注浆堵水技术浅析.doc

中国矿业大学毕业设计说明书注浆堵水技术与机理浅析摘要：地下工程施工经常遇到地下水和松软岩层等复杂地质条件，如果不进行治理就容易造成突水、坍塌、冒落等地质灾害和安全事故。注浆堵水和加固技术就是预防和治理水害及稳定岩层的重要技术，本文以煤炭行业注浆技术为例，介绍了注浆技术在我国的发展和各种注浆法的技术要点、特点、适用范围以及注浆技术的基本理论。关键词：注浆技术 注浆机理 含水层一、前言注浆技术起源于地下工程的特殊需要。在地下工程中经常会遇到地下水和不良地层的影响，给工程施工和维护造成很大的影响，严重时会造成较大的经济损失，甚至是人员伤亡，注浆技术是治理水害和加固不良地层的重要手段之一，它包括堵水、截流、帷幕、岩土加固和防渗等诸多技术，广泛应用于矿山、铁路、隧道、建筑等工程的施工，在煤炭行业的生产建设中，应用十分广泛。煤炭工业建设中的井巷工程属于地下工程，近些年来随着科技的发展，煤炭科技也在发生着日新月异的变化，现在一些煤矿的开采深度已经超过1000m，地质条件和水文情况都变得越来越复杂，工作环境与工作条件都比较恶劣，技术难度也随之增大。在井巷施工中经常会遇到地下水、土层及软岩等，这些都给施工造成很大影响，甚至会发生重大事故，也曾给我们留下过惨痛的教训。为了防范事故的发生，进一步改善工作条件、提高安全性，早在上个世纪50年代注浆堵水技术在我国的煤炭行业就有所应用，近些年来我国的科技水平不断发展，为适应地下工程的发展，煤炭系统一直在研究开发新的注浆技术。其它一些相关行业也在从事这方面的研究，煤炭以外的其它矿山、铁路、建筑、公路等行业中，注浆技术也有十分广泛的应用，可以说注浆技术的应用遍及全国。二、注浆技术概论 注浆技术发展简况注浆技术最先应用于建筑工程中，从1802年法国的ChariesBerigng采用石灰、粘土浆加固迪普港的砖石砌体算起，至今大约200年的历史。1864年，阿里因普瑞贝硬煤矿井的一个井筒，第一次使用了水泥注浆法，以后又在比利时、法国、德国等国家使用这种方法。1885年，Tietjens成功地采用地面预注浆法开凿井筒，获得专利。从此，注浆技术在世界的许多国家得到应用，上世纪50年代以后国外的注浆技术更为普遍，化学药液为主要浆液材料的化学注浆只有40多年的历史，70年代以后由于化学药剂的毒性污染问题，化学注浆受到限制。砂、土层的化学注浆防渗加固技术被70年代出现的高压喷射注浆法逐步取代。我国的煤炭行业，在50年代初期，东北的鹤岗矿区、鸡西矿区和山东的淄博矿区首先采用井壁注浆堵水，山东新汶张庄煤矿工作面预注浆取得了良好的堵水效果。1985年峰峰的薛村煤矿主、副井地面预注浆堵水效果达到96.3%，焦作的李庄立井地面预注浆深度180m，堵水效果达到99.6%。60年代后，开发了许多注浆的新材料、新工艺以及注浆专用设备与配套机具，在保证注浆施工的安全，提高注浆的 效果方面起了很大的作用，因而使注浆技术有了很大 的发展和提高，有些方面已经达到国际先进水平。 注浆法的分类注浆法的分类目前没有统一的标准，但一般有以下几种分类方法：1 按含水岩土地层揭露前后进行注浆施工分类（1） 预注浆：当井筒、巷道、硐室等构筑物在开凿前或开凿到接近含水层以前所进行的注浆工程，称之为预注浆。煤炭行业常见的有地面预注浆、工作面预注浆。预注浆法进行岩土堵水和加固，减少事故的发生。（2） 后注浆：当井筒、巷道、硐室等构筑物掘砌以后，用注浆法治理水害和地层加固，称之为后注浆。2 按注浆使用的浆液材料进行分类（1） 水泥注浆：浆液材料以水泥为主，包括其它附加剂；（2） 粘土注浆：浆液材料以粘土为主，包括粘土-水泥浆；（3） 化学注浆：注浆材料以化学药液为主剂。 3 按浆液进入地层产生能量方式进行分类（1） 压注浆：浆液用注浆泵输送，使浆液压入或渗透入受注地层，称为静压注浆；（2） 高压喷射注浆：浆液利用高压泵输送，并通过特殊的喷嘴产生具有巨大动能的喷射流，切削地层，与土、砂颗粒搅拌混合、凝结称为高压喷射注浆。4 按浆液在地层中运动的方式进行分类 充填注浆：浆液充填大裂隙、洞穴等称为充填注浆； 挤压注浆：依靠注浆压力迫使浆液在地层中压开各种各样的通道来挤入地层，浆液多呈现脉络状或树枝状固结，这种浆液可以使松软地层挤压密实，所以在地基加固中也称压密法； 置换注浆：通过一定的方法把受注地层中的土、砂逼放出来，形成的空间用浆液充填，称之为置换注浆； 高压喷射注浆，利用喷射流的动能进行注浆。 注浆技术在我国的发展我国煤炭行业非常重视注浆技术的研究，注浆技术在我国的发展的近50年里取得了巨大的发展和广泛的应用，国家、省部、院所及各矿物局都立了许多课题进行研究，并取得了多项成果。许多矿物局、矿都建立了自己的专业注浆队伍，以治理各种煤矿水灾害，用于预注浆凿井，井壁或壁后注浆，井巷及硐室的漏水与涌水封堵，软岩或软土的封水加固，特大透水或淹井事故的治理。我国自从1955年在新汶矿区张庄矿立井采用工作面预注浆取得成功后，迄今已有200多例，其中地面预注浆立井井筒最深的达859m，工作面预注浆立、斜井井筒最大深度达1110.4m，实现了预注浆打干井提高了建井的质量，推进了井巷施工机械化，加快了建井速度。三、注浆机理浅析 注浆基础理论注浆是人工用机械的方法将浆液压入地层中以驱动地下水，并在空隙中流动、扩散凝胶，最后形成固体堵水帷幕的过程。要获得良好的注浆效果，其一要掌握受注地层的地质和 水文地质，摸清地下水的运动规律；其二要了解浆液的特性，并研究浆液在地层中流动扩散的规律。前者是地下水动力学研究的内容，后者是正在形成的注浆理论。注浆理论是研究浆液在岩土空隙中的流动规律，揭示地质条件、浆材性质和工艺技术之间的相互关系，为注浆设计和现场施工提供科学的理论依据。在一般情况下，浆液在地层中运动规律和地下水的运动规律相似，只不过浆液的流变性不同，运动阻力复杂。因此，地下浆体力学与地下水力学同属一个科学范畴，但前者相关因素更多，难度更大，因此许多浆液都属于宾汉流体，且粘度会随注浆时间而增长，当采用粒状浆材时，不稳定悬浮浆液在一定条件下会在空隙中发生颗粒沉淀，从而使浆液的流动规律大大改变。所以在流变学、水力学和地下水动力学等基础上建立起来的注浆理论和计算公式，对指导注浆设计和施工具有十分重要的意义。但是，注浆理论的研究，由于受注浆岩土层的各项异性和不均匀性、以及浆液性能随时间变化等因素的影响，且浆液实际在岩土层运动状态很复杂、是难以控制的，因此，推导出的公式与实际会有较大的出入。这就需要进行大量的模拟试验，并在施工中进行实测，不断归纳总结，以便修正理论公式，使其更加符合或接近实际。 注浆机理注浆就是利用气压、液压或电化学的原理，把某些能固化的浆液注入各种介质的裂隙、孔隙，以改善注浆对象的物理力学性能，使其适应各类土木工程需要的科学技术。就岩土工程而岩，就是通过向地层注入各类浆液，以减少地层的渗透性，并提高地层的力学强度和抗变形或抗液化能力。所以，就其效果而言，任何一类注浆，都可归属于防渗注浆或加固注浆的范畴。注浆法广义地说是指一切使浆液与地层发生充填、置换、挤密等无论粒和化学变化地地层处理方法。注浆机理概括起来有渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、电化学注浆和高压喷射注浆五个基本机理组成。1 渗透注浆。在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入岩土地孔隙或裂隙使岩土孔隙、裂隙中存在地气体和水被排挤出去，浆液充填孔隙或裂隙，形成较为密实的固体化，从而使地层的渗透性减小，强度得到提高。注浆压力越大，吸浆量及浆液扩散间距就越大。这种理论假定，在注浆过程中地层结构不受扰动和破坏，所用的注浆压力相对较小。对粒状浆材（如水泥、膨闰土等），最多只能注入粒径不小于0.1mm的细砂及以上的土层或比细砂直径更大的裂隙；对于化学浆材，最多只能注入粉土（渗透系数kw=10-4cm/s，粒径为0.01mm）层中。2 压密注浆。通过钻孔向土层中压入浓浆（塌落度2050mm），随着土体的压密和浆液的挤入，将在压浆点周围形成灯泡形空间的浆泡，通过浆泡的挤压作用而产生辐射状上抬力，从而引起地层局部隆起，许多工程利用这一原理纠正了地面建筑物的不均匀沉降。压密注浆的最大优点是它对于最软弱土层区域能起到最大的压密作用。压密注浆一般用于比中细纱细的粉细砂中，也可用于有充分排水条件的粘土和非饱和粘性土，此外，还可用来调整不均匀沉降，进行纠偏拖换，以及在大开挖或隧道开挖时对临近土进行加固，但在加固深度小于12m时，加固质量很难保证，除非其上原有建筑物能提供约束。3 劈裂注浆。在注浆压力作用下利用液体传压的特性，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石或土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的空隙或裂隙扩张，或形成新的裂缝或孔隙，从而使低透水性地层的可注性和浆液扩散距离增大。这种注浆所用的注浆压力相对较高。由于劈裂注浆是通过浆脉来挤压和加固临近土体的，虽然浆脉压力较小，但与土体的接触面却很大，且远离注浆孔处的浆脉压力与注浆孔相差不大。因此，劈裂注浆适合于大体积土体的加固，在断层带的软弱岩层中或软、硬岩层的界面处，效果最为明显。4 电化学注浆。当在岩土内产生电场后，就在岩土中引起电渗、电泳和离子交换等作用，并通过钻孔-电极往岩土内注入浆液（电解液）时，在孔隙性岩土内产生注浆压力作用、电动力学、电化学和构造形成过程，结果在岩土空隙内积聚了化合物，从而达到隔水作用。该方法可适用于具有低渗透的岩土、流砂性质的不稳定粘土、不稳定及流砂性岩石、空隙性砂岩，并对于治理井筒涌水和处理空隙性岩石段的残余涌水也很重要。5 高压喷射注浆。