超前预注浆结合径向注浆封堵高压断层水技术.pdf

2 0 1 2 年l 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第6 期 超前预注浆结合径向注浆封堵高压断层水技术 贾济宾 中煤科工集团重庆研究院， 重庆 4 0 0 0 3 9 摘要 针对水压高达 3 ． 5 MP a 、 涌水量达 1 2 0 m ／ h的断层， 采用超前预注浆结合径 向注浆的方法形 成帷幕加固进行堵水。超前预注浆孔分 3个 圈层伞状布设 ， 梅花形布孔 ， 注浆孔长度分别 为 1 3 ， 2 0， 2 7 m， 形成3 ． 0 m厚的帷幕加固圈， 巷道掘进后及时进行径向注浆形成总厚度为5 ． 0 m的帷幕加固圈。 堵水材料采用水泥一水玻璃双液浆材， 水泥浆液水灰比为 0 ． 8 0 ． 7 1 ， 水泥浆与水玻璃液体积比为 1 0 ． 6 5 ～ 0 ． 8 0 ， 注浆压力为2 ． 5 4 ． 5 M P a ， 浆液凝胶时间控制在1 2 0 ～ 1 8 0 s 。为保证帷幕加固效果， 超前预注浆顺序为先外环后内环 ， 同环先下后上跳孔施工， 同时外、 内环分别采取前进 式和后退式注浆 方式。径 向注浆顺序为先底板、 侧帮后顶板 ， 全孔方式注浆。 关键词 预注浆； 径向注浆； 封堵； 断层； 高压水 中图分类号 T D 2 6 5 ． 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 4 4 9 5 2 0 1 2 0 6 0 0 7 6 0 3 四川达州某煤矿 5 0 m水平探巷工 程全长约 2 3 0 0 m， 巷道净宽 2 ． 6 0 m， 净高 2 ． 6 0 m， 净断面面 积7 ． 0 3 m 。围岩地层为三叠系砂岩、 泥质砂岩等， 地层遭受过多次构造应力的作用， 存在多个向斜、 背 斜， 节理裂隙发育， 部分地段岩石较破碎。地层含水 性强且不均匀。 在该探巷 1 0 3 0 m处有一正断层 ， 与探巷夹角 为 6 7 。 ， 断层破碎带宽 3 0 4 0 m， 勘探计算涌水量约 为 1 2 0 m ／ h ， 水压为 3 ． 5 M P a 。探 巷掘进 中可能出 现坍塌、 突水、 突泥现象， 将直接影响巷道的正常施 工。为了控制该断层坍塌、 涌水对巷道施工和运营 的影响， 需要对该断层进行帷幕注浆封堵。 1 注浆方案分析 由于断层与探巷呈大角度相交 ， 对探巷 的影响 范围可控， 故采取超前预注浆方案形成环形帷幕封 堵 l J 。但该 断层 岩性 以断层 角砾 为主且 胶结 性 差， 如果超前预注浆形成的环形帷幕厚度较薄， 则难 以有效抵御压力高达 3 ． 5 M P a 地下水， 故待超前预注 浆形成环形帷幕后实施掘进工作 ． 3 』 ， 同时在巷道内 采取径向注浆的方法加厚环形帷幕以确保安全 J 。 根据断层岩性和地下水特性， 要求超前预注浆 在探巷开挖轮廓线外形成 3 m厚的环形帷幕加固 圈， 后续径向注浆在已有 3 m厚环形帷幕加固圈外 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 1 6 ； 2 0 1 2 - 0 8 2 9修订 作者简介 贾济宾 1 9 8 6 一 ， 男， 吉林吉林人， 本科， 助理 工程师， 研 究方 向为煤矿 防治水。Em a i l j i a j i b i n 2 0 0 5 1 6 3 ． t o m。 7 6 形成2 m厚的外环环形帷幕 3 J 。 由于该断层涌水量大、 水压高且可能突泥， 注浆 工程对浆液的要求高， 故选择结石强度高、 结石率 大、 凝胶时间可控、 无毒无污染的水泥一水玻璃双液 浆材 J ， 必要时适当添加植物纤维或碳纤维防止凝 固后的固结体收缩开裂影响止水效果。超前预注浆 分3 个圈层实施， 注浆孔呈梅花形布置， 先外圈后内 圈， 同一圈层由下而上跳孔分序施工。径向注浆孔深 为 5 ． 0 m， 先底部次两帮再顶板进行全孔式注浆。 2 注浆技术参数 2 ． 1 超前注浆孔布设 预注浆孔以探巷 中轴线为中心呈伞状布置， 3环之 间 间距 为 1 ． 5 m。钻孔外 偏角 为 l 3 。 ， 外环 A 钻孔长度为 1 3 m， 中环 B 钻孔长度 为 2 0 m， 内环 C 钻孔长度为2 7 m， 从而形成超前 2 0 m的加 固长度。各环钻孔间距和发散角须满足终孔 间距不大 于 1 ． 5 m的要求 ， 据此各环布设注浆孑 L 7个， 见图 1 。 图 1 注浆钻孔布设示意图 2 0 1 2 年1 2 月 矿 业安 全 与环 保 第3 9 卷第6 期 径向注浆孔间排距均为 1 ． 5 m， 梅花形布设 。巷 道施工每循环掘进长度为 1 5 m， 以保证有 5 m长的 安全距离 ， 整个 断 层段 分 3个 掘进 循 环完成 施 工 作业 。 2 ． 2 浆材及配比参数 水泥一水玻璃双液浆材具有胶凝时间易控、 强 度高、 堵水效果好等优点， 其中水泥浆越浓， 水玻璃 液与水泥浆比值越大， 凝胶时间越短。 浆材选用 4 2 5 普通硅酸盐水泥 ， 以及 波美度 为 3 0 4 0 、 模数为 2 ． 5～ 3 ． 0的水玻璃液； 水泥浆水灰 比 质量比 为 0 ． 8 ～ 0 ． 7 1 ； 水泥浆与水玻璃液 的体积比 C s 为 1 0 ． 6 5～ 0 ． 8 0 ， 水玻璃稀释 至波美度为 2 6～ 3 2 。 2 ． 3 注浆参数 单孔注浆有效扩散半径为2 In l 】 ] 。 注浆压力采用 经验公式计算 初压 P P 。 1 3 0 ． 1 ， 正 常压力 P 2 3～5 x O ． 1 ， 终压 p 3 p 0 58 x O ． 1 ， 其中 为水压力 ’ 。 超前预注浆外环孑 L 注浆初始压力 P 为 3 ． 0 3 ． 5 MP a ， 正常压力 P 为 3 ． 54 ． 0 MP a ， 终压 P 为 4． 0 4 ．2 MP a。 中环、内 环 孔 注 浆 初 始 压 力 P 为 2 ． 5 ～ 3 ． 0 M P a ， 正常压力 P 2 为 3 ． 03 ． 5 M P a ， 终压 P 3 为 3． 5～4． 0 MPa 。 径向注浆初始压力P ， 为 3 ． 5～ 3 ． 8 M P a ， 正常压 力 P 2 为 3 ． 8 4 ． 0 MP a ， 终压 p 3 为 4 ． 0～ 4 ． 5 MP a 。 注浆时水泥浆流速为 1 2～1 6 L ／ m i n ， 水玻璃流 速为 9～1 3 L ／ mi n 。浆液凝胶时间为 1 2 0～1 8 0 s 。 注浆量按注浆范围内围岩体积的 8 ％左右考 虑 ， 实际注浆量由钻孑 L 压水试验确定 。 当达到规定注浆压力时， 持续稳 定注浆 8 1 5 m i n 1] 可停止注浆。 3 施工工艺 3 ． 1 施工准备 检修好设备， 布置好注浆站。