S形钻孔井筒地面预注浆技术研究

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　0引言

　　风井井筒地面预注浆工程，设计注浆孔10个，其中5个直孔，圈径12m，孔深520m；5个S孔，圈径40m，520m处圈径12m，终孔深度712m.直孔完成岩帽及一、二段的注浆任务，由S孔完成岩帽、导斜段、三、四、五、六段的注浆任务。历时175天，共完成钻探进尺6160m，注浆方量14526m³，成功地运用3YSJ-25型随钻定向仪施工S孔，提高了注浆钻探的科技含量。

　　1注浆施工条件

　　潘北矿井位于走向近EW，倾向N的不完整背斜构造，井筒穿过的地层为：346m左右的新生界松散层，30m左右的基岩风化带及二迭系含煤地层。新生界地层以粘土为主，其次为砂层，基岩主要岩层为泥岩、砂岩和煤。井筒基岩穿过的主要含水层为基岩风化带含水层及13-1煤、11-2煤、8煤顶底板砂岩含水层。

　　风化带：起止深度为347.95～385.30m，厚度为37.35m，多为花斑状泥岩、砂质泥岩和细砂岩，上部风化较强烈，整层岩芯较破碎，砂岩钙泥质胶结，裂隙发育。

　　断层：从井筒检查孔柱状图可见2个构造带：①605.70～607.70米，616.00～623.80m，有受力迹象，多见角砾状破碎砂岩，以钙质胶结为主，垂直裂隙发育，岩芯破碎。②634.20～635.60m，整层均有受力迹象，多为糜棱状、磷片的泥岩，岩芯松软、破碎。

　　该断裂带上下界的影响带裂隙发育，上部、中部为砂岩多为钙质胶结，岩芯成角砾状，破碎，下部为破碎泥岩多为糜棱状、磷片状。断裂上盘影响带岩石裂隙发育，连通性好，是地下水储存和富集的场所。

　　风井注浆孔在深度585m，640m处岩粉极多、坍塌掉块严重，多次发生埋钻、埋止浆塞，掉胶筒事故，主要原因是断层带破碎所致。

　　裂隙：根据井筒检查孔提供的资料和区域裂隙发育特征，井筒岩层裂隙多为高角度近垂直裂隙，其中风化带裂隙发育；断层影响带裂隙发育，受构造应力影响局部地层裂隙发育。

　　注浆中，风井与主井注浆孔多次发生串浆，而风井与副井很少串浆，这说明风井和主井裂隙连通性，近南北向和北东向的涨性裂隙发育。

　　2施工方案及设计要求

　　根据潘北矿井风井井筒水文地质工程地质条件，风井井筒治水方案采用，上部冲积层及风化带冻结，下部基岩段采用地面预注浆法，采用了上部5个直孔圈径Φ12.0m和5个外围圈径40m的S型孔，S孔经定向钻进增斜、降斜、稳斜于510m左右进入设计靶域而后变为直孔。

　　5个直孔竣工后转入施工冻结孔。冻结孔和S注浆孔同时平行作业，缩短了工期，赢得时间。

　　2.1注浆深度

　　直孔0～380m为固管段 380～520m为注浆段

　　S孔0～405m为固管段 405～712m为注浆段

　　风井注浆深度为712m

　　2.2段高及注浆压力根据风井的水文工程地质特征注浆段高及注浆压力

2.3注浆方式井筒地面预注浆的注浆方式有分段下行、分段上行和上行下行混合方式，这决定井壁条件和裂隙的串浆干扰等因素。本次注浆多采用上行式，无论上行还是下行，当岩层破碎、坍塌掉块严重时，均可先行注浆加固后再都进行钻进。岩帽注单液水泥浆，岩帽以下段注粘土水泥浆。

