趙象卓，王春林，王 宇，李彥民，姬 強(qiáng)，閆永樂

(陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

隨著煤炭資源開采深度增加，建設(shè)礦井井筒凍結(jié)深度也由淺變深。凍結(jié)法鑿井技術(shù)自1955年在我國開灤林西風(fēng)井首次成功應(yīng)用以來，凍結(jié)立井?dāng)?shù)量已超過1110余個(gè)，凍結(jié)總深度超過30余萬米，立井井筒凍結(jié)法鑿井的凍結(jié)最大深度已超過900m[1]，核桃峪煤礦副井施工凍結(jié)深度達(dá)到了950m，創(chuàng)世界紀(jì)錄[2]。凍結(jié)法施工技術(shù)在我國已廣泛應(yīng)用[3-5]，但隨凍結(jié)深度增加，凍結(jié)施工面臨的技術(shù)難題也日益增多，采用凍結(jié)法施工的立井解凍后，礦井發(fā)生解凍水害的可能性相應(yīng)增大[6-8]。為防止解凍水害引起淹井事故，在西部含水軟弱巖層，可采用凍結(jié)管射孔注漿技術(shù)封堵凍結(jié)管外的導(dǎo)水通道[9-12]。

高崗榮[13]在研究立井預(yù)注漿堵水技術(shù)過程中，采用國內(nèi)先進(jìn)的工作面快速注漿工藝、黏土—水泥漿注漿技術(shù)、凍—注—鑿和鉆—注平行作業(yè)技術(shù)、L型鉆孔注漿技術(shù)、千米深井注漿技術(shù)，以及新型的注漿自動(dòng)攪拌機(jī)具、高壓泵、高壓止?jié){塞、頂驅(qū)鉆機(jī)等設(shè)備，達(dá)到了較好的堵水效果。周霖[14]為預(yù)防凍結(jié)孔導(dǎo)水通道誘發(fā)礦井水害，基于凍結(jié)孔致災(zāi)機(jī)理及涌水特征歸納總結(jié)了凍結(jié)孔誘發(fā)水害類型，并提出了凍結(jié)孔隱蔽致災(zāi)通道井筒內(nèi)預(yù)注漿治理技術(shù)。劉計(jì)寒[15]在井筒強(qiáng)制解凍與凍結(jié)管射孔注漿施工技術(shù)中首次采用了在凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)注入熱水進(jìn)行強(qiáng)制解凍，然后進(jìn)行射孔注漿施工作業(yè)。程志彬[16]在葫蘆素煤礦風(fēng)井凍結(jié)孔強(qiáng)制解凍與射孔注漿中總結(jié)得出，在凍結(jié)壁解凍前對(duì)凍結(jié)管外環(huán)形空間進(jìn)行注漿充填，隔斷上、下部含水地層豎向?qū)ǖ?，并采用射孔注漿技術(shù)封堵凍結(jié)管外環(huán)形空間豎向?qū)ǖ?，可確保了礦井施工安全。張海榮[17]以園子溝煤礦東翼回風(fēng)立井工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件為研究對(duì)象，介紹了該條件下的凍結(jié)深度、內(nèi)外層井壁厚度、壁座厚度與高度及井壁配筋等相關(guān)施工技術(shù)參數(shù)及施工期間注意事項(xiàng)。王明智[18]針對(duì)新莊煤礦回風(fēng)立井涌水大、凍結(jié)深、鉆孔深度深、基巖厚度大、整體施工難度大的問題，結(jié)合掘砌段高及科學(xué)經(jīng)驗(yàn)確定了凍結(jié)壁厚等工程相關(guān)參數(shù)，并總結(jié)了造孔糾偏、凍結(jié)交圈施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)措施，為其他礦井的建設(shè)提供了有益借鑒。

針對(duì)井筒解凍水害的問題，目前已有較成熟的解決技術(shù)，但目前研究多為井筒強(qiáng)制解凍與凍結(jié)管射孔注漿施工技術(shù)，對(duì)富水立井井筒超長凍結(jié)自然解凍趨勢與注漿技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。以巴拉素煤礦立井井筒超長凍結(jié)自然解凍趨勢與注漿技術(shù)為研究對(duì)象，不僅為巴拉素煤礦井筒施工過程中安全通過富水煤層段提供有力的理論保障，同時(shí)為類似條件礦井井筒解凍水害的治理提供參考，豐富礦井井筒水害防治的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 井田概況

陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司位于榆林市以西，直線距離約40km，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10Mt/a，采用全立井開拓方式，在井田中央布置主立井、副立井、1號(hào)回風(fēng)立井、2號(hào)回風(fēng)立井四條井筒，井筒均采用凍結(jié)法施工。根據(jù)《巴拉素井田水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探報(bào)告》對(duì)礦井各階段涌水量進(jìn)行預(yù)測，基建階段礦井正常涌水量為1032m3/h，最大涌水量為1238m3/h；生產(chǎn)階段先期開采地段2號(hào)煤正常涌水量為1865m3/h，最大涌水量為2381m3/h。

副井井筒凈直徑10.5m，凈斷面積86.6m2，井筒垂深539m，0～160m段掘進(jìn)斷面126.7m2，采用內(nèi)壁厚600mm，外壁厚500mm復(fù)合井壁雙層鋼筋混凝土砌碹支護(hù)；160～360m段掘進(jìn)斷面145.3m2，采用內(nèi)壁厚1050mm，外壁厚500mm復(fù)合井壁雙層鋼筋混凝土砌碹支護(hù)；360～539m段掘進(jìn)斷面165.13m2，采用內(nèi)壁厚1500mm，外壁厚500mm復(fù)合井壁雙層鋼筋混凝土砌碹支護(hù)。

根據(jù)井筒范圍內(nèi)地下水的賦存條件及水力特征，將井田地下水劃分為兩種類型：即第四系松散巖類孔隙潛水和碎屑巖類裂隙水；三個(gè)含水巖層(組)：即第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙孔隙潛水、白堊系洛河組砂巖孔隙裂隙潛水和侏羅系碎屑巖類裂隙承壓水。

副立井井筒自上而下所要穿越的含水層為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙孔隙潛水、白堊系洛河組砂巖含水層(K1l)、侏羅系碎屑巖類裂隙承壓水(安定組砂巖含水巖組(J2a)、直羅組砂巖含水巖組(J2z)及延安組砂巖裂隙含水層(J2y)。其中洛河組砂巖含水層厚度大(厚210m)，富水性中等，其余均為弱含水層。副立井井筒穿越的含水層如圖1所示。

圖1 副立井井筒穿越的含水層

1.2 地溫概況

根據(jù)井田內(nèi)16個(gè)鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)，礦井總體屬地溫正常區(qū)域，從地表向下，可以明顯劃分為三個(gè)地溫帶，即降溫帶(0～40m)、恒溫帶(40～60m)和增溫帶(60m以下)。地溫梯度最小-1.00℃/100m，最大7.30℃/100m，平均1.86℃/100m，一般差異均在2℃左右。其中最大和最小值均在0～100的地溫梯度變化區(qū)間，說明在100m處0～100的地溫梯度受地表溫度影響較大。而100m以下的地溫梯度變化的平均值為2.02℃/100m。副立井檢孔測溫?cái)?shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 地層深度與溫度變化曲線

2 副立井井筒凍結(jié)施工

2.1 凍結(jié)施工方案

巴拉素礦副立井選用全深凍結(jié)施工方案，凍結(jié)孔布置采用“主排孔+防片幫孔”凍結(jié)方式。其中主排孔布置圈徑?20.2m，布置數(shù)量46個(gè)，深度548m；防片幫孔布置圈徑?14.9m，布置數(shù)量24個(gè)，深度70m(見表1、圖3、圖4、圖5)，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度4.2m。

表1 副立井凍結(jié)孔布置參數(shù)表

圖3 凍結(jié)孔剖面

圖4 巴拉素煤礦副井鉆孔剖面示意(mm)

圖5 巴拉素煤礦副立井凍結(jié)孔布置(mm)

2.2 副立井凍結(jié)施工狀況

巴拉素煤礦副立井井筒凍結(jié)于2016年12月7日開機(jī)，2017年1月17日水文孔開始冒水，凍結(jié)交圈后，鹽水去路溫度維持在-20～-30℃，去路與回路鹽水溫差基本維持在2.2～3.2℃。至2018年6月15日凍結(jié)停機(jī)，累計(jì)凍結(jié)時(shí)間550d。凍結(jié)停機(jī)前各層位溫度見表2。

表2 凍結(jié)停機(jī)前各層位溫度

2.3 凍結(jié)壁實(shí)測溫度分析

2018年10月30日凍結(jié)1#測溫孔地層縱向溫度監(jiān)測結(jié)果顯示，白堊系地層溫度為-0.69～-0.88℃；侏羅系安定組地層溫度為-0.69～-0.81℃；侏羅系直羅組地層溫度為：測點(diǎn)300m溫度-0.75℃，測點(diǎn)330m溫度-0.81℃，測點(diǎn)365m溫度-0.56℃，測點(diǎn)392m溫度-0.19℃，測點(diǎn)432m溫度+1.94℃。綜上，此時(shí)地層溫度均高于-1℃。

