综合注浆法在井筒地面预注浆中的应用

综合注浆法在井筒地面预注浆中的应用

张良

安徽省 煤田地质局水文勘探队， 安徽　宿州　 234000

摘要：经过十余年的发展，综合注浆技术已在华东、两淮、河北、山西、内蒙等煤田上百个井筒成功应用，开创了我国井筒地面预注浆技术的新局面。结合注浆孔定向钻进技术开发的冻结、注浆、凿井“三同时”快速建井工艺和注浆、钻井“两平行”作业工艺，大大缩短了煤矿建井周期，使得综合注浆技术得到更为广泛的应用，为国家煤矿建设起到了积极作用。基于此，本文主要对综合注浆法在井筒地面预注浆中的应用进行分析探讨。

关键词：综合注浆法；井筒地面；预注浆；应用

1综合注浆法的主要特点

（1）注浆材料浆液性能好。浆液采用黏土水泥浆（ＣＬ－Ｃ），主要由黏土、水泥、结构添加剂和水组成，其中黏土用量超过水泥是浆液固体成分的主要部分；配置的浆液稳定性高、可注性好、结石体堵水效果好、析水率低，较单液水泥浆更适合基岩裂隙含水层注浆堵水。

（2）注浆设计、施工及效果评价。具有科学的试验依据和工程计算。综合注浆法以地层地质与水文地质资料为基础，进行工程方案设计；施工过程中，通过对注浆钻孔的运用水力动力学方法，进一步计算和研究地层的水文地质参数，指导注浆施工；采用科学的抽水试验或压水试验进行地层渗透系数计算，对注浆段的剩余水量预测，评价注浆效果。

（3）注浆工艺。对压力、流量、浆液比重等参数连续进行监测；工艺上能够采用高性能注浆设备，大泵量、大段高注浆，实现快速高效施工。

2研究与应用现状

综合注浆技术的研究与应用，主要集中在煤矿建设领域，以立井井筒地面预注浆防治水为最多。经过多年实践，在注浆新材料开发、工艺参数优化、设备性能提高等方面有了长足的发展。目前，国内立井井筒地面预注浆深度已经超过千米；BQ-350､BQ-500型注浆泵几经改进，成为性能良好煤矿井筒地面预注浆的主要注浆设备；ＫＷＳ止浆塞在密封胶筒材料研究方面取得重要突破，针对特殊地层开发的新型注浆材料研究正在进行；结合定向钻进技术实现冻结、注浆、凿井平行作业的“三同时”快速建井工艺，已经在深井建设中得到广泛应用。除此之外，综合注浆技术还在立井工作面注浆、煤矿采取底板改造注浆、破损井壁修复治理、采空区充填、煤矿突水治理等方面得到成功应用；近年来，金矿、铁矿、石膏矿等非煤矿山防治水领域，也有综合注浆技术应用的工程实例。以下结合煤矿立井井筒地面预注浆设计，阐述综合注浆技术的应用。

3注浆工艺设计

3.1注浆深度与钻孔布置

井筒地面预注浆起止深度的确定，与井筒整体设计相关。一般而言，具有深厚冲积层的井筒，采取上部冻结（或钻井）下部注浆的方法凿井，注浆起始深度要求与冻结段或钻井段重叠10~20m，且在风化带以下，终止深度要求超过井筒最下含水层底板（实践中一般超过井筒设计深度10m）。目前，地面预注浆的钻孔一般采用在井筒荒径之外环形均匀布置的方式，钻孔数量与井筒的技术参数、地层的地质和水文地质特征紧密相关。

钻孔数量的本质是孔间距的选择，以保证注浆帷幕的连续性和密实性为原则：在以水平裂隙为主的含水层中，裂隙开度越小孔间距也越小，对于高角度裂隙发育的地层，则要相对加密钻孔。工程实践中，一般孔数在4~8个，孔间距为5~9m。

