富水岩层井筒超长冻结自然解冻趋势与注浆技术

赵象卓，王春林，王 宇，李彦民，姬 强，闫永乐

(陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

随着煤炭资源开采深度增加，建设矿井井筒冻结深度也由浅变深。冻结法凿井技术自1955年在我国开滦林西风井首次成功应用以来，冻结立井数量已超过1110余个，冻结总深度超过30余万米，立井井筒冻结法凿井的冻结最大深度已超过900m[1]，核桃峪煤矿副井施工冻结深度达到了950m，创世界纪录[2]。冻结法施工技术在我国已广泛应用[3-5]，但随冻结深度增加，冻结施工面临的技术难题也日益增多，采用冻结法施工的立井解冻后，矿井发生解冻水害的可能性相应增大[6-8]。为防止解冻水害引起淹井事故，在西部含水软弱岩层，可采用冻结管射孔注浆技术封堵冻结管外的导水通道[9-12]。

高岗荣[13]在研究立井预注浆堵水技术过程中，采用国内先进的工作面快速注浆工艺、黏土—水泥浆注浆技术、冻—注—凿和钻—注平行作业技术、L型钻孔注浆技术、千米深井注浆技术，以及新型的注浆自动搅拌机具、高压泵、高压止浆塞、顶驱钻机等设备，达到了较好的堵水效果。周霖[14]为预防冻结孔导水通道诱发矿井水害，基于冻结孔致灾机理及涌水特征归纳总结了冻结孔诱发水害类型，并提出了冻结孔隐蔽致灾通道井筒内预注浆治理技术。刘计寒[15]在井筒强制解冻与冻结管射孔注浆施工技术中首次采用了在冻结管内循环注入热水进行强制解冻，然后进行射孔注浆施工作业。程志彬[16]在葫芦素煤矿风井冻结孔强制解冻与射孔注浆中总结得出，在冻结壁解冻前对冻结管外环形空间进行注浆充填，隔断上、下部含水地层竖向导水通道，并采用射孔注浆技术封堵冻结管外环形空间竖向导水通道，可确保了矿井施工安全。张海荣[17]以园子沟煤矿东翼回风立井工程地质和水文地质条件为研究对象，介绍了该条件下的冻结深度、内外层井壁厚度、壁座厚度与高度及井壁配筋等相关施工技术参数及施工期间注意事项。王明智[18]针对新庄煤矿回风立井涌水大、冻结深、钻孔深度深、基岩厚度大、整体施工难度大的问题，结合掘砌段高及科学经验确定了冻结壁厚等工程相关参数，并总结了造孔纠偏、冻结交圈施工过程中的关键技术措施，为其他矿井的建设提供了有益借鉴。

针对井筒解冻水害的问题，目前已有较成熟的解决技术，但目前研究多为井筒强制解冻与冻结管射孔注浆施工技术，对富水立井井筒超长冻结自然解冻趋势与注浆技术还需要进一步研究。以巴拉素煤矿立井井筒超长冻结自然解冻趋势与注浆技术为研究对象，不仅为巴拉素煤矿井筒施工过程中安全通过富水煤层段提供有力的理论保障，同时为类似条件矿井井筒解冻水害的治理提供参考，丰富矿井井筒水害防治的实践经验。

1 工程概况

1.1 井田概况

陕西延长石油巴拉素煤业有限公司位于榆林市以西，直线距离约40km，矿井设计生产能力10Mt/a，采用全立井开拓方式，在井田中央布置主立井、副立井、1号回风立井、2号回风立井四条井筒，井筒均采用冻结法施工。根据《巴拉素井田水文地质补充勘探报告》对矿井各阶段涌水量进行预测，基建阶段矿井正常涌水量为1032m3/h，最大涌水量为1238m3/h；生产阶段先期开采地段2号煤正常涌水量为1865m3/h，最大涌水量为2381m3/h。

副井井筒净直径10.5m，净断面积86.6m2，井筒垂深539m，0～160m段掘进断面126.7m2，采用内壁厚600mm，外壁厚500mm复合井壁双层钢筋混凝土砌碹支护；160～360m段掘进断面145.3m2，采用内壁厚1050mm，外壁厚500mm复合井壁双层钢筋混凝土砌碹支护；360～539m段掘进断面165.13m2，采用内壁厚1500mm，外壁厚500mm复合井壁双层钢筋混凝土砌碹支护。

根据井筒范围内地下水的赋存条件及水力特征，将井田地下水划分为两种类型：即第四系松散岩类孔隙潜水和碎屑岩类裂隙水；三个含水岩层(组)：即第四系全新统风积沙孔隙潜水、白垩系洛河组砂岩孔隙裂隙潜水和侏罗系碎屑岩类裂隙承压水。

