近浅埋煤层立井施工注浆过承压含水层技术应用

姚纪凯

(陕西榆林能源集团有限公司，陕西 榆林 719099)

0 引言

杭来湾煤矿于2012年开始投产，年产800万t，当前301盘区规划的10个综采工作面已经回采至第9个，接续盘为302盘区。为满足301和302盘区的分区通风及安全出口需求，在井田中部设计了2条立井井筒，分别为一号进风立井和一号回风立井。井筒凿进过程中，一方面由于地质条件变化以及下伏地层中承压含水层的影响，给采用普通法施工的井筒工程带来诸多困难[1-3]；另一方面，2条立井井筒处于地表环境脆弱的毛乌素沙漠和黄土高原交接地带，地表生态环境脆弱，在减小对地下承压含水层影响的同时还需要重视对地表生态环境的保护[4-6]。因此，提出了近浅埋煤层立井施工注浆过承压含水层技术。通过在凿进施工中采用优化工艺顺序、合理搭配机械和优化浆液配合比等方法实施超前预注浆，以期顺利通过3层承压含水层，实现2条立井井筒的如期、安全掘进，保证矿井的正常接续、满足通风和安全需求，为实现矿井高产高效提供了有力保障。

1 井筒工程技术特征和地质特征

1.1 工程技术特征

根据设计，一号进风立井井筒深度242.4 m，主要担负井田中南部的进风任务，兼安全出口。一号回风立井井筒深度238.1 m，主要担负井田中南部回风任务，兼安全出口。2条井筒断面特征一致，均为净直径6.5 m，净断面积33.2 m2，表土段掘进断面为49.0 m2，基岩段掘进断面为45.3 m2。井筒支护及断面特征见表1。

表1 井筒支护及断面特征

1.2 地质特征

井田地处毛乌素沙漠东南缘，为黄土高原和毛乌素沙漠接壤地带，所在区域的土层主要以第四系风积粉细砂、粉土层、风积黄土层为主。岩层以侏罗系中统直罗组、延安组砂岩为主，泥岩次之。煤层分布于延安组地层之中，地层特征见表2。

1.3 水文地质特征

进回风立井施工场地的地下水细化分为多个含水层(组)，其中主要承压含水层有3层，分别为第四系松散层孔隙裂隙潜水含水层、基岩顶界风化壳承压裂隙水含水层、侏罗系中统直罗组和延安组碎屑岩类裂隙承压水含水层。第四系松散层孔隙裂隙潜水含水层稳定水位深度为25.05 m，稳定标高为1 254.94 m，属于潜水类型，补给主要为大气降水、区域性侧向补给及沙漠凝结水补给；基岩顶界风化壳裂隙承压水含水层稳定水位深度为25.01 m，稳定标高为1 254.98 m，属承压水，接受上覆第四系潜水含水层补给，径流受基岩顶界风化壳控制，向西北方向的沙漠滩地排泄；侏罗系中统直罗组碎屑岩裂隙承压含水层稳定水位埋深26.14 m，稳定标高为1 253.85 m，属于承压水；侏罗系延安组碎屑岩类裂隙承压水层稳定水位埋深28.01 m，稳定标高为1 251.98 m，属承压水类型，在基岩露头处接受大气降水补给，局部地段接受上覆含水层的下渗补给。本区域内地下水位受降雨影响，年变幅1.0～3.0 m。含水层预测涌水量见表3。

1.4 井筒施工存在的问题

在此种地层和水文地质条件下，立井施工可能遭遇破碎地层遇水软化导致凿进工作面基岩失稳垮塌，或者承压含水层大量涌至工作面造成施工困难等问题[7-9]。为了有效避免上述问题的出现，进行了细致的研究和探讨，确定对立井凿进工作面进行超前预注浆工艺。

2 近浅埋风积沙承压含水层立井施工超前注浆工艺设计

2.1 控制井筒工作面水害的技术原则

在进回风立井施工中，首先对照井筒检查地质柱状图，结合迎头岩性情况加以分析，执行“有疑必探，先探后掘、有水必注”的防治水措施[10-12]。然后，通过超前注浆技术和强力的排水系统实现工作面安全施工，其中工作面预注浆止浆垫优先选用止浆岩帽。

2.2 注浆方法

2.2.1 超前注浆的组成和工艺流程

超前预注浆采用的是前进式注浆工艺，即通过注浆泵克服浆液流动阻力，驱使浆液在岩层裂隙以及层面、破碎带中流动、扩散、充填、密实，整个过程需要钻孔、浆液搅拌、注浆、养护、凿进等工艺。结合凿进工作面实际的岩层情况，注浆顺序为施工止浆垫(钻进面岩层完整性好，则不需要此项工艺)→钻孔→下入止浆塞→安装注浆管路及注浆泵→注入孔内浆液→养护→凿进→重复上述顺序。

2.2.2 注浆前准备工作

首先将工作面浮矸清理干净、排水除淤，并用风镐找平，然后在工作面施工止浆垫及预埋孔口管。过程中，采用单极球面型混凝土止浆垫，另外在止浆垫下加一层0.3 m厚滤水层(根据工作面涌水情况调整)，滤水层与止浆垫之间铺设一层隔浆塑料布，井中预埋350 mm的排水孔(在止浆垫施工时排水用)。止浆垫初凝后利用整体模板的悬吊绳安装3层吊盘，同时利用四根钢柱支撑3层平台，钻机固定在3层盘上。