3.2段高划分与注浆方式

注浆段高，要根据含水层的位置、厚度、裂隙开度、止浆层位以及注浆泵的性能等诸多因素确定；工程中要结合具体的地质条件，遵循针对性、特殊性及一致性的原则进行段高划分。所谓针对性，是指对已确定的含水层（段）进行注浆；特殊性是指注浆用于特殊的目的，如断层及破碎带的加固等；一致性是指将具有相同地质沉积环境、相同的岩性及裂隙发育规律的一组或两组以上岩层划为同一注浆段高。综合注浆法的井筒地面预注浆段高，一般为40~75m。注浆方式要根据井筒深浅和地层条件选择，一般有上行式、下行式、上下行结合的混合式三种方式。上行式即一次成孔、分段上行，多适用于浅井注浆；下行式和上下行混合式即边钻边注，个别区间段采用上行式注浆，应用灵活，多用于深井和具有地质构造的井筒注浆。

3.3注浆帷幕设计

注浆帷幕是指井筒开凿前，通过注浆对裂隙充填，在周围形成一个有效的隔水帷幕。隔水帷幕的尺寸与井筒的荒径、开凿方式、地下水特征等有关。目前，在注浆孔环形布置的井筒中，有效注浆帷幕一般要求超过井筒荒径之外6m，且水压越大、裂隙开度越大，帷幕要求越厚。在注浆帷幕设计尺寸、注浆孔布置选定后，注浆压力确定和注入量计算是帷幕设计的最重要内容。

3.4黏土水泥浆的配方设计

黏土水泥浆的主要性能指标，包括塑性强度、析水率、粘度、比重等，其堵水性能主要取决于塑性强度。研究表明，影响浆液塑性强度的主要因素是黏土浆比重、水泥用量、结构添加剂（水玻璃）用量，并且黏土浆比重越大、水泥用量越大、水玻璃用量越大，浆液的塑性强度越高。上述规律的定量、定性试验是浆液性能研究的重要内容。

工程中，通常对原材料取样进行浆液配方试验，测定浆液性能，确定配方范围。目前，浆液配比多采用黏土浆密度为1.15~1.24g/cm3，水泥加入量为100~300kg/m3，水玻璃加入量为15~40l/m3。对原材料要求一般为:普通硅酸盐水泥，标号不应低于42.5号;黏土塑性指数10~25，含砂量不宜大于5%;水玻璃模数2.6~3.4，比重1.368~1.465g/cm3。注浆时，应该根据不同的地质和水文地质条件，调整浆液的配比，满足注浆堵水需要。

3.5注浆效果检查与评价

堵水效果采用注浆过程参数分析与最后抽（压）水试验结合的方法进行检查与评价，二者都是以科学的工程计算为手段，探查岩体的水文力学性质变化。施工过程中，着重对比注浆前后简易水文参数、注浆压力变化，判断注浆效果；在井筒注浆结束前，利用注浆钻孔做抽水或压水试验，测定受注岩层的渗透系数，进而计算预测井筒开凿时剩余水量，检查和评价注浆效果。

4综合注浆技术展望

注浆技术的发展现状是理论落后于实践，综合注浆技术也是如此。因此，综合注浆技术的发展，应该从加强理论研究、加大技术创新、拓宽应用领域三个方面进行。

（1）加强理论研究。目前，研究重点集中在浆液与裂隙的作用方式、黏土水泥浆在高压环境下的固结机理、地层水文地质条件对注浆的影响规律等方面，以求注浆参数选择提供更为科学的理论依据。

（2）加大技术创新。应该结合工程中亟需解决的问题，从材料、设备、过程监测、质量检查等方面进行研发，使得工程施工走向高效节能环保。以井筒地面预注浆为例，针对煤矿千米深井建设，正在进行的研究主要有特殊地层的新型材料研发（如高塑性浆液、添加粉煤灰、高水材料等），改进设备和关键机具的性能（高压无级调速注浆泵等），开发注浆过程监测的信息化系统，解决与其他工艺配合应用的问题等，这些方面有些已经取得了阶段性的成果。

（3）应该利用综合注浆技术的优点。积极拓展应用领域。就煤矿领域而言，除井筒地面预注浆外，还可在工作面注浆、采区（巷道、底板）防治水改造、井壁治理、采空区充填等方面尝试；除煤矿领域外，还可以在交通、铁路、水利、非煤矿山等领域的防治水和充填等方面尝试。

参考文献：

［1］郭培强，尚国安．立井井筒含水层地面预注浆施工技术［J］．中国煤炭地质，2009，21(2):60－61．

［2］岳鹏超，王虎．注浆堵水技术在石槽村煤矿副立井施工中的应用［J］．煤炭科学技术，2011，39(11):51－54．