(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

1、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

2、（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；研究目

3、 录1 绪言.11.1 项目研究背景.11.2 国内外研究现状.11.3 课题研究目标和内容.21.3.1 课题研究目标.21.3.2 课题研究内容.21.3.3 技术难关.32 地质概况.32.1 工程地质条件.32.2 水文地质条件.52.3 构造带特性.63 课题研究思路、方案及工程设计.93.1 研究思路.93.2 带压堵气技术方案研究.103.2.1 带压钻进技术研究.103.2.2 带压注浆技术研究.113.2.3 注浆材料及其性能研究.123.3 带压堵气工程设计.203.3.1 钻孔布置及技术参数.213.3.2 注浆技术参数.253.3.3 施工顺序.253.3.4 效果检验

4、标准.253.3.5 信息化施工设计.264 施工准备.274.1 机具配套的选择.274.1.1 施工设备特点.274.1.2 钻孔机械的选用及其技术参数.274.1.3 注浆设备的选用及其技术参数.284.1.4 制浆设备选用.284.2 施工技术要求.294.2.1 止浆墙.294.2.2 单孔施工顺序.294.2.3 弧线段注浆孔放线参数.304.3 施工措施.344.3.1 组织措施.344.3.2 安全技术措施.365 现场施工.446 项目实施效果.447 经济与社会效益.447.1 经济效益.447.1.1 直接经济效益.457.1.2 间接经济效益.457.2 社会效益.46

5、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 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

6、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

7、工环境、施工机具有着特殊的要求，如冻结法和沉井法，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

8、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；（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

9、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+p

10、1l）：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 122.5

11、1m，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

12、 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

13、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 16.3636.55m，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 8.4338.81m，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

14、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012.76m，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

15、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25.8234.90m 浅灰色、紫红色灰质泥岩，裂隙少见，富水性极弱，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

16、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 865.35731.55 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 128.34153.24m，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.

17、78751.87m，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905.52709.08m，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。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

18、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

19、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。+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-

20、33.03米段稳定121o2、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-155、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+453.6g31fh533116材料上山下车场起坡点450地-6450地-7450地-8450水-13450地-10450

21、水-16450水-14450 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344.554.118.35+475450 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m1pk4+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

22、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

23、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 12 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

24、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。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 布设结构管棚注浆工程，管棚注浆

25、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 3050cm，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）、51mm108mm、2.1 、

26、图 3.2 注浆孔结构剖面示意图 理论计算.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）33khrtrn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.2 安全厚度计算ml=l（rr2l2+8kphp）1/2rrl/4kp （3.2）式中 ml能够阻隔压力 hp的临界安全厚度，m；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

27、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。 水泥单液浆注浆材料及其特性研究.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

28、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 30503200kg/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） 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

29、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。.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）cwmmw/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）wcgvvv水泥体积 vc 为 （3.5）cccmv/水的体积 vw 为

30、（3.6）wwwmv/式中：水的质量wm水泥的质量；cm水的体积；wv水泥的体积；cv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）wvmcgcc1 （3.8）cwmwm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 0.51.

31、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。 水泥-水玻璃双液浆注浆材料及性能研究.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 na2onsio2。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2.43.0，浓度宜为 3045。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

32、onasiom22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 2.43.4 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）145145be或 （3.11）145145be00.511.52202224262830323436384042444648505254565860be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（5056），而注浆使用的范围为be（3045），其浓度变换可用下式

33、计算：be （3.12）ddwwppvvv （3.13）dwpvvv式中：原水玻璃体积；pv原水玻璃密度；p加入水的体积；wv水的密度；w稀释后的水玻璃体积；dv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）wddppwvv)(例：以水玻璃出厂浓度为 53，注浆使用的范围为 38，其bebe浓度变换所需加入水量可用下式计算： （3.15）pwddppwvvv32)(.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=2ca

34、osio2(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+naonsio2+mh2ocansio2mh2o+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 7090。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

35、液浓度 36、固定 cs 的体积比be1：1 进行，详见表 3.1、图 3.4。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)3d7d14d28d0.59.31517.522.417.911.81.12.40510152025300102030天数mpa0.50.7511.251.5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

36、 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()be3d7d14d28d8.610.5210.8306.87.512.311.9312.102468101214051015202530天数mpa1520253036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

37、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。ccs 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)3d7d14d28d11.87.412.412.10.56.