副立井井筒自上而下所要穿越的含水层为第四系全新统风积沙孔隙潜水、白垩系洛河组砂岩含水层(K1l)、侏罗系碎屑岩类裂隙承压水(安定组砂岩含水岩组(J2a)、直罗组砂岩含水岩组(J2z)及延安组砂岩裂隙含水层(J2y)。其中洛河组砂岩含水层厚度大(厚210m)，富水性中等，其余均为弱含水层。副立井井筒穿越的含水层如图1所示。

图1 副立井井筒穿越的含水层

1.2 地温概况

根据井田内16个钻孔测温数据，矿井总体属地温正常区域，从地表向下，可以明显划分为三个地温带，即降温带(0～40m)、恒温带(40～60m)和增温带(60m以下)。地温梯度最小-1.00℃/100m，最大7.30℃/100m，平均1.86℃/100m，一般差异均在2℃左右。其中最大和最小值均在0～100的地温梯度变化区间，说明在100m处0～100的地温梯度受地表温度影响较大。而100m以下的地温梯度变化的平均值为2.02℃/100m。副立井检孔测温数据如图2所示。

图2 地层深度与温度变化曲线

2 副立井井筒冻结施工

2.1 冻结施工方案

巴拉素矿副立井选用全深冻结施工方案，冻结孔布置采用“主排孔+防片帮孔”冻结方式。其中主排孔布置圈径∅20.2m，布置数量46个，深度548m；防片帮孔布置圈径∅14.9m，布置数量24个，深度70m(见表1、图3、图4、图5)，冻结壁设计厚度4.2m。

表1 副立井冻结孔布置参数表

图3 冻结孔剖面

图4 巴拉素煤矿副井钻孔剖面示意(mm)

图5 巴拉素煤矿副立井冻结孔布置(mm)

2.2 副立井冻结施工状况

巴拉素煤矿副立井井筒冻结于2016年12月7日开机，2017年1月17日水文孔开始冒水，冻结交圈后，盐水去路温度维持在-20～-30℃，去路与回路盐水温差基本维持在2.2～3.2℃。至2018年6月15日冻结停机，累计冻结时间550d。冻结停机前各层位温度见表2。

表2 冻结停机前各层位温度

2.3 冻结壁实测温度分析

2018年10月30日冻结1#测温孔地层纵向温度监测结果显示，白垩系地层温度为-0.69～-0.88℃；侏罗系安定组地层温度为-0.69～-0.81℃；侏罗系直罗组地层温度为：测点300m温度-0.75℃，测点330m温度-0.81℃，测点365m温度-0.56℃，测点392m温度-0.19℃，测点432m温度+1.94℃。综上，此时地层温度均高于-1℃。

根据2018年10月24日监测的Z14#冻结孔地层纵向温度及1#测温孔地层纵向温度，分析判断结论如下：所监测的同一水平地层温度基本一致，且冻结壁温度场已接近平衡状态。停止供冷后地层温度变化如图6所示。

图6 停止供冷后地层温度变化

2.4 地层温度回升预测时间分析

根据停冻后1#测温孔地层纵向温度变化规律(如图6所示)及测温点记录(表3)，以及0℃冰变为0℃水所需要的时间(一般情况下10～15d)，并结合地层原始地温、地层岩性、地层埋深等资料，预测各地层冻结壁温度回升至0℃、回升至5℃的时间。

表3 测温点记录 ℃

1)白垩系地层。冻结壁温度回升至0℃时间，最早约为270d，即2019年3月15日。

2)侏罗系安定组地层。冻结壁温度回升至0℃时间，最早约为270d，即2019年3月15d。

3)侏罗系直罗组。垂深300～365m段地层冻结壁温度回升至0℃时间，约为210d，即2019年1月15日；回升至+5℃时间，约为480d，即2019年10月15日。垂深392～393m段(射孔注浆部位)地层冻结壁温度回升至0℃时间，约为195d，即2018年12月30日；回升至+5℃时间，约为405d，即2019年7月30日。垂深446～447m段(射孔注浆部位)地层冻结壁温度回升至0℃时间，约为100d，回升至+5℃时间，约为240d，即2019年2月15日。

2.5 冻结壁自然解冻分析

按照水泥的凝结特性，在各冻结孔温度监测过程中，温度连续7d达到5℃以上时，方可进行射孔注浆作业。

根据测温数据以及温度变化趋势，冻结管上部洛河组砂岩含水层解冻速度慢，若要冻结管内所有温度达到5℃以上，需要1～1.5a。巴拉素煤矿根据冻结壁差异性解冻速度及井筒井壁出水情况，射孔注浆时机选择在冻结孔射孔层位温度超过5℃以上。

