曾松春，龐建勇

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

淮南張集煤礦煤層埋藏深，基巖段地層跨度大、變化大、斷層多、裂隙發(fā)育，涌水量大。而井筒是整個(gè)礦井的咽喉，斷面大，井筒深，施工條件復(fù)雜，雖然工程量少，但工期長。地面預(yù)注漿技術(shù)是實(shí)現(xiàn)井筒快速施工的主要技術(shù)手段。注漿過程中能否及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)直接關(guān)系到注漿質(zhì)量和堵水效果。通過運(yùn)用信息化技術(shù)獲得注漿數(shù)據(jù)，據(jù)以分析注漿情況，采取及時(shí)有效的應(yīng)對(duì)措施，保證工程質(zhì)量。

1 工程概況

張集煤礦區(qū)間地層平緩，地層走向由北西轉(zhuǎn)向東西，即N60°W 轉(zhuǎn)為EW 向，傾向南，全弧形展布的單斜構(gòu)造，地層傾角3°～6°，平均4.5°，構(gòu)造條件較好。新副井檢查孔煤層間距正常，未見明顯的破碎帶或斷層構(gòu)造，但6 煤變薄，頂?shù)装迥鄮r中滑面發(fā)育，受構(gòu)造影響。井筒基巖段共有8 個(gè)含水層，累計(jì)厚度135.27 m，巖性以細(xì)砂巖和中砂巖為主。新副井井筒500 m 以上水文地質(zhì)較復(fù)雜，500 m以下地下水補(bǔ)給逕流，富水性較差。

2 工程預(yù)注漿技術(shù)設(shè)計(jì)

1)注漿深度。鑒于基巖段多含水層，注漿不應(yīng)過淺，以避免井底涌水事故的發(fā)生。根據(jù)工程資料，注漿段與凍結(jié)段重疊30 m，而凍結(jié)深度暫定400 m，因此從地面下370 m 開始，到地面下942 m結(jié)束，注漿深度確定為942 m。

2)注漿孔布置。根據(jù)地質(zhì)資料和技術(shù)要求，注漿孔設(shè)計(jì)采用直孔+Y 型鉆孔，與凍結(jié)孔同步施工。采用平行作業(yè)，使各個(gè)工序一起進(jìn)行，相互之間不產(chǎn)生干擾，大大節(jié)約了時(shí)間。

新副井布置直孔和Y 型孔各8 個(gè)注漿孔，直孔布孔圈徑Φ15 m，Y 孔在井架基礎(chǔ)附近，距井中距離約為20～22 m。Y 孔在610 m 進(jìn)入設(shè)計(jì)靶域與直孔重疊10 m，靶心圈徑Φ13 m，靶域半徑2 m，斷面落點(diǎn)位于11.0～15.0 m 的環(huán)狀帶內(nèi)大體勻布，610 m 以下為直孔(見表1)。

表1 鉆孔布置

3)注漿段高。在地下較深處，靜水壓力逐漸增加且各巖層裂隙發(fā)育不一，導(dǎo)致漿液上部擴(kuò)散遠(yuǎn)，下部擴(kuò)散較近，大裂隙擴(kuò)散遠(yuǎn)，而小裂隙擴(kuò)散近，因而應(yīng)分段注漿。段高劃分以水文地質(zhì)性質(zhì)相近劃在同一段高，裂隙發(fā)育、開度相近的劃在同一段高為原則(見表2)。

表2 注漿段高及設(shè)計(jì)終壓值

4)注漿壓力。注漿壓力設(shè)計(jì)按地下水靜水壓力設(shè)計(jì)，巖帽段取1.5～1.8 倍靜水壓力，基巖段注漿終壓直孔為靜水壓力的2～2.5 倍，Y 孔為靜水壓的2～2.2 倍。第一輪孔取低值，新輪取高值。新副井筒地面預(yù)注漿壓力較高，不能忽視對(duì)主、副、風(fēng)井筒井壁構(gòu)成的威脅，注漿時(shí)要加強(qiáng)觀測(cè)。根據(jù)水文地質(zhì)條件和附近巷道注漿后變化進(jìn)行調(diào)整，確保注漿質(zhì)量和井筒、巷道的安全，具體各段注漿壓力如表2所示。

5)注漿方式。分段注漿的類型有下行，上行以及上下混合三種。根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)資料，經(jīng)過綜合分析決定選擇分段下行式。

6)注漿有效擴(kuò)散半徑。鑿井爆破影響帶經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般為2.5 m 左右，防水帷幕有效厚度為6 m，基巖段井筒最大荒半徑為5.0 m，所以注漿安全帷幕半徑為13.5 m，考慮到馬頭門和煤層加固，本次注漿有效擴(kuò)散距離綜合為16.0 m。

7)注漿材料。注漿材料主要是粘土、水泥以及水玻璃;經(jīng)測(cè)定，周邊地表大部分土細(xì)膩無雜物，為工程性質(zhì)良好的粘土，故就地取材，選用礦井附近耕土4 m 以上土層作為注漿材料;水泥為42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，含礦碴＜15%;水玻璃的模數(shù)為3.0～3.4，濃度38～40 波美度。

8)漿液配合比設(shè)計(jì)。單液水泥漿水灰比為0.6∶1，外加劑三乙醇胺占水泥重0.05%，氯化鈉占水泥重0.5%;粘土水泥漿中，水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃體積比為2∶1，水泥漿與粘土體積比為1∶5。

