注浆堵水技术在黄陵二号煤矿三号回风立井施工中的应用.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.045注浆堵水技术在黄陵二号煤矿三号回风立井施工中的应用（1.陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 延安 727307；2.陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307）摘要 黄陵二号煤矿三号回风立井施工时需穿过涌水量较大的白垩系下统洛河组砂岩裂隙孔隙水含水层，出现井壁及工作面涌水量较大的问题，加大了井筒掘进施工难度。为保证回风立井正常施工与安全，提高掘进施工效率，确定采用工作面预注浆和壁后注浆相结合的综合治理方法对该含水层段进行注浆堵水。通过制定合理的施工设计、采取合理的施工工艺、应用新型注浆材料，将井筒涌水量降至规范标准以下，不仅有效封堵了含水层涌水，也起到加固井壁的作用。该注浆堵水技术的成功应用，为类似地质条件下立井井筒掘进提供了借鉴。关键词 回风立井；井筒涌水；注浆堵水；洛河组含水层中图分类号TD743文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0141蛳 030引言注浆堵水是矿井防治水害的重要手段之一，其原理就是将具有胶凝性的浆液或化学溶液，按照规定的配比或浓度，借用注浆设备或浆液自重对之施加压力，通过钻孔输送到受注层段中的一种施工技术咱1-2暂。其实质是使浆液在受注层中渗透、扩散、充填，经过一定时间后凝固和硬化，从而达到加固受注层和抗渗防水的目的。随着注浆堵水技术的长足发展，目前该技术已被广泛应用于各类岩土工程中。其中工作面预注浆和壁后注浆凭其工艺成熟、工序简单、堵水效果显著等特点已成为矿井立井过含水层堵水施工的优选方法，可将井筒涌水量降至规范标准以下，并起到加固井壁作用，进而有效改善现场工作环境，保障安全高效施工咱3-5暂。1工程概况黄陵二号煤矿三号回风立井设计井深 460.3 m，井筒净直径 7.0 m、净断面积 38.5 m2，采用 C40 混凝土砌碹支护方式，支护厚度 0.6 m，砼抗渗等级P10。根据 黄陵二号煤矿三号风井井筒检查孔报告：三号风井井筒揭露的主要含水层有洛河砂岩裂隙孔隙潜水含水层、直罗组一段砂岩裂隙承压含水层、延安组砂岩裂隙承压含水层，预测井筒涌水量为 144 m3/h。其中以洛河砂岩裂隙孔隙潜水含水层涌水较大，预测涌水量 142 m3/h，为井筒涌水主要来源，预判其涌水对井筒施工影响较大。井筒施工区该含水层厚度 123.95 m，对应段高为 50.75174.7 m，实测静水压力0.1 MPa。在实际施工过程中，当井筒施工至井深 61.8 m 时，实测涌水量13 m3/h，施工至 70 m 处时，实测涌水量 25.3 m3/h，对施工环境和施工进度造成严重影响。为实现在安全前提下加快施工进度，必须采取经济易行且行之有效的防治措施对该含水层涌水进行有效治理和控制，将井筒涌水量降至规范标准以下。2注浆方案设计2.1施工方案的确定本次水害治理对象白垩系下统洛河组砂岩孔隙微裂隙含水层为一复合含水层，大型板状、楔状交错层理发育，底部有侏罗系中统直罗组上段相对隔水层，钻孔时孔壁基本稳定。考虑到其涌水量大、裂隙开度小、连通性差、扩散不均衡等特殊性，经综合分析，整体采取掘进前分段下行式工作面预注浆，同时对井筒衬砌分段下行实行壁后注浆，井筒掘砌到底后对剩余出水点进行补充壁后注浆的施工方案。井筒工作面预注浆段高取 40 m，掘进时预留止浆岩帽（垫）10 m，由上至下依次分为 4 个注浆段：70110 m、100140 m、130170 m、160190 m，注浆段进入含水层底部相对隔水层 8.8 m。针对井筒过含水层段（井深 50200 m 段）由上至下进行分段下行式、段内由下至上顺序进行壁后注浆施工，以达到封水和加固井壁效果；井筒掘砌到底后对剩余渗漏水部位采取由上至下补充壁后注浆措施。防止井筒向下掘砌后井壁渗漏水将降低井筒质量。2.2注浆参数选择能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41412023 年 8 月Aug.,20232.2.1注浆压力根据 煤矿井巷工程施工规范，注浆终压宜大于或等于静水压力的 24 倍，壁后注浆的压力宜大于静水压力 0.51.5 MPa，在岩石裂隙中的注浆压力可适当提高。