斜井井筒施工中泥灰岩含水层.doc

建　井　技　术
MINE CONSTRUCTION TECHNOLOGY
1998年 第1期
科技期刊

斜井井筒施工中泥灰岩含水层
涌水的防治
蔡振国1　蔡振雷2
(1 河南矿业建设第三工程公司，焦作，454173；
2 焦作矿务局监理处，焦作，454002)
　　摘　要　河南任岗煤矿主副斜井原预计总涌水量为80 m3/h。但当主斜井施工进入裂隙发育的泥灰岩后，短时间内水量达141.6 m3/h，造成淹井；掘至185 m时，涌水量增至287 m3/h，又造成淹井。为保证井筒顺利通过泥灰岩段，采用水泥-水玻璃双液浆壁后注浆堵水和单液水泥浆工作面超前预注浆相结合的治水方案，注浆堵水率均达到97%，取得了较好效果。介绍了注浆方案确定、注浆参数选择及注浆施工等情况。
　　关键词　斜井井筒　泥灰岩含水层　壁后注浆　预注浆
　　任岗煤矿位于河南省密县境内，为地方国营煤矿。矿井由武汉煤矿设计研究院设计，设计井型规模为年产0.3 Mt，采用一对斜井单水平上、下山开拓。主斜井设计斜长为754.5 m，井筒净断面积10.2 m2，坡度30°，采用料石墙、素混凝土碹拱支护；副斜井斜长832.6 m，井筒净断面积10.6 m2，坡度27°，也采用料石墙、素混凝土碹拱支护。矿井施工自1988年9月进入第三系泥灰岩含水层段，相继发生涌水淹井。通过对井筒已揭露的泥灰岩采用水泥-水玻璃双液浆壁后注浆和井筒未揭露的泥灰岩采用单液水泥浆工作面超前预注浆的治水处理，使井筒顺利通过了第三系泥灰岩含水层段，取得了较好的效果。
1　地质概况
　　该区岩层走向NE45～55°，倾向SE，倾角16～24°。井筒施工需依次穿过第四系砂质粘土、第三系泥灰岩、二叠系上下石盒子组及山西组地层。其中的第三系泥灰岩为乳白色，岩层裂隙、节理发育。按其走向大致可分为两组，一组NE向，一组NW向，且互相交错切割。裂隙面可见钙质及碳质沉淀物。
　　由于泥灰岩构造裂隙极为发育，在井筒施工揭露该岩层时，水即从构造裂隙和钻孔中涌出，涌水量则随井筒工作面的不断延深而增大。
2　第三系泥灰岩含水特征及井筒涌水情况
2.1　泥灰岩含水层含水特征
　　(1)泥灰岩由于岩石硬度较大、性脆，在构造应力作用下，岩层中产生密集的裂隙、节理，且相互切割，裂隙宽度2～150 mm，多为2～15 mm，并可见有小的溶洞和溶孔。
　　(2)泥灰岩岩层较厚，不仅含水量较大，而且具有良好的补给条件。

2.2　井筒涌水情况
　　依据地质报告提供的资料，主副斜井预计总涌水量为80 m3/h。而在井筒施工中，实际涌水量大大超过了预计涌水量，仅主斜井就高达287m3/h(附表)。
附表　1989年每月主斜井井筒涌水量

项　　目
月份

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

12
　涌水量/m3*h-1
6.5
8.3
12.0
14.1
103.0
115.3
163.8
153.1
287.0
287.0
82.0
83.0

　　由统计表可见，仅主斜井的井筒最大涌水量就约是主副斜井预计涌水量的3.6倍。首次大的出水时间是在1989-04-09-11∶30，当主斜井施工进入泥灰岩后，工作面拉碹沟放炮，放炮后岩层出水，短时间内水量增至141.6 m3/h，由于排水能力不足，造成淹井，井筒被淹长度70 m。当主斜井掘至185 m时，水量增大，水泵出现故障，造成主副井被淹。淹井前，主斜井涌水量287 m3/h，副斜井涌水量73 m3/h。
3　治水方案的确定
　　依据对泥灰岩及其含水特征分析，以及含水层涌水情况和井筒施工工艺，确定采用水泥-水玻璃双液浆壁后注浆与水泥单液浆工作面超前预注浆相结合的治水方案。
4　壁后注浆
4.1　注浆参数的选择