　　2.4注浆结束标准岩帽段：①达到或超过设计终压值②泵量60～100l/min③稳定时间不小于20min。

　　粘土水泥浆段：①达到或超过设计终压值②泵量不大于250l/min③稳定时间不小于20min。

2.5注浆范围本次注浆扩散半径为9m，注浆范围是以井筒中心为圆心以井筒半径加9m，即12m为半径的大圆柱体的帷幕。

　　2.6孔斜要求直孔终孔偏斜不大于1%

　　S孔经定向导斜于510～520m进入靶域，经稳斜段进入直孔段与设计圈径的偏斜不大于1%，并且保证钻孔水平落点大致均布。

　　S孔在孔深395m圈径≥30.8m

　　2.7注浆材料及注入量设计注浆材料，岩帽选用单液水泥浆，注浆段选用粘土水泥浆。

　　风井设计注入量13546m³，其中单液水泥浆1068m³，粘土水泥浆12478m³。

　　2.8定向钻进定向钻进原则上从300m上下合适层位起，定向钻进有两点关健技术要求①在395m深度（即冻结管深度）S孔圈径≥30.4m.②S孔500～510m进入靶域，即12m圈径上各自靶心为原点，直径4米的范围。S孔定向孔分为直孔段、增斜段、稳斜段、降斜段，直孔段与5个直孔在500～520米接茬衔接，接续井筒直孔段以下注浆施工，完成全井筒整体注浆工作。

　　定向钻进时，钻孔倾角变化应控制在0.5°/m以内，不应在短距离内使倾角突变，以保证定向钻孔轨迹光滑、平缓，达到下管顺利，上下止浆塞及钻具顺畅。

　　定向采用JDT陀螺定向仪，YSJ-25随钻定向仪，DST随钻定向仪。定向钻进，第四系地层采用φ165mm螺杆钻具、牙轮钻头、多翼钻头，基岩使用φ95mm螺杆钻具，LF型螺杆钻随钻定向工艺。固管段定向钻进后扩孔至φ191mm、φ245mm，以顺利下放套管。套管以下采用φ110mm、φ130mm钻进。

　　3注浆施工技术参数

　　3.1注浆深度注浆上限深度的确定，直孔原则上高于风化带底深5m，风井注浆的起止深度为直孔380～520m，注浆段长140m，S孔405～712m，注浆段长307m。

　　3.2注浆钻孔布置根据潘北矿建设项目部要求，井筒水文地质资料及工期需要，注浆孔分布5个直孔，圈径12m，5个S孔地面圈径40m，直孔完成后施工冻结孔，实现冻结与注浆孔平行作业其位置详见潘北矿北风井注浆钻孔平面布置图

　　3.3注浆段的划分依据风井井检孔资料和风井井筒预计柱状图中的含水层，隔水层、煤层的深度、厚度、富水性、裂隙发育程度等划分段高，尽量把含水层、煤层放在段高的上部，以保证堵水或封堵煤层瓦斯的效果，段高的具体划分如下表。

　　3.4注浆压力风井注浆压力，岩帽段为静水压力的1.5倍，注浆1～6段为静水压力的2.5倍，施工中严格按设计压力值施工，严把注浆终压这一关。从上表可以看出1～6段平均终压值分别为2.81　2.73　2.73　2.66　 2.70　2.6风井各注浆段注浆压力均超过设计终压值，说明浆液有足够的扩散动力，在重点含水层和煤层和煤层提高注浆压力。稳定时间均在20mim以上，保证了注浆质量。

　　3.5注入量注入量是保证注浆质量的关键，是注浆施工中时刻都关注、算计的数值。注浆中一抓压力，二抓注入量，而且根据注前压水试验所得单位吸水率进行调整。

　　风井总注入量14531m³，设计13546m³，超过985m³，平均每米井筒注浆量43.77m³/m井。根据注浆检查孔压水资料分析，风井注入量是充足的。

　　直孔注入量4979m³，1～5#孔注入量分别为880m³，964m³，947m³，1177m³，1011m³

　　S孔注入量9546m³，1～5#孔注入量分别为 2093m³，2071m³，1840m³，1840m³，1715m³

　　4结束语

　　风井地面预注浆工程经半年来的精心施工，严格按照施工组织设计进行，钻孔的轨迹、注浆的工艺参数和各项技术指标均达到或超过设计要求，合理的施工、优质的材料、充足的注浆量、较高的注浆压力、较小的吸水量、良好的平面交圈，风井井筒注浆质量是可靠的，堵水效果明显，为顺利凿井创造了条件。