井筒地面预注浆

3注浆施工设计3.1注浆起止深度根据地质资料尤其是含水层特征，结合注浆施工的特点，注浆起始深度暂定为50m；注浆终止深度止于巷道顶板上部约30m，暂定为385m。需要说明的是，地面预注浆起始深度即套管深度，需要根据含水层的位置、基岩风化带的深度与特征等因素确定，套管应穿过强风化带进入完整的弱风化带或完整基岩。参考原回风立井地质资料，暂定新回风立井套管深度为50m（此处为一砂岩），施工时选择一个先期孔取芯钻进，通过判别岩芯确定套管深度。对于井筒上部的50m，将另行补充设计，计划在地面预注浆过程中，在外围用小钻机打孔注水泥-水玻璃双液浆和水泥浆进行堵水，减少井筒刷大时的施工困难。为保护底部巷道，根据煤层顶板上岩层的含水特征（水量小、非主要含水层、有完整的隔水层），暂定注浆孔终孔深度为385m（下部岩层水量小，且隔水性能较好），在巷道顶部30m左右，确保375m以上的注浆质量。施工时先期孔在底部进行取芯钻进，通过判定岩芯确定最终注浆深度。3.2注浆布孔圈径及布孔数量 考虑到注浆施工时即要减少对临近矿井、巷道的影响，又要保证在控制浆液条件下形成有效的止水帷幕，保证注浆质量，因此设计8个注浆直孔，布孔圈径为10.5m，钻孔在地面均匀布置，相邻注浆孔间距约4.0m。施工时分两序进行，1、3、5、7孔为序，2、4、6、8孔为序。具体见图1。3.3注浆段高和注浆压力注浆段高的划分取决于含水层的位置、厚度，岩层的岩性、裂隙发育特点、注浆泵的性能等诸多因素。根据不通的地质条件并综合井筒平行掘进的因素，段高划分遵循针对性、特殊性及一致性的原则。针对性是对已确定的含水层（段）进行注浆；特殊性是指注浆用于特殊的目的，如断层及破碎带的加固等；一致性是将具有相同地质沉积环境、相同的岩性及裂隙发育规律的一组或两组以上岩层划分为同一注浆段高。根据井筒检查孔钻孔综合柱状图、地质剖面图及相应地质报告，划分不通的注浆段高，在施工中可以依据进一步的详细资料和施工情况进行段高调整。根据已有的地质资料，设计注浆岩帽20m岩帽以下风化带（120m深）作为单独一段，向下的每一段都考虑了含水层的位置，且每段的下部都有能够作为止浆层位的砂岩和隔水泥岩，确保各段注浆质量，具体段高划分见表1。施工时可以根据揭露岩层的含水、破碎等实际情况，有针对性地进行段高调整，缩小或合并段高，以更有利于保证注浆质量。受施工条件的限制，新回风立井地面预注浆下不能按照一般情况进行压力设计，施工过程中必须控制注浆压力，避免地面跑浆和对附近原回风立井产生不利影响。因此岩帽段终压控制在静水压力1.5倍左右，岩帽以下风化基岩段单液浆注浆压力也控制在静水压力1.5倍左右；粘土水泥浆序孔注浆压力按静水压力1.62.0倍进行设计，序孔注浆压力按静水压力1.82.2倍进行设计，具体终压设计值见表1。注浆施工过程中将在矿方协助下派人对原回风立井井壁和底部巷道进行观察，一旦井壁或巷道出现异常情况必须立即停止注浆。对于井筒地层中的破碎层位等特殊地层，使用不同浆液注浆时可以根据地层情况进行段高和注浆压力调整。3.4浆液设计3.4.1浆液选择固管、岩帽与破碎带加固需采用单液水泥浆，水灰比一般为1.25:10.6:1；风化基岩段控制注浆时适量选用C-S双液浆；岩帽以下的普通基岩段注浆段采用粘土水泥浆；对可能存在孔隙性水的岩层采用改性脲醛树脂化学浆液上世纪90年代以前，国内立井井筒地面预注浆基本上以单液水泥浆为主，由于单液水泥浆浆液性能与之配套的注浆设备的性能限制，其小泵量，小段高，浆液扩散距离小，浆液结实率低、施工工期长、效率低等特点不能满足不断发展井筒基岩治水和井筒建设的要求。