4.1.1　注浆范围
　　根据井筒揭露地质和水文地质情况，将注浆范围划分为重点注浆区域和一般注浆区域，即将涌水较大的部分定为重点注浆区域，涌水较小的部分定为一般注浆区域。注浆段总长78.4 m(井筒斜长106.6～185.0 m)。

4.1.2　注浆压力
　　注浆压力选用下式计算，即
　　P=(2～3)Hγ=(1.8～2.7)MPa
式中：P为注浆压力，MPa；H为受注点至静止水位的水柱高，m；γ为水的容重，0.01 MN/m3。根据计算结果，取中间值，注浆压力选定为2.25 MPa。根据有关资料，对涌水较大的出水点，注浆压力为静水压力的3～5倍，即2.7～4.5 MPa；因此，对重点注浆区域，选择注浆终压为4.5 MPa。

4.2　注浆材料
　　采用水泥-水玻璃双液浆，其中，水泥用优质425号普通硅酸盐水泥，水玻璃用35～45玻美度、模数2.3～2.8的水玻璃。

4.3　注浆施工

4.3.1　注浆设备选择
　　选用2TGZ-60/210型和QZB-50/60型注浆泵。注浆孔造孔用气腿式凿岩机。

4.3.2　注浆孔造孔及其布置
　　(1)注浆孔造孔。对大的涌水点，在施工井筒碹体时，采用预埋直径φ102 mm导水管作为注浆管；对于注浆区域，采用风钻造孔的方法。
　　(2)注浆孔布置。裂隙密集部分碹接茬处，片状漏水，采用密集式造孔，孔距、排距分别为0.6 m和2.0 m，孔深1.5～2.0 m。布孔形式为三花眼放射状。

4.3.3　注浆方法、顺序及直接堵涌工艺
　　(1)注浆方法。因主斜井断面较大，垂高较高，不利于注浆施工和安全，所以，注浆施工前首先搭设可移动的注浆工作台。将注浆工具堆放在工作台上，利用工作台进行造孔注浆。用风钻造孔，直径φ25.4 mm或φ19 mm钢管作注浆插管，插管长度0.7 m。插管插入注浆孔内并固定紧后，用阀门连接注浆管进行注浆。
　　(2)注浆顺序。先进行注浆段涌水的堵截，即先两头后中间，先顶板后底板；先注较小的出水点，后注较大的出水点。
　　(3)直接堵涌工艺。注浆前一次完成全部造孔工作，间隔插管，用木楔、破布、道钉堵漏，最后关闭大涌水点预埋注浆管的阀门，连接注浆管直接顶水注浆。待注浆压力达到设计压力并稳定15 min后，便可停止注浆。

