地面预注浆技术在立井井筒施工中的应用.pdf

第 2 8 卷第 5期 2 0 0 7年 1 O 月 建 井 技 术 M I NE C NS TRUCT1 0N TE CH N0I 0GY Vo I ．2 8 No ．5 0c t ． 2 0 0 7 地面预注浆技术在立井井筒施工中的应用 昌修林 1北京科技大学土木与环境工程学院 ， 北京， 1 0 0 0 8 3 ；2皖北 煤电集 团公司钱营孜煤矿， 安徽 宿州 ， 2 3 4 0 0 0 摘 要 介绍 了以粘土水泥浆为主要注浆材料的地面预注浆技术在 皖北煤 电集团公 司钱 营孜煤矿 3个立井井筒施工中的应用情况。该项技术在皖北矿 区属于首次应用， 为该矿 区其 他 井筒注 浆施 工提供 了经 验 。 关键 词 地 面预 注浆 ； 立井 井筒 ； 粘 土水 泥浆 ； S孔 ； 定 向钻进 中 图分 类 号 TD2 6 5 ． 4 7 文 献标 识 码 B 文 章 编 号 1 0 0 2 6 0 2 9 2 0 0 7 0 5 0 0 1 2 - 0 3 煤矿立井井筒施工中， 井筒基岩段裂隙含水 层地 下水 防治多 采用工 作 面预注浆 和地 面预 注浆 两项 技术 。 井筒地 面预 注浆在 地面进 行 ， 作 业条 件好 ， 形 成的止水帷幕不仅能有效封水 ， 而且对井筒围岩 具有加固作用 。近年来 ， 随着粘土水泥浆等新型 注浆材 料 和 S形 孔 定 向钻 进 技术 的推 广 应用 ， 地 面预注浆技术应用越来越广泛 。 1 工程概况 皖北煤 电集 团公 司钱 营孜 煤矿位 于安徽 省宿 州市桃 园镇境 内， 设 计生 产能力 2 ． 4 Mt ／ a ， 立井 开 拓方式 ， 设主、 副 、 风 3个井筒。井筒采用冻结法 和地 面 预 注 浆 法 施 工 ， 其 中主 、 副井 筒 施 工 采 用 冻 、 注 、 凿 平行作 业 的 “ 三 同时 ” 快 速 建井 新 工 艺 。 3个井筒主要技术特征及冻结参数见表 1 。 表 1 井筒主要技术特征及冻结参数 井筒检 查孔 揭 露 的地 层 自上 而下 为 第 四 系 、 第三系、 二叠系上石盒子组； 其 中二叠系上石盒子 组地层 以粉 砂岩为 主 ， 泥 岩 、 砂 岩次之 。主 、 副 、 风 井 筒 检 查 孔 穿 过 的 新 生 界 松 散 层 厚 度 分 别 为 2 1 9 ． 7 5 ， 2 1 8 ． 1 5 ， 2 2 1 ． 5 0 m； 风 氧 化带 厚 度 分 别 为 收稿 日期 2 0 0 7 0 6 2 0 9 3 ． 1 0 ， 6 4 ． 9 0 ， 8 8 ． 3 5 m。井筒下部穿过 3条逆 断 层 F 。 _ l】 ． F 。 ， F 。 。 ， 井检孔取 心岩石有不同程 度的挤压破碎等现象。 从钱营孜矿地层情况看， 皖北矿 区井筒基岩 段软岩 主要是泥岩、 粉砂岩 所 占比例较高 ， 破碎 层位多； 裂隙以斜向、 竖向为主， 沟通性差。 3个井检孔含 隔 水层划分见表 2 ； 根据试验 确 定 的 井 筒 涌 水 量 分 别 为 主 井 5 0 m。 ／ h ， 副 井 9 6 m。 ／ h ， 风井 6 2 m。 ／ h ； 井筒工程地质条件与水文 条件较 为复 杂 。 表 2 基岩段含 、 隔水层划分 注 ① 为上 邵 砂 岩 含 水层 ， ② 为 1煤 上 F粉 砂 岩 泥 岩 隔 水 层 ， ③为 2 煤上下砂岩含水层， ④ 为强风氧化带 ， ⑤为弱风氧化带 2地面预 注 浆设 计与 施工 2 ． 1总体 施 工方案 根据煤矿 总 体 建设 安 排 ， 主、 副井 筒 施 工 采用“ 三同时” 施工工艺 ， 注浆 分为 内圈直孔段 和 外 围 S孔 两 期 工 程 ； 风 井 井 筒 采 用 全 直 孔 注 浆 。各井筒地面 预注浆 主要 技术 参数 见表 3 ， 主井井筒注浆 孔 地 面布 置 与 s孔 轨迹偏 斜 情 况 见 附 图 。 维普资讯 第 5期 昌修林 地面预注浆技术在立井井简施工 中的应用 表 3 井筒地面预注 浆主要技术参数 S 4 2 ． 2浆 液 配 制 注浆 采用 单液水 泥浆 和粘 土 水泥 浆 C I 一 C 。 