注浆系统安装完 成后 ， 首先进行空转 ， 发现 问题及时处理 ， 然后进行 加水打压试验， 压力达到设计终压的 1 ． 5倍 约 6 ． 8 M P a ， 稳定 1 0 m in ， 如无异常则可结束试验。 3 ． 2 浆液配制 配制水泥浆所需水泥质量 J p c ／ 1 c 2 ． 7 V a ／ f 1 2 ． 7 y 其中 ； ／ o c ／ 2 ． 7 。 配制水泥浆所需水的质量 w c 上述公式 中， 为水泥的质量， k g ； 为水泥浆 的体积， m ； V c 为水泥的体积， m ； V w为水的体积， IT I ， P c 为水泥密度， 约 2 ． 7 x l O 。 k g ／ m ； 为水灰比。 配制水泥浆时先加足量的水， 然后再加水泥； 搅 拌时间要大于5 m in ； 放置时间不超过3 0 ra i n 。 水泥浆必须具有可溶性好和结石强度较高的特 点 ， 现场根据地层裂隙发育情况 ， 实时调整水灰比。 水玻璃出厂波美度一般为 5 06 0 ， 而注浆时使 用的波美度为 2 6～3 2 ， 因此需要稀释后方能使用。 稀释加水量V 。 V o p 。 - p ／ p 。 - p w 稀释后的水玻璃体积 V o 其中 为稀释前水玻璃的体积； P 。 为稀释前水玻璃 的密度； P 为稀释后水玻璃的密度； P w为水的密度。 超前预注浆分为前进式注浆和后退式注浆两 种 J 。前进式注浆每钻进 3 ． 0 m注浆施工3 ． O m； 后退式注浆为一次成孔， 由孔底至孔口分段 每段 5 ． 0 m 依次注浆直至注满全孑 L 。 径向注浆采取全孔一次性压人注浆 ， 即一次性 成孔至 5 ． 0 m后全孔静力压人注浆。 注浆工艺流程 开孔一安装孔 口管一扫孔并钻 到设计深度 测量涌水量一压力试验一制备浆液一 注浆一结束注浆 清洗注浆管路， 见图2 。 施工准备 浆液制备f l压水试验 前进式注浆 l I 后退式注浆 l l径向注桨 葶 孽 成孔 _______●_ 注浆 满足设计要求 __ _-_ _- __ ___ __ __- __ ●_ _ ___ __ 注浆效果检 验 不满足设计要求 图 2 注浆工艺流程方框图 超前预注浆先注外圈 、 再注 内圈， 同一圈由下而 上跳孔分序施工； 径向注浆先底板、 侧帮后顶板。 4 质量保障 1 超前预注浆之前， 先对掘进工作面进行处理 77 2 0 1 2 年 1 2 月 矿 业安 全 与 环保 第3 9 卷第6 期 以保证注浆时能承受注浆压力。围岩较完整的地段 进行全断面喷 2 0～ 3 0 e m厚混凝土， 围岩破碎 、 地质 条件差的地段采取混凝土止浆墙封堵 J 。 2 钻机安装要稳固、 平整， 钻杆中心线与设计注 浆孔中心线要吻合。钻孔开孔直径不小于 1 1 0 m m， 终孔直径不小于 9 1 m m； 钻孔钻进采用低钻压 、 慢钻 速施工； 钻进过程中要经常校正钻杆方向确保注浆 孔孔底偏差小 于孔深 的 1 ／ 3 0 ⋯ 。钻进过程 中如遇 涌水或卡钻时， 要停止钻进， 进行注浆扫孔后再进行 施工。 3 钻孔施工 3 m后要安装止水套管， 孔 口止水 套管采用 1 0 8 m m、 壁厚 5 m m的热轧无缝钢管 ， 埋 设要牢固并有 良好的止浆措施。安设止水套管前， 先在钢管上缠绕麻丝， 用钻机强力推入孔中并用膨 胀螺栓加固， 以免测量水压或注浆时钢管冲出影响 注浆工作或危及人身安全。 4 现场技术人员应做好地质编 录工作 ， 详细记 录孔号 、 回次 、 进度 、 起止时间、 岩石裂隙发育情况 、 涌水量及涌水压力等。 