利用钻机钻进到设计深度后，井钻杆和钻头上的特殊喷嘴将浆液高速喷出,以射流切削，搅动土体，使浆-土拌合，同时钻杆边旋转边提升，浆液凝固后形成柱状固结体，达到加固土层和止水防渗作用 注浆理论基础1 浆液的可注性进行渗透注浆的前提是满足浆材对空隙的尺寸效应，即假定粒状浆材的颗粒尺寸为d，地层的空隙尺寸为Dp，则浆液渗入空隙的前提条件为Dp/d1；考虑群粒堵塞作用带来的附加影响，在被用于施工控制时要求Dp/d3。2 浆液的流变性 浆液的流变模型浆液从流变学观点看，浆液运动按力学模型和特性曲线分为粘性体和弹粘塑性体两大类，并分为牛顿体、非牛顿体、宾汉体和非宾汉体四种型式。各种型式的特性曲线和物理方程见表-1 各种浆液的流变特性浆液在空隙种流动时，浆液内部及浆液与孔壁之间将产生一定的摩擦阻力，这种阻力的型式和大小，也就是浆液的流变性，它是影响可注性的一个重要因素。表-1 浆液的特性曲线及物理方程表分类粘性体弹粘塑性体牛顿体非牛顿体宾汉体非宾汉体特性曲线物理方程=或 =常数tn=或常数-0=0或0=常数或（-0）n=00=常数从浆液流动的物理方程可知，在注入塑性浆液时一部分有效注浆压力将消耗在克服有剪应力产生的阻力上面，因而必须采用较高的注浆压力才能使浆液渗入细小孔隙和扩散至较远的距离。但在另一方面，因塑性体一般都存在触变现象，所以它又具有一些牛顿体所没有的优点，例如能防止浆液中的粗颗粒沉淀分层和有利于在大孔洞或动水条件下注浆等。例如可用高速搅拌尽量减少流动阻力，获得较大的充填范围；当需较小范围时，可用注注停停的方法，使注入的浆液获得更大的阻力以取得较理想的效果。浆液的流动性受浓度影响最大（一般流动性随水灰比增大而提高），此外如材料颗粒的比表面积（流动性随比表面积的增大而降低）、颗粒形状（带角颗粒将增加流动阻力、絮凝程度或内质点的吸力（絮凝性降低流动性）等也是重要的影响因素。一般认为，水泥浆较稀时为牛顿体，但当水灰比降低到某值后则变为塑性体。水泥浆由牛顿体变为塑性体的临界水灰比取决于水泥的类型和浆液的搅拌程度等因素。某些试验资料表明，当水灰比W0.81.0后粘度和抗剪强度迅速增加成为典型的塑性体。另外一些资料则指出，水泥浆的水灰比高达1020时仍具有一定的抗剪强度。粘土、膨闰土和粘土水泥浆等则为塑性体，这些浆液中，水和粘土的含量对流动性影响最大，掺土越多和含水量越小，浆液的粘度越大。丙凝、AC-MS、硅酸盐和大多数化学浆液都属于牛顿体，然而除丙凝等少数浆液以外，多数浆液的粘度都随时间而增加，化学浆液的这一性质比粒状浆液更为突出。上述分析表明，浆液的流变性受许多因素的制约，即使是同一种浆液，其流动形式和流变参数也不是固定不变的。3 浆液在岩层中的运动型式和规律浆液在岩土层中的运动和凝胶规律是根据地层性质及其导浆结构，浆液类型及流线特性，注浆方式和参数选取而决定，一般浆液运动型式和规律分两大类。 渗透注浆。 孔隙性岩土层渗透注浆。孔隙性岩土层是由许多相互连通网状的孔隙而形成的导浆系统，当浆液材料与孔隙通路相适应，在浆液压力不大的条件下，浆液以渗透方式注入孔隙。这时浆液是以渗透扩散凝胶方式运动的，最后将松散的固体颗粒胶结成整体。这种注浆，浆液的流动符合液体渗流定律，浆液是以注浆孔为中心向外扩散。 裂隙岩层渗透注浆。由几组裂隙相互切割连成网状裂隙而形成的导浆系统，根据浆液性质不同，运动规律分为：溶液类和胶体类浆液的运动规律。这种浆液的流动符合渗透定律，浆液的流动、扩散和凝胶规律与前相似。悬浊浆液的运动规律。从整体上看它仍服从渗流定律，但从微观上看，悬浊浆液在裂隙中的流动可以认为是固体颗粒的水力运输。浆液逐渐凝固硬化成结石体，由于结石率小于1，故岩层内仍然有一定间隙，因此，加大注浆压力，就会使原有的裂隙有所扩大，注浆后扩大的裂隙回缩，能使裂隙完全封闭。而且裂隙回弹产生的压力是大面积的法向正应力，它能在厚度仅为1mm左右的浆层中造成巨大的压力梯度，对浆液的排水固结特别有效果。 管道型注浆。 孔隙性岩层人工压裂管道型注浆。孔隙性岩层内由于浆液材料与孔隙通路不相适应或采用了高压注浆，浆液不能以渗透方式逐渐注入到孔隙中去，而是继续在注浆压力作用下，当压力升到一定高度，便 在地层的薄弱部位形成压裂脉状管道导浆系统。浆液的运动过程是压裂流动凝胶，如此反复多次，直到形成树枝状或脉状切割的胶凝带而不再被压裂为止。与此同时，松散地层被压密，渗透系数减小，地层透水能力降低。因此地层强度有所提高。可起到阻水防渗截流固结的作用。注浆压力起压裂地层、扩大浆液通道及克服流动阻力的作用。 岩溶层管道型注浆。浆液在裂隙中的运动是按照管道流方式进行，其特点是流动扩散凝胶。注浆压力是用来克服浆液与岩壁间的摩擦阻力和局部（弯曲、变径）阻力以及静水压力，管道流动阻力比渗流要小，因此，浆液扩散范围较远。为避免浆液流失，一般采用低压灌注，间歇注浆，并控制凝胶时间。为使大小裂隙都获得良好的注浆效果，注浆过程应先用低压灌注大裂隙和溶洞，待凝胶后压力上升，再用较大的压力压注小裂隙。注浆压力与管道直径、浆液流速、扩散距离、浆液性质以及岩壁粗糙程度和弯道大小、变径情况等因素有关。可根据管道流压力降公式计算，或反求扩散半径，由扩散半径控制凝胶时间。