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摘要：口孜东矿千米深井施工对5.7MPa的高压水害采用注浆技术进行治理，施工钻孔对含水层进行了17MPa的高压注浆，实现了粗砂岩强含水层威胁下井筒的安全凿掘。
关键词：千米井筒 粗砂岩高压水害 探测 注浆治理技术
口孜东矿采用中央竖井开拓，是当时国内穿过松散层最厚、井筒最深、直径最大，采用冻结法施工的千米井筒。其中副井井筒设计深度为1032m，井筒设计净直径8.0m（基岩段掘进直径大于9.1m），井筒穿过表土层厚度为575m，基岩段深度为457m（基岩风化带厚度23m）。施工实际冻结深度为625m（冻结管深617m），冻结段支护深度为610m，基岩段未冻结深度为407.0m。
1 问题的提出
口孜东矿副井井筒率先进入基岩煤系地层施工，基岩段有多层较厚粗、中、细砂岩，裂隙发育，含有大量裂隙水，距离松散层较近可能受其补给，威胁井筒安全凿掘，加之井筒凿掘期间场地狭小，临时管路及排水设施不健全，因此必须高度重视探测治理工作，对岩层段进行水文地质条件探测，一方面查明岩层富水性，预计涌水量评价富水性程度及水力联系，制定井筒施工期间防治水措施，另一方面研究治理方案，对副井基岩段煤岩富水区进行注浆治理，确保井筒安全施工。
2 副井井检孔水文地质条件分析
考虑到基岩地层水、断层水及砂岩裂隙水影响，对井筒检查孔水文地质情况进行分析，估算井筒凿掘时涌水量。
2.1 副井施工前井筒检查孔水文地质评价
根据副井井筒检查孔基岩含水层划分及涌水量预算成果，对全孔基岩段进行了混合抽水试验。抽水段-592.7m～-1095.5m，抽水段厚502.9m，含水層厚115.4m，抽水成果S=48.53m，Q=0.142L/s，q=0.00293 L/sm，K=0.002013272m/d，R=21.78m，水温t=23℃。根据测井曲线（三侧向电阻率、自然电位、井液电阻率），基岩段主要有两个含水层。第一含水层：-574.2～-604.1m，层厚29.9m，预计涌水量3.1m3/h；第二含水层：-719.4～-742.5m，层厚23.1m，预计涌水量0.34m3/h。
2.2 井筒水害分析
根据井筒检查孔对基岩含水层水源分析：地质层位在埋深692～705m的粗砂岩，属砂岩裂隙水，距第四系界面117m，716.8～739.8m段属弱含水层。
尽管井筒检查孔显示基岩含水层属弱含水层，但经认真分析，对此水文地质资料可信程度表示怀疑，可能与实际存在较大的误差。本着“有疑必探，先探后注，先治后掘”的原则，对该段岩层进行探放水，以获得实际可靠的水文地质资料，指导井筒施工。
3 副井608m处超前探测基岩含水层
3.1 井筒基岩段水文地质特征
基岩段部分地段砂岩所占比例较大，有多层较厚的粗、中、细、粉砂岩。基岩上段粗～粉砂岩占地层总厚度比例为40.6%，部分地段砂岩所占比例更大，裂隙发育，含大量裂隙水。
3.2 副井608m处超前探测基岩含水层钻孔施工
施工超前探测基岩含水层钻孔，查明副井基岩段二叠系地层25煤层顶板以浅100m范围内岩层裂隙发育、分布特征及煤层顶底板岩层导水裂隙带范围内的砂岩分布和富水性特征，探测基岩段二叠系地层富水区，评价其富水性及水力联系，为副井基岩段水害治理提供依据。