5 径 向注浆采用风机钻开孔 ， 孔径为 5 2 m m， 孔 口管采用 0 m m、 壁厚 3 ． 5 m m的热轧无缝钢管， 钢管长 1 m， 孔 口管要埋设牢固， 并采用止浆塞或法 兰盘进行止浆 ， 确保不漏浆液 。 6 注浆施工前要对浆液进行试验， 选择适合的 浆液和配比， 按照配比准确计量， 严格按顺序加料， 拌合后的浆液必须经筛网过滤后方可进入注浆机。 7 注浆过程中要做好施工记录， 包括孔位、 孔 径、 孔深、 浆液配比、 注浆压力、 注浆量、 跑浆、 串浆 等， 根据浆液扩散情况、 注浆量、 注浆压力等参数调 整注浆材料和配 比。 8 注浆压力由初压逐步过渡到终压， 不能突然 增压、 减压； 若出现注浆压力突然升高， 则注纯水泥 浆或清水， 待泵压恢复正常时， 再进行双液注浆； 若 压力不能恢复正常， 则停止注浆， 检查管路是否堵 塞； 若进浆量很大， 注浆压力长时间不升高则要调整 浆液浓度及配合比， 缩短胶凝时间， 进行小泵量、 低 压力注浆或改为间歇式注浆， 但浆液停留时间不能 超过浆液凝胶时间。 9 注浆时要观测井 壁变化 ， 发现漏浆时要根据 现场情况采取切实可行 的措施进行处理； 若发现井 壁变形立刻停止注浆， 打开泄浆阀， 查明情况， 妥善 处理 。 1 0 浆液浓度现场配制 ， 搅拌浆液不早于注浆前 3 0 m i n 。对水量特大、 水压特高的地段清孔后 ， 先压 水泥浆液， 再压 c s 双液浆。 5 结束语 经过超前预注浆和径向注浆处理后的该断层 段， 封堵止水效果好， 目前已顺利通过断层。在掘进 过程中， 由于部分超前预注浆孔间的浆液搭接不理 想 ， 出现淋水 现象， 经径 向注浆 后， 封堵效 果 良好。 为保证安全 ， 在巷道 内埋设了地下水压力监测设备 ， 如果发现地下水压一直上升且无 收敛趋势 ， 则应排 水减压。 参考文献 [ 1 ]彭振斌．注浆工程设计计算与施工[ M] ．武汉 中国地 质大学出版社， 1 9 9 7 ． [ 2 ]杜国平， 周东勇， 孙 国庆．铁峰 山2号特长公路隧道注 浆堵水施工技术[ J ] ．公路隧道， 2 0 0 8 3 3 8 4 1 ． [ 3 ]何忠明．裂隙岩体堵水复合浆液室内试验及应用技术 研究[ D] ．长沙 中南大学， 2 0 0 7 ． [ 4 ]吴国栋．酸性水玻璃化学注浆材料的实验研究及注浆 工艺设计[ D] ．长沙 中南大学， 2 0 0 8 ． [ 5 ]杨坪， 唐益群， 彭振斌， 等．砂卵 砾 石层中注浆模拟试 验研究[ J ] ．岩土工程学报， 2 0 0 6 ， 2 8 1 2 2 1 3 4 2 1 3 8 ． 责任编辑 熊云威 上接第7 5页 在井 口用环形钢板焊接封 闭， 井泵循环 1周后开始 接固井车进行固井作业 。设计水泥浆返高至地面固 井数据 水泥浆密度 1 ． 8 g ／ c m ， 替浆量 6 ． 2 m 。固 完井 后 凝 固 7 2 h割 开 环 形 钢 板 取 出 钻 具 ， 用 0 0 mmx 1 0 m 的提桶提浆 ， 井底残 留泥浆液面不 超过 1 m， 安装井 口盖板完井。 6 结语 大口径瓦斯管道井施工工期长、 造价高， 一旦出 7 8 现失误造成 的损失是 巨大的。在施工过程 中， 只要 把握住井斜控制、 泥浆使用、 下套管前溜孔、 套管焊 接质量等关键技术， 完井的工期和质量就能得到 保障。 责任编辑 陈玉涛