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S形鉆孔井筒地面預注漿技術研究
摘要：潘北礦井由合肥煤炭設計研究院設計，生產能力400萬噸，淮南礦業(yè)集團有限責任公司投資建設，其中風井井筒地面預注漿工程由安徽兩淮地質基礎工程公司第一工程處承包施工，唐山開灤工程建設監(jiān)理有限公司監(jiān)理。關鍵詞：注漿 S形鉆孔
0 引言
風井井筒地面預注漿工程，設計注漿孔10個，其中5個直孔，圈徑12m，孔深520m；5個S孔，圈徑40m，520m處圈徑12m，終孔深度712m。直孔完成巖帽及一、二段的注漿任務，由S孔完成巖帽、導斜段、三、四、五、六段的注漿任務。歷時175天，共完成鉆探進尺6160m，注漿方量14526m3，成功地運用3YSJ-25型隨鉆定向儀施工S孔，提高了注漿鉆探的科技含量。
1 注漿施工條件
潘北礦井位于走向近EW，傾向N的不完整背斜構造，井筒穿過的地層為：346m左右的新生界松散層，30m左右的基巖風化帶及二迭系含煤地層。新生界地層以粘土為主，其次為砂層，基巖主要巖層為泥巖、砂巖和煤。井筒基巖穿過的主要含水層為基巖風化帶含水層及13-1煤、11-2煤、8煤頂底板砂巖含水層。
風化帶：起止深度為347.95～385.30m，厚度為37.35m，多為花斑狀泥巖、砂質泥巖和細砂巖，上部風化較強烈，整層巖芯較破碎，砂巖鈣泥質膠結，裂隙發(fā)育。
斷層：從井筒檢查孔柱狀圖可見2個構造帶：①605.70～607.70米，616.00～623.80m，有受力跡象，多見角礫狀破碎砂巖，以鈣質膠結為主，垂直裂隙發(fā)育，巖芯破碎。②634.20～635.60m，整層均有受力跡象，多為糜棱狀、磷片的泥巖，巖芯松軟、破碎。
該斷裂帶上下界的影響帶裂隙發(fā)育，上部、中部為砂巖多為鈣質膠結，巖芯成角礫狀，破碎，下部為破碎泥巖多為糜棱狀、磷片狀。斷裂上盤影響帶巖石裂隙發(fā)育，連通性好，是地下水儲存和富集的場所。
風井注漿孔在深度585m，640m處巖粉極多、坍塌掉塊嚴重，多次發(fā)生埋鉆、埋止?jié){塞，掉膠筒事故，主要原因是斷層帶破碎所致。
裂隙：根據井筒檢查孔提供的資料和區(qū)域裂隙發(fā)育特征，井筒巖層裂隙多為高角度近垂直裂隙，其中風化帶裂隙發(fā)育；斷層影響帶裂隙發(fā)育，受構造應力影響局部地層裂隙發(fā)育。
注漿中，風井與主井注漿孔多次發(fā)生串漿，而風井與副井很少串漿，這說明風井和主井裂隙連通性，近南北向和北東向的漲性裂隙發(fā)育。
2 施工方案及設計要求
根據潘北礦井風井井筒水文地質工程地質條件，風井井筒治水方案采用，上部沖積層及風化帶凍結，下部基巖段采用地面預注漿法，采用了上部5個直孔圈徑Φ12.0m和5個外圍圈徑40m的S型孔，S孔經定向鉆進增斜、降斜、穩(wěn)斜于510m左右進入設計靶域而后變?yōu)橹笨住?