四、 预注浆技术 广义上的预注浆技术应用非常广泛，本节只介绍地面预注浆技术和工作面预注浆技术 立井地面预注浆技术 地面预注浆技术，最常见的是立井地面预注浆，它适用于厚度较大的裂隙含水层，也适用于层厚虽不大，但层数较多的裂隙含水层。立井地面预注浆，以打钻技术区分，有常规钻孔立井地面预注浆和定向钻孔立井地面预注浆；以使用的注浆材料而言、有水泥注浆和综合注浆。1 常规钻孔立井地面预注浆技术在立井井筒掘进施工开始前，在设计井筒位置同心圆上布置钻孔，由地面打注浆孔注浆，在井筒开挖轮廓线之外，形成一个封闭的隔水帷幕，然后进行井筒施工。（1） 钻孔孔数：根据我国实际情况情况在一般地质条件下，每个井筒可以选择6个注浆孔，当地质和水文条件复杂或井筒的断面较大（如井径为8米及以上）时，可以选择8个注浆孔。当含水较少或裂隙沟通较好，可以考虑少布孔，既选择34个注浆孔。（2） 钻孔垂直度；钻孔允许偏斜，在套管段为0.3%，注浆段为0.6%。为此，钻进中要使用JDT-S型陀螺定向测斜仪器、CX-56型测斜仪，进行孔斜监测。发现不符合设计要求时，要进行纠偏工作。（3） 注浆方式和注浆段高：注浆方式是指浆液的压注形式和压注浆液的顺序。以浆液的压注形式不同，注浆方式有压入式和循环式。压入式注浆是把浆液直接压入注浆孔，充塞裂隙这种方式因注浆速度快、压力高、浆液填塞密实、浆液凝固后强度高、容易注入到细小裂隙中，而被广泛采用。循环式注浆：需要复杂的钻孔注浆装置，即孔口回浆装置，使多余的浆液由注浆孔经过回浆管回到贮浆池，再与新的浆液混合，注入地层中，这种方法可以实现恒压注入控制浆液扩散范围和材料消耗量。它适用于注浆深度不超过200m、含水地层有较大裂隙和有岩溶空洞的条件。地面预注浆都应分段注浆，其段高值的大小是根据含水层的厚度、围岩破碎程度、可靠的止浆位置和注浆泵的能力来确定。在极破碎含水层注浆段高为10m左右；在较破碎含水层注浆段高为1525m；在坚硬岩层的含水层中注浆段高可为2535m。复注时段高可取3580m。按分段注浆关系，注浆方式分为分段下行式和分段上行式。常规使用水泥浆注浆，原则上都采用分段下行式。（4） 注浆的浆液材料，一般使用单液水泥浆，必要时使用水泥水玻璃双浆。（5） 注浆参数浆液有效扩散半径：浆液有效扩散范围的大小受许多因素的影响，一般有效距离为69m。注浆压力：注浆压力时浆液注入地层的能量，压力大浆液扩散远，耗浆量大；压力太小，浆液扩散距离不够，甚至有封堵不严的可能。因此，正确选择和合理运用注浆压力是注浆技术的关键。以工程技术人员在实践中总结的经验数据为，当裂隙小于10mm，注浆最大压力按静水压的22.5倍计算；当裂隙开度值大于10mm的情况下，注浆最大压力值可按静水压的1.62.0倍计算。浆液注入量、浓度、注浆终量。井筒浆液注入量，可按下列公式进行计算： V=AR2Hn/m式中 V井筒浆液注入量，m3； A浆液消耗系数，一般A=1.21.5； R以井筒中心为圆心的浆液有效扩散半径，m； H注浆段高，m； n岩层裂隙率，%；浆液充填系数，为0.90.95；m浆液结石率，为0.85。浆液浓度，从总体上来说前期较浓，后期的浆液较稀。就每段每次注浆而言，是先稀后浓。注浆终量，每段注浆达到注浆压力时，注浆泵的排量为5060L/min，并维持2030min。2 综合注浆法地面预注浆技术1969年，前苏联特殊注浆地质公司（简称STG）在井筒地面预注浆技术方面发明了综合注浆法，它的特点是：用水力动力学（包括流量测井和水位恢复法）对注浆地层的水文地质参数进行详细的研究和计算，并根据研究计算的结果进行分析注浆设计和指导注浆施工单位；采用以粘土为主的廉价注浆材料；注浆过程中对注浆压力、浆液流量和浆液比重进行连续监测。综合注浆法提高了注浆技术的科学性合注浆效果。因此一些非洲及原匈牙利、保加利亚、捷克、南斯拉夫等东欧国家，先后引进了此项专利。我国根据国内情况，立足国内，研究开发了符合我国国情的综合注浆法成套技术。综合注浆法是一种严格按照一定顺序合作业程序，完成从岩层地质调查、注浆工程设计、设备选择、确定浆液材料及配方配比到施工和注浆效果监测等一整套内容的注浆技术。我国综合注浆法具有以下主要特点： 含水层内堵水或加固的全过程有科学的工程计算； 为获取工程计算客观、可靠的资料，在孔内利用各种仪器进行测试； 采用以粘土为主料的CLC型廉价浆液材料，对浆液的配制与注浆过程实行连续监测； 注浆过程中对注浆质量不断进行分析、评价、并调整、补充、完善施工设计。CLC型浆液主要由粘土、水泥、结构型外加剂和水组成。浆液的主要成分是粘土浆，占89%90%，水泥占8%10%，结构型外加剂占1%2%，它是一种粘塑性浆液，具有良好的可注性、很高的隔水性及长期耐腐蚀等特点。综合注浆法地面预注浆技术的注浆钻孔布置、钻具组合、钻进工艺、测斜纠偏、注浆设备、浆液输送系统、止浆技术等均可参与常规地面预注浆技术。综合注浆法地面预注浆技术的注浆方式和注浆段高的划分按井筒深浅，可采用一次成孔，分段上行式注浆。井筒深度较大时，可以实行分段上行式注浆。综合注浆法的注浆段高一般为4075m；注浆终压，由实践经验总结为静水压的2倍，再加35Mpa，参考数值见表-2。