9)漿液注入量。漿液注入量依據(jù)漿液的有效擴(kuò)散半徑和注漿的平均裂隙率，依據(jù)礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范公式計(jì)算。

式中:Q為漿液注入量，m3;A為漿液損耗系數(shù)，取1.2～1.5;R為漿液有效擴(kuò)散半徑，m;H為注漿段高，m;n為巖層裂隙率，根據(jù)巖芯和抽水試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)確定，可取0.5%～3%，在破碎帶中取10%;β為漿液在裂隙內(nèi)的有效充填系數(shù)，取0.8～0.95;m為漿液結(jié)石率，與漿液性質(zhì)、水灰比等有關(guān)，一般取0.60～0.99。

通過計(jì)算，巖帽注漿量為510 m3，其它段注入量為16 036 m3。固管采用水灰比為0.6∶1 的單液水泥漿，直孔固管量為2.8m3/100m，“Y”型定間孔段固管量為4m3/100m，固管水泥漿需用138m3。材料用量如表3所示。

表3 注漿材料用量

3 注漿信息化監(jiān)測(cè)監(jiān)控

3.1 檢測(cè)儀器

主要有漿液流量計(jì)和注漿自動(dòng)記錄儀。

流量計(jì)選擇低頻矩形二值波勵(lì)磁，具有適應(yīng)性優(yōu)良，整合性好，配件穩(wěn)固，運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)，口徑大小DN20～DN200，精度達(dá)到1.0%，工作溫度－25 ℃～+1 000 ℃;采用CJ－G3 型注漿自動(dòng)記錄儀，能準(zhǔn)確記錄通過的漿液量，利用主機(jī)處理使信息的獲得、研究和轉(zhuǎn)換很好結(jié)合成一體，此外還能將所得結(jié)果簡單直觀地顯示和打印。

3.2 工作原理

把流量傳感器安裝在注漿泵和注漿孔的中間，這樣可測(cè)量流過的漿量，然后傳感器將漿液的流量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過電纜線輸入主機(jī)(見圖1)。壓力傳感器可測(cè)量出漿泵輸出漿液的壓力，然后將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過電纜線輸入主機(jī)。CJ－G3型注漿自動(dòng)記錄儀把來自壓力傳感器和流量計(jì)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號(hào)，通過顯示器讓操作者直觀的看到數(shù)據(jù)。

圖1 儀器布置

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)Y3 孔2012年3 月1 號(hào)9:00:00 到11:00:00生成數(shù)據(jù)的流量數(shù)據(jù)圖(見圖2)和壓力數(shù)據(jù)(見圖3)可知，注漿速度維持在211～217 L/min，基本上可以認(rèn)為沒有變化;注漿壓力稍有降低，但表現(xiàn)不明顯，分析認(rèn)為注漿區(qū)域內(nèi)可能存在大量孔隙，漿液阻力小，表現(xiàn)為填充擴(kuò)散方式進(jìn)行加固。

圖2 注漿量與時(shí)間關(guān)系

圖3 注漿壓力與時(shí)間關(guān)系

Y3 孔在2012年4 月1 號(hào)9:00:00 到11:00:00生成數(shù)據(jù)(見圖4)和壓力數(shù)據(jù)(見圖5)中，Q－t曲線雖有波動(dòng)，但整體上呈下降趨勢(shì)，最終達(dá)到204 L/min 附近;P－t曲線呈緩慢上升趨勢(shì)，最終達(dá)到17 MPa。注漿速度和注漿壓力均達(dá)到設(shè)計(jì)值。裂隙充填效果良好。

圖4 注漿量與時(shí)間關(guān)系

圖5 注漿壓力與時(shí)間關(guān)系

注漿過程中監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)每隔50 s 監(jiān)測(cè)流量和壓力一次，同時(shí)生成累積流量，時(shí)間間隔短，細(xì)化了注漿中變化的整個(gè)過程，施工單位的注漿質(zhì)量能夠通過數(shù)據(jù)反映并控制，注漿流量隨時(shí)間變化的幅度較小，說明注漿速度趨于平緩，這樣能夠保證注漿的填充率和較高的經(jīng)濟(jì)性，注漿壓力隨時(shí)間變化幅度也較小，未出現(xiàn)明顯的突出點(diǎn)，對(duì)裂隙能夠有效的滲透，避免了漿液流失，漿液擴(kuò)散可以達(dá)到設(shè)計(jì)的擴(kuò)散半徑，可以通過調(diào)整注漿壓力、注漿量和注漿時(shí)間來調(diào)整注漿擴(kuò)散半徑，如果注漿過程出現(xiàn)跑漿竄漿和注漿管路堵塞等安全事故時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)較大幅度的變化，保證了注漿過程中的安全性。

4 結(jié)論

本文以淮南張集煤礦新副井基巖段地面動(dòng)態(tài)信息化預(yù)注漿為研究對(duì)象，研發(fā)了精度高、功能齊全、界面友好的實(shí)時(shí)注漿參數(shù)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，確保注漿質(zhì)量和注漿堵水工程質(zhì)量，建立了孔隙性巖層可注性評(píng)價(jià)體系，為今后指導(dǎo)地面預(yù)注漿工程提供了重要的參考依據(jù)。

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