2.2.3 注浆孔设计

采用TXU-200A钻机钻机施工，在周边布置的孔口管内打φ75 mm的探孔，探水时应设置防喷阀。如果探眼总出水大于10 m3/h，则进行工作面预注浆。预注浆时止浆垫内设计埋设φ108 mm孔口管，埋设的孔口管数量根据含水层位及井筒断面确定，孔口管上焊接φ133 mm法拉盘，法兰盘上连接φ133 mm高压球阀及防喷阀，钻具通过球阀钻进，倾角87°，沿径向外斜。每个孔口管布置1个注浆孔，井筒中心布置一个检查孔。

2.2.4 注浆工艺设计

打钻、注浆平行作业，浆液注入量根据注浆孔孔内情况而定。注浆泵采用HZP22型双液注浆泵，安装于地面，井筒内吊挂φ32 mm高压胶管作为注浆管路，浆液采用水泥单液浆，水泥-水玻璃双浆液作为最后封孔。水泥浆水灰比0.8∶1；C∶S比1∶1。水泥为42.5#普通硅酸盐水泥；水玻璃模数为2.8～3.2，波美度35～40；注浆浆液先稀后浓，逐渐调级，注浆时必须连续不断直至达到注浆结束标准。注浆终压为静水压的2.0～2.5倍，每次注浆完一段高后进行掘进，掘进时必须留5 m，作为下一段高的岩帽。若岩石破碎，应浇灌混凝土止浆垫，并对钻孔进行压水试验，检查止浆垫的密封效果。

表3 含水层预测涌水量

2.2.5 特殊情况下的注浆措施

在注浆过程中，对于岩层裂隙发育，裂隙跑浆量较大的情况。采取在水泥浆内加入一定数量的骨料注入岩层内，使骨料在浆液外泄时留在裂隙内以堵塞裂隙，并封注浆液，或采取断续开机，使裂隙内浆液有一定的凝固时间，并使混合器以下的管路内浆液基本初凝后注入岩层缝隙内，以达到充填密实的目的。

2.3 立井井筒工作面排水系统设计

当工作面涌水小于10 m3/h时，可通过BQF-50/25风动潜水泵将水排至吊桶的方法进行排水。工作面涌水大于10 m3/h，安装排水系统，迎头用BQF-50/25风动潜水泵将水排至吊盘水箱，由2台卧泵排至地面，并进行工作面预注浆封堵。卧泵型号100DG-100×10，排水量Q为70 m3/h，扬程H为1 000 m，电机功率440 kW，电压等级6 kV。在上层盘布置卧泵和转水箱，井筒内排水管选用-108 mm×6 mm钢管。

3 超前注浆施工

根据地质资料，针对109～139 m承压含水层，在可能会发生涌水灾害和超过约定涌水量的地段，进行了超前预注浆。

3.1 一号进风立井注浆施工

在一号进风立井实际施工过程中，实际最大涌水量达到52 m3/h，利用一台TXU-200A钻机在工作面施工56个φ45 mm×4 000 mm注浆孔，其中在工作面中部布置一个泄水孔进行观测，钻孔总进尺为464 m，注浆液的单液浆水灰比为0.75∶1，消耗PO.42.5水泥236.3 t；双液浆(水泥∶水玻璃)为1∶0.6，消耗水泥为8.7 t，水玻璃6.93 t，施工C40混凝土止浆垫4.1 m，共计195.8 m3。超前预注浆完成后，经泄水孔观测无涌水后，破除止浆垫开始凿进作业，重复上述工作，最终顺利通过承压含水层。

3.2 一号回风立井注浆施工

回风立井凿进工作面涌水量超过约定涌水量(20 m3/h)时，利用一台TXU-200A钻机，施工56个φ45×4 000 mm注浆孔，并用水灰比为1∶0.8单液浆、(水泥浆∶水玻璃)为1∶0.3的双液浆进行超前预注浆。一号回风立井实际施工中，实际最大涌水量达到75 m3/h，利用TXU-200A钻机在工作面注浆打钻115.5 m。注浆过程中，单液浆水灰比为0.75∶1，消耗PO.42.5水泥936 t，双液浆(水泥∶水玻璃)配合比为1∶0.6，消耗水泥14 t，水玻璃11.22 t。井筒止浆垫浇筑C40混凝土113.35 m3。

3.3 注浆效果

通过超前预注浆工艺控制住了2条立井井筒的涌水量，在一号进风立井工作面的最大涌水量为52 m3/h，一号回风立井工作面最大涌水量75 m3/h，经过注浆工艺，最后涌水量均小于1 m3/h，远小于6 m3/h的要求，注浆效果明显。对比结果见表4。

表4 施工和竣工涌水量对比

4 结语

杭来湾煤矿处于环境比较脆弱的毛乌素沙漠与黄土高原交接地带，在采煤层为近浅埋煤层，进回风立井井筒施工时遭遇3层承压含水层。为保证矿井接续、彰显企业环境保护责任，在立井普通法施工过程中，通过采用超前预注浆工艺，改进了近浅埋风积沙承压含水层立井施工超前注浆工艺；结合实际地层情况提出了注浆材料合理配比及其性能要求。在杭来湾煤矿302盘区进、回风立井合理选型配置了注浆设备和安全设施，保证了立井凿进安全，保护了地下承压含水层，减小了对地表生态环境的影响，可以为本地区类似地质条件下立井施工过承压含水层提供参考。