副井施工至608m深度时停止施工，开始打钻探砂岩裂隙水。打钻探水位置从累深608～705m，段高97m，砂岩段累计厚度40.8m，利用两根原预埋孔口管打钻探水，并在周边布置八个孔。1#探水钻孔2008年3月25日1：00开始钻进，26日6：10在钻进86m时开始出水，共钻进89.12m；涌水量从5m3/h增加到25.5m3/h，而后单孔涌水量一直在18～25m3/h之间，平均涌水量为22.0m3/h，q=1.69L/(s.m)，静水压力一直稳定在5.7MPa。
3.3 井筒水害可能出现的涌水量预计
如副井水害不治理正常掘进，采用裘布依稳定承压井流公式计算井筒涌水量：
Q井=2∏T(H0-HW)/(㏑R/r井) =1738.0511m3／d=72.5m3／h
据上式，井筒检查孔对692～705m的13m厚粗砂岩含水层段的评价不准确，通过此次探水工作认定该段属较强含水层。
如不对副井含水层进行注浆治理，预计井筒施工过粗砂岩含水层时正常涌水量50～73.0m3/h，如施工中遇到大的纵向、横向导水裂隙或导水断层构造，涌水量还会进一步增大，极有可能造成淹井事故，因此必须对含水层进行注浆治理。
3.4 副井608m处注浆施工
3月27日中班开始对1#探水钻孔进行注浆，先后施工1～6#探水钻孔并对其进行注浆，注浆段高为97m。
3.4.1 注浆压力：取静压的2～3倍，正常注浆压力取12～15MPa，注浆终压为3倍，P终取17.1MPa，可根据孔口管周边具体情况酌情调整。注浆结束标准：注浆终压达到后注浆泵吸浆量降低到30L/min并稳定30min。
3.4.2 浆液配制：注浆以单液水泥浆为主，单液浆水灰比为2：1～1：1，从稀浆到稠浆，必要时采用水泥～水玻璃双液浆。
副井在砂岩含水层打钻探水和注浆一期施工了7个钻孔（其中1个为检查孔），加固止浆垫及孔口管共消耗浆液58.4m3/h，水泥和水玻璃分别使用47.6t和9.7t；其中实际有效注水泥浆128.8m3/h，共用水泥72.9t、水玻璃1.51t。
在以后的注浆过程中副井受多孔注浆影响，临时止水垫破碎，在对1～6#孔近20天注浆过程中，孔口管歪斜，已无法再施工新孔，注浆也十分困难。4月14日早班3#和5#孔的涌水量分别为8.5和0.8m3/h，由于3#和5#孔孔口管歪斜，特别是3#钻孔原孔变形严重，扫孔不走原道，下止水塞注浆时发生串浆现象，大量高压浆液从孔口管周边冒出，出现封孔和孔内注浆无效的情况，对含水层的注浆没有完全达到目的。
4 井筒带水施工
为达到更好的注浆效果，注浆地点须距离含水层更近，决定继续掘进49m，距含水层25m处（井深657m）停头打钻探水。
副井自4月15日恢复掘进揭开破碎止水垫前形成完善可靠的排水系统；在副井凿掘施工打灰期间采用淹井法进行了3次实际涌水量测量，分别为19.0m3/h、19.5m3/h、18.7m3/h，都在19m3/h左右，未发现涌水量增大趋势。掘进到井深657m停止施工，掘出4.0m（够打止浆垫厚度）后立即按要求施工止浆垫。
5 井筒注浆效果评价及涌水量预计
通过3次打钻注浆，井筒实施注浆后效果明显，对井筒注浆效果评价如下：
5.1 井筒注浆后效果评价
副井打好止浆垫后进行第二次注浆施工：二期施工了10个钻孔（其中1个检查孔），注水泥浆135.0m3/h，共用水泥85.6t，水玻璃1.8t，对副井678m～703m段6.8m中砂岩、12.5m粗砂岩进行了2次彻底封堵，注浆完成后对实际注浆效果进行了检验，2个检验钻孔涌水量分别为1.8m3/h、3.3m3/h（增补了一个检查孔），连续观测10小时涌水量均无变化，副井井筒注浆段取得了较好的治理效果。
5.2 井筒恢复凿掘施工涌水量预计
