联合注浆技术在黄河北煤田立井施工中的应用-.doc

文章编号：1673-3363-(2013)02-0223-08收稿日期：2012-05-20作者简介：左垒安 男，1973年出生，山东省临沂市人，2010年毕业于山东科技大学矿井建设专业，现于山东能源新矿集团赵官能源公司掘进专业管理工作。E-mail：15069298061163.com; Tel合注浆技术在黄河北煤田立井施工中的应用左垒安1，王凯1，朱焕然1，张富楼1，李科1(1山东能源新矿集团赵官能源有限责任公司，山东 齐河 251113)摘要 赵官煤矿针对副井井筒基岩段施工过程中井壁涌水，采用井筒地面预注浆、井筒工作面预注浆、井筒壁后注浆，封堵立井井壁淋水，取得成功经验，通过对注浆施工的效果分析，为进一步完善黄河北煤田立井建设注浆工艺提供可行性参考。关键词 井壁涌水；立井建设；注浆工艺The Joint Grouting Technology in Huang heBei Coalfield the Application of theVertical Shaft Construction.ZUO-Lei-an1，WANG-Kai1，ZHU-Huan-ran1,ZHANG Fu-lou1，LI Ke1，(1Shandong energy new mines group zhao guan energy limited liability company，Jihe，Shandong，251113，China)Abstract Zhao Guan coal mine shaft construction process for auxiliary shaft bedrock section water, adopt the shaft surface pre grouting, shaft face pre-grouting, wellbore grouting, plugging the shaft wall in water, the success of the experience, through the analysis of the grouting effect, provide the feasible reference to further improve the Yellow Hebei coalfield shaft construction of grouting technologyKey words Borehole water gushing；Vertical shaft construction；Grouting process引言立井井筒治水在煤矿施工建设中占有极其重要的地位。我国煤田分布范围广，煤层赋存状况差别很大，矿井水文地质条件十分复杂。进入20世纪80年代以来，注浆技术的研究与应用进入了一个鼎盛时期，应用定向钻进、多孔同时注浆及增大注浆段长等综合注浆方法 ,对注浆过程的控制，出现了自动记录、集中管理和自动化监控的趋势，应用了电探测、弹性波探测、放射能探测等多种检测仪器。经过多年的努力，我国煤矿在矿井防治水工作方面取得了很大的发展，在有些方面已达到了高水平。1 工程概述赵官煤矿属山东省黄河北煤田的一部分，位于该煤田的中西部。地处华北大平原南部，为黄河冲积平原，地貌形态受黄河影响甚大。根据地质报告及井筒检查钻资料，井筒主要穿过第四系、第三系、二叠系及石炭系。第四系及第三系厚约270m。由粉土、粉砂、细砂和各类粘土组成，其下为基岩段。基岩段水文地质条件较复杂，基岩风化带、一灰以上火成岩含水丰富。根据井筒检查钻资料，井筒基岩段含水丰富，提前采用地面预注浆对井筒基岩段封水，为确保施工安全，在揭露各含水层之前，应采取边探边掘的措施通过，原则上应在揭露基岩段距各含水层10m时，打探水孔超前探水。并应根据实测钻孔涌水量预计井筒涌水量，当涌水量20m/h时，采取强排水法通过；当预计涌水量20m/h时，应采取工作面预注浆法通过。2 地面预注浆设计由于赵官煤矿副井井筒穿过的冲积层中，粘土层所占比例较多，单层厚度大；基岩段地层多为泥岩或砂岩。基岩水文地质条件简单，含水层涌水量大多大于20m/h。根据井检孔提供的地质资料，结合井径及以往注浆施工经验，并参照临近矿区地质资料，决定主要使用单液水泥浆和粘土水泥浆，对风井进行地面预注浆。由于井筒地层裂隙不大，联通性差，且地层中含有多个含水层，考虑要在井筒外围形成尽可能厚的隔水帷幕，并且尽量不增加井筒掘进工程量，故选用井筒外布孔。在井筒外围布置6个注浆孔，选用73mm钻杆，布孔圈直径8.5m，均匀布孔，开孔间距6m，均按直孔设计施工，分两组按顺时针对称施工。2.1 注浆参数注浆压力注浆泵压：注浆泵选型压力： 式：PH注浆泵的表压，Mpa； P注浆泵选型压力，Mpa； H受注点至静水位的水柱高度，m； 水的相对密度，可取1。地面预注浆的终压按下式计算：浆液压入量每个钻孔注入量，m3孔：注浆段井筒总注入量，m3 式中:R浆液扩散半径，m，保守计算取6m； H1注浆段高，m；岩层裂（孔）隙率，0.53，取1；浆液在裂隙内的有效充填系数，可取0.80.9，取0.8；m结实率，取90；浆液损失系数，1.21.5，取1.2； N注浆孔数目，个。注浆孔数=4.4个 式中N注浆孔的个数，个；D1井筒荒直径，m，其中净直径为5.5m，加上井壁厚度（风井基岩段井壁厚450mm）取0.5m，故取D1取6.5m； A1井筒荒径至布孔圈距离，m，A1=01.5m，取1m； L注浆孔间距，一般L=1.31.5R，m； R浆液扩散半径，粘土水泥浆一般46m，取4.5m。在施工中对称布孔，故取注浆孔数N为6个。浆液扩散半径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，通常用扩散半径表示。但浆液在岩石裂隙中的扩散是不规则的，即各个方向上扩散远见不同，故扩散半径的大小难以准确确定。在实际工程应用中，一般查手册或据施工经验确定数值。粘土水泥浆一般取46m，在计算时取4.5m。图1 地面预注浆孔布置Fig.1 Surface pre grouting holes layout2.2 注浆方式由于赵官煤矿副井井筒穿过的冲积层中，粘土层所占比例较多，单层厚度大；基岩段地层多为泥岩或砂岩。基岩段水文地质条件简单，以泥岩、砂质泥岩为主，且泥岩强度很低，遇水很容易膨胀缩径、崩解坍塌，含水层涌水量大多大于20 m3/h。故全部采用下行注浆方式，即下行注浆，上行复注，后续孔及终检孔根据终检孔的实际注浆情况及施工需要，在个别注浆段进行上行注浆。3 井筒工作面预注浆设计从风井井筒含水段地质柱状表可知，含水层埋藏较深，含水层层间距大，没有良好隔水层。为了使注浆孔穿过尽可能多的裂隙，确保浆液的有效扩散距离和使工作面预注浆达到理想的预期效果，故采取由不同水平工作面打钻孔、注浆，方案见示意图2。图2 工作面预注浆示意图1-井筒荒径轮廓线；2-注浆孔；3-含水层；4-隔水层；5-预留止浆岩帽或构筑止浆垫Fig.2 Schematic diagram of working face pre grouting1-Wellbore barren diameter profile；2-Wellbore barren diameter profile；3-aquiclude；4- water-resisting layer；5-Reserved rock plug or construction grouting pad3.1 注浆终压注浆压力是给预注浆扩散、充塞、压实的能量。浆终压一般大于静水压力，通常视探水测定水压后确定注浆终压。工作面预注浆时，将注浆站布置在地面，通过管路将浆液输送到工作面进行工作面预注浆。现以第4注浆段为例进行确定注浆终压。根据经验公式： = 30MPa式中 注浆泵的表压，；受注点的深度，m；W水的相对密度，取1；C水泥浆的比重，按水灰比1：1，取1.5； K压力系数，与注浆深度有关，取2.5。考虑到井筒含水层埋藏较深，确定注浆终压为30MPa3.2 注浆孔数注浆孔数量据井筒直径大小及裂隙发育状况，一般取412个。通常按下式确定： 4.5 为保证预注浆效果，在施工中工作面预注浆孔数取6个式中 N注浆孔个数； D井筒净直径，m,取5.5m； A注浆孔与井壁距离，一般。0.50.8m，取0.6m；L注浆孔间距，取3.0m。3.3 倾角和切向角 径向角（以第一段为例） =5.9式中注浆孔的径向角，（）；S终孔位置距井筒净直径的距离度，m,S=E+m； E永久井壁厚度，m；取E=0.45m；m终孔位置距井筒荒径的距离，m，一般24m，取3m；A注浆孔距井壁的距离，m，取0.6m；H注浆段高，m；切向角 根据简明建井工程手册中的规定，取120。4 井筒壁后注浆设计井筒采用工作面预注浆后，井筒涌水量会大幅降低，但难以保证井筒滴水不漏，据其他矿井的经验，井筒建成后仍会有小量井壁水涌于井内，为此需要进行井筒综合治水。治水方案有堵水、疏水、截水、导水和排水。这里重点是堵水，采用锚注注浆。用锚注法一方面封堵围岩水，一方面加固围岩，形成第一道封水帷幕，鉴于尚可能有一些0.2mm的裂隙或浆液未能充填或未充满的裂隙，以及浆液收缩缝构成的裂隙不可能将水全部封住，为此在封堵围岩裂隙的同时，进行壁后注浆形成第二道帷幕，视井壁漏水情况确定是否需要壁内注浆，构筑第三道帷幕，如涌水量6m3/h则终止注浆，即不用壁内注浆，如涌水量10m3/h，而井壁无喷状淋水，可不用注浆，或局部壁内注浆。图3 注浆孔管路装置1-注浆管阀门；2-压力表；3-进浆管阀门；4-卸浆管阀门Fig.2 Pipe grouting hole device1-The grouting pipe valve；2- pressure gage；3-A slurry inlet pipe valve；4-Discharging pipe valve5 注浆效果及结论该工程经过五个月的精心施工，钻孔轨迹、注浆参数等各项技术指标均达到或超过设计要求。采用地面预注浆、工作面预注浆与井筒壁后注浆，有效控制井筒井壁涌水及淋水，证明井筒注浆质量可靠、堵水效果明显，为凿井创造了有利条件。同时得出以下结论：为黄河北立井井筒注浆施工工艺提供了可靠的技术参数；实现井筒冻结、凿井、地面预注浆平行作业，“三同时”施工法，缩短了建井周期；积累了联合注浆工艺的抗风险性和在综合性较强施工中的工序转换探索性经验，为类似地质条件下立井井筒施工提供了可行性参考。参考文献：1 黄德发等