm左右上下交错布置孔口管，孔口管间距1.0 m左右，先双液注浆加固接缝，再根据现场情况选择钻注。注浆孔的布设间距及数量可根据井壁渗漏情况、壁后岩性、井壁质量及窜浆情况做适当调整。在渗漏严重井段或井壁薄弱部位，为取得封水和加固的双重效果，可适当加密布孔。

图4 壁间壁后注浆钻孔平面布置图

参数计算：本次注浆压力的确定主要考虑一方面应能满足浆液克服水压而进入待注壁间体中，另一方面可按终压大于静水压力1～1.5倍计算，或能满足浆液克服水压而进入待注岩体中。注浆工程共计打φ42 mm注浆孔1 190个；注孔1 190个；打孔累计深度为2 966.6 m。本次注浆工程共使用P.O42.5水泥185.65 t；40Be水玻璃24.75 t。膨胀剂2.807 5 t(每吨水泥添加20 kg)。一般井壁强度能够承受的压力范围可用公式(1)，壁间注浆量预计可按公式(2)、壁后注浆量预计可按公式(3)确定。

P=K(E2+2R0E)/2(R0+E)2

(1)

式中：P—井壁能承受的压力，MPa；K—井壁材料允许抗压强度30 MPa；E—井壁厚度，取1.05 m；R0—井筒半径3.25 m。

(2)

式中：Q—预计壁间浆液注入量，m3；H—注浆段长度，m；R—外层井壁内半径，m；r—内层井壁外半径，m；λ—浆液损失系数，一般取1.2～1.5；N—浆液结石系数，一般取0.75～0.85。

Q1=a·V·n/λ=a·Hπ(R2-r2)·n/λ

(3)

式中：Q1—预计壁后浆液注入量，m3；a—浆液损失系数，一般取1.1～1.5；V—注浆段需要固结的体积，V=Hπ(R2-r2)，m；n—孔隙率取5%；H—注浆段长度，m；R—井筒荒断面破碎带半径，m；r—外层井壁外半径，取4.2 m、4.3 m；λ—浆液结石系数，一般取0.75～0.85。

3 结语

孟村煤矿主井井筒工程在以上综合防治水措施的保障下，整个建井过程中未发生过任何较大的淋水现象，整个过程中总水量小于2 m3/h，为井筒的施工创造了良好的作业条件，顺利通过了洛河组巨厚砂岩中等富水性含水层。各措施之间环环相扣、紧密连接，有效解决了复杂水文地质条件下多含水层同时向井筒渗水的问题，双层井壁之间以及外井壁与岩层之间的空隙水问题，钻孔与原始地层之间的环形空间水问题。综合防治水技术在孟村煤矿主立井井筒施工中的成功运用为整个矿区乃至全国类似条件下的井筒防治水技术提供了宝贵的经验，具有很高的推广应用价值。