副井施工期间涌水量预计：2个检验钻孔涌水量分别为1.8m3/h、3.3m3/h（增补了一个检查孔），并连续观测10小时涌水量均无变化，根据2次实际注浆情况分析副井施工期间预计涌水量小于15m3/h，预计变化范围为8～15m3/h；对井筒掘进施工无影响。
6 井筒恢复施工安全保障措施
2008年6月6日副井注浆工作结束，恢复井筒掘进施工。井筒恢复施工采取了如下安全保障措施：
6.1 坚持“长探短掘”及“有疑必探，先探后掘”的原则，从距含水层法距10m开始，采取探6m掘4m留2m的超前距。
6.2 采取少装药“放小炮”的方法：从距含水层法距10m开始，增加炮眼数量，特别是增加周边眼数量，严格控制装药量，周边眼隔眼装药，发挥泄能眼作用，尽量减少爆破对已注浆封堵裂隙的破坏作用，维护好已形成的注浆帷幕。
6.3 确保完善的排水系统，中转水箱容量满足1台多级泵吸水量（流量40m3/h）要求，同时相关排水设施及供电保证完好。
7 井筒注浆实际揭露效果检验及主要经验
7.1 井筒恢复凿掘施工效果检验及实际涌水量
井筒恢复掘进施工后，过注浆段含水层时，发现岩层裂隙注浆饱满，胶结效果较好，大量的裂隙被水泥浆和化学浆液充填实，岩层涌水变小；利用立模板、打灰期间实测井筒涌水量，副井施工期间涌水量：6.2～14.7m3/h，正常涌水量小于9m3/h；此后再没因水影响井筒掘进施工事故发生。
7.2 副井井筒水害治理成功主要经验
①思想上高度重视。领导及相关科室高度重视，多次召开专题会研究注浆方案，为副井井筒成功治理高压水害打下坚实的基础，创造了有利条件。
②坚持“有疑必探，先探后掘”的探放水原则。水文地质人员从实际出发，认真反复研究井筒基岩岩性特征以及可能存在的高压含水层位，进行有针对性的探测，采取了行之有效的注浆治理手段，实现了千米深井井筒遇粗细砂岩强含水层的安全凿掘。
③施工单位精心施工，使钻孔注浆量和注浆压力达到设计要求，确保了钻孔注浆质量。
关键词：千米井筒 粗砂岩高压水害 探测 注浆治理技术
口孜东矿采用中央竖井开拓，是当时国内穿过松散层最厚、井筒最深、直径最大，采用冻结法施工的千米井筒。其中副井井筒设计深度为1032m，井筒设计净直径8.0m（基岩段掘进直径大于9.1m），井筒穿过表土层厚度为575m，基岩段深度为457m（基岩风化带厚度23m）。施工实际冻结深度为625m（冻结管深617m），冻结段支护深度为610m，基岩段未冻结深度为407.0m。
1 问题的提出
口孜东矿副井井筒率先进入基岩煤系地层施工，基岩段有多层较厚粗、中、细砂岩，裂隙发育，含有大量裂隙水，距离松散层较近可能受其补给，威胁井筒安全凿掘，加之井筒凿掘期间场地狭小，临时管路及排水设施不健全，因此必须高度重视探测治理工作，对岩层段进行水文地质条件探测，一方面查明岩层富水性，预计涌水量评价富水性程度及水力联系，制定井筒施工期间防治水措施，另一方面研究治理方案，对副井基岩段煤岩富水区进行注浆治理，确保井筒安全施工。
2 副井井检孔水文地质条件分析
考虑到基岩地层水、断层水及砂岩裂隙水影响，对井筒检查孔水文地质情况进行分析，估算井筒凿掘时涌水量。
2.1 副井施工前井筒检查孔水文地质评价
根据副井井筒检查孔基岩含水层划分及涌水量预算成果，对全孔基岩段进行了混合抽水试验。抽水段-592.7m～-1095.5m，抽水段厚502.9m，含水層厚115.4m，抽水成果S=48.53m，Q=0.142L/s，q=0.00293 L/sm，K=0.002013272m/d，R=21.78m，水温t=23℃。根据测井曲线（三侧向电阻率、自然电位、井液电阻率），基岩段主要有两个含水层。第一含水层：-574.2～-604.1m，层厚29.9m，预计涌水量3.1m3/h；第二含水层：-719.4～-742.5m，层厚23.1m，预计涌水量0.34m3/h。
