综合注浆法建造阻水墙技术.pdf

2 0 1 0 年第6 期煤炭工程 综合注浆法建造阻水墙技术 南生辉 煤炭科学研究总院西安研究院，陕西西安7 1 0 0 5 4 摘要煤矿发生突水灾害后，在突水构造及其位置不明确的情况下，利用独头过水巷道的 有利条件，通过灌注骨料和注浆L _ r - 建造阻水墙成为最直接、最快速有效的治理方案。论文以东 庞矿2 9 0 3 工作面陷落柱突水灾害为例，系统介绍了综合注浆法建造阻水墙的工艺技术与方法。 关键词过水巷道；综合注浆法；阻水墙；旋喷注浆；充填泣浆 中图分类号T D 8 2 4 ．6 2文献标识码B文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 6 4 0 2 9 - 0 3 2 0 0 3 年4 月1 2 日东庞矿2 9 0 3 工作面下巷掘进过程中 发生了我国历史上罕见的2 。煤层特大突水淹井灾害，实测 最大突水水量为7 0 0 0 0 m 3 ／h 。由于突水量远远大于矿井排 水能力，导致整个矿井被淹。 通过突水水文地质条件分析认为，突水水源为奥陶系 强岩溶含水层，突水通道为陷落柱。为了加快治水工程进 度，尽早恢复矿井，减少灾害损失，经专家论证后，对 2 9 0 3 工作面陷落柱突水灾害的治理工程分为两期进行一 期为封堵过水巷道工程，先堵巷封水恢复生产，同时进行 陷落柱探查；二期为封堵陷落柱治理工程，以根治水患， 避免陷落柱二次突水事故的发生。 2 9 0 3 工作面下巷为宽4 m 、高3 m 的煤层巷道，巷道处 水压5 M P a ，一期工程方案共布置注浆孔8 个，设计阻水墙 长度1 0 5 m ，如图l 所示。 l 阻水墙建造工艺流程 一期工程治理方案为封堵过水巷道，其实质就是在 2 9 0 3 工作面下巷中，通过灌注骨料、注浆形成一定长度的 阻水墙，切断过水通道。透巷钻孔先行灌注骨料，当骨料 完全充填过水巷道封堵段，将管道流变为渗透流的转化后， 依次实施旋喷注浆、充填注浆、升压注浆、引流注浆等项 注浆工艺。 阻水墙的建造分为五个阶段，顺序如下 可怕的是井筒渗砂。井壁出砂后，一方面，因砂流的摩擦， 促进了井壁裂隙的扩展，造成渗水渗砂量快速增大，给注 浆施工带来困难；另一方面，若井壁外部地层砂量流失严 重，会破坏地层的稳定性，导致井筒周围受力不均，井筒 可能会出现致命性的破坏。丁集矿风井第一次出水时，由 图1 工程布置示意图 第一阶段为骨料灌注阶段，利用透巷钻孔，采用孔口 水力射流携带、砂石自重下落法灌注一定级配的石子和沙 子，其目的是充填过水巷道，降低水的流速、缩小过水面 积，为后期注浆施工做准备。 第二阶段旋喷注浆阶段，选择3 个不相邻的钻孔进行 旋喷注浆施工。通过注入高压水泥浆液流，强制切割周围 骨料，使水泥浆液与骨料充分混合，形成3 个相对孤立的截 于当时风井正承担主要提升任务，一直未来得及注浆，一 个月后，水中开始夹砂，且含砂量在短时间内急剧增大， 矿上当即成立抢险小组，投人人力物力，及时进行了注浆， 一周时间内将渗砂控制住，险情方才消除。 责任编辑章新敏 收稿日期2 0 0 9 1 0 一2 8 作者简介南生辉 1 9 6 5 一 ，男，陕西兴平人，高级工程师，1 9 8 5 年毕业于中国矿业大学煤田地质及勘探专业，在煤 炭科学研究总院西安研究院水文所从事煤矿防治水技术研究工作，主要研究领域是煤矿注浆堵水。 2 9 万方数据 煤炭工程2 0 1 0 年第6 期 断过水断面的砂浆或混凝土结石体。 第三阶段为充填注浆阶段，在旋喷注浆孔之间进行充 填注浆，将旋喷结石体之间的空隙充填，形成一个整体的、 连续的阻水墙。 第四阶段为升压注浆阶段，主要对阻水墙与顶底板岩 石的接缝，以及岩石裂隙进行注浆加固，一方面增强阻水 墙与围岩粘接力，提高抗挤出与抗水流冲刷能力，另一方 面，注浆封堵了顶底板裂隙，可以防止突水绕流。另外， 通过高压注浆提高阻水墙体的强度与抗渗透能力，封堵薄 弱带的过水通道。 第五阶段为引流注浆阶段，在工程后期矿井完全淹没、 阻水墙基本形成情况下，井下突水基本为静水状态。为了 检验堵水效果，封堵残留小的过水通道，在矿井试验排水 期间，利用G 2 孔进行注浆，对出水口附近进行注浆封堵。 2 旋喷注浆工艺 2 ．1 旋喷注浆工艺使用的技术条件 一般来讲，旋喷注浆工艺有自身适用的地层条件与施 工深度，东庞矿2 9 0 3 工作面下巷深度为5 8 0 m ，巷道中的 骨料完全充水、且为流动水。通过对巷道工程地质条件分 析后，答案是肯定的，能够满足旋喷注浆施工，原因如下 1 旋喷注浆施工受深度限制的主要原因是地层压力因 素，随着旋喷深度的增加，地层压力随之增大，达到一定 深度后，高压浆液流已无不能克服地层阻力，无法进行切 割置换形成旋喷固结体。施工段虽然处于5 8 0 m 深处，但旋 喷段为前期灌注的骨料，是松散的砂石堆积，与围岩属不 连续接触，巷道本身为独立的稳定结构。因此，旋喷段基 本不受上覆地层压力的影响。 2 一般情况下，受注层段中充满了流动的水，这是旋 喷注浆的一个不利条件，流水会带走水泥浆液，影响固结 体的形成。2 9 0 3 下巷经骨料的充填、封顶后，已建成具有 足够长度和强度的“阻力段”，这时巷道过水量已大幅减 少、地下水流速大大降低，钻孔单位吸水率即△q 值已降到 1 L ／r a i n n l 以下，从而把巷道内的“管道流”改造成“渗 透流”。另外，通过旋喷注浆工艺与浆液性能参数控制，可 顺利实施旋喷注浆施工。 2 ．2 旋喷注浆工艺 1 注浆材料 ①水泥采用4 2 ．5 。普通硅酸盐水泥，其质量应符合国家 G B l 7 5 9 2 标准，不得使用受潮结块的水泥或过期的水泥； ②造浆用水水质须满足国家混凝土拌合用水质量标准，其 s 0 2 2 含量应 4 ；③为提高阻水墙的抗渗性， 水泥浆液中可添加水泥重量2 ％～4 ％水玻璃，水玻璃模数 宜为2 ．4 ～3 ．2 ，浓度宜为3 0 4 5 波美度；④早强剂为三乙 醇胺和食盐。 2 旋喷参数 ． 浆液配方水灰比控制在0 ．6 0 ．7 ，浆液比重1 ．6 一 1 ．7 ，可加入水泥量O ．0 3 ％一O ．0 5 ％的三乙醇胺和0 ．3 ％一 0 ．5 ％的食盐。 喷浆压力5 1 0 M P a 喷体结构喷嘴直径为d 1 3 ～4 m m ，三喷嘴型 旋喷注浆泵L M 一5 0 0 ／2 2 型泥浆泵 3 旋喷注浆施工工艺流程 旋喷的主要目的是通过水泥浆的射流搅拌，把巷道中 的骨料初步形成一个以钻孔为中心的砼体，并经反复多次 旋喷使其成为巷内的一个局部固定“阻水段”。工艺流程如 下①当巷内骨料已注满，并经多次下钻反复冲扫骨料堆 积高度仍高于巷顶，经注 压 水试验，单位吸水率即卸值 已降到l L ／r a i n m 以下时，即可下入三孔射流旋喷钻头，采 用水泥浆喷射自上而下射流搅拌至孔底 低于巷底的深度 ， 然后再由下而上一边提升、一边旋转喷射至巷道顶以上的 钻孔内；②水泥凝固6 8 h 后，扫孔到底，进行第二次旋 喷 参数同① ，如此反复多次，直到孔口返浆为止；③待 凝4 8 h 后，经用筒状钻头取芯，若芯密实完整，说明旋喷 效果好，否则，下钻具重复旋喷注浆，直到岩芯完整，且 钻孔吸水率达到设计要求后，方可进入下一阶段的升压 注浆。 最后扫孔到巷底以下2 m ，在巷内经旋喷形成的混凝 土体上打成一个钻孔大小的孔眼，以便注浆浆液经该孔跟 充填巷道、进入顶底板裂隙，加压注入底板岩层、煤层与 砼体之间间隙，以进一步减少残存的渗透水流。 2 ．3 旋喷注浆施工 旋喷注浆历时2 周，主要在G 8 、G 7 、G 3 三个钻孔中 进行的，共用水泥3 2 5 t ，浆液比重为1 ．6 ～1 ．7 9 ／c m 3 。位于 中间的G 6 孔及后期施工的C , 4 、G 5 孔未进行旋喷注浆。 3 充填注浆工艺 充填注浆是在旋喷注浆的基础上。采用6 0 0 ～8 0 0 L ／r a i n 的大排量注浆泵注入比重1 ．7 t ／m 3 左右的高浓度速凝浆材， 快速充填巷道内旋喷固结体之间未填满的空间。 3 ．1 充填注浆参数及工艺流程 1 注前压水每个钻孔充填注浆之前应压水，其目的 一是检验注浆设备和管路的运行状态及密封性能，二是检 查钻孔的畅通情况，根据水量和压力计算单位吸水率，从 而确定开始注浆的浆液排量、比重、凝结时间等参数。 2 制浆压水试验结束后，开始造浆，浆液比重控制 在1 ．6 ～1 ．7 9 , ／c m 3 之间，制浆能力为3 6 ～6 0 m 3 ／h 。 3 注浆充填注浆的从排量4 0 0 L ／r a i n 、比重1 ．7 9 ／ e m 3 注起，在注浆过程中，根据实际情况做适当调整。本此 工程选用的早强剂为三乙醇胺和食盐，其添加比例为水泥 重量的0 ．0 5 ％和0 ．5 ％，注浆过程中密切注意注浆泵的工 作状态和孔口压力表的变化，保证孔口和注浆站之间的信 号畅通。其压注方法有单孔大浆量注浆法、单孔小浆量 间歇注浆法、多孔交替注浆法、多孔大浆量联合注浆法。 万方数据 2 0 1 0 年第6 期煤炭工程 3 ．2 充填注浆施工 此阶段是煤壁冲刷、破坏和“阻力段”很可能被突破 的关键阶段，其注浆特点是孔口不加压的方式自流注浆， 并采取高浓度间歇注浆、多孔联合干扰注浆等方法，控制 浆液扩散距离，防止浆液过多流失。 该阶段用来充填注浆的钻孔为G 6 、G 7 、G 8 孔和G 3 、 G 4 孔，共注水泥1 3 3 7 0 t ，占工程总注入量的5 0 ．6 5 ％，其 中个别钻孔未透巷前注入顶板导水裂隙带6 8 2 0 t ，充填入巷 内6 5 5 0 t 。 4 升压注浆工艺 升压注浆是的旋喷注浆、充填注浆的延续和补充，它 不仅弥补了旋喷对顶底板裂隙注浆的不足，而且解决了充 填注浆压力不高、浆液扩散距离有限的缺陷。 4 ．1 升压注浆参数2 L - Y - 艺流程 升压注浆阶段，在高压作用下，浆液继续向两侧扩展 后，一方面，使阻水墙内的残留空隙得到加固，进一步减 少巷道内渗透流量；另一方面，通过升压注浆不仅提高了 阻水墙的抗渗性和整体强度，而且使浆液扩散的更远一些， 确保原来孤立的水泥浆液固结体连接成一个整体的阻水墙。 另外，通过巷道顶、底板的升压注浆封堵巷道顶、底板岩 石裂隙过水通道，进一步减小陷落柱的出水量，增加阻水 墙的整体粘接强度和抗高水压的挤出能力。 升压注浆加固的对象主要是巷道顶板上l O m 范围的岩 层、巷道底板以下1 0 m 范围的岩层、砂石堆积体与巷道四 周的接缝及巷道两帮2 m 范围的煤壁。 注浆从排量1 2 0 L ／m i n 、比重1 ．4 9 ／e m 3 注起，在注浆过 程中，根据实际情况做适当调整。其压注方法有单孔大浆 量注浆法、单孔小浆量间歇注浆法。 在升压注浆过程中，经常出现相邻钻孔内水位上升甚 至喷水、返浆现象，若水位上升不大，不必采取措施；若 上升较快或喷水、返浆，立即采用孔口压盖的方法处理。 注浆结束压水后如孔口仍有压力，宜关闭孔口阀门待 消失压力后，方可拆开孔口注浆栓，以免孔1 2 1 返浆或地层 中水泥返压人孔内造成堵孔。 4 ．2 升压注浆施工 该阶段对每个钻孔采用下行分段式注浆，将钻孔延伸 到2 煤层的底板以下1 0 i n ，把2 9 0 3 下巷的顶板岩石裂隙 到巷道底板裂隙逐段进行反复的封堵加固。注浆方式采用 单孔注浆，但在压水和注浆过程中若发现与有的钻孔串通， 应改为双孔联合注浆。注浆全过程中浆液的比重、进量和 孔口压力吸水和进浆情况随时掌握，及时合理调整，浆液 的比重一般为1 ．5 1 ．7 5 。待巷底升压至1 0 M P a ，孔口压力 达到5 M P a 左右，稳压3 0 m i n 以上。吸浆量在5 0 1 ．．／m i n 以 下，扫孔到巷底以下1 0 r n 处，压水试验g 值不大于0 ．0 1 L ／ m i n m 时结束。 5 引流注浆工艺 地面引流注浆技术是指在煤矿发生突水淹井后，在静 水条件下，采取地面打钻注浆的方法，封堵了井下突水点 或突水点外主要过水通道后，在矿井主副井或突水点附近 进行引流排水，使静水条件变成动水条件，在此条件下， 继续注浆，则可以对突水点或过水通道的细小裂隙、薄弱 带进行再加固，进一步减少出水量，减少地面打钻注浆的 工程量，起到加快复矿的速度。 引流注浆主要利用靠近突水点的G 2 钻孔在矿井试排水 期间借助堵水段内外的水头差进行引流注浆，对巷道及其 围岩残存的细小过水裂隙进行最后一次封堵加固，同时借 助“引流”的力量向来水方向逆流压注，并通过陷落柱进 一步向被陷落柱贯穿的各含水层及其导水系统进行注浆封 水。这样即充填了陷落柱突水1 2 I 附近的空间，也部分改造 了陷落柱的导水作用。引流注浆在巷顶以上注入水泥 5 0 7 3 。5 t ，占引流注浆总量的5 3 ．6 5 ％，巷底以下共注入 3 5 4 4 t ，占引流注浆总量的3 4 ．0 5 ％，而巷内仅注入水泥 8 5 4 t ，占引流注浆总量的9 ．0 2 ％，这一情况表明。本次引 流注浆的作用，实际上已不仅是加固巷内的堵水段，更是 通过巷道顶、底板的裂隙进一步封堵它们与陷落柱之间的 水力联系。 6 结语 综合注浆法是阻水墙建造过程中各种注浆工艺的一个 总体称谓，它是由旋喷注浆工艺、充填注浆工艺、升压注 浆工艺及引流注浆工艺四部分组成，其划分主要依据是受 注层的水动力条件、裂隙与空隙特征、目标层的可灌性等 因素。不同的注浆工艺对应于不同的注浆阶段，不同的阶 段实现不同的工程目标，四种注浆工艺的有序排列组合与 实施就形成了完整的阻水墙建造技术，对类似条件下的矿 山注浆堵水工程具有重要的参考价值。 经追排水复矿后现场实测，巷道封堵后残余渗水量由 初始的1 7 0 0 ／h ，逐渐衰减为零，堵水率达到1 0 0 ％。“隐 伏岩溶陷落柱预测及快速封堵综合治理技术研究”获2 0 0 8 年度河北省与中国煤炭工业协会科技进步一等奖，综合注 浆法建造阻水墙技术是该项目关键技术。 参考文献 [ 1 ]陈立武．东庞矿特大突水灾害治理技术[ M ] ．北京煤炭 工业出版社，2 0 0 5 ． [ 2 ]戴围权．动水巷道堵水技术[ M ] ．北京煤炭工业出版 社．1 9 8 7 ． [ 3 ]左名麒．地基处理实用技术[ M ] ．北京中国铁道出版 杜。2 0 0 5 ． 责任编辑章新敏 3 1 万方数据 综合注浆法建造阻水墙技术综合注浆法建造阻水墙技术 作者南生辉 作者单位煤炭科学研究总院西安研究院,陕西,西安,710054 刊名 煤炭工程 英文刊名COAL ENGINEERING 年，卷期2010，““6 被引用次数0次 参考文献3条参考文献3条 1.陈立武.东庞矿特大突水灾害治理技术[M].北京煤炭工业出版社,2005. 2.戴国权.动水巷道堵水技术[M].北京煤炭工业出版社,1987. 3.左名麒.地基处理实用技术[M].北京中国铁道出版社,2005. 本文链接 授权使用黑龙江科技学院hljkjxy，授权号fa8c0e32-5ba8-4a85-b80e-9e11009098bd 下载时间2010年10月16日