水灾防治(第7章)

矿井水灾防治第七章

立井井筒地面预注浆第一节概述地面预注浆法就是在立井井筒未开挖之前或是开挖一段之后因井筒涌水量增大而停止掘进，围绕井筒从地面钻进若干个注浆孔到含水层中，通过注浆机具经钻孔将配制好的浆液向含水层里注浆，浆液在岩土的裂隙或孔隙中，经渗透、扩散和凝固、充塞，在井筒四周形成具有一定强度的，不透水的圆形隔水帷幕，保护井筒开凿不受穿过含水层的威胁；经检查达到裂隙岩层堵水或加固松散地层标准后，再进行井筒掘砌的一种施工方法。地面预注浆法工艺流程如图7-1所示。911315161713141010857462112图7-1注浆工艺流程1—注浆孔；2—止浆塞；3—混合器；4—水泥搅拌机；5—放浆阀；6—水泥吸浆池；7—水玻璃吸浆池；8—水泥注浆泵；9—水玻璃注浆泵；10—液力变矩器；11—输浆管；12—注浆管；13—流量计；14—信号线；15—钻塔；16—环形道；17—注浆孔位地面预注浆法适用条件：1．井筒穿过的含水层厚度大且距地表较近（80～300m），或含水层厚度不大但层数多并与不透水层互层，预计井筒涌水量超过100m3/h以上。2．钻机钻探能力能够达到，经技术、经济方案认为比较合理。有些矿井，在第四纪冲积层厚度较大、裂隙含水岩层离地表较深的条件下，首先采用地面预注浆的方法封堵岩石裂隙水，然后采有冻结法通过冲积层。例如开滦东欢坨主井与副井、钱家营主井与副井和三河煤矿主井，就是采用这种施工方法。

优点是施工安全可靠，不占建井工期，井筒的掘砌工作可以连续进行，速度快；缺点是钻孔工程量大，对钻孔施工技术和注浆设备能力要求高。第二节施工方案选择立井含水层特殊施工方法的方案，一般在矿井施工组织设计中要作重点的描述，是否采用含水岩层地面预注浆，一般应作技术、经济分析和探讨，其分析有外比法和内比法两种。一、外比法外比法就是地面预注浆和冻结法、钻井法、沉井法、混凝土帷幕法等特殊凿井方法进行比较。其内容多在立井施工的含水冲积层和基岩风化带深度内进行，其技术分析各有优缺点，具体应用要根据不同水文地质条件择优选择，在技术上地面预注浆除厚层流沙施工有较大难度外，其他的水文地质条件地面预注浆均占有较多的优势。经济方面、由于地面预注浆具有设备简单，动力少，较之其他特殊施工方法有较多优点。一般认为，在深厚冲积层含水层中多采用冻结法或钻井法施工，这些方法在技术上虽可行，安全可靠，但成本高，费用大。二、内比法内比法就是注浆法本身的比较，预注浆是从立井工作面预注还是从地面钻孔预注，须根据具体的水文地质条件和施工技术条件进行两种方法技术比较后方能确定。（一）施工技术比较主要优点：①全部工作在地面进行，工作条件好，效率高，钻进速度决。②钻孔和注浆工作可在井筒开始掘进前进行，不影响工程进度，可连续施工。③使用大型钻机，注浆孔径加大，钻孔可以交叉更多的含水层裂缝，提高了充塞效果。④不须修筑止水垫或留设保护岩柱，避免了注浆时发生止水垫跑浆等情况。主要缺点：①在注浆过程中灰浆消耗量一般较大。②注浆套管容易被灰浆胶结，工程结束时较难起拨。③钻孔工程量较大，占用设备较多，钻孔容易偏斜。④灰浆有时会从固管段外返出地表，造成注浆工作停顿，注浆技术要求较高。1.地面预注浆（一）施工技术比较主要优点：①注浆在掘进工作面分段进行，上分段注浆后进行掘砌，再进行下分段注浆，对注浆效果掌握的比较清楚。②可用小型的钻眼工具及注浆设备，相应布置比较简单。③可以直接注含水岩层，钻眼工程量小，灰浆消耗较小。主要缺点：①钻孔、注浆在掘进工作面进行，难于使用高效率的钻进设备，钻孔直径、深度均受到限制。②由于工作面窄小，注浆与掘进不能平行进行，会延长井筒掘进时间。③注浆段含水层上部往往没有坚固的能承受注浆压力的隔水层，须构筑混凝土止水垫，施工较复杂，质量不易保证。２.工作面预注浆（二）经济费用比较地面预注浆及工作面预注浆两种方案的注浆工程费用比较，并采取费用较低的一个。由于预注浆是隐蔽工程，迄今计划计算费用的公式往往与实际相差较大，特别是工作面预注浆取费标准与范围更加复杂。（三）方案比较通过施工技术与费用比较，选择施工技术先进、安全可靠、经济合理的注浆方案。由此可知，注浆堵水工作选择在地面或是在井筒工作面进行，关键取决于井筒含水层的赋存条件，如果需注的含水层巨厚或是相邻多层含水层组，地面进行预注浆比较经济合理，当含水层距地表很深又是单一的含水层时，选用工作面预注浆较为适宜。由于地面预注浆优点突出，随着钻孔注浆技术的不断改进，注浆方法和材料的不断革新，地面预注浆发展较快，不但用于立井井筒预注浆，而且用于被淹没矿井或采区恢复注浆，堵水截流注浆以及基础加固预注浆等，使用日益广泛。第三节注浆孔的布置注浆孔的数目是根据岩石裂隙的大小、裂隙分布条件、井筒断面和注浆的能力等因素来确定。注浆钻孔一般按同心圆等距离布置，分井外布孔和井内布孔两种情况，一般可用下列经验公式计算：N=

注浆孔数目，个；井筒荒径，m；注浆孔至井筒荒径的距离，一般取为0±1.5m；注浆孔间距，m，一般选择为3.0～5.0m。

注浆孔数一般为6～8个。

注浆钻孔一般按同心圆等距离排列；也有少数在来水方向布孔密一些。

注浆孔的数目和注浆孔的都置、对注浆效果、注浆时间、注浆成本影响较大。布孔的原则要考虑地表孔口的间距，注意受注层位形成的实际注浆帷幕厚度。

帷幕注浆一般使用于表土砂砾石层、流砂层及直接于表土接触的含水基岩风化带中，这些地层为了堵住涌水，需增加注浆孔数，缩小单孔控制范围，使井筒含水层周围密布水泥条带，这样一方面将砂土挤聚，减少其透水性，另一方面可起骨架作用，增加抗压性能。

注浆孔的布置有单环和双环两种。第四节注浆方式和注浆段高一、注浆方式注浆方式是指浆液的压注形式和压注浆液的顺序。（一）根据浆液的压注形式不同注浆方式可分为压入式和循环式。1.压入式注浆压入式注浆就是借助注浆泵所形成的压力和浆柱本身的压力，把浆液直接压入注浆孔含水层中充塞裂隙。这种注浆方式因其注浆速度快、压力高、浆液填塞致密、结石体强度高、容易注入到细小裂隙中，而被广泛采用。2.循环式注浆循环式注浆就是向钻孔里输送的多余的浆液在注浆孔和供浆桶之间循环流动，如图7-2所示。钻孔注浆装置复杂（见图7-3），需要一套注浆管和回浆管。鸡西河北立井采用循环注浆时，是在孔口注浆器上安一个回浆管（见图7-4），注浆中多余浆液由注浆孔经回浆管返至贮浆池。图7-2循环注浆法浆液流动系统图1－注浆孔；2－注浆泵；3-浆液搅拌机；4－压浆管路；5－回浆管路；6－吸浆管路81345267图7-3循环式注浆法1—进浆管；2—回浆管；3—升降螺母；4—压盖；5—密封盘根；6—卡瓦；7—花盆；8—止浆塞；图7-4用套管作回浆管的循环注浆法1—进浆压力表；2—进浆管；3—压盖；4—密封盘根；5—回浆压力表；6—密封器；7—回浆管；8—套管；9—注浆管1524Pm/p0≥xc/x（空气中）