根據(jù)2018年10月24日監(jiān)測的Z14#凍結(jié)孔地層縱向溫度及1#測溫孔地層縱向溫度，分析判斷結(jié)論如下：所監(jiān)測的同一水平地層溫度基本一致，且凍結(jié)壁溫度場已接近平衡狀態(tài)。停止供冷后地層溫度變化如圖6所示。

圖6 停止供冷后地層溫度變化

2.4 地層溫度回升預(yù)測時(shí)間分析

根據(jù)停凍后1#測溫孔地層縱向溫度變化規(guī)律(如圖6所示)及測溫點(diǎn)記錄(表3)，以及0℃冰變?yōu)?℃水所需要的時(shí)間(一般情況下10～15d)，并結(jié)合地層原始地溫、地層巖性、地層埋深等資料，預(yù)測各地層凍結(jié)壁溫度回升至0℃、回升至5℃的時(shí)間。

表3 測溫點(diǎn)記錄 ℃

1)白堊系地層。凍結(jié)壁溫度回升至0℃時(shí)間，最早約為270d，即2019年3月15日。

2)侏羅系安定組地層。凍結(jié)壁溫度回升至0℃時(shí)間，最早約為270d，即2019年3月15d。

3)侏羅系直羅組。垂深300～365m段地層凍結(jié)壁溫度回升至0℃時(shí)間，約為210d，即2019年1月15日；回升至+5℃時(shí)間，約為480d，即2019年10月15日。垂深392～393m段(射孔注漿部位)地層凍結(jié)壁溫度回升至0℃時(shí)間，約為195d，即2018年12月30日；回升至+5℃時(shí)間，約為405d，即2019年7月30日。垂深446～447m段(射孔注漿部位)地層凍結(jié)壁溫度回升至0℃時(shí)間，約為100d，回升至+5℃時(shí)間，約為240d，即2019年2月15日。

2.5 凍結(jié)壁自然解凍分析

按照水泥的凝結(jié)特性，在各凍結(jié)孔溫度監(jiān)測過程中，溫度連續(xù)7d達(dá)到5℃以上時(shí)，方可進(jìn)行射孔注漿作業(yè)。

根據(jù)測溫?cái)?shù)據(jù)以及溫度變化趨勢，凍結(jié)管上部洛河組砂巖含水層解凍速度慢，若要凍結(jié)管內(nèi)所有溫度達(dá)到5℃以上，需要1～1.5a。巴拉素煤礦根據(jù)凍結(jié)壁差異性解凍速度及井筒井壁出水情況，射孔注漿時(shí)機(jī)選擇在凍結(jié)孔射孔層位溫度超過5℃以上。

3 凍結(jié)管射孔注漿

3.1 射孔注漿原理

射孔注漿是利用聚能射孔器完成，首先從孔口采用起重機(jī)在解凍完成的凍結(jié)管內(nèi)下放射孔彈，聚能射孔彈爆炸產(chǎn)生高能射流，在指定層位穿透槍體及凍結(jié)管，進(jìn)入地層預(yù)定深度，利用凍結(jié)管及射孔彈道作為注漿通道，在地面對(duì)預(yù)定地層進(jìn)行注漿封水[11，12]。射孔注漿工藝系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 射孔注漿示意

巴拉素礦井射孔槍選用73型，射孔彈為DP34RDX16-2，射孔相位為90°?？酌芏葹?0孔/m。射孔彈的技術(shù)參數(shù)見表4。

3.2 射孔層位選擇

根據(jù)井筒檢查孔和副井實(shí)際揭露地質(zhì)資料，2號(hào)煤頂板延安組內(nèi)沒有泥巖，因此射孔注漿層位均選擇在直羅組地層內(nèi)，分別在井筒與車場連接處、硐室上部30～50m處、80～100m處分別進(jìn)行一次射孔注漿。射孔注漿位置、孔號(hào)見表5。

表4 射孔彈的技術(shù)參數(shù)

表5 凍結(jié)孔注漿位置、孔號(hào)(井口相對(duì)標(biāo)高為±0)

