潘東懿（山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊,山東 泰安 271000）

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巷道破碎涌水圍巖內(nèi)鉆孔套管封固工藝

潘東懿
（山東省煤田地質(zhì)局第三勘探隊,山東 泰安 271000）

摘 要：在破碎涌水的巷道圍巖內(nèi)施工探放水或者注漿堵水鉆孔時，因漿液難以留存給套管封固帶來難度。隔壓引流注漿工藝不僅隔絕了注漿壓力對破碎巖石的直接接觸破壞，并通過引流達到對導(dǎo)水裂隙的成功封堵和對破碎圍巖的注漿加固。該工藝實施的關(guān)鍵是對巷道圍巖破碎體厚度的精準(zhǔn)探查，止水器止水效果，漿液性能和注漿設(shè)備是否適合注漿工程需要；注漿前要對選用的注漿材料在現(xiàn)場做凝固實驗，取得相關(guān)技術(shù)參數(shù)；而注水試驗和連通試驗則是取得注漿參數(shù)、選擇注漿材料和注漿設(shè)備的必要的水文地質(zhì)實驗手段。

關(guān)鍵詞：巷道圍巖；破碎；涌水；鉆孔；套管；封固

0 前言

在礦井井下對高壓含水層的探放水或注漿堵水中， 鉆孔內(nèi)止水套管的封固質(zhì)量直接影響到井下安全?，F(xiàn)場實際工程中因鉆孔套管失效造成的鉆孔涌突水事故時有發(fā)生，嚴(yán)重的造成工作面被淹，直接影響著經(jīng)濟效益和施工安全。套管失效［1］除了套管本身加工質(zhì)量原因外，最常見的是由圍巖的破碎甚至涌水引起。原因是為圍巖破碎，空隙率高，注入的漿液跑漿嚴(yán)重，而且套管封固時注漿壓力直接作用在破碎的圍巖上，壓力一旦控制不當(dāng)會造成圍巖失穩(wěn)鼓出、甚至垮塌片幫事故。對松軟破碎圍巖注漿加固的方法主要有充填注漿法、滲透注漿法［2］、壓密注漿法［3］、劈裂注漿法［4-5］和TSS管后退式注漿加固法［6-9］、引流注漿法［10-11］等。

1 隔壓引流注漿套管封固工藝

巷道圍巖注漿加固技術(shù)，是在巷道開挖后圍巖變形尚未穩(wěn)定時，利用漿液來充填和固結(jié)被破壞了的或原有的裂隙面，增強破碎圍巖的整體性，提高巖體強度，充分發(fā)揮巖體的承載能力，參與巷道圍巖應(yīng)力平衡過程［1］［2］。 漿液固結(jié)體在巷道圍巖中縱橫交錯形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，增加了巖體的彈性模量，提高了巷道圍巖體的承載能力［3］。

隔壓是采用特殊裝置隔離破碎圍巖，使注漿壓力直接作用在深部的完整巖石上。引流是使注入的漿液能被涌水?dāng)y帶，由地層深部向淺部運移，進入到淺部破碎圍巖空隙內(nèi)，加固破碎圍巖。

隔壓引流工藝現(xiàn)場實施步驟：（1）在松散破碎的圍巖內(nèi)先施工探查鉆孔。探查出巷道圍巖內(nèi)破碎帶的深度；（2）孔內(nèi)內(nèi)止水 。把止水器下入到鉆孔內(nèi)后，用注漿泵把攪拌好的注漿漿液通過止水器注漿花管溢流孔注入到膨脹布內(nèi)，隨著注入的漿液量的增加，膨脹布不斷脹大并和不規(guī)則的鉆孔孔壁緊密貼合，繼續(xù)注漿，當(dāng)注漿壓力達到一定值時（一般為0.5-1.0MPa），膨脹布被緊密壓在孔壁上。停止注漿，關(guān)閉截門并候凝；（3）隔壓引流注漿。候凝結(jié)束后，把攪拌好的注漿漿液通過注漿管注入到鉆孔內(nèi)，一部分漿液通過鉆孔孔壁巖石內(nèi)的裂隙向周圍滲透擴散，并封堵導(dǎo)水裂隙，另一部分漿液則通過導(dǎo)水裂隙被涌水?dāng)y帶向巷道淺部圍巖的破碎帶內(nèi)擴散，在破碎圍巖內(nèi)固結(jié)形成注漿封閉加固體。當(dāng)破碎圍巖內(nèi)出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象時，可以調(diào)節(jié)漿液配比參數(shù)，縮短漿液的凝固時間，或者采用在漿液中加入少量鋸末等細(xì)小的骨料，堵塞較大的跑漿空隙，達到止?jié){的目的。注漿壓力達到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時，停止注漿，關(guān)閉截門候凝；（4）封固孔內(nèi)止水（止?jié){）套管。用比注漿前鉆孔孔徑小兩級的取芯鉆頭帶取芯管鉆進，把止水注漿器取出。在取出止水注漿器的鉆孔內(nèi)下入止水套管，并按常規(guī)的鉆孔止水套管封固工藝對套管進行封固。下一步按照常規(guī)鉆探工藝進行鉆孔施工。