岩帽段和破碎层位 、 硐 室群等处加 固采用单液水 泥浆 ， 水灰 比为 0 ． 61 ～ 1 ． 2 5 1 ； 浆 液 中加入 食 盐 和三 乙醇胺 作 为早 强 剂 ， 加 入量 分别 为 水 泥重 量 的 5 ‰ 和 0 ． 5 ‰ 。基 岩 堵水 注 浆 段 采 用 粘 土水 泥 浆 ， 配 制 时原 浆 容 重 为 1 1 ． 3 ～ 1 2 ． 5 k N／ m。 ， 粘 度 为 1 6 ～2 0 s ； 水 泥用 量 为 1 0 0 ～ 3 0 0 k g ／ m。 ， 水 玻 璃 用 量 为 1 0～ 4 0 I ／ m。 ； 成 浆 容 重 为 1 2 ． 5～ 1 3 ． 5 k N／ m。 ， 粘 度 为 2 4 ～ 7 0 s 。 浆 液 配 制 采 用 P O3 2 ． 5 水泥 ， 模 数 3 ． 0 ～ 3 ． 4 、 浓 度 3 8 ～ 4 0 B e 的水 玻璃 和塑 性 指 数 1 0 ～2 5 、 含 砂 量 小 于 5 的 S 2 附 立 井 井 简 注 浆 孔 地 面 布 置 与 S孔 轨 迹 偏 斜 情 况 Z 1 ～Z 4为直孔， S 1 ～S 4为 S孔 粘土 。注浆 时根据岩层 、 压水等情况调整浆液配 比。 注浆 孔在 遇到 破碎 层 位 出 现坍 塌 时 ， 注 浆 段 高适 2 ． 3 注浆深 度 、 段 高划 分与 注浆 方式 当缩 小 ， 逐 段 处 理 ， 向下 延 伸 。 复 注 和 硐 室 加 固 为了更好地与冻结段施工配合 ， 各井筒注浆 时 ， 以上行式注浆为主， 段高根据需要 ， 适当调整。 段起始深度高于冻结段底部 1 0 ～2 0 m， 终止深度 2 ． 4 浆液注入量设计 超过井筒底部 1 0 m。主、 副井筒 S孔段为消除定 浆液注入量根据各注浆段岩石裂隙率 、 浆液 向斜孔轨迹误差 ， 保证注浆堵水效果 ， 与直孔段重 扩散半径、 浆液结石 率等参数确定 ， 计算公式如 合 1 0 ～2 0 m。 下 注 浆段高 划分 要 遵 循 针 对性 、 特 殊 性 及 一 致 性 的原 则 ， 并 结合 含水层 位置 、 厚度 等水 文地 质条 件 ， 综 合考虑 井 筒 平 行掘 进 等 因 素来 进 行 。钱 营 孜 矿 主 、 风井 筒注 浆段 划分为 7段 ， 副井 井筒 划分 为 9段 ， 段高 4 0 ～7 0 m。 注浆施 工基 本 上采 用 下 行 式注 浆 方 式 ； 个 别 Q一∑A 兀 R 。 H 卢 ／ 1 l 式 中 A 为浆 液 消耗 系数 ； R 为 浆 液 扩 散 半 径 ， R 一 ／ 2 r ； 为 注浆 圈 径 ； r为浆 液 有效 扩 散 半 径 ； H 为注浆段长度 ； 为岩层裂 隙率 ； 卢为充填系 数 ； ／ 7 l 为浆液结石率 ； ”为注浆段数 。 度 ／ _ 圈n 离n 深 Ⅲ 距 止 数 布 径 散 度 起 孔 孔 圈 扩 深 浆 浆 浆 点 液 管 注注注落浆套 S孔段 维普资讯 1 4 建井技术 2 0 0 7年第 2 8卷 主 、 副 、 风 3 个 井筒 粘土水 泥浆设 计单 位井 筒 注入量 分别 为 2 O ， 2 3 ， 2 2 m。 。对 于破 碎 地 层 和 硐 室群位 置 ， 则 在粘 土 水 泥浆 浆 液 量 之外 单 独 设 计 单 液水 泥浆 进行加 固 。3个 井 筒加 固层位 单 液 浆 注入量 分别 为 8 0 4 ， 1 1 9 6 ， 6 5 9 m。 。 2 ． 5 注浆 压力与 注浆 结束标 准 岩帽段注浆 终压设计 为静水 压力 的 1 ． 5 ～ 2 ． 0 倍 ， 基岩段粘土水泥浆注浆终压设计为静水 压 力 的 2 ． 0 ～3 ． 0倍 。注 浆 压 力达 到 设计 终 压 并 稳 定 2 0 mi n以 上 ， 粘 土水 泥 浆 注浆 终 量 为 1 8 1 ～ 2 4 5 L ／ rai n时 ， 方可结束注浆。施工过程 中， 根据 井筒地层裂隙沟通性差 、 注浆前压水压力较 高等 实 际情况 ， 对 注浆 终 压 进 行 了适 当调 整 。即 在有 含水 层的重点 注浆段 ， 注浆终 压取高值 或提高 1 MP a 。如 3个 井筒 的最后一 个注浆 段 ， 注浆终 压 分 别达到 了 1 8 ． 0 ， 1 8 ． 8 ， 1 8 ． 8 MP a 。 2 ． 6特 殊地层 施工技 术措 施 1 钱 营孜煤 矿 3个井 筒冻 、 注交叉 部位 处于 弱 风化基 岩段 ， 也 是 井筒壁 座的设 计位 置 ， 因此对 岩 帽注浆 采取 了加 大 段 高 、 增 加 注 入 量 和 间歇 复 注等措施。3个井筒 岩帽注浆设计段 高分 别为 2 O ， 1 0 ， 2 0 m； 单 位 注 入 量 分 别 达 到 了 4 8 ， 7 O ， 5 2 m。 ； 单孔 平均 注浆次 数为 5次 。 2 井筒地面预注浆工程设计 日趋精细化 ， 除 堵水功效外， 其加固围岩的作用也逐渐被重视 ， 因 此对 于井 筒检查孔 揭露 的破 碎层位 和井 筒硐室群 位置 ， 设计 注单 液 水 泥浆 进 行 加 固 。此 外 由于 井 筒穿越的断层属于逆断层 ， 注浆孔钻进时 ， 钻孔坍 塌情 况并不严 重 ， 因此 施工 时 先 按设 计 主 要 使 用 粘 土水 泥 浆 进 行 注 浆 ， 复 注 则 使 用 单 液 水 泥 浆 。 对于个别钻孔塌坍严重 的地段 ， 则采用小段高钻 进揭 露 ， 调 整泥 浆性 能 护 孔 ， 用 单 液浆 先 行 加 固 ， 反复 养护 、 扫 孔 、 注浆 的方 式进 行 处理 ； 待 孔 壁稳 定后 ， 再 按设 计分段 注粘 土水 泥浆 ， 复注时再 注入 一 定量的单液浆 。注单液浆时 ， 以小泵量、 高压力 结束， 确保地层加固效果。 副 、 风 3 个井筒注浆钻孔偏斜均小于规范要求 ， 形 成的注浆有效帷幕厚度均满足堵水要求。以附图 所示的主井井简为例， 4个直孔终孔偏斜率 分别 为 2 ． 7 4 ％ 2 ． 2 2 ％ 。 ， 0 ． 3 5 ‰和 3 ． 3 6 ％ 0 ， 落点基本均 匀； 4个 s孔终孔落点也都在 5 ‰的靶域范 围内。 根据钻孔落点和浆液扩散距离绘制的注浆帷幕交 圈图显示 ， 各注浆段井筒荒径外止水帷幕 厚度均 达到了 8 ～l O re， 满足设计要求 。 2 注浆量 和 注浆压力 每一注浆段结束时， 浆液 注入量、 终压、 终量 都必须达到设计要求是确保注浆堵水质量 的重要 保 证 。 主 、 副 、 风 井 筒 浆 液 注 入 量 分 别 为 1 3 5 4 8 ． 8 ， 1 4 5 1 1 和 1 4 3 2 7 ． 7 m。 ， 超过设 计注入 量的 1 O ～1 5 ； 同时对重点含水层和特殊层位 还进行了加强和加固注浆。各段复注注浆压力均 超过 2 ． 5倍的静水压力， 重点注浆段达到了 3倍 静水压力 ， 均满足设计要求。 3 压水试验 各井简直孔段和 s孔段注浆结束时， 都选择 最后一个注浆孔作为压水试验检测孔进行质量检 查和堵水效果评价。压水时 ， 根据钻孔注浆段长 度 ， 分为 1 ～2 个 压水段 ， 每段 压 3个点 ， 每个点 压 力稳定时间 2 0 mi n 。主、 副、 风 3个井筒根据压水 试验结 果预测 的井筒剩余 涌水量 分别为 2 ． 8 2 ， 3 ． 7 6 ， 0 ． 1 8 m。 ／ h ， 均达到了施工组织设计要求。 4 结 语 地面预注浆技术是治理立井井筒基岩含水层 的有效方法 ， 能够基本上消除掘进工作面突水、 大 涌水量等隐患， 为井筒施工创造 良好条件， 从而达、 到降低施工风险， 缩短建井工期 ， 节约建设造价的 目的。钱 营孜煤 矿 3个井 筒地 面预 注浆施 工取得 了较好的效果。该项技术在皖北矿区属于首次应 用， 对该矿区具有复杂地质条件的其他井筒注浆 施 工具 有参 考价值 。 作 者 简 介 3 注 浆质量检 查与效 果分 析 昌修林 1 9 7 1 一 ， 男 ， 安徽巢湖 人， 高级工 程师 ， 北 京科技大 ， 1 注浆孔偏 斜 和注浆 帷幕交 圈 学在读硕士研究生。 1 9 9 4年毕 业于 淮南 矿业学 院采 矿工 程专 施工 时应 将 钻 孔 轨 迹 控 制 在 设 计 允许 范 围 业， 长期 从事 煤矿建设和煤炭开采技术管理工作， 现任钱营孜煤 内 ， 以保证 注浆有 效帷 幕厚度 达到 设计要 求 。主 、 矿总工程师， 发 表论文多篇。 维普资讯