浆液注入量以施工设计为标准。表-2 注浆终压参考数值表注浆深度/m注浆压力（泵压）/MPa注浆深度/m注浆压力（泵压）/MPa70018253 定向钻孔立井地面预注浆技术定向钻孔地面预注浆在我国是80年代发展起来的，开滦东欢坨二号井上部（400m以上）工作面预注浆和凿井施工，下部420750m实行定向钻孔地面预注浆同时作业，使建井工期缩短了1年。兖州矿区鲍店煤矿的井筒在建井时，厚表土层采用冻结法施工投产若干年后，井筒严重变形，威胁井内设施和作业安全，需要进行注浆加固，由于地面有井塔、建筑物，所以在不停产的条件下采用定向钻孔地面注浆技术。邢台矿物局邢东矿井的主、副井筒，400m以上采用常规钻孔综合地面预注浆而后采用上部249m（主井）和255m（副井）冻结，400m以下定向钻孔综合注浆法地面预注浆技术。注浆技术可以运用地面预注浆技术，定向钻孔是利用高精度定向测斜仪器定向，井下动力钻具造斜，使钻孔的钻进轨迹按设计的路线延伸到规定的位置，然后再打直孔进行注浆。由于定向钻孔注浆法可以与地面建筑及井筒施工平行作业，缩短建井工期达10%。4 爆破注浆技术爆破注浆是在注浆孔内，按一定的方向装入带有凹槽的炸药卷，引爆后使岩层松动形成一定的网状裂隙，并与原有的裂隙沟通增加了与注浆孔连通的裂隙，以增大浆液的扩散半径；在爆破形成的网状裂隙中充塞浆液，形成网状帷幕，达到堵水、防渗的目的，以提高堵水、防渗的效果，实现少孔注浆。这种新工艺又美国微软公司杜威尔和克尔-莫克杰尔公司实验成功，1972年获专利；现在美国和俄罗斯等国已经有不少的应用。它适用于裂隙不发育，而又有足够的强度（20Mpa）的脆性岩石。采用爆破注浆技术，当井筒直径为34m时，可实现单孔注浆。当直径大于4m时，可采用3孔爆破注浆。杜威尔公司在某矿区对直径5m的矿井进行爆破注浆，应用3个注浆孔，注浆效果甚佳。该公司使用硝酸铵浆状炸药，爆破形成裂隙扩展范围约为9m。 工作面预注浆技术当井筒及硐室开凿期间遇到含水层、断层破碎带、松软岩层时，往往需要进行工作面预注浆堵水和加固岩层。未揭露含水层、软弱破碎带，工作面没有水，岩石完整坚硬，可以利用预留一定厚度的岩石作为岩帽进行工作面预注浆。当工作面比较破碎不能承受注浆压力时，需要构筑止浆垫（止浆墙），使工作面能够承受较高的注浆压力，并防止跑浆。工作面预注浆是指在井巷或硐室掘进至含水层10m左右时停止掘进，打超前钻孔探明水位、水压和水量，按设计要求预留止浆岩帽或浇筑混凝土止浆垫，从掘进工作面钻孔注浆，在含水岩土层形成帷幕，然后再进行井巷施工，它适用于含水层埋藏较深或分层间距较大以及巷道注浆的情况。工作面预注浆可使用较轻便的钻孔设备，钻孔工作量小，孔的偏斜容易控制，简化了工艺。但注浆施工需要占用施工工期，作业条件不如地面好，有高压水时需要防护装置。1 立井工作面止浆垫的构筑立井工作面的止浆垫有以下几种方式：（1） 工作面基本无涌水时，可以用混凝土构筑单级球面形或平底形的止浆垫。（2） 当工作面有涌水时，但可以用泵连续运转维持排干的条件下，可以构筑带有滤水地层的止浆垫，滤水层厚度以不被水淹没为标准，厚度一般为0.50.8m，设置排水的水窝，浇注混凝土，混凝土凝固并有足够的强度后，对滤水层进行注浆。（3） 淹井条件下，构筑止浆垫，一般采用两种办法： 水下浇注混凝土，有两种方式，一是用较大直径钢管作下料管，浇注混凝土；二是用底卸式吊桶浇注混凝土。 抛渣再注浆的止水垫，在井内悬吊34根50mm注浆管到井底，向井内抛入粒径为2040mm的石渣或碎砖，然后注入单液水泥浆，养护约10d，把水排干，如有必要再构筑一层较薄的混凝土止浆垫。2 立井工作面预注浆技术（1） 常见立井工作面预注浆，由预留帽或止浆垫布孔打钻，采用下行式分段注浆，段高不作严格规定，可以根据涌水量大小决定，注浆压力原则上也是静水压的22.5倍，但要严密观察井内情况，妥善控制压力，防止井壁压裂、掉块。（2） 多孔小孔快速工作面预注浆，它采用YQ100A、YQ100B型风动潜孔钻机或散钻打孔，钻孔深度1020m，进行群孔注浆。（3） 炮采工作面注浆，又称直接堵漏，是前些年开发的具有一定特色的注浆堵水技术。其特点是注浆与凿井交替进行，利用3.04.0m的中深炮眼或1112m的深炮眼做注浆孔，用高压注入稠浓的速凝浆液迅速将水堵住。该法最大的优点是快，打眼快、注浆快、辅助时间短、堵水见效快；不足之处是浆液扩散范围小，残余水量大，打钻注浆作业条件不好，掘进费用高，井壁质量较差，淋水大，往往需要壁后注浆。3 斜井、巷道、硐室工作面注浆技术如果掘进前方是含水岩层，需要注浆堵水或是断层、软弱岩层需要预注浆加固。掘进工作面是硬岩，可以预留岩帽布孔注浆；如果是软岩或已经有涌水现象，必须打一道止浆墙。止浆墙的构筑方法是： （1）利用经验公式计算厚度，安全系数一般取1.52.0（2）临时挡水堰，安置108mm的钢管（带有法兰盘），把水由钢管导出；（3）在确定的止浆墙的前后，由料石或砖砌墙，当作混凝土模板使用，料石墙或砖墙之间充填混凝土，振捣密实，如此方法逐渐加高，逐渐振捣，到一定部位预埋注浆管；（4） 养护710d，对止浆墙进行注浆，使不密实的部位用浆液充填，以免进行工作面注浆时，止浆墙跑浆。