2.2 井筒水害分析
根据井筒检查孔对基岩含水层水源分析：地质层位在埋深692～705m的粗砂岩，属砂岩裂隙水，距第四系界面117m，716.8～739.8m段属弱含水层。
尽管井筒检查孔显示基岩含水层属弱含水层，但经认真分析，对此水文地质资料可信程度表示怀疑，可能与实际存在较大的误差。本着“有疑必探，先探后注，先治后掘”的原则，对该段岩层进行探放水，以获得实际可靠的水文地质资料，指导井筒施工。
3 副井608m处超前探测基岩含水层
3.1 井筒基岩段水文地质特征
基岩段部分地段砂岩所占比例较大，有多层较厚的粗、中、细、粉砂岩。基岩上段粗～粉砂岩占地层总厚度比例为40.6%，部分地段砂岩所占比例更大，裂隙发育，含大量裂隙水。
3.2 副井608m处超前探测基岩含水层钻孔施工
施工超前探测基岩含水层钻孔，查明副井基岩段二叠系地层25煤层顶板以浅100m范围内岩层裂隙发育、分布特征及煤层顶底板岩层导水裂隙带范围内的砂岩分布和富水性特征，探测基岩段二叠系地层富水区，评价其富水性及水力联系，为副井基岩段水害治理提供依据。
副井施工至608m深度时停止施工，开始打钻探砂岩裂隙水。打钻探水位置从累深608～705m，段高97m，砂岩段累计厚度40.8m，利用两根原预埋孔口管打钻探水，并在周边布置八个孔。1#探水钻孔2008年3月25日1：00开始钻进，26日6：10在钻进86m时开始出水，共钻进89.12m；涌水量从5m3/h增加到25.5m3/h，而后单孔涌水量一直在18～25m3/h之间，平均涌水量为22.0m3/h，q=1.69L/(s.m)，静水压力一直稳定在5.7MPa。
3.3 井筒水害可能出现的涌水量预计
如副井水害不治理正常掘进，采用裘布依稳定承压井流公式计算井筒涌水量：
Q井=2∏T(H0-HW)/(㏑R/r井) =1738.0511m3／d=72.5m3／h
据上式，井筒检查孔对692～705m的13m厚粗砂岩含水层段的评价不准确，通过此次探水工作认定该段属较强含水层。
如不对副井含水层进行注浆治理，预计井筒施工过粗砂岩含水层时正常涌水量50～73.0m3/h，如施工中遇到大的纵向、横向导水裂隙或导水断层构造，涌水量还会进一步增大，极有可能造成淹井事故，因此必须对含水层进行注浆治理。
3.4 副井608m处注浆施工
3月27日中班开始对1#探水钻孔进行注浆，先后施工1～6#探水钻孔并对其进行注浆，注浆段高为97m。
3.4.1 注浆压力：取静压的2～3倍，正常注浆压力取12～15MPa，注浆终压为3倍，P终取17.1MPa，可根据孔口管周边具体情况酌情调整。注浆结束标准：注浆终压达到后注浆泵吸浆量降低到30L/min并稳定30min。
3.4.2 浆液配制：注浆以单液水泥浆为主，单液浆水灰比为2：1～1：1，从稀浆到稠浆，必要时采用水泥～水玻璃双液浆。
副井在砂岩含水层打钻探水和注浆一期施工了7个钻孔（其中1个为检查孔），加固止浆垫及孔口管共消耗浆液58.4m3/h，水泥和水玻璃分别使用47.6t和9.7t；其中实际有效注水泥浆128.8m3/h，共用水泥72.9t、水玻璃1.51t。
