CN109989756A - 厚表土薄基岩钻井井筒突水溃砂的防治方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种厚表土薄基岩钻井井筒突水溃砂的防治方法，所述防治方法包括：“抛”，首先向突水溃砂的所述井筒内抛袋装石块或砖块，待水位上涨减慢或者稳定时，向突水溃砂的所述井筒内抛粒径为20～40mm的石碴；“注”，在突水溃砂的所述井筒的周围设置多个探注孔进行注浆并形成注浆帷幕；“冻”，在突水溃砂的所述井筒的周围设置若干冻结孔对突水溃砂的所述井筒周围的所述厚表土薄基岩实施冻结并形成冻结壁；“修”：对突水溃砂的所述井筒进行排水和清淤并对被破坏的所述井壁进行修复；“防”：在突水溃砂的所述井筒内套设所述内套井壁。该防治方法以修复、预防并重为原则，实现了破坏钻井井筒“长治久安”的目标，社会、经济效益显著。

Description

厚表土薄基岩钻井井筒突水溃砂的防治方法

技术领域

本发明涉及矿山建设领域，特别涉及厚表土薄基岩钻井井筒突水溃砂的防治方法。

背景技术

立井井筒是煤矿生产的咽喉，井筒安全对于矿井安全运营尤为重要。自1987年以来，在我国大屯、徐州、淮北、兖州、永夏等矿区就有100多个厚表土层矿井井筒发生破裂，少数井筒甚至是在运营之前就发生了破坏，井壁破裂灾害的突发性严重影响矿井生产，危及人员安全，造成的直接经济损失达数十亿元。

多年来，围绕上述井筒破损机理，国内有关高校和科研单位开展了大量的理论分析、试验验证和现场实测研究，并将引发井筒破裂的原因分为以下几种：

一是竖向附加力应力说。该理论认为：在深厚表土层中的含水层直接覆盖在煤系地层上或与煤系地层有密切水力联系的特定条件下，由于采矿活动等使含水层水位疏降,造成水位下降，土层中有效应力增大、固结压缩,引起上覆土体下沉。土体在沉降过程中与井壁相互作用，井壁外表面受到竖向附加力增长某一阈值时导致井壁发生破坏。我国黄淮地区地处深厚表土层的淮北、大屯、兖州矿区90％以上井筒破裂均属该原因。针对其破裂机理，目前已开发了井筒开槽卸压和地面注浆加固地层2种治理方法，其中以井筒开槽卸压法应用居多，并取得显著治理效果。

二是井筒施工荷载说。对于人工冻结法凿井井筒，其在施工过程中，外层井壁将承受冻结压力，内层井壁将先后承受温度应力和冻结壁解冻后的水压等施工荷载作用。如所遇地层为钙质厚粘土层，外层井壁将承受较大的不均匀冻结力，常致使外层井壁发生水平受压破裂。内层井壁因温度应力会引发其沿井筒竖向因受拉力作用，出现环向裂缝。对此，主要采用槽钢井圈临时加固外层井壁，壁间注浆加固外层井壁、封堵出水通道方法治理。

三是井筒下部基岩地层移动说。近年来，随着我国浅部煤炭资源的日益减少，导致我国的煤矿矿井相继进入深部开采状态，立井井筒需穿越深厚表土和薄基岩地层，特别是处于厚表土薄基岩地质条件下的钻井井筒，一但因下部位于薄基岩处的连接硐室群施工扰动，引起基岩地层移动变形，就会导致钻井井筒在各节井壁连接处发生受拉断裂，发生突水溃砂淹井重大事故。虽然该种井筒破坏事故较少发生，但因其大量水砂涌入井筒，引发地层沉降、井筒大范围拉断错位，井筒破坏程度高、修复治理难度极大，且国内外均没有类似技术与工程可供借鉴。因此，开展厚表土薄基岩地质条件下钻井井筒防治方法的研究与工程实践是一项极富挑战的开创性工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚表土薄基岩钻井井筒突水溃砂的防治方法，该防治方法用于防治或修复由于突水溃砂而破坏的井筒。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种厚表土薄基岩钻井井筒突水溃砂的防治方法，所述厚表土薄基岩由上到下依次为深厚表土层、风化基岩层和完整基岩层，所述完整基岩层分为基岩上部、基岩中部和基岩下部，突水溃砂的所述井筒穿越所述厚表土薄基岩，突水溃砂的所述井筒由上至下包括多节井壁，在所述井壁的上端设置有上法兰盘、下端设置有下法兰盘，相邻的两节所述井壁通过所述上法兰盘和所述下法兰盘连接并在所述上法兰盘和所述下法兰盘之间形成连接处，所述突水溃砂破坏是指当突水溃砂的所述井筒受拉断开时在若干所述法兰盘连接处形成环向的拉裂缝和/或在所述井壁上出现涌砂口，其特征在于，所述防治方法用于防治或修复由于突水溃砂而破坏的所述井筒，

所述防治方法包括“抛、注、冻、修、防”五个步骤：

1)所述的“抛”为抛填，首先向突水溃砂的所述井筒内抛袋装石块或砖块，待水位上涨减慢或者稳定时，向突水溃砂的所述井筒内抛粒径为20～40mm的石碴；

2)所述的“注”为地面注浆，在完成所述步骤1)后，在突水溃砂的所述井筒的周围设置多个探注孔，通过所述探注孔对所述厚表土薄基岩进行注浆并形成注浆帷幕；

3)所述的“冻”为扰动地层冻结，在完成所述步骤2)后，在突水溃砂的所述井筒的周围设置若干冻结孔，通过所述冻结孔对突水溃砂的所述井筒周围的所述厚表土薄基岩实施冻结并形成冻结壁；