斜井、巷道、硐室工作面注浆，使用的材料、设备、工艺与立井工作面预注浆基本相同，注浆钻孔与斜井、巷道的轴线近似平行，略有些倾角，仰角和方位一般是15。五、后注浆技术含水层被开凿揭露后，出现漏水、涌水、流泥、冒砂，井壁或巷道碹断裂、开裂、片帮、冒顶等情况，需要堵水或加固的注浆技术称为后注浆技术。常见的有壁内注浆和壁后注浆两种井壁注浆，还有裸体巷道的裂隙注浆。它是煤矿生产建设中常用的注浆方法之一。深孔围岩注浆是在井巷壁上钻深孔，埋管注浆，孔深一般510m，主要用于加固压垮型井巷或封闭井巷突水。壁内注浆使用于表土段，壁后为流沙层或冻结双层井壁夹缝注浆。壁后注浆使适用于基岩段井壁堵水或壁后有空洞，曾发生过片帮、冒顶，井筒下沉的立井、斜井、巷道的注浆，把浆液注到壁后，起到充填、堵水或加固作用。 壁内注浆1 注浆施工的顺序整个井筒注浆顺序是由上而下分段注浆，但对每段而言是由下而上注浆。2 注浆孔的布置和注浆管的埋设注浆孔的布置与井壁裂缝、漏水点的分布、井壁结构及其强度、注浆压力与注浆材料有关。以堵水为目的，注浆孔可以选择漏水点造孔，称为顶水注浆。或在漏水裂隙附近打斜孔与裂隙相交，尽可能将全部水都导出来，然后关闭阀门，检查那些部位仍漏水，再做处理，直到基本不出水为止，称为泄水注浆。如果既要堵水又要加固，布孔要多些，在井壁上出水区域，布成三花眼或五花眼，孔间距要使浆液的扩散度能够相互交圈；如果壁后是流沙层，按煤矿安全规程规定，一般都不打透井壁，留100200mm的安全距离，防止跑砂。双层井壁，注浆孔穿进外壁100mm左右即可。注浆管的埋设有三种方法 用50或40钢管，在井壁上打眼直接把注浆管打入孔内； 埋入井壁中，把钢管车成马牙扣、缠麻，打入注浆孔中； 注浆孔内，安置止浆塞式孔口管，压紧，并把注浆管与孔壁固定牢。必须把止浆塞下的较深，但是不耐高压注浆。3 井壁处理井壁处理是非常重要的，它关系到注浆效果与成败。混凝土井壁存在的接茬缝、裂缝、蜂窝、麻面等都要经过处理后再注浆。接茬缝、裂缝处理多采用凿成沟槽的办法，挖成W形或U形的沟槽，把水由钢管引出来，用水泥水玻璃塑胶泥糊缝。料石井壁，也是用埋管、导水糊缝的办法。蜂窝、麻面，采用埋管、导水、挖补的办法。4 注浆材料、工艺、参数注浆材料：单液水泥浆、CS双液浆、化学浆液等。注浆工艺：分段上行式，打眼、埋管、处理井壁、关闭阀门检查、注浆。注浆参数：主要指注浆压力、凝胶时间和注入量。注浆压力高于静水压力0.30.7Mpa凝胶时间的掌握原则是，当处理完井壁不漏水，尽可能注单液水泥浆，如果少量漏水，使用快速凝固双浆液；浆液注入量与注浆孔涌水量有关，涌水量大，注入浆液多；涌水量小，注入浆液量一般也要相应少一些。 壁后注浆1. 常见的壁后注浆基岩由裂隙水、断层破碎带等，造成井壁砌碹后产生井壁漏水，而进行堵水、加固的技术称为壁后注浆。壁后注浆的布孔、埋管、井壁处理，以及注浆顺序、工艺、材料、设备、机具、技术参数与壁内注浆基本相同。2. 破壁注浆破壁注浆是在常规的壁后注浆基础上，在井壁上设置防止涌水喷砂的装置，以保证在钻透井壁时发生涌水、喷砂时可以及时关闭阀门，进行壁后注浆，充填和加固壁后的冲积地层。其注浆工艺、材料与常规的壁内、壁后注浆基本相同，主要使用水灰比为1：10.8：1的水泥浆，CS双浆为附，其体积比一般采用水玻璃/水泥浆为1/81/5，力求壁后形成2.0m厚的帷幕。破壁注浆时，为保证井筒安全，要设置防止涌水喷砂装置。并采用“下堵、上封、中间渗透”的钻注形式。下堵即先注基岩风化带；上封即每一分段上部注入速凝浓稠浆液形成固结圈；中间渗透即上封、下堵之后中间部位重点进行渗透的破壁注浆。高压注浆时，一般由小到大逐渐增加，因为壁后是粘土和砂，可注性差，要实行高压注浆，考虑到井筒可能承压能力，设计压力为1012Mpa，实际在78Mpa。特别要注意安全。注浆过程要加强观察，注意井筒和操作人员的安全防护。六、软弱地层特殊注浆技术 高压射注浆技术高压喷射注浆技术起源于高压旋喷注浆，因它除高压旋喷注浆之外，还有定向喷射注浆（定喷）和摆动喷射注浆（摆喷），所以统称为高压喷射注浆技术。高压喷射注浆技术是一种新型的注浆法，是静压注浆法的发展。60年代末，日本首先开发了单管高压旋喷注浆法（CCP工法），根据土层的N值大小不同，在粘土层中成桩直径达0.3m以上；以后开发了高压水泥浆与压缩空气同轴喷射的二重高压旋喷注浆法（JGP工法），成桩直径达到0.81.0m；发明高压水和压缩空气同轴喷射的喷射流把喷嘴附近低压水泥浆带进土层中的三重管高压旋喷注浆法（CJP工法）。现在日本除了以上三种工法之外还有多管水平高压旋喷注浆法（MJP工法）。日本高压旋喷注浆法，喷射压力大于40Mpa称为超高压旋喷注浆法。