具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的一些具体实施方案中，如图1至图3所示，本方案提供一种治理鲁南地区煤矿井筒30漏水及裂缝的地面注浆工艺，鲁南地区煤矿井筒30的地层自上而下分为第四系地层10、侏罗系地层20、二叠系地层和石炭系地层，注浆工艺包括：

在煤矿井筒30的外周均布钻设多个第一孔段40，并在第一孔段40内安装第一套管70；

在第一孔段40的基础上钻设第二孔段50，并在第二孔段50内安装第二套管80，并向第二套管80内注入浆液，其中，第二孔段50穿过第四系地层10和侏罗系地层20交界面；

在第二孔段50的基础上钻设第三孔段60，并向第三孔段60内注入浆液；

对第一孔段40、第二孔段50和第三孔段60进行封孔处理。

详细来说，本发明提供一种治理鲁南地区煤矿井筒30漏水及裂缝的地面注浆工艺，由于鲁南地区煤矿井筒30在地层压缩的作用下导致井壁破裂，而绝大数井壁破裂段位于底部含水层和基岩风化带层位内，即第四系地层10和侏罗系地层20的交界处，因此通过水泥浆进入砂层后充满孔隙而固化砂层，当外部地层沉降时，注浆地层起到了楔的作用，使上部地层远离井筒的水平移动趋势，从而减少井筒所受到竖向附加力，并且地面注浆可使地层孔隙、砂层孔隙、冻结井筒解冻后形成的地层松散孔隙和起拔冻结管钻孔空间得到充填加固，同时对地层还有劈裂挤压作用、加固作用、堵水作用，从而降低直至抵消井壁的竖直附加应力，达到治理井壁漏水及裂缝的目的。

需要说明的是，地面注浆可使地层孔隙、砂层孔隙、冻结井筒解冻后形成的地层松散孔隙和起拔冻结管钻孔空间得到充填加固，同时对地层还有劈裂挤压作用、加固作用、堵水作用，从而降低直至抵消井壁的竖直附加应力，达到治理井壁破坏的目的。鲁南地区煤矿井筒30绝大数井壁破裂段位于底部含水层和基岩风化带层位内，利用地面注浆的方法将对该区煤矿立井破裂的治理具有积极指导和借鉴作用。

但是由于注浆介质的复杂性、注浆工程的隐蔽性、水文地质条件的不确定性等因素，加上浆液性能、注浆工艺和注浆过程的多变性对注浆质量的影响等因素，增加了对不同地区井壁的治理的难度。此外井壁在注浆过程中的受力状态是复杂的和动态的，对井壁的治理工程提出了新挑战。本发明提出治理鲁南地区煤矿井筒30漏水及裂缝的地面注浆工艺，包括地面注浆造孔、注浆施工质量、注浆质量、地面钻孔封孔等。

还需要说明的是，如图3所示，第一孔段40在煤矿井筒30外周的标记，标识的是第一孔段40的钻孔位置，第一孔段40钻设好后，第二孔段50和第三孔段60在第一孔段40的基础上进行钻设。

在本发明一些可能的实施例中，第一孔段40的深度介于90至110m之间。

具体来说，本实施例提供了一种第一孔段40深度的实施方式，通过将第一孔段40设置为90至110m，便于对第二孔段50和第二套管80位置的设置，保证浆液有效充填到空隙及风化裂隙之中，并且密实稳定地层，阻断第四系地层10下组与基岩风化带的联系。

在本发明一些可能的实施例中，第一孔段40绕煤矿井筒30轴向均布的数量为偶数。

具体来说，本实施例提供了一种第一孔段40数量的实施方式，提供了一种第一孔段40打孔的实施方式。

在本发明一些可能的实施例中，将间隔的多个第一孔段40分为一组，并向同组内的第二孔段50和第三孔段60同时进行注浆。

具体来说，本实施例提供了一种根据第一孔段40数量进行注浆的实施方式，提供了一种向第二孔段50和第三孔段60内注浆的实施方式。

在本发明一些可能的实施例中，将相对的两个第一孔段40分为一组，并向同组内的第二孔段50和第三孔段60同时进行注浆，对全部分组进行分别独立注浆。

具体来说，本实施例提供了另一种根据第一孔段40数量进行注浆的实施方式，提供了另一种向第二孔段50和第三孔段60内注浆的实施方式。

在本发明一些可能的实施例中，第二孔段50穿过第四系地层10和侏罗系地层20交界面的深度介于1至5m之间。

具体来说，本实施例提供了一种第二孔段50深度的实施方式，使浆液有效充填到空隙及风化裂隙之中，并且密实稳定地层，阻断第四系地层10下组与基岩风化带的联系。

在本发明一些可能的实施例中，第三孔段60穿过第四系地层10和侏罗系地层20交界面的深度介于15至30m之间。

具体来说，本实施例提供了一种第三孔段60深度的实施方式，使浆液有效充填到空隙及风化裂隙之中，并且密实稳定地层，阻断第四系地层10下组与基岩风化带的联系。

需要说明的是，在保证井筒安全的前提下，在地面施工注浆钻孔，分段注入单液水泥浆，使浆液在压力的驱动下，向第四系地层10的中粗砂层空隙、风化带裂隙及与井壁之间的空隙充填密实，并在一定的压力下，使第四系地层10原冻结造孔时受扰动松散层进一步密实，使浆液在井筒周围形成有效的封水帷幕，隔断第四系地层10上与第四系地层10下砂层水，第四系地层10下与基岩风化带之间的水力联系通道，稳定第四系地层10，并对裂缝处地层进行有效加固。使井筒与周围地层形成一个整体，井筒受到的地应力平衡一致。

在一个应用场景中，治理鲁南地区煤矿井筒30自上而下揭露地层分别为：第四系地层10、侏罗系地层20、二叠系地层、石炭系地层。其中，第四系地层10表土层厚度为123.5m，井筒上部296m段为冻结段。在实际探测中发现，井壁共有2处裂缝，第一处深度位于井口下120m处，第四系地层10底界面上3.5m。集中出水点有2处，目估约0.5m³/h，水源为第四系地层10下组砂层水；第二处深度位于井口下126m处，第四系地层10底界面下2.5m。井筒井壁渗水、漏水段位于井筒上口向下20至130m之间共有10处渗水、1处漏水，总水量约2.5m³/h。

井壁两处裂缝分别位于第四系地层10与基岩交界面附近，主要原因：一是井筒第四系地层10表土层与基岩交界面是一自然薄弱面。二是由于第四系地层10下组砂层向井筒内涌水造成含水层水位下降及土层固结沉降，导致井壁外侧的竖直附加力不断增大，使得井壁产生裂缝。三是该井筒冻结施工结束后，冻结段融化会在井壁壁后形成一定的空隙，成为导水通道，造成井壁不同位置所承受的动水压力不同，在井壁薄弱部位出现裂纹或开裂，特别容易出现在表土段与基岩段交界处。

井壁涌水特点为：一是涌水段基本都处于第四系地层10底部与基岩交界处；二是出水点大都位于井壁接茬处井壁裂缝处；三是部分井壁虽无明水点，但渗水面积比较大；四是治理重点段为120m及126m井壁裂缝地段。

在本发明一些可能的实施例中，第一孔段40、第二孔段50和第三孔段60的孔径依次递减；第一套管70的管径大于第二套管80的管径。

具体来说，本实施例提供了一种孔段孔径以及套管管径的实施方式，通过对井筒出水及裂缝的科学分析，提出了在地面钻孔自上而下的分段注浆方式对含水层进行封水治理方案。

在本发明一些可能的实施例中，浆液采用至少包括水泥、三乙醇胺和食盐的单液水泥浆；

其中，水泥的水灰比介于0.6:1至1:1之间；

三乙醇胺为水泥质量的0.5‰；

食盐为水泥质量的5‰的粉碎细盐。

具体来说，本实施例提供了一种浆液的实施方式。

在一个应用场景中，使用水泥567.75T，排浆消耗水泥5.4T。使用食盐2.84T，三乙醇胺284kg。井壁注浆工程共设计注入单液水泥浆684m³,实际完成注浆量757m³，完成设计量的110.7％，当第一孔段40数量为六个时，按照相对孔段分为一组，可以分为三组，第一组孔注入浆液279.04m³，完成设计量的40.8％。第二组孔注入浆液238m³，完成设计量的34.8％，第三组孔注入浆液239.96m³，完成设计量的35.1％。