4)所述的“修”为井壁修复：在完成所述步骤3)后，对突水溃砂的所述井筒进行排水和清淤并对被破坏的所述井壁进行修复；

5)所述的“防”为内套井壁：即在突水溃砂的所述井筒内沿突水溃砂的所述井筒全深自下而上套设所述内套井壁。

进一步地，在上述防治方法中，在所述步骤1)抛填中，所述石碴包括粒径为30～40mm的大粒径石子和粒径为20～30mm的小粒径石子，所述大粒径石子和所述小粒径石子由突水溃砂的所述井筒的底端到突水溃砂的所述井筒的顶端的方向依次交替分层抛填，每层所述大粒径石子和每层所述小粒径石子的厚度均为30～50m，所述石碴的最顶端高出所述拉裂缝对应的含水层上表面50～80m。

进一步地，在上述防治方法中，所述步骤2)扰动地层地面注浆包括如下步骤：

多个所述探注孔分别设置在所述突水溃砂的井筒的周围，所述探注孔的底端穿过所述风化基岩层进入所述完整基岩层，所述探注孔用于探测突水溃砂的所述井筒涌水后周围地层层位变化和注浆；每个所述探注孔与突水溃砂的所述井筒之间的距离为10～20m；在两个相邻的所述探注孔之间均设置有一个检查孔，对所述探注孔进行注浆后，利用所述检查孔能够检查所述探注孔的注浆效果，所述探注孔和所述检查孔均在以突水溃砂的井筒的中心为圆心的圆周上等距分布；优选地，在突水溃砂的所述井筒周围存在有多个邻近井筒，在所述邻近井筒靠近突水溃砂的所述井筒的一侧且距所述邻近井筒15～25m位置处设置一个验证孔，所述验证孔用于验证突水溃砂的所述井筒发生突水溃砂破坏时对所述邻近井筒的影响；优选地，所述探注孔设置有四个。

进一步地，在上述防治方法中，所述探注孔通过钻进和注浆交替进行的方式施工，所述探注孔内安装有注浆管，所述注浆管为多级套管结构；在所述深厚表土层的所述探注孔采用孔口无压自流式注浆，在所述风化基岩层和所述完整基岩层的所述探注孔采用在所述注浆管内拉塞式注浆。

进一步地，在上述防治方法中，通过所述探注孔进行注浆的注浆压力不超过受注点静水压力的2倍，边注浆边监测；注浆所用浆液的水灰比设置为1:1、0.8:1、0.6:1三级，注浆时根据注浆段地层压缩、漏失情况由上至下逐级提高，注浆量每级为200-300t。

进一步地，在上述防治方法中，所述步骤3)扰动地层冻结包括如下步骤：

所述扰动地层冻结通过设置在突水溃砂的所述井筒周围的冻结孔对突水溃砂的所述井筒穿过的深厚表土层、风化基岩层和完整基岩的基岩上部及基岩中部实施冻结；所述冻结孔围绕突水溃砂的所述井筒呈圆周排列，所述冻结孔在以突水溃砂的所述井筒的中心为圆心的圆周上等距分布，所述冻结孔设置有两圈，分别为内圈的冻结孔和外圈的冻结孔，所述内圈的冻结孔和所述外圈的冻结孔内均安装有冻结管，所述外圈的冻结孔到突水溃砂的所述井筒中心的距离大于所述内圈的冻结孔到突水溃砂的所述井筒中心的距离；两个相邻的所述内圈的冻结孔之间的距离为1～1.5m，两个相邻的所述外圈的冻结孔之间的距离为1～1.5m；所述内圈的冻结孔的底端延伸至所述基岩上部的底端，所述外圈的冻结孔的底端延伸至所述基岩中部内；在突水溃砂的所述井筒与所述内圈的冻结孔之间设置有多个水文卸压孔，所述水文卸压孔与所述内圈的冻结孔的深度相同，所述水文卸压孔用于监测所述冻结壁以及其释放的冻胀力；所述内圈的冻结孔采用正循环方式的局部冻结，所述外圈的冻结孔采用正循环方式的全深冻结；优选地，所述水文卸压孔设置有四个。

进一步地，在上述防治方法中，当所述拉裂缝的宽度Δ＜50mm时，所述步骤4)井壁修复包括如下步骤：

(1)清理所述拉裂缝内的填充物及所述法兰盘连接处的内缘焊缝；

(2)在所述拉裂缝内置入铁楔用以垫实所述拉裂缝，在所述拉裂缝靠近突水溃砂的所述井筒内部的边缘沿所述拉裂缝设置环向的环形钢筋并进行焊接，然后向所述拉裂缝内注入微膨胀水泥浆；

(3)在所述井壁的内侧壁上环向设置内层钢板，所述内层钢板覆盖所述拉裂缝且与相邻的两个所述井壁连接；

(4)在所述内层钢板和焊缝的外表面设置防腐层。

进一步地，在上述防治方法中，当所述拉裂缝的宽度Δ≥50mm时，所述步骤4)井壁修复包括如下步骤：

(1)清理所述拉裂缝内的填充物及所述法兰盘连接处的内缘焊缝；

(2)在所述拉裂缝靠近突水溃砂的所述井筒内部的边缘设置环形钢板，在所述环形钢板的外侧壁上设置多根第一锚筋，所述环形钢板分别与相邻的所述上法兰盘和所述下法兰盘连接，所述环形钢板上设置有若干个浇筑孔；

(3)利用若干个中的一部分所述浇筑孔向所述拉裂缝内浇筑与所述井壁同等级或者更高级的混凝土，浇注时留若干个中的另一部分所述浇筑孔作为出气孔，所述出气孔的设置能够确保混凝土浇注密实；

