王军勇
（郑州华辕煤业有限公司，河南 新郑 451171）
【摘 要】李粮店煤矿主井周围地层在注浆加固治理过程中，通过对井筒原冻结管割孔、射孔、新打孔三种注浆方案进行技术、经济比较，找到了适合本地层注浆的有效方法,获得了较好的技术、经济效果，为地质条件类似的矿井注浆施工提供了经验。
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关键词 冻结井；表土段注浆；方案比较；效果评价
郑州华辕煤业有限公司李粮店煤矿主井井筒Φ5.0m，井深765m，因地质原因，井筒50～270m段淋水加大，同时地表出现缝隙及沉陷区。为防止井筒淋水继续增大及周围地层沉陷导致井筒被破坏的危险。决定在主井周围半径20m范围内进行地层注浆加固。通过对周围地层的挤密加固，一是封堵井筒周围涌水通道，二是通过注浆提高其周围地层的稳定性，避免井筒因周围地层固结沉降而受竖向附加力的影响，发生井壁破损。
1 井筒水文地质特征
主井第四系、新近系松散沉积岩组主要由粘土、砂质粘土和细砂、砾石组成，厚度479.20m。第四系主要含水层是粉砂，松散，饱和，含水较强；次为粉土，含水一般；第四系底部的含砾粉质粘土和砾石层厚度0.98m～5.32m，局部被粘土胶结减小了其含水和透水性，含水一般；中上部粉质粘土透水性较差，含水较弱。第四系隔水层主要是粘土，局部能起到一定的隔水作用。
第三系含水层主要是粉细砂及中粗砂、砾砂，密实，湿～饱和，局部弱胶结，中砂、粗砂均含少量砾石，主要富水段在中上部，下部含水性变差，富水性弱。第三系隔水层主要是粘土和粉质粘土，可塑-坚硬，弱胶结。随着埋深的增加，压实作用及固结作用使岩层逐渐密实，垂向上含水层的含水性逐渐减弱，隔水层的隔水性逐渐增强。
2 施工方案
利用主井原有冻结管对主井周围受扰动土层进行注浆，注浆范围为：深度0～280m，水平方向以主井井筒中心为中心，从内半径3.4m（井壁外缘处）至外半径17m(外圈冻结孔布置圈半径9m＋浆液有效扩散半径8m)的环形空间。此次注浆，主要利用原主井冻结管进行割管注浆，射孔注浆和新打孔注浆作为比较方案[1]，以评价注浆效果。
2.1 注浆孔布置原则
主井原有冻结孔的选用，遵循“分散、多孔、均匀布孔注浆”的原则，确定如下：
（１）利用主井井筒原冻结钻孔，外圈孔选14个钻孔，尽可能均匀布置（拟采用W5、W15、W26、W37，W11、W20、W32、W41，W2、W29、W8、W23、W16、W36）。
（2）利用原有部分冻结孔进行透孔割管注浆处理主井周围280m以上扰动地层，如选定的的冻结管因断裂、弯曲严重无法利用时，可选用相邻的冻结管进行割管注浆。
（3）射孔注浆原则上利用与割管相邻的冻结孔，保证注浆有一定的扩散半径与相邻孔注浆交圈，形成一定厚度闭合的帷幕；如原有冻结钻孔确实无法利用则需重新打孔注浆。
注浆钻孔布置详见如图1。
2.2 钻孔施工顺序及注浆方式
（１）主井注浆钻孔施工顺序：①W5、W15、W26、W37②W11、W20、W32、W41③W2、W8、W16、W23、W29、W36。
（2）主井原冻结钻孔外圈所下冻结管为Φ159×7mm无缝钢管，设计透孔深度280m,钻机安装到位后采用相应钻头透孔至设计深度，采用上行式分段注浆；新打孔选用50mΦ159×7mm无缝钢管作为孔口管，采用下行式分段注浆。
2.3 注浆段高
注浆段高即一次注浆的钻孔长度。分段注浆是保证注浆质量的重要技术措施之一。在每个段高底部及该段相应含水砂层处采用割管为主，射孔为辅的作业方式，尽可能多孔同层位同步注浆，同层位交叉注浆，力求浆液分散均匀。
依据上述段高划分原则，将各井筒注浆段进行段高划分，将受扰动严重的地层（一般为砂层）作为重点注浆段。主井划分为11个段高，段高长度15～30ｍ。
2.4 注浆压力
理论与实践经验均表明：当注浆压力与土层原始地应力之差大于土层的抗劈裂强度时，土层中即可进浆。根据《矿山井巷工程施工及验收规范》[2]有关规定，此次设计的注浆终压值取静水压力1.2～1.5倍（静水位一般从孔口起算），既能保证主井周围受扰动地层形成的空隙经注浆后得到有效充填、密实，也能保证井筒在注浆施工期间不受损害，确保主井井壁的安全。
上限取值为：
P上=1.5H/100(MPa)
下限取值为：
P下=1.2H/100(MPa)
式中H为注浆深度，单位为m。
注浆时为了方便和安全，压力值以注浆泵上表压数据为准，P表＝P终－（ρ浆－ρ水）H/100，ρ浆＝1.4～1.6g/cm3。可以根据注浆情况进行一定程度的调整。达到设计注浆量时，注浆终压取下限值；达不到设计注浆量时，注浆终压取上限值。
2.5 注浆结束标准
（１）注浆压力达到设计最大注浆压力且稳定10min以上时停止该段高的注浆。
（2）当一个段高的注浆量达到设计量的120%，孔口注浆压力（泵压）达设计值80%以上并稳定10min时结束该段高注浆。
（3）任一段高的注浆量达设计值的150%时，尽管压力不升也应停止该段高注浆。
（4）主井井口地面抬升量一旦达到安全限值，必须立即结束主井注浆。
2.6 注浆材料及注浆配比