在本发明一些可能的实施例中，向第二套管80和第三孔段60内注入浆液的过程中，若同时满足大于等于终压值2.5Mpa、注浆量小于等于100L/min，以及稳定时间不少于20min，则判定注浆过程符合要求。

具体来说，本实施例提供了一种判断注浆过程的实施方式，将第二套管80下入第二孔段50的注浆段顶界面，用水泥浆液固管，待凝固48小时后，钻进至设计的注浆深度，用清水冲洗钻孔，将注浆用的螺丝头和套管连接进行注浆。注前进行压水试验，每次注浆完毕，均应进行注后压水。注浆后待孔内余压消除即可将止浆塞从孔内起出。单液水泥浆注后扫孔时间一般为4至8h，复注间隔时间一般为20至24h。

需要说明的是，地面注浆后通过实地观测与注浆前对比，注浆前井壁出水点较多共有10处渗水点，1处涌水点，注浆后各渗水点及涌水点均被水泥浆液完全封堵，实现了有针对性的修复。对于可能发生破坏井筒的防护、已出现破坏现象井筒的修复治理及在煤矿井筒30的设计等都具有重要的理论参考价值和指导意义。

进一步地，根据该井筒出水及裂缝发展特点及状况，本次地面注浆加固堵水主要解决120m及126m处裂缝继续发展的问题，并使井筒运行得到有效的保障，地面注浆虽然工期时间较长，成本较高，但重在从根源上解决了井壁裂缝段的加固及井壁堵水问题。该方案在地面施工，具备施工条件，且施工环境、安全条件较好，可控可操作性强，只要严格控制注浆压力、注浆量，及时分析注浆参数，密切观测井壁情况，就可以实现井筒的修复。对鲁南地区煤矿井筒30出现漏水及裂缝的治理有重要的借鉴意义。

在一个应用场景中，采用稀泥浆作冲洗液，以携带岩粉、冷却钻具和保护孔壁。泥浆的主要成分是膨润土，添加剂主要有纯碱(添加量为膨润土用量0.5％至1.5％)，纤维素(添加量为膨润土用量的0.3％至0.5％)，腐植酸甲(添加量为膨润土用量的0.1％至0.3％)。泥浆的主要性能指标要求为：粘度18至25S，密度1.15至1.25t/m³，失水量≤5，含砂量≤4％，胶体率≥97％。注浆段钻进过程中，做好冲洗液消耗量观测等简易水文工作，并及时认真地填制钻探班报表。认真分析和记录钻进过程中岩石软硬状态和进尺快慢，分析水文地质条件和评价注浆效果。

在一个应用场景中，钻探设备包括：1、15.5mA型钻塔(配底盘)2套。2、TXJ-1000型钻机2台。3、NBB-250/5型泥浆泵2台。4、φ50×7mm钻杆350m。5、φ105×25mm导向管12m，φ159×51mm导向管10m。6、φ146×5mm无缝钢管650m(第一套管70)；φ108×4.5mm无缝钢管780m(第二套管80)。7、φ190mm(或φ215mm)三牙轮钻头3个，φ117.5mm三牙轮钻头6个(钢齿4个，镶齿2个)。8、其它配套设备、器具若干。

测斜定向设备包括：1、J2经纬仪2台。2、其它配套设备、器具若干。

制浆设备包括：1、立式搅拌机4台套(2套备用)。2、PW-60(或PW-100)型污水泵6台，20至30m³/h潜水泵4台。3、浆液性能测试仪器2套。4、其它配套设备、器具若干。

动力设备包括：1、与所需钻机、泥浆泵、注浆泵等相匹配的电动机、启动柜。2、其它配套设备、器具若干。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。