注浆技术及其应用.doc

注浆技术及其应用 随着我国国民经济的迅猛发展 ，注浆法近年来发展很快，应用很广。如在矿井生产和建设中，进行预注浆建井 ；堵井壁漏水，处理淹井事故，加固软岩等等。但这些注浆都是在岩石和沙层中进行的。围岩都有较大的渗透性，浆液可以在压力的作用下渗透和充填，以达到注浆的目的。随着煤炭开采深度的增加和井巷工程遇到含水及松软等复杂地层增多，近年来在煤矿注浆技术方面相继研究开发 了一系列成套技术和机具设备．如 综合注浆技术包括流量测井技术．CLc 型粘土水泥浆注浆材料，分段止浆技术，定向钻进技术 ；高压旋喷注浆技术等，并在煤矿和其它领域的几十个工程中得以成功应用，取得了较好的经济效益和社会效益。 一 综合注浆技术 “综台注浆法 是 90年代初开发的注浆技术，1991年首次用于煤矿立井井葡地面预注浆工程中，至今已成功应用于加多个井葡的地面预注浆工程，基本取代了单液水泥注浆方法 ，从而成为煤矿注浆的最新换代技术 。 1．1 特殊的注浆材料IcI 一c型粘土水泥浆 1浆液组成 粘土水泥浆由粘土、水泥和少量结构添加剂组成 。粘土是粘土水泥浆的主要成分，占浆液的 70-90％。研究表 明，塑性指数 15 上的粘性土一般均可作为配制浆液的原料 ，且塑性指数越高，造浆效果越好。我国粘土资源丰富，一般可就地取材。水泥是浆液的结构生成 剂。占浆液的 10％-30％，使用 425抖或525抖普通硅酸盐水泥较好。 2浆液性能 ELc型粘土水泥浆之所以能起到堵水作用，主要取决于浆液的粘塑特性，而不是浆液的抗压强度，这是采用粘土水泥浆注浆的一个基本观点 别于水泥浆液。 ELc型粘土水泥浆的性能指标主要包括塑性强度、析水率、粘度、比重和抗渗性等。 塑性强度是该种浆液的最重要的性能，它是表示浆液抗剪切性能的力学指标，塑性强度初期增长快。最终强度高，别浆液性能好，30天塑性强度高超过 1mpa 析水率是反映浆液稳定性和充填裂隙饱满程度的重要指标，粘土水泥浆析水率一般仅为 05％，且遇水不分散；而单 液水泥浆 的析水率为 15％ 一 25％ 11的水灰比，且遇水分散。综台注浆 法”采用的是流量测井技术 ，所用仪器是钻孔流量 计.流量测井法的理论基础是根据物质守恒定律导 出的流体连续性方程和水 的不可 压缩 性。在水文检查孔中采用该技术，可为注浆设计提供依据；应用于注浆孔中．可以比较准确地了解注浆前后水文地质参数的变化．确定哪些层位要加强注浆 ，止浆塞下到哪里等 ，以提高注浆的科学性。 所用流量计 为涡轮式 MD一1型流量测井仪，适用最小孔径 90ram，最大测井深度 1200m，测量精度 3％；可在抽水、注水条件下同时连续测量井径和钻孔中轴向水流量 。 3 止浆机具及注浆方式 1止浆机具 因含水岩层都比较深，为解决以前从孔口注浆方式无法分段、注浆部位不易控制、浆液浪 费大的同题，专门研究开发了深孔岩层注浆用的 瞄 系列卡瓦式止浆塞 ，适用孔径 75～l5O衄 ．使用止浆塞后．可对钻孔任意进行分段．对某一含水层进行有针对性 的单独 注浆。 2注浆方式 为加快钻注速度．提高工鼓，我国开发的综台注浆技术在注浆方式上采用上行式和上 、下行结台的混台方式，由于采用了止浆技术，对钻孔可采用上行式注浆，即注浆式一次钻全深，然后自下面上分段注浆，其优点是减少 了钻注交替、扫孔 等时间．钻注效率高。 由于采用了止浆技术和粘土水泥浆液，注浆段压力水柱高一般是水泥注浆的23倍，可达到 4075m．甚至在某些条件下可达 100m以上，浆液析水率极低 结石率高，多数情况下每一段只需注一次浆即可达到堵水要求。 粘土水泥浆可压注到细 小裂隙中 最小可到1mm，并需在一定压力下脱水，故牯土水泥浆注浆采用 的压力 比较高，结 束 的泵 量相对较 大 约250IJrain。 3 在煤矿立井井筒注浆中的应用 自1991年综 合注浆技术研究成功以后．已经在付村西风井、高庄混台井、谢李主井、拎采主副井、大淑村主副井、张集主剐风井、平顶山十三矿主副井、梁北矿主副井、古 城主副井、许厂主副 井、北徐楼主副井、宣二主副井、泗河主副井等 20 多十煤矿井筒地面预注浆工程中推广应用．节约水 泥 80％．缩短工期 55％，注浆段剩余涌水量都小于 10％，堵水效率达96％以上，最高达 99％。 二 定向钻进技术 在煤矿地面预注浆或冻结钻孔工程中，经常由 于地面障碍物或特殊要求等原 因，钻孔孔底 靶 域与钻机所在的孔口不在一条垂线上，需要人为 的控制钻孔轨迹 ．使钻孔按要求的设计走 向，钻人 靶域，为寻找解头这些同题的途径，煤科总院北京 建井研究所在充分分析世界上最先进的定向钻进技 术的基础上，瞄准国际上最先进的 “模诺”原理井 下动力钻具式钻进．研究成功了适合煤矿地下要求 的煤矿工程孔定向钻进技术，建立了一套定向钻进 工艺理论 圈 2，开发了 D日一1000型冻注钻机、 JDr型陀螺测斜仪 最新为 JDT一6型、DYZ一96 型井下动力钻具等一系列专用机具设备．井应用到 高精度 s”型注浆群孔，注浆孔及冻结孔 纠编、 注浆分支孔、“r’型注浆定向孔等工程中，成为我 国煤矿建井及特殊地下工程中打钻的更新换代新技术。煤矿定向钻进技术的特点 a钻扎精度高． 注浆孔为0．5％ 一1％，冻结孔为 O．2％ 一O．3％； b在冲积层 内可定向造斜； c造斜孔段短，可在 lo0 20Om深度 内准确完成造斜一稳 斜一降斜，横向拉出2030m距离。 在煤矿已应用定向钻进技术成功完成多项特殊 工程，如开漾东欢坨二号井 “s 型定 向注浆群 孔，实现立井井筒上部凿井和下部注浆平行作业， 大大缩短了施工工期 ，山东鲍店矿井壁修复定向注 浆孔，在矿井不停产、不 占井口、不拆建筑物的情 况下，孔位插空布置，利用定向钻进技术 ，实现了 注浆孔在冲积层注浆段准确导向定位，达到设计位 置和角度。诙井注浆孔最大水平位移 90m 垂深迭 5．777m，具有较高的技术水平。 三． 高压喷射注浆技术 高压喷射注浆法是利用喷射流的能量和固结材 料改良地基的最新技术。喷射流是通过一定形状的 喷嘴产生束能量大、高度集中的连续脉动的液流， 田削、冲击破坏土体，使固化材料与土体颗粒搅拌 混舍，固结土体，而使土体得到加固和提高防渗 性能．由于该技术具有工艺简单，浆液扩敬范围可 以控制、受场地限制少、速度快等特点，在地基加 固处理和防渗工程中得到了广泛应用。 煤炭系统是我国最早进行高喷注浆技术研究和 应用的行业之一，从 70年代开始合作开发单管旋 喷注浆技术，设计制造了我国第一台 76型震动旋 喷专用钻机，井在高喷洼浆技术 、工 艺、机械设 备、专用机具等方面，不断进行研究吸取 国内外 的先进点，形成了一套独特的工艺技术和机具设 备，应用到上百项工程，积累了丰富的施工经验。 目前，已研究开发成功的高喷注浆法有 单管 旋喷法 、二重管旋喷法、三重管旋喷法、定 喷法、 摆喷法 ，正在研究开发水平旋喷注浆技术。 本行业高喷注浆技术 的特点 a开发的双重 管、三重管高喷注浆工艺设备 自成体系，导流器、 喷头和钻杆小巧轻便 ，结构合理，性能可靠，钻杆 直径76mm，一台钻机可完成旋、定、摆喷射； b 喷嘴个数一般采用两个 ，两侧对侧布置 ； c对工 艺参数和设备进行 了全面相关性优化研究，以不同 的参数组合 达到不同的要求，选 用的工艺参数附 袁。 近年来，利用高喷注浆技术已解决了大量煤矿 建设难题，如 立井井筒浅表流沙层防水帷幕、平峒过砂层拱形临时支护、煤仓水塔地基加固等，井 运用该技术完成了北京、上海地铁、闽江 防洪磋、 建筑物基坑等 50多项加固 、护坡、防渗工程 ，最 大施工深度 30m，均取得了较好的效果。 注浆法实例研究 肥城矿务局查庄煤矿深部风井在施工 中采用注浆法 ，顺利地通过 了可流动的砂礓粘土层。 1.工程概况 查庄煤矿深部风井，设计为立井，井筒净直径 5m，深 478m，表土段为双层复合 井壁。外壁为吊挂井壁 ，0l6300钢筋吊挂厚 350mm，内壁为素砼 ，厚 250mm；基岩段素砼井壁 ，厚 450mm，200 砼 。井筒检查钻孔提供的表土段地质资料见表 l。 根据提供的地质资料 ，确定井筒采用普通法施工 ，表土段短段掘砌 。段高 2～3m，工作面设超前小井 ，深 1m，⑦6OOmm，超前集中排水 ，顺 利成井 32m。当井筒掘至一34．3m锁 口盘标高为士0时 ，工作面中心和两部各出现一个直径为02OOmm的水眼 ，从工作 面底部 向上涌水 ，涌沙冒泥 ，并伴随大量锰 质结核涌 出，导致工作面底板上擞 ，至使一 33～一34m东北部弧长 7，2m的外层 吊挂井 壁脱 落 ，工 作面上涨 至一32m后稳 定 。 工作面所处的围岩为砂礓粘土层，含锰质结核 l0 ，围岩在无水的情况下较硬 ，但遇水后具有解体呈粘稠状并不易失水而且流动的特征 ，为 防止砂礓粘土发生流动 ．施工中分别使用了超前小井 ，木板桩护壁 。超前小井 ，槽型 铁板桩护壁 ；砾石滤水井和 吸水小井 ．槽型 钢板桩护壁 ，架设槽型 井 圈两遭 加 固 一33m外 壁 的施 工 方法 三 次 强行 通过 ，均未成功 ，导致井 圈变形 ．工作面上移至一32m，井壁一16m～一32m出现多道横、纵向和呈 45 角斜缝。 鉴于三次普通法施工强行通过 均告失败 ，上部井壁出现裂缝 ．第四系砂礓粘土层遇水发生触变流动 ．普通法施工难以通过的情况 ，在施工中采取了壁后注浆和工作面注浆的旒工方案 壁后注浆 通过三次强行通过 ．其凹岩 164m ，工作面上涨至 一32m。工作面下部为风化的粗砂岩 ，不可能上涨。工作面上涨的原 因为第四系砂礓粘土层遇水后发生触变流动 ．而使井筒的围岩发生了较大范围的挠动，致使壁后围岩不实．井壁受力不均 ．发生应力集中，使 井壁发生剪切破 坏 ，形成多道呈 45。角的裂缝。壁后注浆的 目的在于充填壁后空洞 、加固井壁 ．封住上部砂礓 层中之水．为下部井筒的施工创造条件 。壁后注浆采用水泥水玻璃双液浆 ，选用2TG2--60／120型注浆泵 ．分别在 一l5～一32m的井筒段内注了 120个孔 ，孔深在 800～2000mm 之间 。以打到较为坚实的岩层为准 。水灰比为 I；I，水比水玻璃为 2l，注浆终 压为 n．98～ 1、47MPa，总计 注入 水玻璃80．07t．水泥 227．55t。 工作面注浆 在工作 面稳定位置一32m处抛入 碎石500ram 厚然后打 出浆垫 ，厚 1000mm，采用 75型钻机打注浆孔 ，进行工作面预注浆 。工 作面注浆分两次进行。 第一次 工作 面注浆 第一次工作面注浆的 目的是挤压 ，用水 泥水玻璃双液浆置换呈稀泥献的砂礓粘土层 中的饱和水 ，加 固工作面 以下 的砂礓粘土 层 ，井封堵底部水源。故而分别布置三种注 浆孔 ．即浅孔 6个深 3、5～5．5m．垂直向井筒 壁倾斜 1520。i中深孔 9个．深 10～12m，倾 角 I5o；深孔 5个 ，深 17～23m．倾角 10 30，； 检查孔两个 ，深度分别为 12m和 18．6m。浆 液上 1 t I水泥单液浆为主 ．水泥水玻璃双液 浆为辅。注浆终压为 I．96～2．94MPa即浅孔 I．96MPa．中深孔和深孔 2．94MPa。实际施工 时只打了 17个注浆孔 ．并对原工作面预 留的 0108钢管和0600mm的排水铁皮桶作为注 浆孔 ，实施注浆。注浆孔布置见图 I．总计共 注入水泥 57、75t，水玻璃 20．3t。 第二次工作面注浆 第二次注浆是在总结第一次注浆的基础上进行的。在第一次工作面注浆时 ，发现工作面砂蠢粘土层下部风化粗抄岩含 O．245～O．265M 的承压水。该承压水不仅 直接影响砂蠢粘土层的施工 ，而且该层砂粒较细 ，较松散 ，如不治理 ，该风化砂岩用普通法施工也难以通过 ，故而第二次注浆封水。该次注浆为单液水泥浆 ，浆液的浓度按 1-O．5～1；l由稀到浓的原则 。注浆孔深度为 l2～15m．倾角 l5。，共布置注浆孔 l8个 ；要 际打注 l1个孔 ，总计注入水泥量 85．55t，注浆终压 2．94～3．92M1，注浆孔布置见图 2。 圈 2 第二次工作面注暮的注暮孔布王 5 注浆效果及经济技术指标分析 1一32m以上井壁壁后注浆 ，依据注浆 终压和注浆过程中井壁一6m以上漏浆现象 ， 结合浆液的结石率和注浆过程中打钴的实际 情况 ．达到 了预期效果 ，壁后挠动土层达到 了固结 ，稳定了井壁 围岩 ；切断了井壁壁 后 的 水力联系 ，封堵了井壁淋水 ，充填 了壁 后 空洞 。 2一3zm以下工作面注浆 第一次注浆 砂蠢粘土层 ，注浆压力达 1．96～2．94MPa；第 二次深孔注浆压力达 3．43～3．92MPa，挤压 加固充实了该土层；40．1Om以下风化沙岩中 裂骧得到了封堵。在注浆段高内，井筒无水， 用普通法施工腰利通过。 砂礓粘土含水层注浆机理 砂蠢粘土含水层 中 ，投有 空洞和裂骧 ． 由粘土胶结着砂蠢和锰质结核砂粘 ．遇水后 呈稀泥状 ，发生流动 ，渗透性差。 在这种地层 中注浆 ，必须采用高压的双 液浆或较壤的单液浆 ，在高压力的作甩下， 将浆液挤入地层 ，压 实地层 中的空隙 ，挤出 地层中空隙含水，使地层的密实度提高．为 施工创造条件。 从注浆后施工中揭露的岩层情况看，在 受挠动的地层 中，浆体呈层状 ，充填压实 了 周围的岩体。在未受挠动的地层中浆藏呈脉 状或条带状胶结。 总结这次注浆的经验 ，可以看出 ．在这 种特殊地层 中注浆 ．注浆压力越高 ．注浆的 效果也就越好 ．一般注浆压力控制在太于地 层地压的 3～5倍 ．就可获得较好的效果。