综合多年以来的注浆技术经验，北京建井研究所在上世纪90 年代初，研究成功了以粘土水泥浆为主要浆液的立井井筒地面综合注浆法工艺。经过十多年的发展，配合设备性能和工艺的提高，粘土水泥浆以其结石率高、塑性强度好。可注性强、实现高压大泵量、大段高、施工效率高、成本低等优势在国内百余个井筒得到应用，克服了单液水泥浆用于堵水的缺点，取得了良好的效果。因此，在井筒基岩风化带以下的普通注浆段采用粘土水泥浆为主要注浆材料。岩帽和上部部分注浆段处于风化基岩中，裂隙发育，甚至破碎，因此，要结合单液水泥浆进行加固堵水；为防止地面跑浆，根据情况适当改用C-S双液浆进行控制注浆；底部基岩中的破碎层位在实现堵水的同时也应通过注浆改善其性状以减少井筒开凿风险，因此一般单独设计一部分单液浆进行加固。从附近原回风立井井筒掘砌过程中的岩层水文描述来看，井筒在275321m工作面预注浆后在301m仍发生打眼出水，水量150.15m/h施工该段后经多次壁后注浆在325m测井总涌水量仍有40.2m/h；井筒304334m段、332367m段分别进行壁后注浆施工和工作面预注浆后淋水量仍较大，达到18.85m/h。从岩性分析，造成这几段水量较大的原因很可能是308.9328.2m的中粒砂岩（层厚19.3m）和343.6355.9m的细粒砂岩(层厚12.3m)中含有空隙性水，而孔隙性水是不能通过颗粒型材料（水泥浆、粘土水泥浆等）注浆解决的，因此在序注浆孔上行复注封孔前对这两个层位设计化学注浆，浆液选用改性脲醛树脂。3.4.2材料要求粘土水泥浆以水泥、粘土、结构添加剂（水玻璃）为主要原材料。水泥选用P.O 32.5级普硅酸盐水泥；对粘土要求塑性指数1025，含砂量小于5%（质量）；要求水玻璃模数3.03.4之间，浓度3840波美度。粘土水泥浆水泥加入量为100300kg/ m，粘土浆比重为1.151.30，水玻璃加入量为1050L/ m。施工用浆液需要根据现场的原材料进行配方试验确定的参数进行配制。单液水泥浆一般也采用P.O 32.5普硅酸盐水泥，加入食盐及三乙醇胺作为早强剂，参量分别为水泥用量的5及0.5，同时为提高单液水泥浆性能，浆液中加入BR增强添加剂，掺量为水泥用量的812%。C-S水泥水玻璃双液浆双液配合比为1:1，水泥浆水灰比为1.25:10.5:1，加入BR添加剂（掺量为水泥用量812%）；水玻璃模数一般为2.43.4，波美度一般为3045Be。3.4.3浆液注入量与材料用量浆液注入量根据浆液有效径向扩散距离和注浆段平均裂隙率等条件，应用下列公式进行计算：Q=式中：Q-浆液注入量（m）； A-浆液超扩散消耗系数，取1.5；R-距井中心的浆液有效扩散半径（m），R=r+L;r-注浆孔布孔半径（m），设计5.25m；L-浆液沿径向方向的最小有效扩散距离，取10.5m；H-注浆总段高：岩帽段取20m；岩帽下风化段50m；之下基岩段砂岩118m；其他97m，合计335mm-浆液结石率，取0.85，-浆液充填系数，取0.95，n-岩层平均裂隙率，岩帽与风化带取5%，砂岩（细、中、粗砂）取5%，其它层取4%。