3.3 射孔注漿時(shí)間確定

凍結(jié)鉆孔與凍結(jié)管之間的環(huán)形空間導(dǎo)水水源主要來自白堊系洛河組砂巖含水層。依據(jù)預(yù)測，白堊系地層凍結(jié)壁溫度回升至0℃時(shí)，時(shí)間約為2018年12月30日，此時(shí)凍結(jié)孔極有可能形成導(dǎo)水通道。

根據(jù)射孔注漿條件要求，在各凍結(jié)孔溫度監(jiān)測過程中，溫度連續(xù)7d達(dá)到5℃以上時(shí)，方可進(jìn)行射孔注漿。依據(jù)預(yù)測分析成果，凍結(jié)壁溫度回升至+5℃時(shí)間，白堊系地層最晚，約為2019年2月28日。

3.4 射孔注漿施工工藝

射孔注漿施工工藝為：掃孔—置換鹽水—下射孔槍到下層位—下層位射孔—下層位注漿至設(shè)計(jì)壓力值—上層位下射孔槍—上層位射孔—上層位注漿至設(shè)計(jì)壓力值。

1)鹽水置換。立鉆—鑿孔—下鉆桿至孔底—壓風(fēng)置換鹽水。

2)射孔施工。裝槍—裝雷管—絞車電纜與槍的連接—槍體下放—起爆。

3)注漿施工。作業(yè)方式：單孔注漿采取由下向上、分段射孔注漿方案。分段注漿法是指第一次射孔后接著注漿；注漿達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，進(jìn)行第二次射孔，最后進(jìn)行第二次注漿。

注漿站布設(shè)：在注漿站內(nèi)建一次攪拌池一個(gè)、二次攪拌池一個(gè)、清水箱一個(gè)；散裝水泥罐及水泥定量裝置，螺旋給料機(jī)一臺(tái)，潛水泵兩臺(tái)。

注漿過程中，注漿壓力分為初期、正常及終壓三個(gè)階段變化。當(dāng)初始濃度確定后，根據(jù)注漿壓力變化情況及時(shí)控制漿量，調(diào)整漿液濃度及凝膠時(shí)間等。使注漿壓力平緩地升高，避免出現(xiàn)較大波動(dòng)，直至達(dá)到注漿終壓、終量，并穩(wěn)定20min以上。

凍結(jié)孔注漿終壓暫按地下水壓力的1.5倍進(jìn)行計(jì)算，第一層位注漿最大壓力7.5MPa，第二層為最大壓力7.0MPa。漿液配備：單液水泥漿配置見表6。

表6 單液水泥漿配制表

3.5 射孔注漿效果評(píng)價(jià)

1)射孔效果。巴拉素副立井累計(jì)射孔96次均為有效射孔，成功率100%。

2)理論注漿量。副井凍結(jié)孔造孔采用190mm鉆頭，凍結(jié)管內(nèi)下放管徑140mm鋼管，水泥漿置換孔底往上150～220m，理論上單孔水泥漿完全填滿需要13m3水泥單液漿。

3)實(shí)際注漿量。副井射孔注漿累計(jì)注入水泥單液漿1638m3，單孔平均注漿量34.1m3，下段(446～447m)注入水泥漿液840m3，上段(392～393m)層位注入水泥漿液798m3。實(shí)際注漿過程中各凍結(jié)孔注漿量遠(yuǎn)大于理論注漿量。

4)現(xiàn)場注漿效果檢驗(yàn)。后期，副井在施工井筒連接處及相關(guān)硐室時(shí)，均揭露了凍結(jié)管，凍結(jié)孔均密實(shí)良好，無出水現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1)自然解凍下的射孔注漿，溫度選擇尤其重要，凍結(jié)壁溫度回升至0℃時(shí)間，白堊系地層約為270d，侏羅系安定組地層約為270d，侏羅系直羅組垂深300～365m段地層約為210d，垂深392～393m段(射孔注漿部位)地層約為195d。

2)在各凍結(jié)孔溫度監(jiān)測過程中，溫度連續(xù)7d達(dá)到5℃以上時(shí)，方可進(jìn)行射孔注漿作業(yè)，侏羅系直羅組垂深392～393m段(射孔注漿部位)地層約為405d，垂深446～447m段(射孔注漿部位)地層約為240d。

3)巴拉素副立井射孔成功率100%，理論上單孔水泥漿完全注滿需要13m3，而實(shí)際單孔平均注漿量為34.1m3，遠(yuǎn)大于凍結(jié)孔理論注漿量。經(jīng)工程實(shí)踐表明，凍結(jié)孔均充填密實(shí)，無出水現(xiàn)象。