2 注漿材料和施工設(shè)備

2.1 注漿材料的選擇

在松散破碎的圍巖中注漿加固要求注漿漿液要有速凝、早強，抗分散，可注性好等特點。從注漿材料來源、經(jīng)濟型、安全性和注漿加固效果等各方面綜合分析對比認(rèn)為，使用水泥-水玻璃漿液或快硬硫鋁酸鹽水泥注漿比較適合對涌水破碎圍巖的注漿加固。但由于水泥-水玻璃漿液為雙液注漿，設(shè)備多，工藝復(fù)雜，現(xiàn)場操作難度較大，漿液控制難以保證，初期強度較低等不足，故選用具有早強、速凝特性的硫鋁酸鹽水泥進行注漿。

硫鋁酸鹽水泥具有凝結(jié)快，早期強度高（一天抗壓強度可達28d強度的70%以上），一般在水化4-8h后即可產(chǎn)生較高的強度。結(jié)硬時體積微膨脹、耐硫酸鹽侵蝕等性能。 硫鋁酸鹽水泥的突出特點就是快速凝結(jié)，初凝時間不遲于15min，終凝時間不遲于30min。

根據(jù)現(xiàn)場需要，在注入硫鋁酸鹽水泥時，可根據(jù)跑漿情況和注漿變化，使用外加劑。

2.2 注漿設(shè)備

利用常規(guī)園鉆桿采用回轉(zhuǎn)工藝施工鉆孔，在破碎圍巖內(nèi)容易出現(xiàn)掉塊卡鉆事故。可以選擇使用螺旋鉆桿，有效保證了鉆孔成型。鉆孔施工可以使用井下坑道鉆機，分巖心鉆機和全液壓坑道鉆機。

對注漿泵的選擇要充分考慮其注漿量和安全壓力。在破碎圍巖內(nèi)注漿適用小泵量，低壓力，以控制漿液的有效擴散半徑，防止注漿壓力較大破壞圍巖?？蛇x用ZBQ-27/1.5 煤礦用氣動注漿泵，注漿泵的最大排漿壓力為3.2MPa，額定流量為30L/min。

3 注水試驗和連通試驗水文地質(zhì)試驗

注水試驗的目的是初步掌握受注地層所能承受的注漿壓力和受注能力，連通試驗的目的是了解鉆孔和涌水點之間是否貫通以及貫通程度。從而判斷注入到鉆孔內(nèi)的漿液流出圍巖的時間，用來指導(dǎo)注漿配比參數(shù)的選擇。連通試驗一般使用高錳酸鉀溶液作為示蹤劑。注水實驗和連通試驗同時進行。

注水試驗和連通試驗結(jié)果的應(yīng)用：（1）當(dāng)鉆孔內(nèi)注水量較少甚至難以注入且壓力迅速升高時，表明裂隙微小，巖層受注性差。無需注漿，待取出止水注漿器后可繼續(xù)鉆進；（2）當(dāng)鉆孔吸漿量較大且較長時間難以升壓時，會出現(xiàn)兩種情況：一是深部巖石裂隙與巷道圍巖破碎帶連通性強，注入的水通過裂隙向破碎帶內(nèi)迅速運移流入巷道；二是裂隙向深部延展溝通，裂隙較大，貫通性強。上述兩種情況均需選擇凝固時間可調(diào)，凝結(jié)強度較高的速凝注漿材料，以減少漿液的過度擴散和跑漿浪費。必要時可結(jié)合使用細(xì)骨料（鋸末），堵塞裂隙和過水通道，減少注漿材料的運移速度，為材料的存留創(chuàng)造條件，以提高注漿加固效果。