38、87.612.512.20.612.712.1024681012140102030天数mpa0.651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 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

39、 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()becs 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1360.351020912.1小1.2360.3242288.73.3 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） 。 、10000700

40、08000、1513001100 、25000200008000 、 、 、705010203230220011009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

41、 3.9。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；7600(3800)310077400400200、46003900300 、 、7200(3800)29007400200、 、 、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 图 3.9

42、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、1500.5m、0.07、0.02、0.005m108、75、2.5 、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：0.8：11.2：1；双液浆配比：水泥浆：水玻璃（体积比）为 1：0.3;浆液扩散半径：2

43、m；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。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

44、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

45、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nm给进能力kn起拔能力kn整机重量kg主机外形尺寸（长宽高）m2000

46、901200365213601.850.711.46 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32mm4.1.4 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。4

47、.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，

48、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 1：11.2：1 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。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

49、孔放线技术参数见表 4.3、4.4、4.5。77zg1-、1zg1-、2zg1-、3zg1-、4zg1-、5zg1-、6zg1-、7zg1-、8zg1-、9zg1-、10zg1-、11zg1-、12zg1-、13zg1-、14zg1-、15zg1-、16zg1-、17zg1-、18zg1-、19zg1-、20zg1-、21zg1-、22zg1-、23zg1-、24zg1-、25zg1-、26zg1-、27zg1-、28zg1-、1zg1-、2zg1-、3zg1-、4zg1-、5zg1-、6zg1-、7zg1-、8zg1-、9zg1-、10zg1-、11zg1-、12zg1-、13zg1-、14

50、zg1-、15zg1-、16zg1-、17zg1-、18zg1-、19zg1-、20zg1-、21zg1-、22zg1-、23zg1-、34zg1-、25zg1-、26zg1-、27zg1-、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 13.50.00 0.00 9.00 0.16 zg1-左 2zg1-右 271.65 0.03 8.93 0.16 zg1-左 3zg1-右 373.25 0.06 8.74 0.15 zg1-左 4zg1-右 474.25 0.07 8.4

51、1 0.15 zg1-左 5zg1-右 575.19 0.09 7.96 0.14 zg1-左 6zg1-右 676.05 0.11 7.39 0.13 zg1-左 7zg1-右 776.82 0.12 6.71 0.12 zg1-左 8zg1-右 877.48 0.13 5.93 0.10 zg1-左 9zg1-右 978.03 0.14 5.06 0.09 zg1-左 10zg1-右 1078.47 0.15 4.11 0.07 zg1-左 11zg1-右 1178.77 0.15 3.10 0.05 zg1-左 12zg1-右 1278.95 0.16 2.04 0.04 zg1-左 1

52、3zg1-右 1379.00 0.16 0.95 0.02 77zj1-、1zj1-、2zj1-、3zj1-、4zj1-、5zj1-、6zj1-、7zj1-、8zj1-、9zj1-、10zj1-、11zj1-、12zj1-、13zj1-、14zj1-、15zj1-、16zj1-、17zj1-、18zj1-、19zj1-、20zj1-、21zj1-、22zj1-、23zj1-、24zj1-、25zj1-、26zj1-、27zj1-、28zj1-、29zj1-、30zj1-、1zj1-、2zj1-、3zj1-、4zj1-、5zj1-、6zj1-、7zj1-、8zj1-、9zj1-、10zj1-、1

53、1zj1-、12zj1-、13zj1-、14zj1-、15zj1-、16zj1-、17zj1-、18zj1-、19zj1-、20zj1-、21zj1-、22zj1-、23zj1-、24zj1-、25zj1-、26zj1-、27zj1-、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 170.00 0.00 15.00 0.27 zj1-左 2zj1-右 171.87 0.03 14.89 0.27 zj1-左 3zj1-右 273.71 0.06 14.57 0.26 zj1-左 4zj1-右

54、 375.48 0.10 14.04 0.25 zj1-左 5zj1-右 477.17 0.13 13.31 0.24 zj1-左 6zj1-右 578.74 0.15 12.38 0.22 zj1-左 7zj1-右 6710.16 0.18 11.26 0.20 zj1-左 8zj1-右 7711.43 0.20 9.97 0.18 zj1-左 9zj1-右 8712.52 0.22 8.52 0.15 zj1-左 10zj1-右 9713.43 0.24 6.94 0.12 zj1-左 11zj1-右 10714.13 0.25 5.24 0.09 zj1-左 12zj1-右 11714.