4.3.4　对180.73～185.73 m注浆段的处理
　　106.6～180.73 m段注浆完成后，对180.73～185.73 m段进行注浆处理。施工时涌水量大，底板铺底及两帮碹体质量差，多处灰浆被冲失，仅剩石子，并且此段井筒断面小于设计断面许多，工作面墙高1.2 m，底板也相差0.9 m。据此，拟先进行注浆处理，然后拉底补墙；但注浆施工中发现，此段底板混凝土承受不了注浆压力，采取几次补救措施均未达到注浆堵水的目的。为此，进行了两帮和底板混凝土的加固。依据具体涌水情况采用下列加固方法：
　　(1)将该段铺底混凝土全部揭去，并按井筒设计断面进行挖掘；
　　(2)因该段涌水量约100 m3/h，加之30°的坡度，用常规方法无法进行拉底及铺底工作，必须从铺底工艺及结构上采取有效措施，才能保证铺底工作的顺利进行及铺底混凝土的质量，为注浆工作创造良好条件。为此，在拉底方式和铺底结构上采取了如下工艺：①拉底。拉底前，先用风镐挖一0.5 m深的水窝，把吸水笼头置于水窝中抽水，此时可进行其它部位的挖掘。待拉底达到吸水笼头的吸水极限时，仍挖一0.5 m深的水窝，把吸水笼头再置于其中抽水而开挖其它部位。如此不断移动水窝及吸水笼头，直至按设计将底板拉好。②铺底。先进行两侧墙体的浇筑。立模浇筑前，将两帮涌、淋水导入底板。两侧墙浇筑完成后，进行铺底工作。底板设计厚度为1.0 m，包括0.5 m厚的混凝土和在其下方铺设的0.5 m厚的砾石层。在工作面附近放置1个尺寸0.4 m×0.4 m×1.0 m、底部带有长条形密集式透水槽的吸水桶，将吸水笼头置于吸水桶底部抽水，此时，可进行铺底工作。首先铺设0.5 m厚的砾石层，与此同时，在底板裂隙涌水点及裂隙部位预置注浆管。为防止砾石层上铺设的混凝土掉入砾石缝隙而减少过水或堵塞过水通道，铺设混凝土前，在砾石层上先铺设1层石棉瓦。由于采用了快干水泥混凝土，待混凝土凝固12 h后即可进行注浆工作。注浆一次即达到了堵水目的。
5　工作面超前预注浆
　　依据已揭露的泥灰岩构造发育状况，在完成壁后注浆处理后，为防止主斜井井筒施工中再次出现较大的涌水而造成淹井事故，以及为加快井筒施工速度、改善井下作业条件和减少排水费用，决定对主斜井井筒实施工作面超前预注浆。
5.1　注浆方案
　　(1)注浆浆液。选用单液水泥浆，水泥浆中加外加剂氯化钙和三乙醇胺。
　　(2)注浆方式及段长。据主斜井施工已揭露的地质和水文地质情况，并考虑注后能形成一定厚度的注浆帷幕，选择长、短段相结合的注浆方式，短段长10 m，长段长50 m。短段注浆孔钻成1个注1个，一次钻注完成。
　　(3)注浆孔数及其布置。考虑裂隙发育程度、浆液有效扩散半径和井筒断面大小，注浆孔数定为10个，其中，短孔(长10 m)4个，长孔(长50 m)6个，终孔孔位距井筒外轮廓2.0 m。

5.2　注浆参数
　　(1)注浆压力。依据有关技术资料，注浆终压应为静水压力的2～5倍。为达到较好的注浆效果，选用较高的系数，即注浆终压选定为5～6 MPa。
　　(2)浆液浓度。依据岩体裂隙发育情况及涌水量，水泥浆水灰比选择为0.5∶1～1∶1，浆液相应的初凝时间为7 h41min～14 h56 min。
　　(3)注浆结束标准。根据经验，注浆结束标准为，维持注浆终压和吸浆量的时间大于15 min。

5.3　注浆施工
　　先施工短段注浆孔，后施工长段注浆孔。短段注浆孔的施工顺序为：1，3，2，4号；长段注浆孔的施工顺序为：1，4，3，5，2，6号。注浆施工时，共施工7个钻孔；其中短段的1，2，3，4号孔，长段的1，4，3号孔。在施工完短段的1，2，3，4号孔及长段的1号孔并经注浆后，施工长段的4，3号孔时孔内已经没有水，所以长段注浆孔只施工了3个注浆孔，即1，4，3号孔。注浆孔内总的涌水量为148 m3/h。
6　注浆效果
　　对井筒已揭露的泥灰岩段壁后注浆和井筒未施工段泥灰岩含水层超前预注浆处理取得较好效果。纯注浆共用时间22 d。消耗水泥72.7 t，其中壁后注浆用水泥40.7 t，工作面超前预注浆用水泥32.0 t；消耗水玻璃20.07 t。壁后注浆前涌水量为287 m3/h,注浆后减小为10 m3/h，堵水率约达97%，每年可节省排水费用20万元以上；工作面超前注浆前钻孔总的涌水量为148 m3/h，注浆后，经井筒施工揭露后实测，总涌水量不足4 m3/h，堵水率达97%以上，每年可节省排水费用15万元以上。
　　收稿日期：1997-04-08
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