水泥：采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰：粉煤灰宜采用一级灰，水玻璃：模数2.4～3.4, 波美度为30～42Be′。
粉煤灰～水泥浆水固比取0.6：1～1:1,固相比水泥：粉煤灰取0.1：0.9～0.45：0.55（质量比）。本次注浆选用水：水泥：粉煤灰：添加剂=1 ：0.2：0.8：0.02浆液配方。
2.7 浆液注入量及材料用量预计
计算公式：
式中：Q——浆液体积（m３）；
A——浆液超扩散消耗系数，取1.2；
R——以井筒中心为基点的浆液有效扩散距离（m），R=r+L；
r——注浆半径（m），r主井=9m；
L——浆液沿径向方向的最小有效扩散距离，主井取8m；
H——注浆段总段高（m），H主井＝230m；
m——浆液结石率, m=0.85；
β——浆液充填系数，β=0.9；
n——地层平均浆液充填率（%），主井取1.75%。
3 钻注施工
钻注设备主要配备TXB-1000型钻机,TSJ-1000型钻机、TBW-850/5型泥浆泵、NBB250/60型泥浆泵、JDT-6型陀螺测斜定向仪、5LZ95×7.0型螺杆钻具、BQ-350型注浆泵等，这些设备性能优良，稳定性好，满足工程施工需要。主井所选冻结管用同径无缝钢管焊接到原地表以上0.4m，然后对冻结沟槽进行回填，在井口周围用三七灰土分层夯实做灰土盘。在距井筒井心50m处的适宜位置建造8个泥浆循环池（单个泥浆池规格为2×2.5×2m），并配有相应的循环沟槽，以此作为钻孔施工的泥浆循环系统。
4 效果评价
4.1 割管注浆
主井首先选取W-5#、W-15#、W-26#、W-37#这4个基本上互成90°夹角的冻结管作为割管注浆孔。
注浆效果分析：
（１）总注浆量为248.75m3，注浆效果不甚理想。因此选择W-20#、W-36#、W-41#3个冻结管作为第二组孔，进行射孔注浆试验，同时在主井井筒中心与W-11#孔连线外侧3米处新打一个注浆试验孔X-11#,对割管注浆、射孔注浆和新打孔注浆3种注浆方法进行对比，同时以此来进一步判断主井280米以上地层的受扰动程度。
（2）主井第二组孔透孔至280米后，对第十一注浆段进行再次割管注浆试验，其中W-20#的割管深度为266m、271m、275m、280m，W-36#的割管深度为265m、270m、275m、280m，W-41#的割管深度为266m、271m、275m、280m；经压水试验判定该段并不具有可注性（压水试验压力分别为2.7MPa、2.9MPa、3.0MPa），于是在第十段开始选择射孔注浆法进行试验。
（3）主井W-20#、W-41#第十段、W-36#第十一段射孔深度分别为241.5-244.5m、269.5-270.5m、257.5-258.5m，压水试验压力分别为1.0MPa、0.5MPa、1.2MPa；之后选用稀浆进行注浆，W-20#注浆量12.95m3，W-41#注浆量23.45m3，W-36#注浆约18、19分钟压力就达到2.3MPa，根据计算分析，这个时间浆液刚刚好达到割口深度向地层内充填，因此实际上该段地层并未进浆。
4.2 射孔注浆
根据注浆情况再次调整射孔方案，决定对W-20#、W-41#两个冻结孔进行全段注射孔浆，射孔压水/注浆数据如下表。
注浆效果分析：
射孔注浆效果略好于割管注浆，由于受射弹穿孔效果及周围地层固结性大小的影响，可注性虽然增加，但远远未达到设计注浆量的要求，此次射孔注浆共计注入量为150.1m3，未达到设计要求。
4.3 新打孔注浆
注浆效果分析：
新打钻孔X-11#孔单孔注浆量229.6m3，因其穿透多层地层可注面增加，加之孔口管固结作用，增强了注浆效果。考虑到固管效果的影响（3次因孔口返浆终止注浆），注浆量比较可观。
5 经济比较
根据合同要求，透孔割管综合费用180元/m；1m射枪射孔5000元/次（2m射枪8500元/次），遥测车出场费35000元，定位费15000元/天；新打孔套管270元/m，钻孔450元/m，水泥-粉煤灰1:1浆液358元/m3。如全部采用透孔割管费用总计为579600元，射孔费用达1408000元，而新打孔费用为757620元（按6个孔位计）；通过经济对比，新打孔费用比透孔割管费用略高，是射孔费用的一半多一点，而注浆效果却是此中方案中最好的。因此，表土层注浆，无论从注浆效果，还是经济合理性上，新打孔都占有明显优势。
6 结论
通过对主井地面注浆三种方案的技术、经济效果分析比较，在治理井筒表土层沉陷、井筒涌水危害进行地面注浆时，新打孔注浆施工能取得较好的技术、经济效果。从施工角度考虑，新打孔便于操作和实施，注浆作业直接有效，是治理井筒沉陷、井筒涌水危害的有力途径，并能从根本上消除矿井的安全隐患。
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参考文献
［１］骆志兵.矿山建设工程技术新进展（下册）[M].合肥:合肥工业大学出版社.
［２］GBJ-213 矿山井巷工程施工及验收规范[S].MT/T-1150-2011 注浆孔施工技术规范[S].DL/T 5055-2007 水工混凝土掺用粉煤灰技术规范[S].
［３］虎维丘.矿山水害防治理论与方法[M].北京:煤炭工业出版社.
［责任编辑：汤静］