固管段按每个孔2m单液浆进行计算，岩帽单液浆量按（a）式进行计算；根据已有的地质资料，对岩帽以下的风化段和一般基岩注浆段中的破碎层位（按30m考虑）加固除粘土水泥浆外单独设计单液浆，注入量按每米井筒15m进行设计，施工时可以根据实际情况进行调整；其它浆段CL-C型粘土水泥浆注入量按（a）公式计算；对上述两个可能含有空隙性水的砂岩层（合计31.6m）化学浆液注入量按每米井筒5m3进行设计，因此注浆总量计算式为：Q总量=Q固管+Q岩帽+Q加固+Q粘土+Q双液浆+Q化学浆（b）新回风立井浆液注入量见表。单液水泥浆按1:1水灰比（固管需要采用0.6:1的浓浆）进行材料计算，早强剂食盐、三乙醇胺分别按水泥用量（单液水泥浆）的5、0.5计算，BR添加量按水泥用量的11%计算。粘土水泥浆水泥量（t）按0.25Q（Q为粘土水泥浆的体积m3）、水玻璃量（t）按0.05Q（Q为粘土水泥浆的体积m3）、粘土量（m3）按0.4Q（Q为粘土水泥浆的体积m）计算。化学浆液紧按配置好的成品计算材料用量。材料用量表见表3.表3 材料用量材料名称单液水泥浆C-S双液浆粘土水泥浆化学浆液合计水泥量3.5注浆方式与工艺流程新回风立井井筒地面预注浆8个注浆孔分作两组作2序施工，以分段下行式为主、辅以上行式的注浆方式。岩帽、破碎带宜采用下行式注浆，每一段当一次注浆不能达到设计要求时应复注，复注扫孔时间粘土浆不少于6小时，水泥浆不少于4小时。化学浆液选择在序孔上行复注封孔前进行。粘土水泥浆的注浆工艺流程：采集粘土 制备粘土浆原浆池 去砂 储浆池 一次搅拌（加水泥）二次搅拌（加水玻璃） 注浆泵输送 注浆管路受注岩层段。3.6控制注浆措施由于井筒注浆的特殊施工条件（注浆上覆岩土层风化严重且较浅、距离原回风立井近、底部有巷道），注浆过程中必须采取措施控制注浆，以克服止浆困难、保证注浆质量的同时还要避免对附近的原回风立井井筒和底部巷道造成破坏。（1）注浆压力：原则上按照设计的注浆压力进行控制注浆，超过控制压力值应该立即停止注浆。（2）调整浆液性能和注浆流量：粘土水泥浆注浆通过调整原浆比重、水泥掺量和水玻璃掺量来控制浆液的比重和粘度，每段初次注浆时相对采用浓浆进行注浆，防止浆液扩散过远、压力上升过快。后期根据情况可以调稀浆液、加大流量。（3）多次复注和间歇注浆：由于实行控制注浆，每个注浆段不可能像普通注浆条件那样一次、两次就达到设计注入量和结束标准，需要采取多次复注的方式；对上部风化基岩段，为防止地面跑浆还应根据情况采用间歇注浆的方法。（4）破碎带加固和上部风化带注浆时，适当选用C-S双液浆或添加BR注浆添加剂克服风化基岩段注浆时浆液扩散过远和地面跑浆。3.7注浆前的准备工作及管路打压试验 注浆前的准备工作主要包括注浆站的建立，注浆管路系统的形成，水电，材料来源的确定以及注浆管路系统的打压试验。所有注浆系统形成后，进行打压试验，注浆段管路打压压力应超过设计最大注浆压力35Mpa，稳定20分钟无异常即可投入正常运行。4钻孔施工设计4.1钻孔结构与造孔工程量 注浆套管段钻孔直径为195245mm，套管采用168mm地质套管；注浆段钻孔直径为133mm。注浆钻孔结构示意图2；钻孔工程量、套管用量、产生的废浆量见表4.表4 造孔相关工作量工程名称结构设计值/m备注图2注浆钻孔结构示意图4.2钻场基础施工钻机平台需要建造灰土盘，要求平整、坚固，防止钻塔歪斜，并在灰土盘中预留导水、排浆沟槽，灰土盘厚度暂定600mm。4.3钻进方法注浆孔套管段钻孔直径采用195245mm，注浆段钻孔直径为133mm。套管段钻至预定深度后，改用小径钻头继续往下钻进1.01.5m，以沉积孔内岩、土粉屑。然后下1688mm套管，待套管下至预定深度后，在套管内下至浆塞或法兰盘密封止水进行固管。