55、63 0.26 3.45 0.06 zj1-左 13zj1-右 12714.92 0.27 1.60 0.03 77zj2-、1zj2-、2zj2-、3zj2-、4zj2-、5zj2-、6zj2-、7zj2-、8zj2-、9zj2-、10zj2-、11zj2-、12zj2-、13zj2-、14zj2-、15zj2-、16zj2-、17zj2-、18zj2-、19zj2-、20zj2-、21zj2-、22zj2-、23zj2-、24zj2-、25zj2-、26zj2-、27zj2-、28zj2-、1zj2-、2zj2-、3zj2-、4zj2-、5zj2-、6zj2-、7zj2-、8zj2-、9z

56、j2-、10zj2-、11zj2-、12zj2-、13zj2-、14zj2-、15zj2-、16zj2-、17zj2-、18zj2-、19zj2-、20zj2-、21zj2-、22zj2-、23zj2-、24zj2-、25zj2-、26zj2-、27zj2-、287、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 13.50.00 0.00 10.000.18 zj2-左 2zj2-右 271.84 0.03 9.930.18 zj2-左 3zj2-右 373.63 0.06 9.710.

57、17 zj2-左 4zj2-右 474.730.08 9.350.16 zj2-左 5zj2-右 575.78 0.10 8.850.16 zj2-左 6zj2-右 676.730.12 8.220.14 zj2-左 7zj2-右 777.580.13 7.470.13 zj2-左 8zj2-右 878.32 0.15 6.600.12 zj2-左 9zj2-右 978.930.16 5.630.10 zj2-10zj2-右 1079.41 0.17 4.580.08 zj2-11zj2-右 1179.75 0.17 3.450.06 zj2-12zj2-右 1279.95 0.18 2.27

58、0.04 zj2-13zj2-右 13710.00 0.18 1.060.02 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、施工组织设计、工作计划和物资计划、安全技术组织措施和应急救援预案； 及时搜集、整理和分析资料，每月总结工作情况； 经常深入现场了解工作现状，检查工作情况，及时修改和补充设计与

59、措施。(2)现场实施小组：生产副总经理为组长，机电副总工程师、通风科长、调度室主任等为成员。主要工作职责： 组织和培训施工队伍，认真贯彻安全技术措施； 按计划组织设备和材料； 保质保量按设计施工，每天以报表通报施工进度。(3)安全质量小组：安全副总经理为组长，安监部长及相关人员为成员。主要工作职责： 参与设计、计划、措施的研究和审查工作； 严格按设计和安全技术措施及有关规定检查现场安全和质量； 及时处理施工过程中的违章行为，调查、分析和处理有关事故。(4)地测部具体负责对打钻钻孔的倾角、方位等参数的过程监控，保证钻孔施工质量符合设计要求；(5)人力资源部组织，生产技术部负责对通风队、救护队全体

60、人员及机关相关工作人员再进行一次全面的安全技术措施、补充安全技术措施和集团公司相关批复的培训、考试，并人人签字；(6)调度室全面负责+450 回风石门过地质构造带施工的组织、协调工作，坚持班班调度。每天早晨的碰头会都要对前一天安排的工作进行检查、总结，对当天的工作进行布置。调度室要建立专门的+450 回风石门过地质构造带作业的调度台帐，台帐内容要齐全、翔实、准确。每天向集团公司调度室汇报当天工作进展完成情况及明天的工作安排；(7)调度室负责编制+450 回风石门过地质构造带的进度计划安排，具体到旬、月；(8)地测部负责+450 回风石门过地质构造带施工期间的所有数据、资料的收集、整理、分析工作