在以后的注浆过程中副井受多孔注浆影响，临时止水垫破碎，在对1～6#孔近20天注浆过程中，孔口管歪斜，已无法再施工新孔，注浆也十分困难。4月14日早班3#和5#孔的涌水量分别为8.5和0.8m3/h，由于3#和5#孔孔口管歪斜，特别是3#钻孔原孔变形严重，扫孔不走原道，下止水塞注浆时发生串浆现象，大量高压浆液从孔口管周边冒出，出现封孔和孔内注浆无效的情况，对含水层的注浆没有完全达到目的。
4 井筒带水施工
为达到更好的注浆效果，注浆地点须距离含水层更近，决定继续掘进49m，距含水层25m处（井深657m）停头打钻探水。
副井自4月15日恢复掘进揭开破碎止水垫前形成完善可靠的排水系统；在副井凿掘施工打灰期间采用淹井法进行了3次实际涌水量测量，分别为19.0m3/h、19.5m3/h、18.7m3/h，都在19m3/h左右，未发现涌水量增大趋势。掘进到井深657m停止施工，掘出4.0m（够打止浆垫厚度）后立即按要求施工止浆垫。
5 井筒注浆效果评价及涌水量预计
通过3次打钻注浆，井筒实施注浆后效果明显，对井筒注浆效果评价如下：
5.1 井筒注浆后效果评价
副井打好止浆垫后进行第二次注浆施工：二期施工了10个钻孔（其中1个检查孔），注水泥浆135.0m3/h，共用水泥85.6t，水玻璃1.8t，对副井678m～703m段6.8m中砂岩、12.5m粗砂岩进行了2次彻底封堵，注浆完成后对实际注浆效果进行了检验，2个检验钻孔涌水量分别为1.8m3/h、3.3m3/h（增补了一个检查孔），连续观测10小时涌水量均无变化，副井井筒注浆段取得了较好的治理效果。
5.2 井筒恢复凿掘施工涌水量预计
副井施工期间涌水量预计：2个检验钻孔涌水量分别为1.8m3/h、3.3m3/h（增补了一个检查孔），并连续观测10小时涌水量均无变化，根据2次实际注浆情况分析副井施工期间预计涌水量小于15m3/h，预计变化范围为8～15m3/h；对井筒掘进施工无影响。
6 井筒恢复施工安全保障措施
2008年6月6日副井注浆工作结束，恢复井筒掘进施工。井筒恢复施工采取了如下安全保障措施：
6.1 坚持“长探短掘”及“有疑必探，先探后掘”的原则，从距含水层法距10m开始，采取探6m掘4m留2m的超前距。
6.2 采取少装药“放小炮”的方法：从距含水层法距10m开始，增加炮眼数量，特别是增加周边眼数量，严格控制装药量，周边眼隔眼装药，发挥泄能眼作用，尽量减少爆破对已注浆封堵裂隙的破坏作用，维护好已形成的注浆帷幕。
6.3 确保完善的排水系统，中转水箱容量满足1台多级泵吸水量（流量40m3/h）要求，同时相关排水设施及供电保证完好。
7 井筒注浆实际揭露效果检验及主要经验
7.1 井筒恢复凿掘施工效果检验及实际涌水量
井筒恢复掘进施工后，过注浆段含水层时，发现岩层裂隙注浆饱满，胶结效果较好，大量的裂隙被水泥浆和化学浆液充填实，岩层涌水变小；利用立模板、打灰期间实测井筒涌水量，副井施工期间涌水量：6.2～14.7m3/h，正常涌水量小于9m3/h；此后再没因水影响井筒掘进施工事故发生。
7.2 副井井筒水害治理成功主要经验
①思想上高度重视。领导及相关科室高度重视，多次召开专题会研究注浆方案，为副井井筒成功治理高压水害打下坚实的基础，创造了有利条件。
②坚持“有疑必探，先探后掘”的探放水原则。水文地质人员从实际出发，认真反复研究井筒基岩岩性特征以及可能存在的高压含水层位，进行有针对性的探测，采取了行之有效的注浆治理手段，实现了千米深井井筒遇粗细砂岩强含水层的安全凿掘。
③施工单位精心施工，使钻孔注浆量和注浆压力达到设计要求，确保了钻孔注浆质量。