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冻结井表土段注浆技术方案比较及效果评价

王军勇

(郑州华辕煤业有限公司,河南 新郑 451171)

【摘 要】李粮店煤矿主井周围地层在注浆加固治理过程中,通过对井筒原冻结管割孔、射孔、新打孔三种注浆方案进行技术、经济比较,找到了适合本地层注浆的有效方法,获得了较好的技术、经济效果,为地质条件类似的矿井注浆施工提供了经验。

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关键词 冻结井;表土段注浆;方案比较;效果评价

郑州华辕煤业有限公司李粮店煤矿主井井筒Φ5.0m,井深765m,因地质原因,井筒50~270m段淋水加大,同时地表出现缝隙及沉陷区。为防止井筒淋水继续增大及周围地层沉陷导致井筒被破坏的危险。决定在主井周围半径20m范围内进行地层注浆加固。通过对周围地层的挤密加固,一是封堵井筒周围涌水通道,二是通过注浆提高其周围地层的稳定性,避免井筒因周围地层固结沉降而受竖向附加力的影响,发生井壁破损。

1 井筒水文地质特征

主井第四系、新近系松散沉积岩组主要由粘土、砂质粘土和细砂、砾石组成,厚度479.20m。第四系主要含水层是粉砂,松散,饱和,含水较强;次为粉土,含水一般;第四系底部的含砾粉质粘土和砾石层厚度0.98m~5.32m,局部被粘土胶结减小了其含水和透水性,含水一般;中上部粉质粘土透水性较差,含水较弱。第四系隔水层主要是粘土,局部能起到一定的隔水作用。

第三系含水层主要是粉细砂及中粗砂、砾砂,密实,湿~饱和,局部弱胶结,中砂、粗砂均含少量砾石,主要富水段在中上部,下部含水性变差,富水性弱。第三系隔水层主要是粘土和粉质粘土,可塑-坚硬,弱胶结。随着埋深的增加,压实作用及固结作用使岩层逐渐密实,垂向上含水层的含水性逐渐减弱,隔水层的隔水性逐渐增强。

2 施工方案

利用主井原有冻结管对主井周围受扰动土层进行注浆,注浆范围为:深度0~280m,水平方向以主井井筒中心为中心,从内半径3.4m(井壁外缘处)至外半径17m(外圈冻结孔布置圈半径9m+浆液有效扩散半径8m)的环形空间。此次注浆,主要利用原主井冻结管进行割管注浆,射孔注浆和新打孔注浆作为比较方案[1],以评价注浆效果。

2.1 注浆孔布置原则

主井原有冻结孔的选用,遵循“分散、多孔、均匀布孔注浆”的原则,确定如下:

(1)利用主井井筒原冻结钻孔,外圈孔选14个钻孔,尽可能均匀布置(拟采用W5、W15、W26、W37,W11、W20、W32、W41,W2、W29、W8、W23、W16、W36)。

(2)利用原有部分冻结孔进行透孔割管注浆处理主井周围280m以上扰动地层,如选定的的冻结管因断裂、弯曲严重无法利用时,可选用相邻的冻结管进行割管注浆。

(3)射孔注浆原则上利用与割管相邻的冻结孔,保证注浆有一定的扩散半径与相邻孔注浆交圈,形成一定厚度闭合的帷幕;如原有冻结钻孔确实无法利用则需重新打孔注浆。

注浆钻孔布置详见如图1。

2.2 钻孔施工顺序及注浆方式

(1)主井注浆钻孔施工顺序:①W5、W15、W26、W37②W11、W20、W32、W41③W2、W8、W16、W23、W29、W36。

(2)主井原冻结钻孔外圈所下冻结管为Φ159×7mm无缝钢管,设计透孔深度280m,钻机安装到位后采用相应钻头透孔至设计深度,采用上行式分段注浆;新打孔选用50mΦ159×7mm无缝钢管作为孔口管,采用下行式分段注浆。

2.3 注浆段高

注浆段高即一次注浆的钻孔长度。分段注浆是保证注浆质量的重要技术措施之一。在每个段高底部及该段相应含水砂层处采用割管为主,射孔为辅的作业方式,尽可能多孔同层位同步注浆,同层位交叉注浆,力求浆液分散均匀。

依据上述段高划分原则,将各井筒注浆段进行段高划分,将受扰动严重的地层(一般为砂层)作为重点注浆段。主井划分为11个段高,段高长度15~30m。

2.4 注浆压力

理论与实践经验均表明:当注浆压力与土层原始地应力之差大于土层的抗劈裂强度时,土层中即可进浆。根据《矿山井巷工程施工及验收规范》[2]有关规定,此次设计的注浆终压值取静水压力1.2~1.5倍(静水位一般从孔口起算),既能保证主井周围受扰动地层形成的空隙经注浆后得到有效充填、密实,也能保证井筒在注浆施工期间不受损害,确保主井井壁的安全。

上限取值为:

P上=1.5H/100(MPa)

下限取值为:

P下=1.2H/100(MPa)

式中H为注浆深度,单位为m。

注浆时为了方便和安全,压力值以注浆泵上表压数据为准,P表=P终-(ρ浆-ρ水)H/100,ρ浆=1.4~1.6g/cm3。可以根据注浆情况进行一定程度的调整。达到设计注浆量时,注浆终压取下限值;达不到设计注浆量时,注浆终压取上限值。

2.5 注浆结束标准

(1)注浆压力达到设计最大注浆压力且稳定10min以上时停止该段高的注浆。

(2)当一个段高的注浆量达到设计量的120%,孔口注浆压力(泵压)达设计值80%以上并稳定10min时结束该段高注浆。

(3)任一段高的注浆量达设计值的150%时,尽管压力不升也应停止该段高注浆。

(4)主井井口地面抬升量一旦达到安全限值,必须立即结束主井注浆。

2.6 注浆材料及注浆配比

水泥:采用P.O42.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰:粉煤灰宜采用一级灰,水玻璃:模数2.4~3.4, 波美度为30~42Be′。

粉煤灰~水泥浆水固比取0.6:1~1:1,固相比水泥:粉煤灰取0.1:0.9~0.45:0.55(质量比)。本次注浆选用水:水泥:粉煤灰:添加剂=1 :0.2:0.8:0.02浆液配方。

2.7 浆液注入量及材料用量预计

计算公式:

式中:Q——浆液体积(m3);

A——浆液超扩散消耗系数,取1.2;

R——以井筒中心为基点的浆液有效扩散距离(m),R=r+L;

r——注浆半径(m),r主井=9m;

L——浆液沿径向方向的最小有效扩散距离,主井取8m;

H——注浆段总段高(m),H主井=230m;

m——浆液结石率, m=0.85;

β——浆液充填系数,β=0.9;

n——地层平均浆液充填率(%),主井取1.75%。

3 钻注施工

钻注设备主要配备TXB-1000型钻机,TSJ-1000型钻机、TBW-850/5型泥浆泵、NBB250/60型泥浆泵、JDT-6型陀螺测斜定向仪、5LZ95×7.0型螺杆钻具、BQ-350型注浆泵等,这些设备性能优良,稳定性好,满足工程施工需要。主井所选冻结管用同径无缝钢管焊接到原地表以上0.4m,然后对冻结沟槽进行回填,在井口周围用三七灰土分层夯实做灰土盘。在距井筒井心50m处的适宜位置建造8个泥浆循环池(单个泥浆池规格为2×2.5×2m),并配有相应的循环沟槽,以此作为钻孔施工的泥浆循环系统。

4 效果评价

4.1 割管注浆

主井首先选取W-5#、W-15#、W-26#、W-37#这4个基本上互成90°夹角的冻结管作为割管注浆孔。

注浆效果分析:

(1)总注浆量为248.75m3,注浆效果不甚理想。因此选择W-20#、W-36#、W-41#3个冻结管作为第二组孔,进行射孔注浆试验,同时在主井井筒中心与W-11#孔连线外侧3米处新打一个注浆试验孔X-11#,对割管注浆、射孔注浆和新打孔注浆3种注浆方法进行对比,同时以此来进一步判断主井280米以上地层的受扰动程度。

(2)主井第二组孔透孔至280米后,对第十一注浆段进行再次割管注浆试验,其中W-20#的割管深度为266m、271m、275m、280m,W-36#的割管深度为265m、270m、275m、280m,W-41#的割管深度为266m、271m、275m、280m;经压水试验判定该段并不具有可注性(压水试验压力分别为2.7MPa、2.9MPa、3.0MPa),于是在第十段开始选择射孔注浆法进行试验。

(3)主井W-20#、W-41#第十段、W-36#第十一段射孔深度分别为241.5-244.5m、269.5-270.5m、257.5-258.5m,压水试验压力分别为1.0MPa、0.5MPa、1.2MPa;之后选用稀浆进行注浆,W-20#注浆量12.95m3,W-41#注浆量23.45m3,W-36#注浆约18、19分钟压力就达到2.3MPa,根据计算分析,这个时间浆液刚刚好达到割口深度向地层内充填,因此实际上该段地层并未进浆。

4.2 射孔注浆

根据注浆情况再次调整射孔方案,决定对W-20#、W-41#两个冻结孔进行全段注射孔浆,射孔压水/注浆数据如下表。

注浆效果分析:

射孔注浆效果略好于割管注浆,由于受射弹穿孔效果及周围地层固结性大小的影响,可注性虽然增加,但远远未达到设计注浆量的要求,此次射孔注浆共计注入量为150.1m3,未达到设计要求。

4.3 新打孔注浆

注浆效果分析:

新打钻孔X-11#孔单孔注浆量229.6m3,因其穿透多层地层可注面增加,加之孔口管固结作用,增强了注浆效果。考虑到固管效果的影响(3次因孔口返浆终止注浆),注浆量比较可观。

5 经济比较

根据合同要求,透孔割管综合费用180元/m;1m射枪射孔5000元/次(2m射枪8500元/次),遥测车出场费35000元,定位费15000元/天;新打孔套管270元/m,钻孔450元/m,水泥-粉煤灰1:1浆液358元/m3。如全部采用透孔割管费用总计为579600元,射孔费用达1408000元,而新打孔费用为757620元(按6个孔位计);通过经济对比,新打孔费用比透孔割管费用略高,是射孔费用的一半多一点,而注浆效果却是此中方案中最好的。因此,表土层注浆,无论从注浆效果,还是经济合理性上,新打孔都占有明显优势。

6 结论

通过对主井地面注浆三种方案的技术、经济效果分析比较,在治理井筒表土层沉陷、井筒涌水危害进行地面注浆时,新打孔注浆施工能取得较好的技术、经济效果。从施工角度考虑,新打孔便于操作和实施,注浆作业直接有效,是治理井筒沉陷、井筒涌水危害的有力途径,并能从根本上消除矿井的安全隐患。

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参考文献

[1]骆志兵.矿山建设工程技术新进展(下册)[M].合肥:合肥工业大学出版社.

[2]GBJ-213 矿山井巷工程施工及验收规范[S].MT/T-1150-2011 注浆孔施工技术规范[S].DL/T 5055-2007 水工混凝土掺用粉煤灰技术规范[S].

[3]虎维丘.矿山水害防治理论与方法[M].北京:煤炭工业出版社.

[责任编辑:汤静]

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