水災(zāi)防治(第7章)

礦井水災(zāi)防治第七章

立井井筒地面預(yù)注漿第一節(jié)概述地面預(yù)注漿法就是在立井井筒未開挖之前或是開挖一段之后因井筒涌水量增大而停止掘進(jìn)，圍繞井筒從地面鉆進(jìn)若干個注漿孔到含水層中，通過注漿機(jī)具經(jīng)鉆孔將配制好的漿液向含水層里注漿，漿液在巖土的裂隙或孔隙中，經(jīng)滲透、擴(kuò)散和凝固、充塞，在井筒四周形成具有一定強(qiáng)度的，不透水的圓形隔水帷幕，保護(hù)井筒開鑿不受穿過含水層的威脅；經(jīng)檢查達(dá)到裂隙巖層堵水或加固松散地層標(biāo)準(zhǔn)后，再進(jìn)行井筒掘砌的一種施工方法。地面預(yù)注漿法工藝流程如圖7-1所示。911315161713141010857462112圖7-1注漿工藝流程1—注漿孔；2—止?jié){塞；3—混合器；4—水泥攪拌機(jī)；5—放漿閥；6—水泥吸漿池；7—水玻璃吸漿池；8—水泥注漿泵；9—水玻璃注漿泵；10—液力變矩器；11—輸漿管；12—注漿管；13—流量計；14—信號線；15—鉆塔；16—環(huán)形道；17—注漿孔位地面預(yù)注漿法適用條件：1．井筒穿過的含水層厚度大且距地表較近（80～300m），或含水層厚度不大但層數(shù)多并與不透水層互層，預(yù)計井筒涌水量超過100m3/h以上。2．鉆機(jī)鉆探能力能夠達(dá)到，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方案認(rèn)為比較合理。有些礦井，在第四紀(jì)沖積層厚度較大、裂隙含水巖層離地表較深的條件下，首先采用地面預(yù)注漿的方法封堵巖石裂隙水，然后采有凍結(jié)法通過沖積層。例如開灤東歡坨主井與副井、錢家營主井與副井和三河煤礦主井，就是采用這種施工方法。

優(yōu)點(diǎn)是施工安全可靠，不占建井工期，井筒的掘砌工作可以連續(xù)進(jìn)行，速度快；缺點(diǎn)是鉆孔工程量大，對鉆孔施工技術(shù)和注漿設(shè)備能力要求高。第二節(jié)施工方案選擇立井含水層特殊施工方法的方案，一般在礦井施工組織設(shè)計中要作重點(diǎn)的描述，是否采用含水巖層地面預(yù)注漿，一般應(yīng)作技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析和探討，其分析有外比法和內(nèi)比法兩種。一、外比法外比法就是地面預(yù)注漿和凍結(jié)法、鉆井法、沉井法、混凝土帷幕法等特殊鑿井方法進(jìn)行比較。其內(nèi)容多在立井施工的含水沖積層和基巖風(fēng)化帶深度內(nèi)進(jìn)行，其技術(shù)分析各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體應(yīng)用要根據(jù)不同水文地質(zhì)條件擇優(yōu)選擇，在技術(shù)上地面預(yù)注漿除厚層流沙施工有較大難度外，其他的水文地質(zhì)條件地面預(yù)注漿均占有較多的優(yōu)勢。經(jīng)濟(jì)方面、由于地面預(yù)注漿具有設(shè)備簡單，動力少，較之其他特殊施工方法有較多優(yōu)點(diǎn)。一般認(rèn)為，在深厚沖積層含水層中多采用凍結(jié)法或鉆井法施工，這些方法在技術(shù)上雖可行，安全可靠，但成本高，費(fèi)用大。二、內(nèi)比法內(nèi)比法就是注漿法本身的比較，預(yù)注漿是從立井工作面預(yù)注還是從地面鉆孔預(yù)注，須根據(jù)具體的水文地質(zhì)條件和施工技術(shù)條件進(jìn)行兩種方法技術(shù)比較后方能確定。（一）施工技術(shù)比較主要優(yōu)點(diǎn)：①全部工作在地面進(jìn)行，工作條件好，效率高，鉆進(jìn)速度決。②鉆孔和注漿工作可在井筒開始掘進(jìn)前進(jìn)行，不影響工程進(jìn)度，可連續(xù)施工。③使用大型鉆機(jī)，注漿孔徑加大，鉆孔可以交叉更多的含水層裂縫，提高了充塞效果。④不須修筑止水墊或留設(shè)保護(hù)巖柱，避免了注漿時發(fā)生止水墊跑漿等情況。主要缺點(diǎn)：①在注漿過程中灰漿消耗量一般較大。②注漿套管容易被灰漿膠結(jié)，工程結(jié)束時較難起撥。③鉆孔工程量較大，占用設(shè)備較多，鉆孔容易偏斜。④灰漿有時會從固管段外返出地表，造成注漿工作停頓，注漿技術(shù)要求較高。1.地面預(yù)注漿（一）施工技術(shù)比較主要優(yōu)點(diǎn)：①注漿在掘進(jìn)工作面分段進(jìn)行，上分段注漿后進(jìn)行掘砌，再進(jìn)行下分段注漿，對注漿效果掌握的比較清楚。②可用小型的鉆眼工具及注漿設(shè)備，相應(yīng)布置比較簡單。③可以直接注含水巖層，鉆眼工程量小，灰漿消耗較小。主要缺點(diǎn)：①鉆孔、注漿在掘進(jìn)工作面進(jìn)行，難于使用高效率的鉆進(jìn)設(shè)備，鉆孔直徑、深度均受到限制。②由于工作面窄小，注漿與掘進(jìn)不能平行進(jìn)行，會延長井筒掘進(jìn)時間。③注漿段含水層上部往往沒有堅(jiān)固的能承受注漿壓力的隔水層，須構(gòu)筑混凝土止水墊，施工較復(fù)雜，質(zhì)量不易保證。２.工作面預(yù)注漿（二）經(jīng)濟(jì)費(fèi)用比較地面預(yù)注漿及工作面預(yù)注漿兩種方案的注漿工程費(fèi)用比較，并采取費(fèi)用較低的一個。由于預(yù)注漿是隱蔽工程，迄今計劃計算費(fèi)用的公式往往與實(shí)際相差較大，特別是工作面預(yù)注漿取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)與范圍更加復(fù)雜。（三）方案比較通過施工技術(shù)與費(fèi)用比較，選擇施工技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的注漿方案。由此可知，注漿堵水工作選擇在地面或是在井筒工作面進(jìn)行，關(guān)鍵取決于井筒含水層的賦存條件，如果需注的含水層巨厚或是相鄰多層含水層組，地面進(jìn)行預(yù)注漿比較經(jīng)濟(jì)合理，當(dāng)含水層距地表很深又是單一的含水層時，選用工作面預(yù)注漿較為適宜。由于地面預(yù)注漿優(yōu)點(diǎn)突出，隨著鉆孔注漿技術(shù)的不斷改進(jìn)，注漿方法和材料的不斷革新，地面預(yù)注漿發(fā)展較快，不但用于立井井筒預(yù)注漿，而且用于被淹沒礦井或采區(qū)恢復(fù)注漿，堵水截流注漿以及基礎(chǔ)加固預(yù)注漿等，使用日益廣泛。第三節(jié)注漿孔的布置注漿孔的數(shù)目是根據(jù)巖石裂隙的大小、裂隙分布條件、井筒斷面和注漿的能力等因素來確定。注漿鉆孔一般按同心圓等距離布置，分井外布孔和井內(nèi)布孔兩種情況，一般可用下列經(jīng)驗(yàn)公式計算：N=

注漿孔數(shù)目，個；井筒荒徑，m；注漿孔至井筒荒徑的距離，一般取為0±1.5m；注漿孔間距，m，一般選擇為3.0～5.0m。

注漿孔數(shù)一般為6～8個。

注漿鉆孔一般按同心圓等距離排列；也有少數(shù)在來水方向布孔密一些。

注漿孔的數(shù)目和注漿孔的都置、對注漿效果、注漿時間、注漿成本影響較大。布孔的原則要考慮地表孔口的間距，注意受注層位形成的實(shí)際注漿帷幕厚度。

帷幕注漿一般使用于表土砂礫石層、流砂層及直接于表土接觸的含水基巖風(fēng)化帶中，這些地層為了堵住涌水，需增加注漿孔數(shù)，縮小單孔控制范圍，使井筒含水層周圍密布水泥條帶，這樣一方面將砂土擠聚，減少其透水性，另一方面可起骨架作用，增加抗壓性能。

注漿孔的布置有單環(huán)和雙環(huán)兩種。第四節(jié)注漿方式和注漿段高一、注漿方式注漿方式是指漿液的壓注形式和壓注漿液的順序。（一）根據(jù)漿液的壓注形式不同注漿方式可分為壓入式和循環(huán)式。1.壓入式注漿壓入式注漿就是借助注漿泵所形成的壓力和漿柱本身的壓力，把漿液直接壓入注漿孔含水層中充塞裂隙。這種注漿方式因其注漿速度快、壓力高、漿液填塞致密、結(jié)石體強(qiáng)度高、容易注入到細(xì)小裂隙中，而被廣泛采用。2.循環(huán)式注漿循環(huán)式注漿就是向鉆孔里輸送的多余的漿液在注漿孔和供漿桶之間循環(huán)流動，如圖7-2所示。鉆孔注漿裝置復(fù)雜（見圖7-3），需要一套注漿管和回漿管。雞西河北立井采用循環(huán)注漿時，是在孔口注漿器上安一個回漿管（見圖7-4），注漿中多余漿液由注漿孔經(jīng)回漿管返至貯漿池。圖7-2循環(huán)注漿法漿液流動系統(tǒng)圖1－注漿孔；2－注漿泵；3-漿液攪拌機(jī)；4－壓漿管路；5－回漿管路；6－吸漿管路81345267圖7-3循環(huán)式注漿法1—進(jìn)漿管；2—回漿管；3—升降螺母；4—壓蓋；5—密封盤根；6—卡瓦；7—花盆；8—止?jié){塞；圖7-4用套管作回漿管的循環(huán)注漿法1—進(jìn)漿壓力表；2—進(jìn)漿管；3—壓蓋；4—密封盤根；5—回漿壓力表；6—密封器；7—回漿管；8—套管；9—注漿管1524Pm/p0≥xc/x（空氣中）

xc≥x（a）砂類土中；（b）粘性土中循環(huán)式注漿，漿液可以恒壓注入，不為巖層裂隙所吸收的多余灰漿又沿回漿管路返回重新壓入漿液攪拌機(jī)，以便重復(fù)使用。注漿方式一般分為：全段一次注漿分段注漿1.全段一次注漿全段一次注漿是將注漿孔打到終深以后，進(jìn)行全孔一次注漿。（二）按注漿的分段關(guān)系分段注漿，分為：分段下行、分段上行適用范圍：該方法僅適用于含水層厚度不大、離地表又近，單一含水層、厚度集中，巖質(zhì)比較均勻、穩(wěn)定的含水層。優(yōu)點(diǎn)：一次鉆孔，一次完成注漿工作，鉆進(jìn)工程量小，不須重復(fù)鉆孔，以減少安設(shè)、起拔止?jié){塞和其他輔助工序的時間，注漿施工進(jìn)度快，操作較簡單。缺點(diǎn)：①對于井筒穿過幾個含水層或巨厚含水層，其各層裂隙率和吸漿能力均不同的情況下，很難達(dá)到應(yīng)有的注漿質(zhì)量；②采用同樣的注漿壓力注幾個含水層，漿液將流向阻抗最小的大裂隙中去，而且擴(kuò)散很遠(yuǎn)，相反裂隙小的巖層，漿液則擴(kuò)散很近，其結(jié)果是大裂隙被注實(shí)，細(xì)裂隙充塞深度淺，而這個深度不足以抵擋住地下水的壓力，其涌水將破壞并沖出裂隙中的注漿材料，結(jié)果會產(chǎn)生較大的剩余水量。2.分段下行式注漿分段下行式（自上而下）注漿，即從地面鉆孔到含水層開始，由此向下，鉆一段孔，注一段漿，鉆孔與注漿工作反復(fù)交替進(jìn)行，直至全深。優(yōu)點(diǎn)：①在鉆進(jìn)下段含水層注漿孔時能保證上部含水層水不沿鉆孔滲漏；②地面壓漿工作較簡單，可以不用注漿管和止?jié){塞；③能保證各含水層巖層不同裂隙和吸漿能力分別注漿，注漿質(zhì)量較有保證；④在縱向裂隙發(fā)育的巖層中和巖石破碎的條件下，止?jié){塞能起到可靠的止?jié){效果。缺點(diǎn)：①在松軟易塌孔的巖層里，注漿鉆孔施工困難；②下段注漿前須在上段灰漿凝固后進(jìn)行，鉆孔與注漿之間有較長停頓時間，注漿工期較長；③掃孔工作量大。3.分段上行式注漿注漿孔一次鉆進(jìn)到注漿終深，安設(shè)套管，從下向上注漿，為避免漿液向上面流動，在套管和巖壁間用止?jié){塞隔離，每段注好后，將套管向上提一分段，隨即開始上分段注漿。優(yōu)點(diǎn)：①對裂隙率和吸漿能力不同的含水層能分別注漿，注漿質(zhì)量較好；②對已注漿段不必進(jìn)行掃孔，鉆孔利用率較高，注漿進(jìn)度快。缺點(diǎn)：①每段注漿結(jié)束要提升注漿管及止?jié){塞，使注漿工作復(fù)雜化；②止?jié){塞有時難于防止?jié){液上溢，套管與巖石膠結(jié)起拔套管難度較大。適用范圍：該法適用于各含水層裂隙率和吸漿率不同的多含水層、賦水性較弱的堅(jiān)硬巖層且縱向裂隙不發(fā)育，以深井注漿時最為適宜。4.綜合分段注漿一種自上而下與自下而上相結(jié)合的注漿方法。在深孔注漿中，可把全孔分成幾個綜合段，每個綜合段包含有幾個注漿段。從全孔施工看，以綜合段為單元，注漿是自上而下的，但在每個綜合段內(nèi)則注漿又是自下而上的。總之，為了保證注漿質(zhì)量，提高堵水效果，實(shí)際多采用分段下行式注漿，由于全段一次注漿較分段注漿簡易得多，可優(yōu)先采用。二、注漿段高井底處在含水巖層，注漿深度應(yīng)超過井深10m；含水層在立井設(shè)計深度之上，鉆孔終孔深度應(yīng)超過含水層底板10m。當(dāng)井筒穿過若干個含水層，應(yīng)對井筒穿過的巖層全部注漿。（一）注漿深度（二）注漿段高注漿段高愈大則鉆孔與注漿工序的重復(fù)次數(shù)愈少，工期愈短，但注漿段高太大，難以保證注漿質(zhì)量；注漿段高過小，其工序較多，時間較長。注漿段高大小的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：①含水砂層化學(xué)注漿，其范圍為0.4～1m。②裂隙巖層的注漿段高，主要根據(jù)含水層特征確定。其參數(shù)選擇如表7-1。表7-1裂隙巖層注漿段高裂隙含水層特征裂隙寬度/mm0.3～33～66～13＞13裂隙等級細(xì)裂隙中裂隙大裂隙破碎地層常用段高/m初注段高40～6030～4010～304～10復(fù)注段高50～10040～503030注：復(fù)注段高是指初注至終孔后，再由下向上進(jìn)行分段復(fù)注的段高。選擇注漿段高時，應(yīng)考慮以下原則：注漿段高應(yīng)與注漿泵的供漿能力相適應(yīng)，泵量小，段高宜小，以保證漿液有足夠的擴(kuò)散半徑；考慮地層狀態(tài)，只有裂隙性相同、距離相近的巖層或巖層的吸漿能力近似，才能劃分在同一段高內(nèi)，以保證漿液的均勻擴(kuò)散。第五節(jié)注漿工藝及其作業(yè)注漿工藝及作業(yè)是立井地面預(yù)注漿關(guān)鍵工作。注漿工藝流程主要指注漿方案、施工方法以及注漿工作全過程的作業(yè)程序和作業(yè)要領(lǐng)，包括:注漿方案選擇、注漿方式、注漿孔布置、注漿深度和段高的選取、注漿參數(shù)的確定和注漿效果的評價等。粘土水泥漿工藝流程：①高壓大流量泥漿泵噴槍射流攪拌制備粘土漿②大流量泥漿泵向一次攪拌機(jī)輸送粘土漿③人工加水泥及定量清水連續(xù)進(jìn)行第二次攪拌④注漿泵吸入粘土水泥漿⑤吸漿管內(nèi)注入定量添加劑⑥漿液經(jīng)泵體輸漿管、鉆桿混合攪拌成CL-C型粘土水泥漿注入巖層裂隙中。注漿工藝中的關(guān)鍵技術(shù)：一、鉆孔施工（一）鉆場的布置與鉆機(jī)安裝圖7-6鉆場及環(huán)形道布置1—鉆塔底盤；2—枕木；3—環(huán)形軌道；4—泥漿溝槽（i=1/50）；5—灰土盤；6—注漿孔位置542A—A1A346A2345修筑鉆場作業(yè)平臺，如圖7-6所示。（二）注漿孔結(jié)構(gòu)注漿孔的結(jié)構(gòu)是指鉆孔由開孔至整個注漿深度的換徑次數(shù)和孔徑變化，如圖7-7所示。地面套管基巖面鉆孔孔口管φ108φ146φ219圖7-7鉆孔結(jié)構(gòu)10m≥6m注漿孔通過沖積層的孔徑為:146～159mm注漿段的孔徑一般為:89～108mm。注漿導(dǎo)向管埋沒深度為:6～10m導(dǎo)向管方向準(zhǔn)確、水泥膠結(jié)堅(jiān)固。

注漿孔穿過沖積層時，要安設(shè)套管。套管的深度與固結(jié)是在孔口導(dǎo)向管固定后，按封閉含水層的深度不同，確定套管安設(shè)深度。（三）注漿孔鉆進(jìn)1.鉆機(jī)：TXB-1000A型鉆、DZJ-500-1000型凍注兩用鉆機(jī)。每個井筒使用2～3臺鉆機(jī)同時施工。2.鉆具：包括鉆頭、巖芯管、加重鉆鏈和鉆桿。3.注漿孔鉆進(jìn)4.掃孔5.鉆孔的偏斜及其測量二、注漿參數(shù)注漿參數(shù)主要包括：注漿壓力注漿時間漿液有效擴(kuò)散半徑漿液流量和漿液注入量漿液起始濃度凝膠時間等。（一）注漿壓力1.裂隙巖層地面預(yù)注漿（1）根據(jù)埋藏深度計算注漿終壓注漿深度每增加10m，注漿壓力增加0.2MPa左右。注漿壓力可依下式計算：

Pz＝KHd

（7-12）式中Hd―注漿分段底板到地面的高度，m；

K―由深度決定的注漿壓力系數(shù)，見表7-2。用于裂隙巖石注漿的經(jīng)驗(yàn)公式：Pz＝0.023Hd＋0.031Hd（Hd/30＋Hd1/2/10.8）（7-13）表7-3注漿壓力選擇表含水層賦存深度/m50100200300400500600700注漿壓力/MPa1.0～2.03.0～4.05.0～6.07.0～9.010～1213～1415～1718～20（2）綜合注漿法注漿壓力隨含水層賦存深度變化按表選取。2.含水砂層地面預(yù)注漿

含水砂層應(yīng)用預(yù)注漿技術(shù)，按公式（7-12）計算注漿壓力時，K值可取表7-2中注漿深度＜200m的數(shù)值。在流砂層中使用化學(xué)漿液，允許采用注漿壓力比靜水壓力大0.3～0.5MPa。在粗砂或礫石層中，采用低壓注入可注性好的漿液；在細(xì)砂層中，則應(yīng)先作低壓注漿，以保證漿液滲透均勻，后期再提高壓力，使有效擴(kuò)散半徑達(dá)到預(yù)期的范圍。（二）漿液擴(kuò)散范圍漿液在巖石裂隙中擴(kuò)散凝結(jié)后，能起到堵水或加固作用的范圍，通常用擴(kuò)散半徑來表示。注漿過程中，漿液的擴(kuò)散半徑隨著巖層滲透系數(shù)、裂隙寬度與溝通狀況、注漿壓力、注入時間的增加而增大；隨著漿液濃度和粘度的增加而減小。（三）漿液注入量漿液注入量又稱為漿液單位注入量，系指一個注漿孔單位時間內(nèi)注入的漿液體積。（四）漿液濃度水泥漿濃度的水灰比為0.5：l0.75：10.8：11：11.25：12：1盡量采用高壓濃漿，以縮短注漿時間，加快工程進(jìn)度，獲得良好的堵水效果。采用水泥-水玻璃雙液注漿時，水泥漿的水灰比一般用五個比級。0.6∶10.8∶11∶11.25∶11.5∶1（五）漿液凝膠時間漿液的凝膠時間長短直接影響注漿時間，必須根據(jù)受注地層的具體條件確定。（六）注漿時間注漿的時間根據(jù)注漿結(jié)素標(biāo)準(zhǔn)而定（定壓或定量）。（七）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)與注漿效果各注漿孔段結(jié)束注漿的標(biāo)準(zhǔn)，主要用兩個指標(biāo)來衡量：最終吸漿量，即注漿結(jié)束時的允許吸漿量（定量注漿）；注漿終壓并有一定的延續(xù)時間（定壓注漿）。①注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用水泥漿液注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓及注入量達(dá)到50～60L/min時，并保持穩(wěn)定20～30min；采用水泥-水玻璃雙液注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓及注入量達(dá)到100～120L/mim時，并持續(xù)穩(wěn)定10～15min。②注漿效果注漿段剩余漏水量不大于4～6m3/h。三、注漿作業(yè)操作順序：圖7-8注漿泵的試運(yùn)轉(zhuǎn)高壓閥門2回漿閥1注漿泵輸漿管液力變矩器電動機(jī)下止?jié){塞至最佳位置組裝止?jié){塞接通輸漿管啟動注漿泵壓水試驗(yàn)開始注漿調(diào)整注漿濃度及壓力攪拌注漿漿液單孔單段達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)注入清水關(guān)閉井口轉(zhuǎn)心閥清洗輸漿管路及全部注漿設(shè)備孔內(nèi)無壓后提升止?jié){塞進(jìn)入下一注漿程序（一）注漿設(shè)備的試運(yùn)轉(zhuǎn)

（二）鉆孔的清洗與簡易壓水

（三）止?jié){塞的安設(shè)（四）注漿施工①制備水泥漿。②注漿過程中，要配備備用泵，保證連續(xù)注漿，并及時檢修出現(xiàn)故障的注漿泵。③注漿過程中，要經(jīng)常觀測并及時記錄吸漿量或排漿量（即流量）及用料數(shù)量和注漿壓力的變化情況，以便分析、判斷注漿效果。④正常情況下，一期注漿孔主要是封堵大裂隙，二期注漿孔進(jìn)一步封堵中小裂隙，因此注漿時，注好前期的幾個注漿孔，使之達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是整個注漿工程的關(guān)鍵。⑤重復(fù)注漿（簡稱復(fù)注），每段經(jīng)第一次注漿后，有些裂隙未必全部封堵，甚至細(xì)小裂隙尚未進(jìn)漿，必須再經(jīng)復(fù)注才能達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)注的間隔時間，一般為18～24h。復(fù)注的方式，多采用分段下行式。⑥巖帽段預(yù)注單一水泥漿時，一旦地表鼓裂或出現(xiàn)冒漿，立即停止注漿，在高漿液中添加10％的BR增強(qiáng)防水劑，繼續(xù)灌注，待冒漿點(diǎn)冒出水泥漿后隨即關(guān)泵停注確保巖帽注漿封堵質(zhì)量。⑦注漿結(jié)束后，應(yīng)壓入一定量的清水，把管路中的漿液全部壓入裂隙中。四、注漿質(zhì)量監(jiān)督檢查注漿質(zhì)量檢查方法有以下幾種: