(2008年技术报告范本)带压封堵高压瓦斯及硫化氢气体施工技术研究.doc

分类号 分类号 密级 密级 U U D D C C 编号 编号 四川华蓥山广能 集团 有限责任公司四川华蓥山广能 集团 有限责任公司 科学技术报告 带带压压封封堵堵高高压压瓦瓦斯斯及及硫硫化化氢氢气气体体 施施 工工 技技 术术 研研 究究 研究人员名 研究人员名 工作完成日期 二工作完成日期 二 七年十一月七年十一月 报告提交日期 二报告提交日期 二 七年十二月七年十二月 四川华蓥山广能四川华蓥山广能 集团集团 公司公司 华蓥市滨河东路华蓥市滨河东路 1 1 号号 二二 七年十二月七年十二月 摘 要 龙滩矿井是设计 90 万吨 年的在建大型矿井 450 回风石门掘 进施工中 在茅口灰岩内遭遇特大高压 3MPa 高浓度瓦斯及硫 化氢有毒气体异常带 矿井总回风瓦斯和硫化氢大量超标 不仅无法 按照一般的掘进工艺施工 而且安全威胁极大 造成全矿井建设停止施 工 本课题即是针对这一严重灾害 将治理高压有毒气体作为主要 研究对象 研究了带压钻进 带压注浆的带压堵气核心创新技术 攻克了掘进通过高压瓦斯及硫化氢有毒气体异常带的难关 实现了 安全 科学施工 节约矿井建设工期 90 天 可创直接经济效益 604 万元 并创间接经济效益达 1227 万元以上 项目的成功 为煤矿井 巷施工提供了防治高压瓦斯 硫化氢等有毒有害气体的新方法 是 一种新型的具有较大推广价值的施工工艺 关键词 带压堵气 瓦斯 硫化氢 施工 研究 I 目 录 1 绪言 1 1 1 项目研究背景 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 课题研究目标和内容 2 1 3 1 课题研究目标 2 1 3 2 课题研究内容 2 1 3 3 技术难关 3 2 地质概况 3 2 1 工程地质条件 3 2 2 水文地质条件 5 2 3 构造带特性 6 3 课题研究思路 方案及工程设计 9 3 1 研究思路 9 3 2 带压堵气技术方案研究 10 3 2 1 带压钻进技术研究 10 3 2 2 带压注浆技术研究 11 3 2 3 注浆材料及其性能研究 12 3 3 带压堵气工程设计 20 3 3 1 钻孔布置及技术参数 21 3 3 2 注浆技术参数 25 3 3 3 施工顺序 25 3 3 4 效果检验标准 25 3 3 5 信息化施工设计 26 II 4 施工准备 27 4 1 机具配套的选择 27 4 1 1 施工设备特点 27 4 1 2 钻孔机械的选用及其技术参数 27 4 1 3 注浆设备的选用及其技术参数 28 4 1 4 制浆设备选用 28 4 2 施工技术要求 29 4 2 1 止浆墙 29 4 2 2 单孔施工顺序 29 4 2 3 弧线段注浆孔放线参数 30 4 3 施工措施 34 4 3 1 组织措施 34 4 3 2 安全技术措施 36 5 现场施工 44 6 项目实施效果 44 7 经济与社会效益 44 7 1 经济效益 44 7 1 1 直接经济效益 45 7 1 2 间接经济效益 45 7 2 社会效益 46 8 结语 46 参考文献 47 附录 A 带压封堵高压瓦斯及硫化氢气体施工技术研究工作总结 附录 B 应用证明 1 1 绪言 1 1 项目研究背景 为缓解四川煤炭严重短缺的矛盾 龙滩矿井作为川电东送主发 电厂 广安发电厂的配套煤源基地 于 2003 年正式开工建设 施 工中 矿井主回风石门 450 回风石门遭遇一富含高浓度 高压 力 大储量瓦斯和硫化氢气体的特大地质构造 不仅严重阻碍了矿 井建设进度 同时对矿井安全也有着极大的威胁 450 回风石门是矿井建设关键连锁工程中必不可少的关键环节 是矿井通风系统的咽喉通道 不及时解决 450 回风石门的施工问题 整个矿井井巷工程的施工将全面停止 建设工期将无限延长 经济 损失巨大 同时 由于地质构造中富含的瓦斯和硫化氢气体属有毒 有害气体 其浓度超过 煤矿安全规程 规定值上百倍 危害极大 若不采取切实有效 安全可靠的施工方案和施工工艺 不仅石门无 法掘进通过 矿井和人员安全也无法得到保障 为此 必须进行技术攻关 解决施工难题 从根本上保证施工 安全和施工进度 1 2 国内外研究现状 对于煤矿井下施工 过伴随大流量 高浓度 高压力瓦斯和硫 化氢气体涌出地质构造带的施工未见报道 但对于穿越松散地层 破碎岩层或充水地层 则有较多研究和报道 最常见的施工工艺有 冻结法 沉井法 帷幕法以及新奥法等等 大型隧道或大断面地下 工程施工目前多采用盾构机施工 这些施工工艺大多工艺复杂 成 本极高 对施工环境 施工机具有着特殊的要求 如冻结法和沉井 2 法 常应用于含水冲积层 而盾构机则一般应用于特大断面积地下 工程施工 煤矿井下因断面所限 难以应用 1 3 课题研究目标和内容 1 3 1 课题研究目标 由于 450 回风石门是矿井建设关键连锁工程中必不可少的关键 一环 是矿井施工的咽喉工程 同时又是矿井生产期最主要的通风 线路 确定的施工方案和施工工艺要能确保现场掘进工作安全 可 靠 由此确定以下课题研究目标 1 不改变 450 回风石门的使用功能 2 施工方案和施工工艺能够确保施工时的安全和使用期的可 靠 3 施工方案和施工工艺便于现场组织实施 过构造的施工时 间不能太长 控制在 6 个月以内 减少对矿井建设工期的影响程度 4 施工方案和施工工艺的研究确立 以高压气体封堵和岩体 固化作为主要矛盾和研究方向 1 3 2 课题研究内容 根据以上研究目标 确立以下具体研究内容 1 通过钻孔控制 基本摸清地质构造的范围和特征 为施工 方案和施工工艺的研究 确定 提供可靠的基础依据 2 寻找并确定防治的理论依据 用以指导施工方案和施工工 艺的建立和完善 3 提出具体的施工方案和施工工艺 确定相关的技术参数 4 制订现场实施时的安全技术措施 3 5 组织管理保障体系的建立和完善 1 3 3 技术难关 1 带压钻进技术研究 攻克在具有 3MPa 高压力瓦斯 硫化 氢有毒气体的情况下 实现安全钻进的技术难关 2 带压注浆技术研究 攻克在具有 3MPa 高压力瓦斯 硫化 氢有毒气体的情况下 实现安全注浆堵气的技术难关 2 地质概况 2 1 工程地质条件 龙滩井田位于华蓥山腹部 山脊脊部宽缓 一般标高 1050m 左 右 向东 西两侧低下 龙王洞背斜东翼飞仙关组三段隆起 构成 井田地表分水岭 最高点为叶家大梁子 标高 1092 81m 最低点为 西翼龙滩子 标高 364 20m 属中山 中低山地形 中等切割区 矿井长 11 3 公里 宽 2 8 公里 面积 30 26 平方公里 含煤地层为 二叠系 含煤两层 可采煤层仅 K1 煤层一层煤 井田地层分布情 况如下 1 石炭系中统威宁组和二叠系下统梁山组 C2w P1l 总 厚度 8 80 米 成条带状分布 威宁组为白云质灰岩 梁山组为黄绿 色泥岩 裂隙不发育 为隔水层 2 二叠系阳新统 P1q P1m 总厚 342 00m 为薄 厚层 状含燧石灰岩 地形上多呈陡坡或低洼谷地 广布背斜轴部及两翼 其中栖霞组 P1q 厚 155 00m 岩性为灰至深灰薄 厚层状石灰岩 下部夹泥质灰岩 茅口组 P1m 厚 187 00m 岩性为石灰岩 颜色 由下至上逐渐变浅 栖霞组与茅口组之间没有隔水层 可视为一个 含水层 茅口组石灰岩地表岩溶发育 各种形态岩溶均有出现 尤 4 以垂直类型的溶斗 落水洞居多 茅口组石灰岩是区内主要强含水 层 3 二叠系上统龙潭组 P2l 厚 122 51m 多出露在背斜轴 部及两翼 受风化剥蚀后在地形上呈环形条带状分布的次生槽谷 根据岩性可分为五段 P2l2 P2l4 段为石灰岩 地表时见小型溶洞 或裂隙 含岩溶裂隙水 P2l1 P2l3 P2l5 段多为泥岩 细砂岩 粉砂岩组成 P2l5 夹薄层石灰岩 厚度小 全区可采的主要煤层 K1 位于 P2l1 P2l1 P2l3 P2l5 段地层除浅部具风化裂隙外 深部裂 隙少见 为隔水层 4 二叠系上统长兴组 P2C 厚 170 05m 分布于背斜两 翼 为含燧石的厚层状石灰岩 岩性竖硬 多突起成高耸的山岭 地表岩溶发育 溶洞 溶道规模较大 是区内主要强含水层 5 三叠系下统飞仙关组 T1f 厚 490 13m 出露于龙王 洞背斜两翼 根据岩性可分 8 段 其中 T1f1 2 T1f2 1 T1f2 3 T1f3 1 T1f3 2 为石灰岩 含岩溶裂隙水 岩溶发育规模较大 是区内主要含水层 T1f1 1 T1f2 2 T1f3 3 为紫红色钙质泥岩 裂 隙不发育 为隔水层 6 三叠系下统嘉陵江组 T1j 厚 562 24m 上部以白云 岩 白云质石灰岩为主 下部以石灰岩为主 夹少量白云岩 富水 性强 为区内主要地下水水源地 7 三叠系中统雷口坡组 T2l 厚 349 32m 分布于华蓥 山脉的两侧 岩性为灰岩 泥灰岩 钙质泥岩 白云质灰岩等组成 岩溶少见 泉水亦少 富水性弱 8 三叠系上统须家河组 T3xj 厚 406 81m 出露于华蓥 山脉的两侧 形成低山丘陵 岩性为灰白 黄灰色石英砂岩 深灰 5 色泥岩为主 夹灰色砂岩 薄煤层及煤线 浅部裂隙发育 时有流 量较小的泉水出露 富水性弱 450 回风石门位于龙王洞背斜西翼 地层属于二叠系茅口组灰 岩 该组灰岩上部为灰 浅灰色厚层状粉晶灰岩 质地坚硬 致密 局部含燧石 层厚 16 36 36 55m 其顶部 10m 内裂隙较发育 岩 芯较破碎 方解石呈树枝状 网状 中部为深 黑灰色中厚层泥质 灰岩夹灰质泥岩 层厚 8 43 38 81m 富含生物碎屑 硫化氢含量 高 乃至隔数月敲打岩芯仍具浓愈的臭味 下部为棕灰色 灰色粉 晶灰岩 含燧石结核及方解石脉 2 2 水文地质条件 井田出露最老地层为二叠系上统长兴组 于井田北端沿龙王洞 背斜轴部呈天窗出露 出露最新地层为三叠系中统雷口坡组 分布 于背斜两翼外缘 其余各地层依次对称分布于背斜两翼 沿走向呈 长条带出露 现将上述各层及矿井有影响的各层含 隔 水特征分 述如下 1 第四系 Q 零星分布于地形低洼及沟谷地带 厚度 0 12 76m 为黄褐色 黄色粉质粘土及粉质砂土组成 2 雷口坡组 T2l 厚约 398 34m 以薄层状泥质灰岩 厚层状灰质白云岩及岩溶角砾岩组成 底部为黄绿色灰质泥岩 厚 约 2 00m 为一富水性中等的岩溶裂隙含水层 3 嘉陵江组 T1j 厚 524 04m 由浅灰色中厚层状白云 岩 细晶灰岩及薄至中厚层状石灰岩组成 为富水性强的岩溶裂隙 含水层 东 西两翼相比 西翼含水性强于东翼 4 飞仙关组 T1f 厚 450 46m 上部有厚约 25 82 34 90m 浅灰色 紫红色灰质泥岩 裂隙少见 富水性极弱 6 可视为隔水层 中下部由灰色细晶灰岩 厚层状鲕粒灰岩 灰质泥 岩及中厚层状粉晶灰岩等组成 岩溶裂隙发育 该段为一富水性中 等的岩溶裂隙含水层 东 西翼相比 仍是西翼含水性强于东翼 5 长兴组 P2c 厚 193 33m 为灰色 深灰色中 厚层 状泥晶灰岩及粉晶灰岩 局部为生物礁灰岩 于井田北端呈天窗出 露 面积 6 平方公里 地表岩溶裂隙发育 地下水潜入深部 补给 了其它水层 经连通试验证实 补给了飞仙关组含水层 全井田水 位标高 865 35 731 55 米 勘探线以北地下水有由东向西流动的趋 势 该层富水性极不均一 长兴组为富水性中等的岩溶裂隙含水层 6 龙潭组 P2l 厚 128 34 153 24m 平均厚 136 85m 根据岩性可分为五段 第一 三 五段为深灰色薄层状砂质泥岩 粉砂岩 薄层灰色石灰岩 泥岩组成 含 K1 K2 煤层及铝质泥岩 属隔水层 第二 四段为中厚层状粉晶石灰岩 局部地段可见溶孔 裂隙 大部分裂隙被方解石脉充填 地下水处于封闭状态 流动性 及联通性差 氧化能力弱 为一富水性弱的层间裂隙含水层 经单 层水位观测 水位标高 940 78 751 87m 水流方向总的趋势是由北 向南流动 7 茅口组 P1m 厚 137 64m 位于煤层底板 上距 K1 煤层 4 45m 井田内未出露 埋藏较深 为一封闭式含水层 本井 田茅口组为一富水性中等的岩溶裂隙含水层 其地下水位标高 905 52 709 08m 据单孔水位观测 地下水位受构造控制 地下水 以背斜轴为分水岭 流向东 西翼 其中西翼水力坡度大 水位变 化规律明显 东翼水力坡度小 且水位变化规律性不强 7 2 3 构造带特性 为探明该地质构造带的宽度及影响范围以及瓦斯和硫化氢的含 量 压力 在掘进 450 回风石门之前 我们首先在 450 回风石门掘 进工作面附近布置并施工了 5 个超前地质勘探孔 其中仰孔 3 个 近水平孔 1 个 俯孔 1 个 仰孔控制范围直达煤层 俯孔控制范围 为 450 回风石门以下 25m 5 个孔钻探过程中均为实体无空洞现象 在构造带内均遇到高压瓦斯和 H2S 气体喷孔现象 在构造带影响范 围内有大量瓦斯和 H2S 气体涌出 因钻孔在构造带内遇到高压瓦斯 和 H2S 气体喷出 造成钻孔无法继续施工 故回风石门构造带宽度 不详 450 回风石门掘进工作面位置距裂隙带影响边缘 5m 左右 影响带范围初步预计为 24m 即距断层距离 24m 钻探成果见图 2 1 钻孔孔口实测 H2S 气体浓度最高达 1300ppm 瓦斯浓度 97 气体喷出压力最高达 3MPa 单孔瓦斯涌出量最大达 20m3 min 2007 年 4 月 9 日夜开始对此处瓦斯进行抽放 抽出瓦斯 混合量为 15m3 min 左右 纯量 5m3 min 左右 累计抽出瓦斯 21 万 m3 抽出的硫化氢浓度 200ppm 抽出纯硫化氢量 130m3 抽放一个 月后 瓦斯和硫化氢浓度和流量未见明显变化 结合其它钻探成果 绘制 450 水平构造平面图 2 2 通过分析钻孔资料 450 回风石门 所遇构造应与主平硐连通 见图 2 3 该构造带裂隙发育 宽度不详 工程地质性质非常复杂 富含高压瓦斯 硫化氢 8 450回风石门 450水 14 说 明 1 450水 14孔10 5米段起有瓦斯 硫化氢喷出 10 5 33 03米段稳定 121 O 2 33 03米起瓦斯 硫化氢涌出量增大 出现喷孔现象 3 0 10 5米段为灰色灰岩 裂隙发育 充填方解石石脉 10 5 33 03米 段为灰黑色灰岩 碳质含量重 4 450水 14孔方位151 5度 倾角1 2度 宽度不详 次生裂隙 450水 15 5 450水 15孔方位121度 倾角27度 钻孔于5m处见第一裂隙 涌出瓦斯和H2S 23m涌出瓦斯和H2S 被迫停止钻进 图1 1 回风石门钻探成果图 图 2 1 450 水平回风石门钻探成果图 316 3 453 6 G31 FH53 3116材料上山下车场 起坡点 450地 6 450地 7 450地 8 450水 13 450地 10 450水 16 450水 14 450 运输石门 变电所 主平硐 30 见煤点 49 450水平瓦斯 硫化氢异常带 34 4 5 54 11 8 35 475 450 回风石门 图1 2 450水平构造带分布图 主平硐 316积水带 伴有硫化氢 图 2 2 450 水平构造带分布图 9 m1P K4 966 水 硫化氢为主 水压1 3MPa 水位线 450进回风石门 310主平硐 瓦斯 硫化氢为主 压力达3MPa 图1 3 构造带上下连通图 首采面 200 图 2 3 构造带上下连通示意图 3 课题研究思路 方案及工程设计 3 1 研究思路 巷道 隧道等地下工程在其建设过程中穿越断层 破碎带等地 质构造时 经常出现坍塌 涌水 气等现象而影响正常的施工进程 为保证巷道安全通过构造带 必须在巷道掘进前 对构造带提前进 行封堵及加固处理 若构造带中不含水或有害气体 处理措施则相 对简单 可采取撞锲法或通过钻机预埋钢管超前支护 或短掘短支 或分次成巷等等 构造中若含水或有毒有害气体 情况则复杂得多 以上所说施 工工艺均不可用 必须先治水或有毒有害气体 治水可采取引 排 堵等方法 但与所处施工环境以及构造中所含水量有很大关系 煤 矿井下空间相对有限 另掘巷道放水 除成本太高难以承受外 对 地下水平衡也是一种破坏 若构造中水量巨大 或有补给源 则根 10 本无法排尽 构造中含有的若是大量有毒有害气体 治理方案显然 比治水更加复杂 稍有不慎 就会造成重大安全事故 经反复分析研究 采取带压堵气和管棚加固围岩的封堵加固措 施是最合理 最安全可靠的施工方案 同时 为了保证放炮掘进巷 道时 不致因放炮震动对巷道围岩和帷幕层产生破坏 另在帷幕层 中增加 1 2 层钢管 形成一圈闭合的管棚 概括地说 管棚帷幕注 浆法就是在巷道 隧道等地下工程施工断面周围均布超前注浆孔并 在钻孔中安设钢管 通过管棚预注浆将破碎岩土体进行固结 从而 起到加固破碎岩土体及封闭水 气于帷幕外的作用 3 2 带压堵气技术方案研究 3 2 1 带压钻进技术研究 由于瓦斯及硫化氢压力大 在钻孔施工过程中容易发生大量的 瓦斯及硫化氢喷孔事故 安全威胁极大 因此 必须研究解决能够 防止意外喷孔的封孔器 在本项目的研究中特开发研究了一种新型 水气害探治防突封孔装置 见图 3 1 成功地解决意外喷孔的危害 该防喷封孔器操作简便合理 适用于管棚带压钻进注浆施工 它以机械原理工作 由旋转手柄 弹性胶圈及压紧垫圈组成 工作 时通过旋转手柄向压紧垫圈施加外力并传递给弹性胶圈 从而使耐 压胶圈和钻杆完全密闭 在施工过程中突然发生喷孔现象时 不用 退出钻杆 通过旋转手柄就可轻松关闭封孔器 从而实现封堵高压 水 气体从孔内喷出 11 实践证明该防突封孔器具有拆卸简便 封孔密实 耐压好 耐 用性好的特点 3 2 2 带压注浆技术研究 3 2 2 1 布设结构 管棚注浆工程 管棚注浆孔一般只布置在巷道 隧道等地下结 构的拱顶部位 两帮及洞底基本不用布置 龙滩矿 450 回风石门由 于存在高压力瓦斯与硫化氢气体 基于安全考虑两帮及洞底也布置 了管棚注浆孔 管棚帷幕注浆法中的管棚注浆孔要求沿巷道开挖轮 廓四周 间隔一定的间距 沿洞轴以一定的外插角呈外插状环形分 布 管棚管起双重作用 一是起超前管棚作用 二是起注浆管的作 用 管棚帷幕注浆通常采用单排布置 孔间距取 30 50cm 孔深主 要根据破碎带的宽度及施工难度确定 注浆孔结构一般分两部分 注浆孔前端设孔口管并用高强度水泥砂浆固定 其长度根据注浆压 力确定 孔口管后孔径视管棚管直径确定 图 3 2 图2 2 108防喷封孔器结构图 图 3 1 108mm 防喷封孔器结构示意图 12 51mm 108mm 2 1 图 3 2 注浆孔结构剖面示意图 3 2 2 2 理论计算 3 2 2 2 1 浆液扩散半径计算 浆液扩散半径 R 是一个重要的参数 R 值可进行理论估算 3 1 3 3khrt R n 式中 t 凝固时间 h k 渗透系数 cm s n 空隙率 h 注浆压力 Pa 水与浆液之间粘度比 R 浆液扩散半径 m r 灌浆孔半径 3 2 2 2 2 安全厚度计算 ML L rR2L2 8KpHp 1 2 rRL 4Kp 3 2 式中 ML 能够阻隔压力 HP的临界安全厚度 m 13 HP 实际水 气压力值 L 巷道空间顶 底宽 Kp 岩层抗张强度 rR 岩层岩石容重 式中 选择 为顶板计算采用 为底板计算采用 3 2 3 注浆材料及其性能研究 常用注浆材料可分为单液水泥类浆液 水泥粘土类浆液 水泥 水玻璃类浆液 水玻璃类浆液等常规注浆材料以及丙烯酰胺类 浆液 聚胺酯类浆液等化学注浆材料 注浆材料的选择 要根据现场地质构造的特征 材料自身的物 理性能 材料适用范围 材料来源难易程度 材料用量和成本高低 等因素综合考虑 经分析比较 决定选用单液水泥类浆液和水泥 水玻璃类浆液为本次注浆材料 3 2 3 1 水泥单液浆注浆材料及其特性研究 3 2 3 1 1 注浆工程用水泥常用性能参数及指标 注浆工程中最常用的是普通硅酸盐水泥 建议使用 P O 32 5 普 通硅酸盐水泥 注浆用水泥必须符合质量标准 不能使用受潮结块 的水泥 A 密度 水泥密度的大小与熟料的矿物组成 混合材料的种类 及掺量有关 硅酸盐水泥的密度一般为 3050 3200kg m3 水泥储存 时间延长 密度减小 注浆用水泥储存最长时间不得超过 90 天 B 细度 水泥的细度是决定水泥性能的重要因素之一 水泥的 颗粒越细 其比表面积越大 水化反应速度越快 标准强度越高 国家标准规定细度是按 GB1345 77 水泥细度检验方法 筛析法 14 进行测定 该标准规定以水筛法的 0 080mm 方法孔筛余量为细度指 标 注浆工程一般要求筛余量不大于 5 C 凝结时间 水泥的凝结时间对工程施工有重要意义 国家标 准规定 凝结时间用凝结时间测定仪 维卡仪 进行测定 硅酸盐 水泥的初凝时间不得早于 45min 终凝时间不得迟于 12h D 强度 普通硅酸盐水泥分为 P O 32 5 P O 42 5 P O 52 5 P O 62 5 标号 水泥标号是根据各龄 期的抗压和抗折强度决定的 一般把 3d 7d 以前的强度称为早期强 度 28d 及以后的强度称为后期强度 同一水泥用不同方法测试时 所得强度不同 3 2 3 1 2 水泥浆特性分析 GB177 85 规定水泥浆的浓度用水灰比 W 表示 即 3 3 cw mmW 在不考虑化学反应造成的体积变化条件下 水泥浆有关参数可 计算如下 水泥浆的体积 Vg 为 3 4 wcg VVV 水泥体积 Vc 为 3 5 ccc mV 水的体积 Vw 为 3 6 www mV 式中 水的质量 w m 水泥的质量 c m 水的体积 w V 水泥的体积 c V 15 水泥的密度 通常取为 3g cm3 c 水的密度 通常取为 1g cm3 w 由上述可知 在任意水灰比条件下 取水的密度为 1g cm3 则 配制一定体积水泥浆所需水泥和水分别为 3 7 W V m c gc c 1 3 8 cw mWm 浆液由稀变浓或由浓变稀一般根据目前浆液中的水泥量和水量 按需达到的水灰比加入水泥或水 通过试验研究得出 注浆用水泥浆的水灰比对结石体强度成反 比例作用 即水灰比越小结石体率 结石强度越高 而水灰比对浆 液扩散半径成正比例作用 即水灰比越大扩散半径越大 故注浆工 程所用水泥浆的水灰比宜为 0 5 1 2 水灰比小于 0 5 则浆液粘度太 大而影响注浆施工 水灰比大于 1 2 则浆液结石率太小 结石强度 太低 3 2 3 2 水泥 水玻璃双液浆注浆材料及性能研究 3 2 3 2 1 水泥 水玻璃双液注浆浆液配比用水玻璃 水玻璃是氧化钠 Na2O 与无水二氧化硅 SiO2 以各种比例 结合的化学物质 其分子式为 Na2O nSiO2 单液注浆中可加入少 量水玻璃作为速凝剂使用 一般约占水泥重量的 3 5 双液注 浆中水玻璃作为主材料使用 掺量较多 注浆用水玻璃对其模数和浓度有一定的要求 模数宜为 2 4 3 0 浓度宜为 30 45 Be 模数 M 是描述水玻璃性能的一个重要参数 其定义为 3 9 克分子数 克分子数 ONa SiO M 2 2 16 水玻璃模数的大小对注浆影响很大 模数小时 二氧化硅含量 低 凝结时间长 结石体强度低 模数大时 二氧化硅含量高 凝 结时间短 结石体强度高 模数过大过小都对注浆不利 注浆时 一般要求水玻璃的模数在 2 4 3 4 较为合适 水玻璃的浓度以波美度表示 波美度与密度有如下关系 如 Be 图 3 3 3 10 145 145 Be 或 3 11 145 145 Be 0 0 5 1 1 5 2 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 Be 密度 图 3 3 水玻璃波美度与密度曲线图 水玻璃出厂浓度一般为 50 56 而注浆使用的范围为 Be 30 45 其浓度变换可用下式计算 Be 3 12 ddwwpp VVV 3 13 dwp VVV 式中 原水玻璃体积 p V 原水玻璃密度 p 加入水的体积 w V 水的密度 w 17 稀释后的水玻璃体积 d V 稀释后的水玻璃密度 d 为方便计算 式 3 12 3 13 可简化为 3 14 wd dpp w V V 例 以水玻璃出厂浓度为 53 注浆使用的范围为 38 其 Be Be 浓度变换所需加入水量可用下式计算 3 15 p wd dpp w V V V 3 2 3 2 3 2 2 水泥 水玻璃双液注浆浆液配比试验及其特性研究 水泥本身的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的物质所引 起的 在硅酸三钙的水化过程中产生氢氧化钙 3CaO SiO2 nH2O 2CaOSiO2 n 1 H2O Ca OH 2 3 16 水泥与水玻璃的主要化学反应方程式为 3Ca OH 2 NaO nSiO2 mH2O Ca nSiO2 mH2O 2NaOH 3 17 本课题针对施工实际情况固定采用 P O 32 5R 水泥 模数 3 0 的 水玻璃进行试验设计 对影响 CS 浆液结石体强度基本性质参数的 三大因素 水灰比 水玻璃浓度 CS 体积比 进行了浆液配比试验 及其特性研究 CS 浆液结石体的抗压强度较高 特别是早期强度增长很快 7d 左右几乎达到终期强度的 70 90 这些性能对实际注浆是很有 利的 影响 CS 浆液抗压强度的因素如下 A 水灰比变化的影响 本组实验采用固定水玻璃浆液浓度 36 固定 CS 的体积比 Be 1 1 进行 详见表 3 1 图 3 4 18 表 3 1 水泥浆浓度对水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的影响 抗压强度 MPa 水泥浆浓度 水灰比 3d7d14d28d 0 59 31123 124 6 0 7517 522 417 918 2 15 77 111 812 1 1 252 93 14 78 2 1 51 22 81 12 4 0 5 10 15 20 25 30 0102030 天数 MPa 0 5 0 75 1 1 25 1 5 图 3 4 水泥浆浓度与水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的曲线图 从上图看出水泥浆的浓度越高时 浆液结石体后期抗压强度越 高 B 水玻璃浓度变化的影响 本组实验采用固定水灰比 1 1 固定 CS 的体积比 1 1 进行 详见表 3 2 图 3 5 表 3 2 水玻璃浓度对水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的影响 抗压强度 MPa 水玻璃浓度 Be 3d7d14d28d 154 27 69 88 6 205 38 79 810 5 19 258 111 111 710 8 306 87 512 311 9 365 77 111 812 1 0 2 4 6 8 10 12 14 051015202530 天数 MPa 15 20 25 30 36 图 3 5 水玻璃浓度与水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的曲线图 为了探寻水玻璃浓度对 C S 浆液抗压强度的影响做了大量的试 验其结果可以看到如下规律 1 C S 的抗压强度变化是一条曲线 部分曲线中部 约 14 天 的强度最高 据分析这是由于浆液凝结过 程中析出 NaOH 对结石体后期强度造成不利影响 2 水玻璃浓度 为 25时结石体前期强度增长最快 说明水泥与水玻璃之间的反应 Be 有一个合适的配合比 在这个配合比范围内反应进行的最充分 最 完全 其强度也最高 C CS 的体积比变化的影响 本组实验采用固定水灰比 1 1 固定水玻璃浆液浓度 36进 Be 行 详见表 3 3 图 3 6 表 3 3 CS 体积比对水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的影响 抗压强度 MPa CS 体积比 S C 3d7d14d28d 0 36 56 911 812 3 0 46 67 412 412 1 20 0 56 87 612 512 2 0 656 48 113 112 7 15 77 111 812 1 0 2 4 6 8 10 12 14 0102030 天数 MPa 0 3 0 4 0 5 0 65 1 图 3 6 CS 体积比与水泥水玻璃浆液结石体抗压强度的曲线图 从上图中可以看出 当水泥浆的浓度处于 1 1 时抗压强度与水 玻璃浓度的关系 呈复杂的情况 其规律与水泥 水玻璃的化学反 应的复杂性有关 在一定范围内宏观上看与 C S 的体积比无关 3 2 3 2 3 推荐常用 CS 双液注浆浆液的配方试验 综合以上试验数据分析 我们根据实际注浆量超过设计注浆量的 大 中 小不同进行了有针对性的浆液配比试验 其各项性能指标数 据见下表表 3 4 表 3 4 管棚帷幕注浆水泥水玻璃双液浆配比 配比抗压强度 MPa 注 浆 量 水灰比 重量 比 水玻璃 浓度 Be CS 体积 比 S C 初凝 时间 s 流 动 度 结石率 3d7d14d28d 大 0 75360 47169616 921 818 219 4 中 1360 351020916 77 211 912 1 小 1 2360 32422843 24 35 68 7 21 3 3 带压堵气工程设计 根据龙滩矿现有地质资料 综合考虑地层压力 水压 瓦斯和 硫化氢气体压力 龙滩矿 450 回风石门过含高压瓦斯和硫化氢构造 带采用带压钻进 带压注浆及管棚加固围岩的综合治理方案 具体 施工方案见下图 图 3 7 1000070008000 15 1300 1100 2500020000 8000 7050 1020 3230 2200 1100 9 图 3 7 450 水平回风石门管棚帷幕注浆孔施工剖面示意图 3 3 1 钻孔布置及技术参数 本项目除进行巷道围岩加固外还有另一项重要目的即封堵高压 瓦斯和硫化氢气体 综合考虑地层情况及治理效果 采用分循环 长短结合的综合治理方案 全部工程分两个循环进行 每个循环均 设内外两层 第一循环内层为管棚注浆孔 外层为补强注浆孔 第 二循环内层布设补强注浆孔 外层为第一循环的内层管棚注浆孔 内外两层呈梅花状布置 从而保证帷幕加固圈严密可靠 第一 二 循环注浆孔布置见图 3 8 管棚注浆孔结构见图 3 9 22 A 第一循环内层管棚注浆孔技术参数 布孔方式 全断面布孔 数量 56 个 孔深 45m 间距 直线段 40cm 弧线段 7 外插角 9 管棚管 直径 50mm 壁厚 4mm 无缝钢管 B 第一循环外层补强注浆孔技术参数 布孔方式 全断面布孔且与内层管棚注浆孔呈梅花型布置 数量 58 个 孔深 25m 间距 直线段 40cm 弧线段 7 外插角 15 23 7600 3800 3100 7 7 400 400 200 4600 3900 300 7200 3800 2900 7 400 200 2 4 450 图 3 8 450 回风石门管棚帷幕注浆第一 二循环断面示意图 24 图 3 9 管棚帷幕注浆孔结构示意图 A 150mm 4m 108mm B 75mm 5m 5MPa C 5MPa D 50mm 0 8 1 40 108 50 4m 150 0 5m 0 07 0 02 0 005m 108 75 2 5 25 C 第二循环补强注浆孔技术参数 布孔方式 全断面布孔 数量 56 个 孔深 25m 间距 直线段 40cm 弧线段 7 外插角 9 3 3 2 注浆技术参数 注浆压力 孔口压力控制在 5MPa 浆液选择 优先使用单液浆 当单孔注浆量 10m3改用双液浆 水泥浆液水灰比 0 8 1 1 2 1 双液浆配比 水泥浆 水玻璃 体积比 为 1 0 3 浆液扩散半径 2m 安全厚度 顶板 4 06m 底板 3 91m 结束标准 单孔注浆量 10m3 注浆压力 5MPa 3 3 3 施工顺序 为保证注浆形成的帷幕固结体严密可靠 管棚帷幕注浆施工顺 序为先内层后外层 具体部位施工顺序为先底板 后两帮 最后拱 顶 施工要求间隔交叉进行从而减小钻探对原始平衡的扰动及窜浆 漏浆现象 3 3 4 效果检验标准 单孔瓦斯和硫化氢涌出量 2m3 min 检验注浆厚度 顶板 4 06m 底板 3 91m 26 3 3 5 信息化施工设计 信息化施工一般指根据工程施工过程中揭露的实际地质情况 对设计 施工进行反馈调整 从而达到最佳设计和施工效果的新型 施工技术 煤矿巷道过断层管棚注浆施工较为危险 且前期获得详 细工程地质条件非常困难 所以采用信息化施工技术来优化治理效 果就尤为重要 管棚帷幕注浆工程信息化施工应遵循设计 施工 设计优化 施工的流程 本工程实例具体信息化施工流程见图 3 10 第一循环工作室施工 第一循环管棚注浆孔施工第一循环补强注浆孔施工 第一循环检查孔施工 20米巷道掘进施工 第二循环工作室施工 第二循环注浆孔施工 第二循环检查孔施工 巷道掘进施工 合格 不合格 合格 不合格 第一循环检查孔施工 不合格 2 6 450 图 3 10 450 回风石门带压堵气信息化施工流程图 27 4 施工准备 4 1 机具配套的选择 4 1 1 施工设备特点 煤矿巷道带压堵气工程的施工设备特点主要有以下几点 A 场地狭小 施工机具必须轻便灵活 B 由于地压 外压的影响钻孔机具必须有较大的扭矩 C 孔口装置必须有防止意外喷孔的功能 从而保证施工安全 4 1 2 钻孔机械的选用及其技术参数 由于煤矿井下带压堵气钻孔通常在破碎带中施工 故而选用扭 矩大 角度调整灵活且机身较轻是保证施工顺利进行的必要条件 通过对比各种钻探机械 煤炭科学研究总院西安研究院设计生产的 MK 4 型全液压坑道式钻机最为适合 整套钻机 见图 4 1 由三部 分组成方便井下拆卸搬运 其主要技术参数见表 4 1 表 4 1 MK 4 型坑道全液压钻机技术参数表 钻 孔 深度 m 钻孔倾 角 最大扭矩 N m 给进能力 KN 起拔能力 KN 整机重量 Kg 主机外形尺寸 长 宽 高 m 200 0 90 1200365213601 85 0 71 1 46 28 图 4 1 MK 4 型全液压坑道式钻机外观图 4 1 3 注浆设备的选用及其技术参数 水泥浆注浆泵选用 ZG6310 型高压注浆泵 技术参数见下表 4 2 表 4 2 ZG6310 高压注浆泵技术参数表 型式往复式三柱塞单作用泵 最高工作压力 10MPa3 5MPa 泵速 92r min247r min 理论排量 77L min209L min 缸数 3 活塞直径 63mm 活塞行程 90mm 进浆口直径 64mm 出浆口直径 32mm 4 1 4 制浆设备选用 选用自制的叶片式搅拌机 容量 0 5m3 为保证水泥浆的均匀性 和注浆间歇时不沉淀 另自行加工搅拌储浆桶 容量 1m3 29 4 2 施工技术要求 4 2 1 止浆墙 为保证注浆压力及方便注浆孔放线定点 每个工作室完成后在 碛头位置施工一厚 50cm 混凝土止浆墙 要求止浆墙与岩巷密闭良 好注浆时不发生跑浆 漏浆现象 4 2 2 单孔施工顺序 1 开孔及固管 开孔直径 150mm 至孔深 4m 填满高标号速凝砂 浆 下入直径 108mm 带肋套管 2 封孔器安装及试压 待固管砂浆凝固后 用直径 75mm 钻头 清水钻进至孔深 5m 安装封孔器及钻杆逆止阀 通过注浆管加压至 5MPa 试压 合格后继续钻进 不合格则进行注浆处理后再继续钻进 钻进时注意打开注浆截止阀 3 注浆 钻进中遇孔内气体或水涌出 则停钻注浆 先关闭注 浆截止阀 退钻至最后一根钻杆 接通注浆管进行注浆 注浆终孔 压力 5MPa 4 浆液配比 先采用水灰比 重量比 为 1 1 1 2 1 的水泥 浆 如钻孔吸浆量过大 按设计将水灰比逐级调整为 0 8 1 0 6 1 0 5 1 当单孔注浆量超过 10m3后改用双液浆 5 管棚管固管 注浆待强结束 继续钻进 遇孔内气体或水涌 出 则继续注浆 直至达到设计终孔位置 下入直径 50mm 壁 厚 4mm 钢管 注入水灰比 重量比 为 0 8 1 的水泥浆固管 30 4 2 3 弧线段注浆孔放线参数 施工放线及钻机定位由专业测量人员负责 必须保证孔位误差 2cm 孔斜误差 1 各循环注浆孔放线见图 4 2 4 3 4 4 弧 线段注浆孔放线技术参数见表 4 3 4 4 4 5 31 7 7 zg1 1 zg1 2 zg1 3 zg1 4 zg1 5 zg1 6 zg1 7 zg1 8 zg1 9 zg1 10 zg1 11 zg1 12 zg1 13 zg1 14 zg1 15 zg1 16 zg1 17 zg1 18 zg1 19 zg1 20 zg1 21 zg1 22 zg1 23 zg1 24 zg1 25 zg1 26 zg1 27 zg1 28 zg1 1 zg1 2 zg1 3 zg1 4 zg1 5 zg1 6 zg1 7 zg1 8 zg1 9 zg1 10 zg1 11 zg1 12 zg1 13 zg1 14 zg1 15 zg1 16 zg1 17 zg1 18 zg1 19 zg1 20 zg1 21 zg1 22 zg1 23 zg1 34 zg1 25 zg1 26 zg1 27 zg1 28 3 2 图 4 2 第一循环内层管棚注浆孔放线图 表 4 3 第一循环内层弧线段各孔放线参数 孔号分度角水平分角水平比垂直分角垂直比 zg1 左 1zg1 右 1 3 50 00 0 00 9 00 0 16 zg1 左 2zg1 右 2 71 65 0 03 8 93 0 16 zg1 左 3zg1 右 3 73 25 0 06 8 74 0 15 zg1 左 4zg1 右 4 74 25 0 07 8 41 0 15 zg1 左 5zg1 右 5 75 19 0 09 7 96 0 14 zg1 左 6zg1 右 6 76 05 0 11 7 39 0 13 zg1 左 7zg1 右 7 76 82 0 12 6 71 0 12 zg1 左 8zg1 右 8 77 48 0 13 5 93 0 10 zg1 左 9zg1 右 9 78 03 0 14 5 06 0 09 zg1 左 10zg1 右 10 78 47 0 15 4 11 0 07 zg1 左 11zg1 右 11 78 77 0 15 3 10 0 05 zg1 左 12zg1 右 12 78 95 0 16 2 04 0 04 zg1 左 13zg1 右 13 79 00 0 16 0 95 0 02 32 7 7 zj1 1 zj1 2 zj1 3 zj1 4 zj1 5 zj1 6 zj1 7 zj1 8 zj1 9 zj1 10 zj1 11 zj1 12 zj1 13 zj1 14 zj1 15 zj1 16 zj1 17 zj1 18 zj1 19 zj1 20 zj1 21 zj1 22 zj1 23 zj1 24 zj1 25 zj1 26 zj1 27 zj1 28 zj1 29 zj1 30 zj1 1 zj1 2 zj1 3 zj1 4 zj1 5 zj1 6 zj1 7 zj1 8 zj1 9 zj1 10 zj1 11 zj1 12 zj1 13 zj1 14 zj1 15 zj1 16 zj1 17 zj1 18 zj1 19 zj1 20 zj1 21 zj1 22 zj1 23 zj1 24 zj1 25 zj1 26 zj1 27 zj1 28 3 3 图 4 3 第一循环外层补强注浆孔放线图 表 4 4 第一循环外层弧线段各孔放线参数 孔号分度角水平分角水平比垂直分角垂直比 zj1 左 1 70 00 0 00 15 00 0 27 zj1 左 2zj1 右 1 71 87 0 03 14 89 0 27 zj1 左 3zj1 右 2 73 71 0 06 14 57 0 26 zj1 左 4zj1 右 3 75 48 0 10 14 04 0 25 zj1 左 5zj1 右 4 77 17 0 13 13 31 0 24 zj1 左 6zj1 右 5 78 74 0 15 12 38 0 22 zj1 左 7zj1 右 6 710 16 0 18 11 26 0 20 zj1 左 8zj1 右 7 711 43 0 20 9 97 0 18 zj1 左 9zj1 右 8 712 52 0 22 8 52 0 15 zj1 左 10zj1 右 9 713 43 0 24 6 94 0 12 zj1 左 11zj1 右 10 714 13 0 25 5 24 0 09 zj1 左 12zj1 右 11 714 63 0 26 3 45 0 06 zj1 左 13zj1 右 12 714 92 0 27 1 60 0 03 33 7 7 zj2 1 zj2 2 zj2 3 zj2 4 zj2 5 zj2 6 zj2 7 zj2 8 zj2 9 zj2 10 zj2 11 zj2 12 zj2 13 zj2 14 zj2 15 zj2 16 zj2 17 zj2 18 zj2 19 zj2 20 zj2 21 zj2 22 zj2 23 zj2 24 zj2 25 zj2 26 zj2 27 zj2 28 zj2 1 zj2 2 zj2 3 zj2 4 zj2 5 zj2 6 zj2 7 zj2 8 zj2 9 zj2 10 zj2 11 zj2 12 zj2 13 zj2 14 zj2 15 zj2 16 zj2 17 zj2 18 zj2 19 zj2 20 zj2 21 zj2 22 zj2 23 zj2 24 zj2 25 zj2 26 zj2 27 zj2 28 7 3 4 图 4 4 第二循环内层补强注浆孔放线图 表 4 5 第二循环弧线段各孔放线参数 孔号分度角水平分角水平比垂直分角垂直比 zj2 左 1zj2 右 1 3 50 00 0 00 10 000 18 zj2 左 2zj2 右 2 71 84 0 03 9 930 18 zj2 左 3zj2 右 3 73 63 0 06 9 710 17 zj2 左 4zj2 右 4 74 730 08 9 350 16 zj2 左 5zj2 右 5 75 78 0 10 8 850 16 zj2 左 6zj2 右 6 76 730 12 8 220 14 zj2 左 7zj2 右 7 77 580 13 7 470 13 zj2 左 8zj2 右 8 78 32 0 15 6 600 12 zj2 左 9zj2 右 9 78 930 16 5 630 10 zj2 10 zj2 右 10 79 41 0 17 4 580 08 zj2 11 zj2 右 11 79 75 0 17 3 450 06 zj2 12 zj2 右 12 79 95 0 18 2 270 04 zj2 13 zj2 右 13 710 00 0 18 1 060 02 34 4 3 施工措施 4 3 1 组织措施 龙滩矿井成立过构造领导小组 总经理任组长 总工程师任副 组长 生产 安全副总经理 副总工程师以及地测 生产技术 通 风 安全 调度等部门负责人为成员 领导小组下设技术 现场实 施和安全质量三个专业小组 1 技术小组 总工程师为组长 采掘副总工程师 地测部长 生产技术部长和副部长等为成员 主要工作职责 编制设计 施