4 工程應(yīng)用

山東濟寧某煤礦屬于水文地質(zhì)條件極復(fù)雜礦井，該礦總回上山頂板出現(xiàn)集中和散狀涌水，水源分析為細(xì)砂巖（M5），總涌水量約為25m3/h。在總回風(fēng)上山涌水處施工M5含水層注漿鉆孔時，注漿材料在破碎圍巖內(nèi)難以留存，流失嚴(yán)重，止水套管難以封固。用中空螺旋注漿錨桿對破碎帶注漿時，難以止?jié){，且注漿壓力引起頂板圍巖破碎帶局部掉塊坍塌和涌水量增大現(xiàn)象。

（1）探查孔施工。經(jīng)探查，發(fā)現(xiàn)巷道頂板淺部極其破碎、巷道頂板以上存有1.2m左右的空洞（分析為巷道支護層與巖層的離層空間，被條板等支護充填），頂板以上2.0～3.5m段區(qū)域內(nèi)為破碎帶，分析為上部巖石的冒落所致，極其破碎，且富水性強，富水空間大。3.5m以上為完整巖石，但裂隙發(fā)育，裂隙導(dǎo)水，把上部細(xì)砂巖（M5）含水層中的水導(dǎo)入巷道，形成頂板淋水，根據(jù)破碎圍巖的厚度，止?jié){套管設(shè)計深度6.5m。

（2）孔內(nèi)止水注漿器制作及止水。根據(jù)巷道頂板圍巖破碎帶深度，制作了總長度為6m的止水注漿器，其中膨脹布段長度為4.5m。止水器注漿管溢流口加工成直徑為Φ6mm的圓孔，在止水器注漿管外表面的展開面上呈梅花形布置。止水器深度位于巷道頂板以上鉆孔內(nèi)0～4.5m處。

止水器下入到孔內(nèi)后，向止水器內(nèi)注入快硬硫鋁酸鹽水泥漿，水泥漿密度為1.65 g/cm3。用ZBQ-27/1.5煤礦用氣動注漿泵注入。當(dāng)灌注壓力達到1.5 MPa時，停止注漿，關(guān)閉截門候凝。

（3）注水及連通試驗。止水器候凝5小時后，通過注漿管向鉆孔內(nèi)注水，注水時，按照0.05%的比例向水中加入高錳酸鉀粉末，并充分?jǐn)嚢瑁念伾蔀樽霞t色。注水后6min，巷道頂板涌水點處出現(xiàn)高錳酸鉀溶液，說明鉆孔裂隙與破碎圍巖連通性好，注漿時壓力約為0.2MPa。在注漿前對快硬硫鋁酸鹽水泥進行了簡易現(xiàn)場凝固試驗，在現(xiàn)場根據(jù)不同的水泥漿密度同時做了3組觀察試驗，試驗表明，在相同環(huán)境溫度下，同批次快硬硫鋁酸鹽水泥試驗中，水泥漿密度越大，其結(jié)實率越高，凝固時間越短。當(dāng)使用硫鋁酸鹽水泥凝固時間較大，跑漿嚴(yán)重時，可按水泥漿量的0.2%加入速凝劑Li2CO3（碳酸鋰）。加入后硫鋁酸鹽水泥漿初凝時間由20mim縮短為8min。水泥漿密度控制在1.35～1.45g/cm3之間。

5 結(jié)語

（1）在破碎甚至涌水圍巖內(nèi)采用隔壓引流注漿工藝目的是避免注漿壓力直接作用在破碎圍巖上，造成對破碎圍巖的劈裂破壞。采用止水注漿器可以有效隔離注漿壓力，并具有良好的止水效果，為裂隙內(nèi)滲透引流注漿創(chuàng)造條件。

（2）破碎圍巖內(nèi)實施隔壓引流注漿工藝的關(guān)鍵，是對圍巖破碎帶的厚度要探查準(zhǔn)確；以保證準(zhǔn)確判斷止水注漿器所下位置和深度。

（3）向止水器內(nèi)注漿時要控制好壓力，確保止?jié){器膨脹布充滿漿液后能與不規(guī)則的鉆孔孔壁緊密結(jié)合，達到嚴(yán)密止水并能承受地層內(nèi)注漿的壓力。

（4）注漿前必須做好注漿漿液凝固試驗和注水連通試驗。準(zhǔn)確選擇注漿參數(shù)，規(guī)劃好安全操作工藝流程。提前預(yù)測注漿中可能發(fā)生的問題并做好應(yīng)急準(zhǔn)備。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.077

作者簡介：潘東懿（1969-），男，山東臨清人，鉆探工程師，主要從事現(xiàn)場鉆探施工安全及技術(shù)管理工作。