5個直孔竣工后轉入施工凍結孔。凍結孔和S注漿孔同時平行作業(yè)，縮短了工期，贏得時間。
2.1 注漿深度
直孔0～380m為固管段 380～520m為注漿段
S孔0～405m為固管段 405～712m為注漿段
風井注漿深度為712m
2.2 段高及注漿壓力 根據風井的水文工程地質特征注漿段高及注漿壓力設計如表2-1
2.3 注漿方式 井筒地面預注漿的注漿方式有分段下行、分段上行和上行下行混合方式，這決定井壁條件和裂隙的串漿干擾等因素。本次注漿多采用上行式，無論上行還是下行，當巖層破碎、坍塌掉塊嚴重時，均可先行注漿加固后再都進行鉆進。巖帽注單液水泥漿，巖帽以下段注粘土水泥漿。
2.4 注漿結束標準 巖帽段：①達到或超過設計終壓值②泵量60～100l/min③穩(wěn)定時間不小于20min。
粘土水泥漿段：①達到或超過設計終壓值②泵量不大于250l/min③穩(wěn)定時間不小于20min。
2.5 注漿范圍 本次注漿擴散半徑為9m，注漿范圍是以井筒中心為圓心以井筒半徑加9m，即12m為半徑的大圓柱體的帷幕。 2.6 孔斜要求 直孔終孔偏斜不大于1%
S孔經定向導斜于510～520m進入靶域，經穩(wěn)斜段進入直孔段與設計圈徑的偏斜不大于1%，并且保證鉆孔水平落點大致均布。
S孔在孔深395m圈徑≥30.8m
2.7 注漿材料及注入量 設計注漿材料，巖帽選用單液水泥漿，注漿段選用粘土水泥漿。
風井設計注入量13546m3，其中單液水泥漿1068m3，粘土水泥漿12478m3。
2.8 定向鉆進 定向鉆進原則上從300m上下合適層位起，定向鉆進有兩點關健技術要求①在395m深度(即凍結管深度)S孔圈徑≥30.4m。②S孔500～510m進入靶域，即12m圈徑上各自靶心為原點，直徑4米的范圍。S孔定向孔分為直孔段、增斜段、穩(wěn)斜段、降斜段，直孔段與5個直孔在500～520米接茬銜接，接續(xù)井筒直孔段以下注漿施工，完成全井筒整體注漿工作。
定向鉆進時，鉆孔傾角變化應控制在0.5°/m以內，不應在短距離內使傾角突變，以保證定向鉆孔軌跡光滑、平緩，達到下管順利，上下止?jié){塞及鉆具順暢。
定向采用JDT陀螺定向儀，YSJ-25隨鉆定向儀，DST隨鉆定向儀。定向鉆進，第四系地層采用φ165mm螺桿鉆具、牙輪鉆頭、多翼鉆頭，基巖使用φ95mm螺桿鉆具，LF型螺桿鉆隨鉆定向工藝。固管段定向鉆進后擴孔至φ191mm、φ245mm，以順利下放套管。套管以下采用φ110mm、φ130mm鉆進。
3 注漿施工技術參數
3.1 注漿深度 注漿上限深度的確定，直孔原則上高于風化帶底深5m，風井注漿的起止深度為直孔380～520m，注漿段長140m，S孔405～712m，注漿段長307m。
3.2 注漿鉆孔布置 根據潘北礦建設項目部要求，井筒水文地質資料及工期需要，注漿孔分布5個直孔，圈徑12m，5個S孔地面圈徑40m，直孔完成后施工凍結孔，實現凍結與注漿孔平行作業(yè)其位置詳見潘北礦北風井注漿鉆孔平面布置圖
3.3 注漿段的劃分 依據風井井檢孔資料和風井井筒預計柱狀圖中的含水層，隔水層、煤層的深度、厚度、富水性、裂隙發(fā)育程度等劃分段高，盡量把含水層、煤層放在段高的上部，以保證堵水或封堵煤層瓦斯的效果，段高的具體劃分如下表。
3.4 注漿壓力 風井注漿壓力，巖帽段為靜水壓力的1.5倍，注漿1～6段為靜水壓力的2.5倍，施工中嚴格按設計壓力值施工，嚴把注漿終壓這一關。從上表可以看出1～6段平均終壓值分別為2.81 2.73 2.73 2.66 2.70 2.6風井各注漿段注漿壓力均超過設計終壓值，說明漿液有足夠的擴散動力，在重點含水層和煤層和煤層提高注漿壓力。穩(wěn)定時間均在20mim以上，保證了注漿質量。
3.5 注入量 注入量是保證注漿質量的關鍵，是注漿施工中時刻都關注、算計的數值。注漿中一抓壓力，二抓注入量，而且根據注前壓水試驗所得單位吸水率進行調整。
風井總注入量14531m3，設計13546m3，超過985m3，平均每米井筒注漿量43.77m3/m井。根據注漿檢查孔壓水資料分析，風井注入量是充足的。
直孔注入量4979m3，1～5#孔注入量分別為880m3，964m3，947m3，1177m3，1011m3
S孔注入量9546m3，1～5#孔注入量分別為 2093m3，2071m3，1840m3，1840m3，1715m3
4 結束語
風井地面預注漿工程經半年來的精心施工，嚴格按照施工組織設計進行，鉆孔的軌跡、注漿的工藝參數和各項技術指標均達到或超過設計要求，合理的施工、優(yōu)質的材料、充足的注漿量、較高的注漿壓力、較小的吸水量、良好的平面交圈，風井井筒注漿質量是可靠的，堵水效果明顯，為順利鑿井創(chuàng)造了條件。
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