我国高压喷射注浆法于70年代中期开始应用于建筑工程目前我国已经有单管、二重管、三重管高压喷射注浆一般情况下，三重管高压注浆时高压水的压力为30Mpa左右，水泥浆是用低压的泥浆泵输送；双高压喷射注浆法的水压大于30Mpa，水泥浆的压力为30Mpa左右，水泥浆的压力为30Mpa左右；这样对导流器、注浆管、喷射头的结构和材质都有特殊要求。我国高压喷射注浆技术的工艺参数，见表-3表-3 高压喷射注浆技术工艺参数类型压力（Mpa）注入量（L/min）转速r/min提速喷嘴直径 m定喷长度水气浆水气浆mm /min单管旋喷定喷162516255080508020301003001001500.30.60.40.5注1二重管旋喷定喷20300.50716250.51.0609050609060901015101580120801200.81.00.60.8注2三重管旋喷定喷253225320.5070.5070.51.00.51.0708070805050609060901015101580120501201.21.846注3水平旋喷25320.5070.51.0708050609010155012011.2双高压旋喷25320.5070.51.070805060901015501201.52.246注：1福建省煤炭工业科研所，单管定喷，由于泵的能力小，单嘴定喷，再插下去喷嘴反向180再喷。2 上海隧道研究所，高压水低压浆同轴喷射注浆。3 煤科总院北京建井研究所在单管、二重管、三重管高压喷射注浆研究和应用成果的基础上新的试验研究成果。 压密注浆技术软弱地区，如淤泥、砂土、杂填土等地层采用压密注浆技术增加地基强度，堵水等，它实际上是以挤压、劈裂注浆技术为基础开发出来的新的应用途径。在很多地方的城市建设中广泛应用。压密注浆技术是在一定的压力作用下，浆液在地层中劈裂、挤压形成脉状网络和片状、层状的固结体，使松软地层被挤压密实，提高地层的强度，达到一定的隔水作用。压密注浆使用的材料有水泥、水玻璃、粉煤灰。根据实际需要可以单独使用水泥浆，也可以使用CS双浆液或水泥、水玻璃混合浆。其工艺方法是：利用钻机造孔（或震动钻孔），把下部带花孔的注浆管送到设计位置，搅拌机造浆，注浆泵以0.53MPa的注浆压力把浆液挤压到地层，逐渐提升，完成全孔注浆。 流砂层注浆法1 化学注浆法该法是以化学浆液加固流砂层，形成隔水层，使开挖工程穿过流砂层。常使用的化学浆液有MG646（或称丙凝）、脲醛（尿素甲醛）、糠醛尿素聚氨脂（称氰凝或堵漏王）、水玻璃类的化学浆液。这些浆液一般都是溶液型的凝胶时间控制几十秒到几分钟，在砂层中能够扩散渗透，但如果浆液粘稠、凝固时间短、泵的排量大于地层的渗透能力，也会造成劈裂注浆的方式。所以选择合适的浆液类型、凝胶时间及注浆泵的排量是很重要的。采用前端带有花管的钻杆，造孔到设计深度后，采用分段上行式定量注浆，需要设置孔口密封装置或止浆塞，防止浆液沿钻杆向孔外跑浆。例如丰南矿主副井筒在井深2532m出现流砂层，使用糠醛尿素浆液注浆穿过流砂层；河南平顶山王道矿出风井，采用36个注浆孔，注入水玻璃铝酸钠化学浆固结7.4m厚的细、中、粗砂和砾石含水层获得成功。2 排管注浆法排管注浆法既有置换注浆的含义，又有板桩施工的作用。其主要工艺过程为打钻造孔，在钢管插入钻孔过程中，大量放砂，使砂层松动形成空隙，然后通过钢管注入水泥浆，使水泥浆在钢管四周形成水泥沙浆的岩柱，许多个带有钢管水泥沙浆的岩柱连成一片，构成具有一定强度的隔水帷幕，在其保护下安全凿井。3 置换注浆法该法是将砂层的砂随水冲出工作面，腾出一定的置换空间，再将水泥浆压入充填空间并向四周扩散，经脱水、压密、凝固，逐渐将受注范围内的砂层改换成人工形成的水泥结石帷幕。适用于粘土类地层，夹有单层，数层的薄夹层流砂层或中厚流砂层，并采用分层分段的置换注浆。以山西屯留矿区郭庄矿主副井表土段过流砂层为例说明该法的施工要点如下：（1） 在距流砂层顶板1.52.0m厚粘土隔水层构筑止浆垫；（2） 以同心圆锥面状布孔，终孔距荒径外1.52.0m。中心有一个检查孔。（3） 钻孔一经钻入流砂层就会出现涌水冒砂，每次漏水带出的砂量就是应注入水泥的置换量，但必须控制，放砂量过多，会引起粘土顶板冒落，这种现象必须防止；放砂量过少，则增加重复钻注次数延长工期。每次置换量以1.52.0m3为宜。 断层破碎带的注浆技术在井巷、隧道、硐室开凿工程中，当遇到断层破碎带、软岩或细小裂隙含水层等复杂的地质条件，采用注浆堵水和加固技术是有效方法之一。有两种情况，第一种是原生态的阻水性断层，一般水泥浆在这些特殊地层中的可注性差，而达不到浆液注入量的要求，以致降低了堵水和加固的效果；第二种情况是在开凿施工时，发生过突水、冒落、大量涌泥的事故，使断层破碎带造成严重的破坏和扰动而增加了注浆的难度。开滦矿区钱家营矿副井，林南仓煤矿副井，越南冒溪煤矿-80m水平巷道穿过FA 断层破碎带时均发生突水、冒落、压垮软弱岩层，造成淹井。1 提高断层破碎带的可注性针对原生状的阻水性断层破碎带，水泥浆的可注性差而降低了堵水加固的效果，外国通常采用超细水泥或化学浆液作为注浆材料。