固管12h后把套管内距底1.01.5m上的水泥浆扫出来，继续养护2436h，扫孔至原深。出套管后采用孔径133mm进行注浆段钻进。为提高钻孔质量、维护孔壁、防止孔内事故、确保钻孔的安全及有利于注浆等目的，钻进过程中采用泥浆作为钻孔冲洗液，并根据钻孔情况调整钻探泥浆的配比。钻进过程中产生的废气泥浆约1000m3，需在现场挖池暂存，并用汽车运往矸石山排除。4.4钻孔偏斜要求与轨迹控制，套管段（50m）终孔偏斜不大于3，注浆段终孔（385m）偏斜不大于5，钻孔落点要点基本均布，且不得进入反井施工圈径。为防止注浆钻孔偏斜，固管段应保持较高的垂直度，为此，应控制好固管段造孔及下管质量。钻孔测斜采用陀螺测斜仪，至少每40m测斜一次，必要时加密测点，并把数据及时填到钻孔偏斜平面图上，一边根据钻孔偏斜情况及时采取相应的措施，确保注浆质量。5、注浆结束标准及注浆质量检查5.1注浆结束标准与质量目标岩帽与各注浆需要达到设计的注浆终压，岩帽终段压为静水压1.5倍，粘土水泥浆注浆段序孔终压为1.62.0倍静水压力，序孔终压为1.82.2倍静水压力，施工过程中可以根据压水、岩层等实际情况进行必要调整。压力值以注浆泵上压力表数据为准。粘土水泥浆注浆终量不大于250L/min，稳定时间2030min；水泥浆注浆终量不大于60 L/min，稳定时间20-30min，水泥-水玻璃浆液注浆终量不大于120 L/min，稳定时间10min。化学浆实行定量注浆，达到设计量结束。井筒注浆质量达到井筒注浆段掘进工作面剩余涌水量不大于10m3/h。、5.2施工过程检查注浆质量检查以单孔自检为主，单孔自检包括两方面内容，以是单孔在注浆过程中，其注浆流量、压力随时间的变化，从这种变化可分析岩体裂隙发育的程度及帷幕形成的情况；二是单孔注浆前后的压水试验，通过计算压水吸水量及其变化可评价注浆效果。5.3压水试验地面预注浆结束前采用压水试验计算井筒剩余涌水量的方法进行质量检查；最终注浆效果以反井、凿井实测水量为准。压水试验选择最后一个孔作为压水孔，分两段进行压水，计算井筒涌水量，因为压水孔是最后的注浆孔，还担负着部分注浆任务，所计算的涌水可能较大，计算的数据也仅作参考。井筒涌水量应以凿井实测数值为准。（1）渗透系数采用计算公式：S=Sm+Sgq=Q/SW=q/lk=0.525Wlg(0.66l/r)式中：S总压力值（m） Sm压力表读数（m）Sg水柱压力值（m）q单位压力流量（m3/d.m）Q流量（m3/d）W单位吸水量（m3/d.m2）l试验段长（m）r钻孔半径（m）k渗透系数（m/d）（2）压水试验的井筒涌水量预计计算公式：Q=1.366k（2H-M）M/(lgR-lgr)R=R井+rR井=10Hk1/2式中：Q井筒涌水量（m3/h） K平均渗透系数（m/d） H预计水位降深（m） M含水层厚度（m） R影响半径（m） R井水位降至降深时的影响半径（m） r井筒荒半径（m）6井筒上部50m注浆方案井筒上部50m地层时第四系和强风化基岩，不适用深孔大段高的井筒地面预注浆工艺，现采用在井筒外围用小钻机打浅孔、注单液水泥浆和水泥-水玻璃双液浆（C-S浆液）、与深部孔平行作业的方法施工，主要设计要点如下：（1） 注浆深度原回风立井的凿井资料，自22.5m井筒有集中出水（地下静水位），因此本方案确定注浆开始深度为17m，即套管深度为17m；注浆终孔深度确定为60m，与下部的井筒地面预注浆重合10m。（2） 注浆孔布孔圈径与数量综合地面预注浆钻机的灰土盘大小和下部注浆帷幕圈径，设计外围注浆孔布孔圈径为24m，钻孔数量36个，相邻孔间距2.1m，具体布置见图3.