本工程中，目前进入含水层实测静水压力0.1 MPa，确定本次预注浆压力设计为8.5 MPa，预设浆液有效扩散半径为 11.5 m；确定本次壁后注浆压力设计为 2.0 MPa 以内，瞬间冲击压力不大于 2.5 MPa，预设浆液平均有效扩散半径2.5 m。2.2.2止浆垫和岩冒设计采用单级平底形止浆垫，设计厚度为 3.0 m，混凝土的强度选用标号 C30 混凝土，预留砂岩层作为岩冒，与混凝土止浆垫共同构成承压部分，止浆垫浇筑后预留岩冒长度 10 m。若井筒内涌水量较大时，必须留设滤水层，设计滤水层厚度为 1 m，并做好滤水桶及排水工作，确保止浆垫的浇筑质量。为加快施工进度，考虑到目前静水压力比较小，暂定工作面预注浆第一、二大段不施工混凝土止浆垫，第三、四注浆大段施工混凝土止浆垫。2.2.3注浆材料的选择注浆材料是注浆堵水的一个重要组成部分，它关系到注浆工艺、工期、成本及注浆效果。因此，注浆材料是直接影响注浆经济指标的重要因素。此次施工注浆材料采用 ZK-型高分子树脂孔隙溶胶注浆材料为主，超细水泥、水玻璃为辅。施工过程中，为有效地封堵含水层涌水，更好地达到注浆效果，可采用超细水泥浆液与化学浆液交替使用的方式进行，对施工的钻孔首先使用超细水泥浆液进行注入，如果吸浆量较少、压力升涨过快，则改用化学浆液注入；当单孔注入化学浆液达到 2030 m3、注浆压力上升缓慢、浆液注入量无明显减小时，再改用超细水泥进行注浆，直到达到单孔注浆结束标准。2 种注浆材料交替使用，可以更好地封堵裂隙，达到注浆效果，还能节约成本。2.2.4注入量估算根据 矿山井巷工程施工及验收规范 对工作面注浆所需量进行估算，每 40 m 注浆段需要的注浆浆液消耗量 364.34 m3。本次洛河组含水层注浆总高度 120 m（井深 70190 m），则计算预注浆浆液消耗量总计为 1 138.56 m3，壁后注浆浆液消耗量总计为 379.8 m3。注入量估算仅适用于理想状态，最终材料消耗需要根据现场钻孔实际吸浆量来确定。2.3注浆孔布置工作面预注浆第一大段（洛河组含水层 70110 m）在井筒止浆垫内均匀布置 34 个注浆孔口管，分 2 排内外交错预埋：外圈均匀布置 14 个孔口管作为注浆孔，径向倾角 8毅，开孔距井筒荒径 700 mm，圈径为 6 800 mm，孔间距为 1 525 mm，孔深垂距 15 m，终孔位于井筒荒径外 2.0 m，孔间距 2.74 m。内圈均匀布置 20 个孔口管作为注浆孔，径向倾角 5毅，开孔距井筒荒径 1 300 mm，圈径为 5 600 mm，孔间距为 880 mm，孔深垂距 40 m，终孔位于井筒荒径外2.4 m，孔间距 2.04 mm。第二、三、四大段（洛河组含水层 100190 m）各段均留有 10 m 的止浆岩帽，布孔方式以井筒为圆心，距离井筒中心 4 000 mm（第二注浆段）、3 300 mm（第三、四注浆段）均匀布置 26 个注浆孔，单圈孔预埋，径向倾角 4毅。第二注浆段开孔距井筒荒径 200 mm，圈径为 8 000 mm，孔间距为 970 mm，孔深垂距 40 m，终孔位于井筒荒径外 2 400 mm，孔间距 1 570 mm。第三注浆段开孔距井筒荒径 800 mm，圈径为 6 600 mm，孔间距为 800 mm，孔深垂距 44 m，终孔位于井筒荒径外2 400 m，孔间距 1 570 mm。第四注浆大段径向倾角5毅，孔深垂距 39 m。各注浆大段中心点暂设检查孔1 个，无角度钻孔。工作面注浆、检查孔布置参数如表 1 所示。贾继平，等注浆堵水技术在黄陵二号煤矿三号回风立井施工中的应用表 1工作面预注浆、检查孔布置参数名称起止位置/m外圈注浆孔内圈注浆孔检查孔孔数/个径向/（毅）孔深/m孔数/个径向/（毅）孔深/m孔数/个径向/（毅）孔深/m第一注浆段70耀11014815.1520540.1519040第二注浆段100耀14026440.08-19040第三注浆段130耀17026444.1-19044第四注浆段160耀19026539.1-19039合计-92-20-4-壁后注浆以井深 50200 m 区段作为需要钻孔、注浆的漏水区间，将 150 m 出水段分为 5 段，每段均匀交叉布孔 16 层，共计 80 层；每层均匀布置12 孔，孔间距 1.83 m，排距 2 m，合计 960 孔。每段采用自下而上、自上而下的往复、包围式注浆法进行注浆。