3 冻结管射孔注浆

3.1 射孔注浆原理

射孔注浆是利用聚能射孔器完成，首先从孔口采用起重机在解冻完成的冻结管内下放射孔弹，聚能射孔弹爆炸产生高能射流，在指定层位穿透枪体及冻结管，进入地层预定深度，利用冻结管及射孔弹道作为注浆通道，在地面对预定地层进行注浆封水[11，12]。射孔注浆工艺系统如图7所示。

图7 射孔注浆示意

巴拉素矿井射孔枪选用73型，射孔弹为DP34RDX16-2，射孔相位为90°。孔密度为10孔/m。射孔弹的技术参数见表4。

3.2 射孔层位选择

根据井筒检查孔和副井实际揭露地质资料，2号煤顶板延安组内没有泥岩，因此射孔注浆层位均选择在直罗组地层内，分别在井筒与车场连接处、硐室上部30～50m处、80～100m处分别进行一次射孔注浆。射孔注浆位置、孔号见表5。

表4 射孔弹的技术参数

表5 冻结孔注浆位置、孔号(井口相对标高为±0)

3.3 射孔注浆时间确定

冻结钻孔与冻结管之间的环形空间导水水源主要来自白垩系洛河组砂岩含水层。依据预测，白垩系地层冻结壁温度回升至0℃时，时间约为2018年12月30日，此时冻结孔极有可能形成导水通道。

根据射孔注浆条件要求，在各冻结孔温度监测过程中，温度连续7d达到5℃以上时，方可进行射孔注浆。依据预测分析成果，冻结壁温度回升至+5℃时间，白垩系地层最晚，约为2019年2月28日。

3.4 射孔注浆施工工艺

射孔注浆施工工艺为：扫孔—置换盐水—下射孔枪到下层位—下层位射孔—下层位注浆至设计压力值—上层位下射孔枪—上层位射孔—上层位注浆至设计压力值。

1)盐水置换。立钻—凿孔—下钻杆至孔底—压风置换盐水。

2)射孔施工。装枪—装雷管—绞车电缆与枪的连接—枪体下放—起爆。

3)注浆施工。作业方式：单孔注浆采取由下向上、分段射孔注浆方案。分段注浆法是指第一次射孔后接着注浆；注浆达到设计压力后，进行第二次射孔，最后进行第二次注浆。

注浆站布设：在注浆站内建一次搅拌池一个、二次搅拌池一个、清水箱一个；散装水泥罐及水泥定量装置，螺旋给料机一台，潜水泵两台。

注浆过程中，注浆压力分为初期、正常及终压三个阶段变化。当初始浓度确定后，根据注浆压力变化情况及时控制浆量，调整浆液浓度及凝胶时间等。使注浆压力平缓地升高，避免出现较大波动，直至达到注浆终压、终量，并稳定20min以上。

冻结孔注浆终压暂按地下水压力的1.5倍进行计算，第一层位注浆最大压力7.5MPa，第二层为最大压力7.0MPa。浆液配备：单液水泥浆配置见表6。

表6 单液水泥浆配制表

3.5 射孔注浆效果评价

1)射孔效果。巴拉素副立井累计射孔96次均为有效射孔，成功率100%。

2)理论注浆量。副井冻结孔造孔采用190mm钻头，冻结管内下放管径140mm钢管，水泥浆置换孔底往上150～220m，理论上单孔水泥浆完全填满需要13m3水泥单液浆。

3)实际注浆量。副井射孔注浆累计注入水泥单液浆1638m3，单孔平均注浆量34.1m3，下段(446～447m)注入水泥浆液840m3，上段(392～393m)层位注入水泥浆液798m3。实际注浆过程中各冻结孔注浆量远大于理论注浆量。

4)现场注浆效果检验。后期，副井在施工井筒连接处及相关硐室时，均揭露了冻结管，冻结孔均密实良好，无出水现象。

4 结 论

1)自然解冻下的射孔注浆，温度选择尤其重要，冻结壁温度回升至0℃时间，白垩系地层约为270d，侏罗系安定组地层约为270d，侏罗系直罗组垂深300～365m段地层约为210d，垂深392～393m段(射孔注浆部位)地层约为195d。

2)在各冻结孔温度监测过程中，温度连续7d达到5℃以上时，方可进行射孔注浆作业，侏罗系直罗组垂深392～393m段(射孔注浆部位)地层约为405d，垂深446～447m段(射孔注浆部位)地层约为240d。

3)巴拉素副立井射孔成功率100%，理论上单孔水泥浆完全注满需要13m3，而实际单孔平均注浆量为34.1m3，远大于冻结孔理论注浆量。经工程实践表明，冻结孔均充填密实，无出水现象。