(4)对所述拉裂缝浇筑完成后，浇筑作为出气孔的若干个中的另一部分所述浇筑孔。

进一步地，在上述防治方法中，在所述井壁上形成涌砂口时，所述步骤4)井壁修复包括如下步骤：

(1)清除所述涌砂口附近的井壁；

(2)在所述涌砂口靠近突水溃砂的所述井筒外部的一端设置外环向钢板，然后在所述涌砂口内设置钢筋笼，在所述涌砂口靠近突水溃砂的所述井筒内部的一端设置内环向钢板，所述内环向钢板上靠近所述钢筋笼的侧壁上设置第一锚筋，所述内环向钢板上设置有若干个浇筑孔；

(3)利用若干个中的一部分所述浇筑孔向所述涌砂口内浇筑与井壁同等级或更高级的混凝土，浇注时留若干个中的另一部分所述浇筑孔作为出气孔，所述出气孔的设置能够确保混凝土浇注密实；

(4)对所述涌砂口浇筑完成后，浇筑作为所述出气孔的若干个中的另一部分所述浇筑孔。

进一步地，在所述步骤5)中：

所述内套井壁与破损的所述井壁形成复合井壁结构，所述内套井壁由突水溃砂的所述井筒的底端延伸至突水溃砂的所述井筒的顶端，在原井壁中为钢筋混凝土井壁层位的所述内套井壁为上段套壁，位于所述基岩上部到所述原钢筋混凝土井壁之间层位的所述内套井壁为中段套壁，位于所述基岩上部到所述井筒底端之间层位的所述内套井壁为下段套壁；所述上段套壁和所述下段套壁均为钢筋混凝土结构，所述中段套壁为内钢板混凝土结构，所述上段套壁和所述下段套壁内均匀设置有若干环向钢筋和若干竖向钢筋，所述中段套壁的内侧壁覆盖有内钢板，所述内钢板与所述中段套壁接触的侧面上设置有若干锚卡，所述锚卡由所述内钢板的表面延伸至所述中段套壁内；在所述上段套壁和所述中段套壁与所述井壁之间均设置有塑料板，在所述下段套壁与所述井壁之间设置有若干根第二锚筋，所述锚筋的一部分位于所述下段套壁内，所述第二锚筋的另一部分延伸至所述井壁内；优选地，所述第二锚筋沿所述井壁由上至下设置有若干圈且每圈设置有若干根，每圈相邻的两根所述第二锚筋的间距为800～1000mm，相邻的两圈的间距为800～1000mm，相邻的两圈的所述第二锚筋错开布置；优选地，所述第二锚筋的长度为600～800mm，所述第二锚筋向所述内套井壁内侧倾斜设置，所述第二锚筋与水平面所夹的锐角为30～60°。

分析可知，本发明公开一种厚表土薄基岩钻井突水溃砂的井筒突水溃砂的防治方法，该防治方法包括：以修复、预防并重为原则，按“抛、注、冻、修、防”五个步骤，依次实施突水溃砂的井筒防治，其中步骤1)“抛”为抛填，步骤2)“注”为地面注浆，步骤3)“冻”为扰动地层冻结，步骤4)“修”为井壁修复，步骤5)“防”为内套井壁。通过地面注浆加固地层并套设内套井壁，使地层得到了注浆加固且井壁结构强度得到提高，实现对破坏突水溃砂的井筒“长治久安”的目标。

本发明的技术方案填补目前尚无厚表土薄基岩钻井突水溃砂的井筒修复方法的空白，丰富了厚表土薄基岩钻井突水溃砂的井筒修复方法和理论，为今后的突水溃砂的井筒修复方法提供了借鉴。同时，避免了不当的修复方法造成对突水溃砂的井筒的次生破坏，极大地提高了深立井突水溃砂的井筒的强度和防水性能，并且大大降低施工风险，社会、经济效益显著。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的突水溃砂的井筒突水溃砂的防治方法的流程图。

图2为本发明一实施例的井壁结构示意图。

图3为本发明一实施例的施工抛填的突水溃砂的井筒的竖向截面示意图。

图4为本发明一实施例的施工地面注浆的突水溃砂的井筒及临近突水溃砂的井筒的横向截面示意图。

图5为本发明一实施例的施工扰动地层冻结的突水溃砂的井筒的横向截面示意图。

图6为本发明一实施例的施工扰动地层冻结的突水溃砂的井筒的竖向截面示意图。

图7为本发明一实施例的井壁在法兰盘连接处出现拉裂缝≤50mm时的修复示意图。

图8为本发明一实施例的具有内层钢板的井壁在法兰盘连接处出现的拉裂缝≤50mm时的修复示意图。

图9为本发明一实施例的井壁在法兰盘连接处出现的拉裂缝>50mm时的修复示意图。

图10为本发明一实施例的井壁出现涌砂口的修复示意图。

图11为本发明一实施例的上段套壁的横向截面示意图。

图12为本发明一实施例的上段套壁的立体示意图。

图13为本发明一实施例的中段套壁的横截面示意图。

图14为本发明一实施例的中段套壁的立体示意图。

图15为本发明一实施例的下段套壁的横向截面示意图。

图16为本发明一实施例的下段套壁的立体示意图。

附图标记说明：1深厚表土层；2风化基岩层；3完整基岩层；4基岩上部；5基岩中部；6井筒；7井壁；8上法兰盘；9下法兰盘；10法兰盘连接处；11拉裂缝；12涌砂口；13注浆管；14袋装石块或砖块；15大粒径石子；16小粒径石子；17含水层；18隔水层；19探注孔；20检查孔；21邻近井筒；22验证孔；23冻结孔；24内圈的冻结孔；25外圈的冻结孔；26冻结管；27铁楔；28环形钢筋；29微膨胀水泥浆；30内层钢板；31防腐层；32环形钢板；33第一锚筋；34浇筑孔；35混凝土；36外环向钢板；37钢筋笼；38内环向钢板；39第二锚筋；40环向钢筋；41竖向钢筋；42水文卸压孔；43锚卡；44内套井壁；45塑料板；46内钢板。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，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的具体含义。