根据我国的实际情况，应用普通水泥，加固，加上特殊的注浆技术措施，进行施工试验取得了良好的注浆效果。（1） 压裂法压裂注浆，也就是劈裂注浆或挤压注浆，利用浆液的传压作用在含水岩层中挤开通道，造成裂隙之间的相互沟通或扩大细小裂隙的开度，以提高断层的浆液可注性。该法是注浆初期以稀水泥浆为主，水灰比为34。稀水泥浆中的水泥颗粒在脉冲压力的作用下对压开和沟通裂隙能够起到支撑的作用，一旦压开或裂隙扩大开度后即转入注浆阶段。采用缓慢升压方法找出注浆泵的排量明显增加时的压力值作为压裂法的注浆压力，压开裂隙的时间一般需要1020min，压开裂隙之后，压力就有所下降，这时进入正常的注浆，为防止已压开的裂隙重新闭合而影响浆液注入量，所以要连续注浆，避免中途停泵。（2） 预处理法采用预处理法可以提高浆液的可注性。所谓预处理法就是在注浆以前，先向孔内压入经过稀释的水玻璃溶液（浓度2025Be）。由于水玻璃注到岩石裂隙后对裂隙面有极大的润滑作用，所以能够提高岩层对注浆的吸收能力，可以明显增加浆液的注入量。（3）同层钻进交替注浆法采用同层钻进，轮流交替注浆，使高压浆液通过软弱岩层沟通其它钻孔，进行置换和挤压注浆，对增加浆液注入量也有明显的效果。例如把同组的三个钻孔打到相同的注浆层位，分别对各孔轮流注浆。则高压注浆液通过软弱层的界面和其它两孔沟通，并将泥质杂物推入到其它两孔，使浆液充满被置换的通道，当发现其它两孔有浆液冒出地面时，立即关闭这两个孔，继续注浆，使浆液进一步扩散，压实地层。 2 限制断层的浆液扩散性 注入骨料：弱断层带大量涌水且有大量破碎岩石或断层泥随水冲出，会形成很大的冒落空间，为防止浆液过量消耗，可先向断层打钻，并埋管向里喷射混凝土，注入骨料。 采用CS浆液，尽可能调整水玻璃配比缩短胶凝时间，控制浆液流程。 采用低压间歇式注浆。 最后加大注浆压力，充填微裂隙，提高结石体的抗渗透能力。例如越南冒溪煤矿-80m水平巷道穿过Fh断层时，曾发生两次突水、塌落、涌泥，涌泥量1550m3，造成人员伤亡事故，经过技术方案比较和实际情况分析后，确定采用地面布孔，打钻注浆的治理技术。因FA断层已经不是原生状，而是受到破坏和严重扰动的断层破碎带，使得注浆时注入量大，浆液扩散距离远，地面跑浆频繁，注浆压力难以升高，为此采取以下几种措施：（1） 控制注浆量初期注浆孔注入量很大，先使浆液充填空洞和极松散部位，经过几次注浆后这些部位已基本被浆液的固结体占据。此后，浆液容易沿薄弱环节，向地表跑浆。经过总结，每次注浆段高5m，每次的注入量控制在612m3。这样控量、反复多次注浆，效果较好。（2） 先注稀浆后注浓浆稀浆比重为1.49，因浆液的可注性好，浆液可扩散很远。因此，前期注入较稀浆液，当注入水泥量达到50%60%后，开始注入浓浆，对每孔每段也是先注稀浆后注浓浆，浓浆浆液的比重为1.581.68。以加强关键部位的受浆和提高注浆升压速度。（3） 套管加强掘进时穿过断层部位的加固强度设计的注浆段是30m厚，即孔深90120m设计套管深度为90m，经过几次分段注浆后，延伸套管深度为105m，接近掘进巷道的顶板，加强105120m段的注浆。（4） 高注浆压力FA断层遭受两次坍塌冒落，涌泥1550m3，破坏了断层原始状态，断层受到严重的扰动，断层带岩性改变非常大，比第四系的土层的条件还差，为使再掘进时安全顺利穿过FA断层，做到无水和断层带的稳定，增加浆液的注入量并提高注浆压力，注浆终压超过3MPa，经过注浆后检查孔抽水，测定透水系数K=6.0910-9cm/s。七、注浆堵水技术应用的工程实例与分析 注浆堵水技术在我国取得了广泛的应用，如唐山东欢坨矿井筒施工时采用的“S”形钻孔地面预注浆，大同矿物局四台沟矿副井的帷幕法施工，山东济宁运河煤矿主副井的工作面预注浆技术，郑州矿物局告成煤矿风井的淹井水下注浆等。下面就通过一个实例简单分析介绍一下注浆的工艺过程。工程概况郑州矿物局告成煤矿风井为斜井，倾角30，斜长390m，净宽3.4m，壁厚0.4m，净断面11.9m2，永久支护为浇注混凝土，直墙半圆拱，临时支护为槽钢骨架和喷射混凝土。1992年4月23日，该井掘进了371m，成井360m，在24日11时掘进放炮时，突然涌水。最大涌水量为617m3/h，几小时内斜井被淹没长175m，196m以上是无水段斜井，工作面往后尚有10m为临时支护，未砌碹。斜井穿过的岩层有泥岩，灰岩，泥岩厚1m，灰岩分为L7 、L8两层含水层，通过试排水、强排水后，未能将水排干，于是决定用注浆堵水。7日14时30分经分析斜井工作面的突然透水原因为：薄层泥岩挡不住L7 、L8灰岩含水层的水压，冲破泥岩、灰岩岩溶裂隙，大量涌入斜井所导致。注浆方案设计水下注浆是利用浮力原理将注浆管送到斜井工作面，利用水泥浆的密度比水大的特点，使水泥浆向斜井工作面流动、集结、凝固封堵透水地点。注浆特点：其一是在斜井井口的地面设置注浆站，地面搅拌水泥浆，井内注浆，工艺简单。不在突水点相对的地面打钻注浆，使浆液工作面全部在工业广场内进行，不与农田发生关系。