有集中和分散漏水点的，先注集中部位再1422023 年 8 月Aug.,2023注分散出水部位。2.4机械设备采用 YQE100 气动潜孔钻机施工注浆孔；采用 准108 mm4.5 mm 无缝钢管制作工作面预注浆孔口管，长度 4.5 m；采用 准40 mm4.5 mm 无缝钢管制作壁后注浆孔口管，长度 800 mm。采用2TGZ-60/210 双液调速高压注浆泵，在地面安设WJ1000 搅拌机制拌水泥浆液。制作专用贮注桶，盛装各类注浆浆液材料，通过吊桶下放到井下作业地点或直接通过输浆管下放到井下。3现场注浆施工3.1工作面预注浆施工工作面预注浆采用自上而下分段下行注浆施工方式。对每一个注浆孔，根据岩石裂隙发育程度、孔壁稳定性、出水情况等，实行分次打钻和分次注浆交替进行的施工作业方式（分为 10 m 段、20 m 段、30 m 段、40 m 段）。每一施工段注浆施工时，先钻注中心检查孔，再钻注外层孔，最后钻注内层孔。钻注外层（内层）孔时，进行顺时针编号管理，先钻注单号孔，再钻注双号孔，均采取对称跳孔顺序施工。工作面预注浆施工工艺流程：施工前准备钻孔及预埋孔口管压水试验注浆复钻、复注结束注浆3.2壁后注浆施工整体采取分段下行、施工段内由下至上、从少水处到多水处，必要时再由上向下复注一遍。采用适当布孔、多孔导水、先注集中部位再注分散出水部位追踪水源的注浆方式，尽量多贯穿裂隙布孔，涌水量较大时可先在附近打斜孔导水，最后将所有导水孔严密封堵。井筒掘砌到底后，若井壁漏水范围与含水层厚度一致，则采取先注下部，再注上部，最后注中间的施工顺序，可防止驱散水源。壁后注浆施工工艺流程：造孔安装固结孔口管测定静水压力注浆管路系统清水试压浆液配制、开泵注浆结束注浆。3.3工程实效本次过洛河组含水层预注浆及壁后注浆浆液实用总量预注 1 518.4 m3，其中化学浆用量按总量的 85%计，共计 1 290.64 m3；水泥浆液用量按总用量的 15%计，共计 227.76 m3（其中单液浆 30%、为68.33 m3，双液浆 70%、为 159.43 m3）；化学浆配比平均 51 计，A 液用量为 958 kg/m3，B 液用量为192 kg/m3，单液浆配比平均按 11 计，水泥用量为765 kg/m3；水泥浆水玻璃配比平均按 10.6 计，水泥用量为 803 kg/m3，水玻璃用量为 570 kg/m3。井筒施工过程中，经过工作面预注浆及壁后注浆，有效对含水层裂隙进行了封堵，且起到了井壁加固效果，将井筒涌水量控制在 2.08 m3/h 以内，符合 GB50213-2010煤矿井巷质量及验收规范验收标准，达到了预期目标。4结论本次注浆堵水采取工作面预注浆及壁后注浆相结合的方法，切合工程实际，行之有效，对本地区立井穿过洛河组含水层防治水具有一定借鉴作用。同时，通过本次注浆总结以下几点经验：（1）各类注浆用孔口管在使用前均应做水压试验，试验压力为设计注浆压力的 1.5 倍，试压持续时间 15 min，孔口管无漏水、无变形即为合格。不合格的孔口管严禁用于注浆施工。（2）力求一次注浆达到封水效果，减少重复注浆次数；能为注浆和井筒掘砌施工创造良好作业条件，能有效控制漏水与注浆范围，防止扩大漏水区；充分利用浆液材料特点，简化施工工艺；保证井壁结构稳定，提高堵水与加固井壁效果。（3）严格控制注浆压力，不得超过设计注浆终压，注浆作业中注浆压力不得陡升陡降，瞬间压力不得超过井壁（岩帽、止浆垫）最大允许承受压力。（4）注浆结束前，要注入一定量的清水。每次注浆后对设备和管路都要进行检修、清洗和试运转，为下一次注浆作好准备。参考文献1郝佩，赵炎.马兰矿回风立井井筒结构壁后注浆技术应用与研究 J.能源与节能，2020（11）：187-188.2李月生，罗姜.天马山矿井筒涌水治理的壁后注浆工艺 J.现代矿业，2017，33（7）：268-270.3魏世荣，金祥波，池明波，等.斜井井筒涌水特征及注浆治理方法研究 J.煤炭工程，2022，54（3）：62-67.4杨雨雷.立井井筒孔裂隙水注浆工艺的选择及应用 J.城市建设理论研究（电子版），2018（2）：120.5袁东锋.立井井筒注浆工程断层破碎带注浆材料的研究 J.煤田地质与勘探，2016，44（4）：110-113.作者简介贾继平（1988-），男，工程师，注册安全工程师，毕业于西安科技大学，长期从事地测防治水技术管理工作。收稿日期：2022-11-22能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4143