如图1至图16所示，根据本发明的实施例，提供了一种厚表土薄基岩钻井井筒突水溃砂的防治方法，井筒6穿越厚表土薄基岩，井筒6属于大直径钻井井筒，井筒6的净直径为5～7米，井筒6为钢筯或内钢板的混凝土复合井壁结构，厚表土薄基岩由上到下依次为深厚表土层1(400米以深)、风化基岩层2和完整基岩层3，深厚表土层1底部通常有含水层17，含水层17上方和/或下方为隔水层18，完整基岩层3分为基岩上部4、基岩中部5和基岩下部。如图2所示，井筒6由上至下包括多节井壁7，多节井壁7由地面预制而成，每节井壁7长4.5～6.0米，在每个井壁7的上端设置有上法兰盘8、下端设置有下法兰盘9，相邻的两节井壁7的上法兰盘8和下法兰盘9通过镙栓加焊接连接并在上法兰盘8和下法兰盘9之间形成法兰盘连接处10，突水溃砂破坏是指井筒6自下而上在若干连接处10受拉断开，且部分受拉断开井壁7在涌水溃砂动水作用下，沿连接处10发生程度不一的水平错动，钻井突水溃砂的井筒6的各节井壁7多数在彼此连接法兰盘上下200mm左右处出现环向裂缝且有混凝土受压剥落。井筒6受拉断开时在若干法兰盘连接处10形成环向的拉裂缝11和/或在井壁7上出现涌砂口12，含水层17的水和含水层17的砂性土通过拉裂缝11或涌砂口12涌入突水溃砂的井筒6，在突水溃砂的井筒6内沉积大量砂性土，突水溃砂的井筒6内的水位与含水层17的静水位基本相同，该防治方法用于防治或修复由于突水溃砂而破坏的井筒6，如图1所示，该防治方法以修复、预防并重为原则，按“抛、注、冻、修、防”五个步骤，依次实施井筒综合治理防治：

1)“抛”为抛填：如图3所示，首先向突水溃砂的井筒6内抛袋装石块或砖块14，待水位上涨减慢或者稳定时，向突水溃砂的井筒6内抛粒径为20～40mm的石碴，抛填袋装石块、砖块和石碴能够防止突水溃砂的井筒6发生次生破坏；

2)“注”为地面注浆：在完成步骤1)后，在突水溃砂的井筒6的周围设置多个探注孔19，通过探注孔19对突水溃砂的井筒6周围的厚表土薄基岩进行注浆并形成注浆帷幕，注浆所形成的注浆帷幕能够提高深厚表土层1的密实性进而封堵水，改善风化基岩层2的力学特性并为扰动地层冻结提供条件，地面注浆能够对地层进行加固，同时对突水溃砂的井筒6的后续安全运营具有防护作用；

3)“冻”为扰动地层冻结：在完成步骤2)后，在突水溃砂的井筒6的周围设置若干冻结孔23，通过冻结孔23对突水溃砂的井筒6周围的厚表土薄基岩实施冻结并形成冻结壁，扰动地层冻结所形成的冻结壁能够进一步封堵水并对厚表土薄基岩进行加固，确保突水溃砂的井筒6修复安全；

4)“修”为井壁修复：在完成步骤3)后，对突水溃砂的井筒6进行排水和清淤并对被破坏的井壁7进行修复，井壁修复能够修复因突水溃砂而破坏的井壁7；

5)“防”为内套井壁：即在突水溃砂的所述井筒内沿突水溃砂的所述井筒全深自下而上套设所述内套井壁。

进一步地，在步骤1)抛填中，如图3所示，石碴包括粒径为30～40mm的大粒径石子15和粒径为20～30mm的小粒径石子16，根据设置在矿山工业广场内的突水溃砂的井筒6的地层含水层观察孔水位变化情况，大粒径石子15和小粒径石子16由突水溃砂的井筒6的底端到突水溃砂的井筒6的顶端的方向依次交替分层抛填，每层大粒径石子15和每层小粒径石子16的厚度均为30～50m，石碴的最顶端高出拉裂缝11对应的含水层17的上表面，石碴的最顶端与含水层17的上表面之间的距离H为50～80m，如发现所抛填的石碴下沉，应继续抛填石碴，直到水位上涨减慢或者稳定为止。

进一步地，步骤2)地面注浆以先探后注、探注结合、充填四含(充填四含与步骤1对应，即通过抛填能够防止突水溃砂的井筒发生次生破坏，四含即是厚表土最底部的含水层。)、加固基岩、控制注浆的原则进行注浆，包括如下步骤：

通过测定含水层17吸水量、注水试验及流量测井等工作，查明对应突水溃砂层位含水地层岩性变化，为确定地面注浆充填突水溃砂的含水层17、加固基岩设计参数提供依据。如图4所示，多个探注孔19分别设置在突水溃砂的井筒6的周围，优选地，探注孔19设置有四个。探注孔19的底端穿过风化基岩层2进入完整基岩层3，探注孔19用于探测突水溃砂的井筒6涌水后周围地层层位变化和注浆。每个探注孔19与突水溃砂的井筒6之间的距离R1为10～20m。在两个相邻的探注孔19之间均设置有一个检查孔20，对探注孔19进行注浆后，利用检查孔20能够检查探注孔19的注浆效果，探注孔19和检查孔20均在以突水溃砂的井筒6的中心为圆心的圆周上等距分布。通常在突水溃砂的井筒6周围存在有多个邻近井筒21，优选地，在邻近井筒21靠近突水溃砂的井筒6的一侧设置有一个验证孔22，验证孔22与邻近井筒21之间的距离R2为15～25m，优选地，验证孔22和与其相邻的邻近井筒21之间的距离为20m，验证孔22用于验证突水溃砂的井筒6发生突水溃砂破坏时对邻近井筒21的影响。

进一步地，由于突水溃砂的井筒6在发生突水溃砂的过程中，其周围的厚表土薄基岩受到严重扰动，在施工注浆时可能出现泥浆流失、埋钻、掉钻等现象，因此探注孔19通过钻进和注浆交替进行的方式施工，钻孔孔径由浅到深逐渐减小：如孔深0～300m的孔径为φ340mm；孔深300m—500m的孔径为φ215mm；孔深500m以上的孔径为φ130mm，探注孔19内安装有注浆管13，注浆管13为多级套管结构，即在钻进的过程中发现漏水则向探注孔19内安装一级注浆管13并进行地面注浆，地面注浆完成后再继续钻进，当再一次发现漏水则再一次向探注孔19内安装注浆管13且其直径小于上一级的注浆管13，通过注浆管13进行注浆；

在深厚表土层1内的探注孔19采用孔口无压自流式注浆(孔口无压自流式注浆即注浆孔的孔口无注浆压力，浆液在注浆层段通过自重液柱压力γh注入地层中，γ为浆液容重，h为注浆层段埋深)，在风化基岩层2和完整基岩层3内的探注孔19采用在注浆管内拉塞式注浆(拉塞式注浆是指注浆管内设置有止浆塞，通过止浆塞沿注浆管上下移动进行注浆)，单次注浆时间为24小时，其后若未到注浆设计压力则起钻重新下塞，直至其达到设计值。

进一步地，通过探注孔19进行注浆的注浆压力不超过受注点静水压力的2倍，边注浆边监测；注浆所用浆液的水灰比设置为1:1、0.8:1、0.6:1三级，注浆时根据注浆段地层压缩、漏失情况由上至下逐级提高，本着先稀后浓的原则，适时调整浆液配比，注浆量每级为200-300t；注浆所用浆液为水泥+三乙醇胺和工业盐注浆浆液水泥浆，注浆所用浆液中的灰料为改性水泥，改性水泥的成分为94.45mass％硅酸盐水泥+5mass％膨润土+0.05mass％三乙醇胺+0.5mass％工业盐。改性水泥的析水率低，结石率高，凝胶时间较短，结石体抗压强度高，抗渗性能强，并具有一定的抗冲刷能力等优点。

进一步地，步骤3)扰动地层冻结包括如下步骤：

所述扰动地层冻结通过设置在突水溃砂的所述井筒周围的冻结孔对突水溃砂的所述井筒穿过的深厚表土层、风化基岩层和完整基岩的基岩上部及基岩中部实施冻结；

如图5和图6所示，冻结孔23围绕突水溃砂的所述井筒6呈圆周排列，冻结孔23在以突水溃砂的井筒6的中心为圆心的圆周上等距分布，冻结孔23设置有两圈，分别为内圈的冻结孔24和外圈的冻结孔25，内圈的冻结孔24和外圈的冻结孔25内均安装有冻结管26，外圈的冻结孔25到突水溃砂的井筒6中心的距离R3大于内圈的冻结孔24到突水溃砂的井筒6中心的距离R4；两个相邻的内圈的冻结孔24之间的距离为1～1.5m，两个相邻的外圈的冻结孔25之间的距离为1～1.5m；内圈的冻结孔24的底端延伸至基岩上部4的底端，外圈的冻结孔25的底端延伸至基岩中部5内；在突水溃砂的井筒6与内圈的冻结孔24之间设置有多个水文卸压孔42，多个水文卸压孔42以突水溃砂的井筒6中心为圆心等距分布，优选地，水文卸压孔42设置有四个，水文卸压孔42的孔径为Φ150mm～Φ250mm，水文卸压孔42与内圈的冻结孔24的深度相同，水文卸压孔42用于监测冻结壁以及其释放的冻胀力；水文卸压孔42内安装有水文管，随着土体冻结程度的逐渐加深，周围土体产生的冻结导致水文管被压缩变形，同时进入水文管内的水体沿着导管被挤压至地面，实现监测冻结壁及释放冻胀压力的目的。

扰动地层冻结采用淹水冻结，使得井壁7处于三向受力状态，进而有效改善了既有突水溃砂的井筒6的受力状态。内圈的冻结孔24采用正循环方式(扰动地层冻结所采用的冻结液由冻结管内部的进液管流入，由冻结管与进液管之间的空间流出的方式为正循环方式)的局部冻结，外圈的冻结孔25采用正循环方式的全深冻结。全深冻结是指从地表到完整基岩层3都冻结。全深冻结能够使地表到完整基岩层3的地层得到充分冻结进而起到隔水的作用，冻结后的土层作为井壁清淤和井壁修复的措施工程，为施工提供安全保障。局部冻结只对突水溃砂的井筒6的涌水处进行冻结，局部冻结可以保护没有发生破坏的井壁7发生冻胀破坏。

进一步地，突水溃砂的井筒6不处理裂纹、裂缝和井壁7内表面剥皮破损井壁7；突水溃砂的井筒6仅发生水平错动的双层钢板混凝土井壁(主、风井)，沿水平错动交界面周圈焊接，焊缝高度为10mm；当拉裂缝11的宽度Δ＜50mm时，拉裂缝11的宽度是指拉裂缝的上边缘到下边缘之间的距离，即井壁接头(法兰盘连接处)上法兰盘和下法兰盘拉开的缝隙宽度。如图7和图8所示，步骤4)井壁修复包括如下步骤：

(1)清理拉裂缝11内的填充物及法兰盘连接处10的内缘焊缝；

(2)在拉裂缝11内置入铁楔27用以垫实拉裂缝11，在拉裂缝11靠近突水溃砂的井筒6内部的边缘沿拉裂缝11设置环向的环形钢筋28并进行焊接，然后向拉裂缝11内注入微膨胀水泥浆29，微膨胀水泥浆29的水灰比设置为1:1～0.6:1，微膨胀水泥浆29中灰料的成分为94mass％普通硅酸盐水泥+6mass％膨胀剂；

(3)如果井壁7为设置有锚卡43的内层钢板混凝土井壁或双层钢板混凝土井壁，则在井壁7的内侧壁上环向设置内层钢板30，内层钢板30覆盖拉裂缝11且与相邻的两个井壁7连接；

(4)对环形钢筋28的焊缝进行防腐处理，在井壁7的内侧壁上设置防腐层31，防腐层31覆盖拉裂缝11并与相邻的两节井壁7连接，如果井壁7的内侧壁上设置了内层钢板30，则将防腐层31设置在内层钢板30的外侧。

进一步地，当拉裂缝11的宽度Δ≥50mm时，如图9所示，步骤4)井壁修复包括如下步骤：

(1)清理拉裂缝11内的填充物及法兰盘连接处的内缘焊缝；

(2)在拉裂缝11靠近突水溃砂的井筒6内部的边缘沿拉裂缝11设置环形钢板32，在环形钢板32外侧壁上设置多根第一锚筋33，环形钢板32分别与相邻的上法兰盘8和下法兰盘9连接，环形钢板32上设置有若干个浇筑孔34；

(3)利用若干个中的一部分浇筑孔向拉裂缝11内浇筑与井壁7同等级或者更高级的混凝土35，优选地，浇筑C80高强细石混凝土。若干个浇筑孔34中的另一部分作为出气孔，作为出气孔的浇筑孔34能够确保混凝土35浇注密实；

(4)对拉裂缝11浇筑完成后，对作为出气孔的浇筑孔34进行浇筑。

进一步地，在井壁7上形成涌砂口12时，如图10所示，步骤4)井壁修复包括如下步骤：

(1)清除涌砂口12附近的井壁7；

(2)在涌砂口12靠近突水溃砂的井筒6外部的一端设置外环向钢板36，然后在涌砂口12内设置钢筋笼37，在涌砂口12靠近突水溃砂的井筒6内部的一端设置内环向钢板38，内环向钢板38上靠近钢筋笼37的侧壁上设置第一锚筋33，内环向钢板38上设置有若干个浇筑孔34；

(3)利用若干个中的一部分浇筑孔34向涌砂口12内浇筑与井壁7同等级或更高级的混凝土35，优选地，浇筑C80高强细石混凝土。浇注时留若干个中的另一部分所述浇筑孔作为出气孔，出气孔的设置能够确保混凝土浇注密实；

(4)对所述涌砂口浇筑完成后，浇筑作为出气孔的若干个中的另一部分所述浇筑孔。

进一步地，在步骤5)中，如图11至图16所示包括如下步骤：

对突水溃砂的井壁7不进行破除，不改变其原使用功能，在突水溃砂的井筒6内部设置内套井壁4，内套井壁44沿突水溃砂的井筒6全深自下而上套设在突水溃砂的井筒6内并与破损的井壁7形成复合井壁结构，内套井壁44由突水溃砂的井筒6的底端延伸至突水溃砂的井筒6的顶端，在原井壁中为钢筋混凝土井壁层位的内套井壁44为上段套壁，位于基岩上部4到原钢筋混凝土井壁之间层位的内套井壁44为中段套壁，位于所述基岩上部4到井筒底端之间层位的内套井壁44为下段套壁。(在本发明一实施例中，原突水溃砂的井筒累深375.2米以内的井壁7为钢筯混凝土井壁，累深375.2米～640米的井壁7为双层钢板混凝土复合井壁。)上段套壁和下段套壁均为钢筋混凝土结构，中段套壁为内钢板混凝土结构，上段套壁和下段套壁内均匀设置有若干环向钢筋40和若干竖向钢筋41，中段套壁的内侧壁覆盖有内钢板46，内钢板46与中段套壁接触的侧面上设置有若干锚卡43，锚卡43由内钢板46的表面延伸至中段套壁内。

在上段套壁和中段套壁与井壁7之间均设置有塑料板45，在下段套壁内设置有若干根第二锚筋39的一部分、第二锚筋39的另一部分延伸至井壁7内。

优选地，如图16所示，第二锚筋39沿井壁7由上至下设置有若干圈且每圈设置有若干根，每圈相邻的两根第二锚筋39的间距为800～1000mm，相邻的两圈的间距为800～1000mm，相邻的两圈的第二锚筋39错开布置。

优选地，如图16所示，第二锚筋39的长度为600～800mm，第二锚筋39向内套井壁44内侧倾斜设置，第二锚筋39与水平面所夹的锐角为30～60°。

第一锚筋33和第二锚筋39可以为同一种锚筋。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

该防治方法包括：以修复、预防并重为原则，按“抛、注、冻、修、防”五个步骤，依次实施突水溃砂的井筒6防治，其中步骤1)“抛”为抛碴，步骤2)“注”为地面注浆，步骤3)“冻”为扰动地层冻结，步骤4)“修”为井壁修复，步骤5)“防”为内套井壁。通过地面注浆加固地层并套设内套井壁44，使地层得到了注浆加固且井壁7结构强度得到提高，实现对突水溃砂的井筒6“长治久安”的目标。

本发明的技术方案填补目前尚无厚表土薄基岩钻井突水溃砂的井筒6修复方法的空白，丰富了厚表土薄基岩钻井突水溃砂的井筒6修复方法和理论，为今后的突水溃砂的井筒6修复方法提供了借鉴。同时，避免了不当的修复方法造成对突水溃砂的井筒6的次生破坏，极大地提高了深立井突水溃砂的井筒6的强度和防水性能，并且大大降低施工风险，社会、经济效益显著。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种厚表土薄基岩钻井井筒突水溃砂的防治方法，所述厚表土薄基岩由上到下依次为深厚表土层、风化基岩层和完整基岩层，所述完整基岩层分为基岩上部、基岩中部和基岩下部，突水溃砂的所述井筒穿越所述厚表土薄基岩，突水溃砂的所述井筒由上至下包括多节井壁，在所述井壁的上端设置有上法兰盘、下端设置有下法兰盘，相邻的两节所述井壁通过所述上法兰盘和所述下法兰盘连接并在所述上法兰盘和所述下法兰盘之间形成连接处，所述突水溃砂破坏是指当突水溃砂的所述井筒受拉断开时在若干所述法兰盘连接处形成环向的拉裂缝和/或在所述井壁上出现涌砂口，其特征在于，所述防治方法用于防治或修复由于突水溃砂而破坏的所述井筒，

所述防治方法包括抛、注、冻、修、防五个步骤：

1)所述的抛步骤为抛填，首先向突水溃砂的所述井筒内抛袋装石块或砖块，待水位上涨减慢或者稳定时，向突水溃砂的所述井筒内抛粒径为20～40mm的石碴；

2)所述的注步骤为地面注浆，在完成所述步骤1)后，在突水溃砂的所述井筒的周围设置多个探注孔，通过所述探注孔对所述厚表土薄基岩进行注浆并形成注浆帷幕；

3)所述的冻步骤为扰动地层冻结，在完成所述步骤2)后，在突水溃砂的所述井筒的周围设置若干冻结孔，通过所述冻结孔对突水溃砂的所述井筒周围的所述厚表土薄基岩实施冻结并形成冻结壁；

4)所述的修步骤为井壁修复：在完成所述步骤3)后，对突水溃砂的所述井筒进行排水和清淤并对被破坏的所述井壁进行修复；

5)所述的防步骤为内套井壁：即在突水溃砂的所述井筒内沿突水溃砂的所述井筒全深自下而上套设所述内套井壁。

2.根据权利要求1所述的防治方法，其特征在于，

在所述步骤1)抛填中，所述石碴包括粒径为30～40mm的大粒径石子和粒径为20～30mm的小粒径石子，所述大粒径石子和所述小粒径石子由突水溃砂的所述井筒的底端到突水溃砂的所述井筒的顶端的方向依次交替分层抛填，每层所述大粒径石子和每层所述小粒径石子的厚度均为30～50m，所述石碴的最顶端高出所述拉裂缝对应的含水层上表面50～80m。

3.根据权利要求1所述的防治方法，其特征在于，

所述步骤2)扰动地层地面注浆包括如下步骤：

多个所述探注孔分别设置在所述突水溃砂的井筒的周围，所述探注孔的底端穿过所述风化基岩层进入所述完整基岩层，所述探注孔用于探测突水溃砂的所述井筒涌水后周围地层层位变化和注浆；

每个所述探注孔与突水溃砂的所述井筒之间的距离为10～20m；

在两个相邻的所述探注孔之间均设置有一个检查孔，对所述探注孔进行注浆后，利用所述检查孔能够检查所述探注孔的注浆效果，所述探注孔和所述检查孔均在以突水溃砂的井筒的中心为圆心的圆周上等距分布；

优选地，在突水溃砂的所述井筒周围存在有多个邻近井筒，在所述邻近井筒靠近突水溃砂的所述井筒的一侧且距所述邻近井筒15～25m位置处设置一个验证孔，所述验证孔用于验证突水溃砂的所述井筒发生突水溃砂破坏时对所述邻近井筒的影响；

优选地，所述探注孔设置有四个。

4.根据权利要求3所述的防治方法，其特征在于，

所述探注孔通过钻进和注浆交替进行的方式施工，所述探注孔内安装有注浆管，所述注浆管为多级套管结构；

在所述深厚表土层的所述探注孔采用孔口无压自流式注浆，在所述风化基岩层和所述完整基岩层的所述探注孔采用在所述注浆管内拉塞式注浆。

5.根据权利要求3所述的防治方法，其特征在于，

通过所述探注孔进行注浆的注浆压力不超过受注点静水压力的2倍，边注浆边监测；

注浆所用浆液的水灰比设置为1:1、0.8:1、0.6:1三级，注浆时根据注浆段地层压缩、漏失情况由上至下逐级提高，注浆量每级为200-300t。

6.根据权利要求1所述的防治方法，其特征在于，

所述步骤3)扰动地层冻结包括如下步骤：

所述扰动地层冻结通过设置在突水溃砂的所述井筒周围的冻结孔对突水溃砂的所述井筒穿过的深厚表土层、风化基岩层和完整基岩的基岩上部及基岩中部实施冻结；

所述冻结孔围绕突水溃砂的所述井筒呈圆周排列，所述冻结孔在以突水溃砂的所述井筒的中心为圆心的圆周上等距分布，

所述冻结孔设置有两圈，分别为内圈的冻结孔和外圈的冻结孔，所述内圈的冻结孔和所述外圈的冻结孔内均安装有冻结管，所述外圈的冻结孔到突水溃砂的所述井筒中心的距离大于所述内圈的冻结孔到突水溃砂的所述井筒中心的距离；

两个相邻的所述内圈的冻结孔之间的距离为1～1.5m，两个相邻的所述外圈的冻结孔之间的距离为1～1.5m；所述内圈的冻结孔的底端延伸至所述基岩上部的底端，所述外圈的冻结孔的底端延伸至所述基岩中部内；

在突水溃砂的所述井筒与所述内圈的冻结孔之间设置有多个水文卸压孔，所述水文卸压孔与所述内圈的冻结孔的深度相同，所述水文卸压孔用于监测所述冻结壁以及其释放的冻胀力；

所述内圈的冻结孔采用正循环方式的局部冻结，所述外圈的冻结孔采用正循环方式的全深冻结；

优选地，所述水文卸压孔设置有四个。

7.根据权利要求1所述的防治方法，其特征在于，

当所述拉裂缝的宽度Δ＜50mm时，所述步骤4)井壁修复包括如下步骤：

(1)清理所述拉裂缝内的填充物及所述法兰盘连接处的内缘焊缝；

(2)在所述拉裂缝内置入铁楔用以垫实所述拉裂缝，在所述拉裂缝靠近突水溃砂的所述井筒内部的边缘沿所述拉裂缝设置环向的环形钢筋并进行焊接，然后向所述拉裂缝内注入微膨胀水泥浆；

(3)在所述井壁的内侧壁上环向设置内层钢板，所述内层钢板覆盖所述拉裂缝且与相邻的两个所述井壁连接；

(4)在所述内层钢板和焊缝的外表面设置防腐层。

8.根据权利要求1所述的防治方法，其特征在于，

当所述拉裂缝的宽度Δ≥50mm时，所述步骤4)井壁修复包括如下步骤：

(1)清理所述拉裂缝内的填充物及所述法兰盘连接处的内缘焊缝；

(2)在所述拉裂缝靠近突水溃砂的所述井筒内部的边缘设置环形钢板，在所述环形钢板的外侧壁上设置多根第一锚筋，所述环形钢板分别与相邻的所述上法兰盘和所述下法兰盘连接，所述环形钢板上设置有若干个浇筑孔；

(3)利用若干个中的一部分所述浇筑孔向所述拉裂缝内浇筑与所述井壁同等级或者更高级的混凝土，浇注时留若干个中的另一部分所述浇筑孔作为出气孔，所述出气孔的设置能够确保混凝土浇注密实；

(4)对所述拉裂缝浇筑完成后，浇筑作为出气孔的若干个中的另一部分所述浇筑孔。

9.根据权利要求1所述的防治方法，其特征在于，

在所述井壁上形成涌砂口时，所述步骤4)井壁修复包括如下步骤：

(1)清除所述涌砂口附近的井壁；

(2)在所述涌砂口靠近突水溃砂的所述井筒外部的一端设置外环向钢板，然后在所述涌砂口内设置钢筋笼，在所述涌砂口靠近突水溃砂的所述井筒内部的一端设置内环向钢板，所述内环向钢板上靠近所述钢筋笼的侧壁上设置第一锚筋，所述内环向钢板上设置有若干个浇筑孔；

(3)利用若干个中的一部分所述浇筑孔向所述涌砂口内浇筑与井壁同等级或更高级的混凝土，浇注时留若干个中的另一部分所述浇筑孔作为出气孔，所述出气孔的设置能够确保混凝土浇注密实；

(4)对所述涌砂口浇筑完成后，浇筑作为所述出气孔的若干个中的另一部分所述浇筑孔。

10.根据权利要求1所述的防治方法，其特征在于，

在所述步骤5)中：

所述内套井壁与破损的所述井壁形成复合井壁结构，所述内套井壁由突水溃砂的所述井筒的底端延伸至突水溃砂的所述井筒的顶端，在原井壁中为钢筋混凝土井壁层位的所述内套井壁为上段套壁，位于所述基岩上部到原钢筋混凝土井壁之间层位的所述内套井壁为中段套壁，位于所述基岩上部到所述井筒底端之间层位的所述内套井壁为下段套壁；

所述上段套壁和所述下段套壁均为钢筋混凝土结构，所述中段套壁为内钢板混凝土结构，所述上段套壁和所述下段套壁内均匀设置有若干环向钢筋和若干竖向钢筋，所述中段套壁的内侧壁覆盖有内钢板，所述内钢板与所述中段套壁接触的侧面上设置有若干锚卡，所述锚卡由所述内钢板的表面延伸至所述中段套壁内；

在所述上段套壁和所述中段套壁与所述井壁之间均设置有塑料板，在所述下段套壁与所述井壁之间设置有若干根第二锚筋，所述锚筋的一部分位于所述下段套壁内，所述第二锚筋的另一部分延伸至所述井壁内；

优选地，所述第二锚筋沿所述井壁由上至下设置有若干圈且每圈设置有若干根，每圈相邻的两根所述第二锚筋的间距为800～1000mm，相邻的两圈的间距为800～1000mm，相邻的两圈的所述第二锚筋错开布置；

优选地，所述第二锚筋的长度为600～800mm，所述第二锚筋向所述内套井壁内侧倾斜设置，所述第二锚筋与水平面所夹的锐角为30～60°。