（3） 注浆段高和注浆压力根据上部50m地层和含水层情况，采用小段高、控制注浆压力方式，设计段高岩帽为5m，其余为11m和16m。注浆压力不大于1.1Mpa，具体见表5. 图3 注浆钻孔布置与理想帷幕图表5 新回风立井井筒上部50m注浆段高划分及注浆压力表段序起止深度（mm）段高注浆压力（Mpa）备注岩帽123合计（4） 浆液与注入量注浆浆液采用单液水泥浆和水泥-水玻璃双液浆（C-S浆液）.固管采用单液浆，下部注浆量根据设计的帷幕范围、浆液有效径向扩散距离和注浆段平均裂隙率等条件计算：Q=ASH/m 。 （a）式中：Q-浆液注入量（m）；A- 浆液超扩散消耗系数，取1.7；S-浆液扩散形成的帷幕面积（m），S=（r+L）-（r-L）r-注浆孔布孔半径（m），设计12.0m；L-浆液有效扩散距离，取3.5m；m-浆液结合率，取0.85；-浆液填充系数，取0.95；n-岩层平均裂隙率，取5%固管段按每个孔0.5m单液浆进行计算，注浆段浆液注入量按上式计算，其中单液浆和C-S浆液各占一半，因此总注入量为：Q=18+2156=2174m其中单液浆为1096m,C-S浆液1078m。单液水泥浆按1:1水灰比（固管需要采用0.6:1的浓浆）进行材料计算，早强剂食盐、三乙醇胺分别按水泥用量（单液水泥浆）的5、0.5计算；双液浆水泥浆与水玻璃比例为1：1，其中单液浆按1:1水灰比进行材料计算；外加剂BR按照水泥用量的11%计算。表6 材料用量材料名称单液水泥浆C-S双浆液合计水泥量水玻璃三乙醇胺食盐BR.(5)注浆方式上部50m注浆时采用12台钻机，实行跳孔注浆，即1、3、5、，2、4、6、；单孔注浆时采用下行式注浆。（6）钻孔结构注浆套管段钻孔直径为133mm，套管采用108mm套管；注浆段钻孔直径为76mm。钻孔工程量、套管用量见表7.表7 造孔工作量工程名称结构设计值备注固管段造孔注浆段造孔合计套管用量（7）注浆结束标准与质量要求 上部注浆以注入量为主要保证注浆质量的主要控制手段，在一般地层条件下，隔空达到设计注入量后即可结束；如果注浆压力一直达不到设计标准，则应采取间歇注浆等措施。注浆结束后在井筒周围形成有效的止水帷幕。7 施工设备及劳动组织7.1施工设备拟选用的主要施工设备见表8.其中BQ-350型和YSB-300/200型注浆泵、粘土浆制浆机、KWS系列浆塞性能稳定，都是我公司自主研发的、目前地面预注浆工程中广泛应用的机具设备，都能满足本工程的需要。表8 主井井筒地面预注浆主要施工设备选型序号名称型号规格单位数量1钻机台2打钻泥浆泵台3测斜定向仪器台4注浆泵台5注浆泵台6粘土制浆机台7皮带运输机台7.2劳动组织详见附表1：劳动力配备计划表。7.3施工水、电用量见“附表2”。8注浆施工质量保证措施注浆质量是技术、管理等诸多因素的综合反映。注浆质量的保证体系由注浆设计、浆施工、施工管理及注浆质检四部分组成。8.1注浆设计的技术保证及其特点综合注浆法在国内60多个井筒地面预注浆中得到广泛应用，其技术是成熟的。煤炭科学研究总院作为国内注浆领域的权威研究机构，对综合注浆法的引进和推广起了引导作用，综合注浆法的研究在1994年获煤炭部科技进步二等奖之后和定向钻进技术共同获1995年国家科技进步二等奖，基本参与了所有的国内综合注浆法的技术咨询工作，2000年完成了邢东煤矿副井的综合注浆工程施工。邢东矿副井是凿井、注浆、冻结三平行新工法施工成功的国内第一例，极大提高了矿井的建设速度。2002年1约25日“邢东矿井快速建井技术”通过了煤炭工业局及河北省科委技术鉴定，其中“三同时”建井技术、S孔少孔大段高注浆技术、放射孔冻结技术为国际领先水平。定向钻进技术处于国际先进水平，先后在开滦东欢坨、峰峰梧桐庄、兖州鲍店、邢东煤矿副立井等矿井应用钻孔定向注浆技术，特别是在邢东矿井应用先进“三同时”施工工艺，取得了良好的经济及社会效益。2002年国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿副井、2003年淮南矿业集团公司顾桥煤矿副井、2004年国投新集能源股份有限公司刘庄煤矿西风井、2004年新汾矿业集团赵官煤矿副井、2005年淮北矿业集团杨柳煤矿副井、青东煤矿主、副、风井、2006年皖北煤电集团公司钱营孜煤矿主风井、淮南煤业集团朱集煤矿主井等井筒地面预注浆工程皆已竣工；2007年开工淮北矿业集团袁店二矿主、风井和国投新集能源股份有限公司杨村煤矿风井井筒地面注浆工程正在施工。众多的工程实践有利于对综合注浆技术特点的深入认识、总结提高、指导施工。8.2施工管理保证措施本项目实行项目经理制，责任到人。从项目经理到施工工人，各个岗位责任明确。上岗前，进行岗位责任制培训、技术讲座，使每个职工明确其岗位技术要求、工作方法，牢固树立质量第一、信誉第一的思想。严格按照九千质量认证体系进行注浆施工管理。对注浆施工中的各个环节层层把关，在施工中遇到问题及时解决，不留后患，重大技术问题的处理及方案修改及时通报监理及建设方。对不同阶段的注浆及时进行总结，并指导下一步的施工参数调整，使整个工程施工更加科学化。8.3过程控制注浆过程中加强浆液质量的检测，内容为原材料质量检测、浆液浓度、粘度、流量、注浆量，保证注浆浆液质量符合设计要求。8.4注浆施工中的设备保证措施注浆设备性能及正常运行时注浆质量的重要保证。北京中煤矿山工程有限公司拥有BQ-350型注浆泵和YSB-300/200型注浆泵、粘土浆制浆机、KWS系列止浆塞等可以选用，其中大部分为我公司研究制造的独有品种。因此在注浆设备系列上保证在国内品种和性能上独具优势。8.5注浆质检体系注浆质量检查采用系统观点应用多项评价方法，不是单一的一种指标，从而增加了技术上的可靠性。注浆质量评价指标包括：是否按照设计要求施工、设计更改的原因及执行情况、特殊问题的处理、单孔自检（单孔在注浆过程中其注浆流量、压力随时间的变化、单孔注浆前后的压水试验情况）、根据后期的取芯检查。观察岩石裂隙大小及浆液充填情况。9安全生产和文明施工措施（1）建立健全安全生产责任制，制定完备的安全生产规章、规程。（2）对从业人员进行安全生产教育培训，严格要求施工人员遵纪守法。特殊作业人员要经培训持证上岗。（3）建立以项目经理为首的安全生产领导小组，建立安全生产领导小组成员轮流值班制度，解决和处理施工生产中的安全问题并进行巡回安全生产监督检查。并建立每周一次的安全生产例会制度和每日班前安全讲话制度，项目经理亲自主持定期的安全生产例会，协调安全和生产之间的矛盾，督促检查班前安全讲话活动的活动记录。（4）实行逐级安全技术交底制度。开工前，技术负责人将工程概况、施工方法、安全技术措施等情况向全体职工进行详细交底，施工队长，工长按工程进度定期向有关班组长进行交叉作业的安全交底，班组每天对工人进行施工要求、作业环境的安全交底。（5）加强季节性劳动保护工作。（6）施工现场材料堆放整齐，生产、生活环境整洁有序，道路畅通，