xc≥x（a）砂类土中；（b）粘性土中循环式注浆，浆液可以恒压注入，不为岩层裂隙所吸收的多余灰浆又沿回浆管路返回重新压入浆液搅拌机，以便重复使用。注浆方式一般分为：全段一次注浆分段注浆1.全段一次注浆全段一次注浆是将注浆孔打到终深以后，进行全孔一次注浆。（二）按注浆的分段关系分段注浆，分为：分段下行、分段上行适用范围：该方法仅适用于含水层厚度不大、离地表又近，单一含水层、厚度集中，岩质比较均匀、稳定的含水层。优点：一次钻孔，一次完成注浆工作，钻进工程量小，不须重复钻孔，以减少安设、起拔止浆塞和其他辅助工序的时间，注浆施工进度快，操作较简单。缺点：①对于井筒穿过几个含水层或巨厚含水层，其各层裂隙率和吸浆能力均不同的情况下，很难达到应有的注浆质量；②采用同样的注浆压力注几个含水层，浆液将流向阻抗最小的大裂隙中去，而且扩散很远，相反裂隙小的岩层，浆液则扩散很近，其结果是大裂隙被注实，细裂隙充塞深度浅，而这个深度不足以抵挡住地下水的压力，其涌水将破坏并冲出裂隙中的注浆材料，结果会产生较大的剩余水量。2.分段下行式注浆分段下行式（自上而下）注浆，即从地面钻孔到含水层开始，由此向下，钻一段孔，注一段浆，钻孔与注浆工作反复交替进行，直至全深。优点：①在钻进下段含水层注浆孔时能保证上部含水层水不沿钻孔渗漏；②地面压浆工作较简单，可以不用注浆管和止浆塞；③能保证各含水层岩层不同裂隙和吸浆能力分别注浆，注浆质量较有保证；④在纵向裂隙发育的岩层中和岩石破碎的条件下，止浆塞能起到可靠的止浆效果。缺点：①在松软易塌孔的岩层里，注浆钻孔施工困难；②下段注浆前须在上段灰浆凝固后进行，钻孔与注浆之间有较长停顿时间，注浆工期较长；③扫孔工作量大。3.分段上行式注浆注浆孔一次钻进到注浆终深，安设套管，从下向上注浆，为避免浆液向上面流动，在套管和岩壁间用止浆塞隔离，每段注好后，将套管向上提一分段，随即开始上分段注浆。优点：①对裂隙率和吸浆能力不同的含水层能分别注浆，注浆质量较好；②对已注浆段不必进行扫孔，钻孔利用率较高，注浆进度快。缺点：①每段注浆结束要提升注浆管及止浆塞，使注浆工作复杂化；②止浆塞有时难于防止浆液上溢，套管与岩石胶结起拔套管难度较大。适用范围：该法适用于各含水层裂隙率和吸浆率不同的多含水层、赋水性较弱的坚硬岩层且纵向裂隙不发育，以深井注浆时最为适宜。4.综合分段注浆一种自上而下与自下而上相结合的注浆方法。在深孔注浆中，可把全孔分成几个综合段，每个综合段包含有几个注浆段。从全孔施工看，以综合段为单元，注浆是自上而下的，但在每个综合段内则注浆又是自下而上的。总之，为了保证注浆质量，提高堵水效果，实际多采用分段下行式注浆，由于全段一次注浆较分段注浆简易得多，可优先采用。二、注浆段高井底处在含水岩层，注浆深度应超过井深10m；含水层在立井设计深度之上，钻孔终孔深度应超过含水层底板10m。当井筒穿过若干个含水层，应对井筒穿过的岩层全部注浆。（一）注浆深度（二）注浆段高注浆段高愈大则钻孔与注浆工序的重复次数愈少，工期愈短，但注浆段高太大，难以保证注浆质量；注浆段高过小，其工序较多，时间较长。注浆段高大小的经验数据：①含水砂层化学注浆，其范围为0.4～1m。②裂隙岩层的注浆段高，主要根据含水层特征确定。其参数选择如表7-1。表7-1裂隙岩层注浆段高裂隙含水层特征裂隙宽度/mm0.3～33～66～13＞13裂隙等级细裂隙中裂隙大裂隙破碎地层常用段高/m初注段高40～6030～4010～304～10复注段高50～10040～503030注：复注段高是指初注至终孔后，再由下向上进行分段复注的段高。选择注浆段高时，应考虑以下原则：注浆段高应与注浆泵的供浆能力相适应，泵量小，段高宜小，以保证浆液有足够的扩散半径；考虑地层状态，只有裂隙性相同、距离相近的岩层或岩层的吸浆能力近似，才能划分在同一段高内，以保证浆液的均匀扩散。第五节注浆工艺及其作业注浆工艺及作业是立井地面预注浆关键工作。注浆工艺流程主要指注浆方案、施工方法以及注浆工作全过程的作业程序和作业要领，包括:注浆方案选择、注浆方式、注浆孔布置、注浆深度和段高的选取、注浆参数的确定和注浆效果的评价等。粘土水泥浆工艺流程：①高压大流量泥浆泵喷枪射流搅拌制备粘土浆②大流量泥浆泵向一次搅拌机输送粘土浆③人工加水泥及定量清水连续进行第二次搅拌④注浆泵吸入粘土水泥浆⑤吸浆管内注入定量添加剂⑥浆液经泵体输浆管、钻杆混合搅拌成CL-C型粘土水泥浆注入岩层裂隙中。注浆工艺中的关键技术：一、钻孔施工（一）钻场的布置与钻机安装图7-6钻场及环形道布置1—钻塔底盘；2—枕木；3—环形轨道；4—泥浆沟槽（i=1/50）；5—灰土盘；6—注浆孔位置542A—A1A346A2345修筑钻场作业平台，如图7-6所示。（二）注浆孔结构注浆孔的结构是指钻孔由开孔至整个注浆深度的换径次数和孔径变化，如图7-7所示。地面套管基岩面钻孔孔口管φ108φ146φ219图7-7钻孔结构10m≥6m注浆孔通过冲积层的孔径为:146～159mm注浆段的孔径一般为:89～108mm。注浆导向管埋没深度为:6～10m导向管方向准确、水泥胶结坚固。

注浆孔穿过冲积层时，要安设套管。套管的深度与固结是在孔口导向管固定后，按封闭含水层的深度不同，确定套管安设深度。（三）注浆孔钻进1.钻机：TXB-1000A型钻、DZJ-500-1000型冻注两用钻机。每个井筒使用2～3台钻机同时施工。2.钻具：包括钻头、岩芯管、加重钻链和钻杆。3.注浆孔钻进4.扫孔5.钻孔的偏斜及其测量二、注浆参数注浆参数主要包括：注浆压力注浆时间浆液有效扩散半径浆液流量和浆液注入量浆液起始浓度凝胶时间等。（一）注浆压力1.裂隙岩层地面预注浆（1）根据埋藏深度计算注浆终压注浆深度每增加10m，注浆压力增加0.2MPa左右。注浆压力可依下式计算：

Pz＝KHd

（7-12）式中Hd―注浆分段底板到地面的高度，m；

K―由深度决定的注浆压力系数，见表7-2。用于裂隙岩石注浆的经验公式：Pz＝0.023Hd＋0.031Hd（Hd/30＋Hd1/2/10.8）（7-13）表7-3注浆压力选择表含水层赋存深度/m50100200300400500600700注浆压力/MPa1.0～2.03.0～4.05.0～6.07.0～9.010～1213～1415～1718～20（2）综合注浆法注浆压力随含水层赋存深度变化按表选取。2.含水砂层地面预注浆

含水砂层应用预注浆技术，按公式（7-12）计算注浆压力时，K值可取表7-2中注浆深度＜200m的数值。在流砂层中使用化学浆液，允许采用注浆压力比静水压力大0.3～0.5MPa。在粗砂或砾石层中，采用低压注入可注性好的浆液；在细砂层中，则应先作低压注浆，以保证浆液渗透均匀，后期再提高压力，使有效扩散半径达到预期的范围。（二）浆液扩散范围浆液在岩石裂隙中扩散凝结后，能起到堵水或加固作用的范围，通常用扩散半径来表示。注浆过程中，浆液的扩散半径随着岩层渗透系数、裂隙宽度与沟通状况、注浆压力、注入时间的增加而增大；随着浆液浓度和粘度的增加而减小。（三）浆液注入量浆液注入量又称为浆液单位注入量，系指一个注浆孔单位时间内注入的浆液体积。（四）浆液浓度水泥浆浓度的水灰比为0.5：l0.75：10.8：11：11.25：12：1尽量采用高压浓浆，以缩短注浆时间，加快工程进度，获得良好的堵水效果。采用水泥-水玻璃双液注浆时，水泥浆的水灰比一般用五个比级。0.6∶10.8∶11∶11.25∶11.5∶1（五）浆液凝胶时间浆液的凝胶时间长短直接影响注浆时间，必须根据受注地层的具体条件确定。（六）注浆时间注浆的时间根据注浆结素标准而定（定压或定量）。（七）注浆结束标准与注浆效果各注浆孔段结束注浆的标准，主要用两个指标来衡量：最终吸浆量，即注浆结束时的允许吸浆量（定量注浆）；注浆终压并有一定的延续时间（定压注浆）。①注浆结束标准采用水泥浆液注浆，当注浆压力达到终压及注入量达到50～60L/min时，并保持稳定20～30min；采用水泥-水玻璃双液注浆，当注浆压力达到终压及注入量达到100～120L/mim时，并持续稳定10～15min。②注浆效果注浆段剩余漏水量不大于4～6m3/h。三、注浆作业操作顺序：图7-8注浆泵的试运转高压阀门2回浆阀1注浆泵输浆管液力变矩器电动机下止浆塞至最佳位置组装止浆塞接通输浆管启动注浆泵压水试验开始注浆调整注浆浓度及压力搅拌注浆浆液单孔单段达到注浆结束标准注入清水关闭井口转心阀清洗输浆管路及全部注浆设备孔内无压后提升止浆塞进入下一注浆程序（一）注浆设备的试运转

（二）钻孔的清洗与简易压水

（三）止浆塞的安设（四）注浆施工①制备水泥浆。②注浆过程中，要配备备用泵，保证连续注浆，并及时检修出现故障的注浆泵。③注浆过程中，要经常观测并及时记录吸浆量或排浆量（即流量）及用料数量和注浆压力的变化情况，以便分析、判断注浆效果。④正常情况下，一期注浆孔主要是封堵大裂隙，二期注浆孔进一步封堵中小裂隙，因此注浆时，注好前期的几个注浆孔，使之达到注浆结束标准是整个注浆工程的关键。⑤重复注浆（简称复注），每段经第一次注浆后，有些裂隙未必全部封堵，甚至细小裂隙尚未进浆，必须再经复注才能达到注浆结束标准。复注的间隔时间，一般为18～24h。复注的方式，多采用分段下行式。⑥岩帽段预注单一水泥浆时，一旦地表鼓裂或出现冒浆，立即停止注浆，在高浆液中添加10％的BR增强防水剂，继续灌注，待冒浆点冒出水泥浆后随即关泵停注确保岩帽注浆封堵质量。⑦注浆结束后，应压入一定量的清水，把管路中的浆液全部压入裂隙中。四、注浆质量监督检查注浆质量检查方法有以下几种: