注浆堵水技术浅析

中国矿业大学毕业设计说明书第94页注浆堵水技术与机理浅析摘要：地下工程施工经常遇到地下水和松软岩层等复杂地质条件，如果不进行治理就容易造成突水、坍塌、冒落等地质灾害和安全事故。注浆堵水和加固技术就是预防和治理水害及稳定岩层的重要技术，本文以煤炭行业注浆技术为例，介绍了注浆技术在我国的发展和各种注浆法的技术要点、特点、适用范围以及注浆技术的基本理论。关键词：注浆技术注浆机理含水层一、前言注浆技术起源于地下工程的特殊需要。在地下工程中经常会遇到地下水和不良地层的影响，给工程施工和维护造成很大的影响，严重时会造成较大的经济损失，甚至是人员伤亡，注浆技术是治理水害和加固不良地层的重要手段之一，它包括堵水、截流、帷幕、岩土加固和防渗等诸多技术，广泛应用于矿山、铁路、隧道、建筑等工程的施工，在煤炭行业的生产建设中，应用十分广泛。煤炭工业建设中的井巷工程属于地下工程，近些年来随着科技的发展，煤炭科技也在发生着日新月异的变化，现在一些煤矿的开采深度已经超过1000m，地质条件和水文情况都变得越来越复杂，工作环境与工作条件都比较恶劣，技术难度也随之增大。在井巷施工中经常会遇到地下水、土层及软岩等，这些都给施工造成很大影响，甚至会发生重大事故，也曾给我们留下过惨痛的教训。为了防范事故的发生，进一步改善工作条件、提高安全性，早在上个世纪50年代注浆堵水技术在我国的煤炭行业就有所应用，近些年来我国的科技水平不断发展，为适应地下工程的发展，煤炭系统一直在研究开发新的注浆技术。其它一些相关行业也在从事这方面的研究，煤炭以外的其它矿山、铁路、建筑、公路等行业中，注浆技术也有十分广泛的应用，可以说注浆技术的应用遍及全国。中国矿业大学毕业设计说明书第95页二、注浆技术概论㈠注浆技术发展简况注浆技术最先应用于建筑工程中，从1802年法国的Charies•Berigng采用石灰、粘土浆加固迪普港的砖石砌体算起，至今大约200年的历史。1864年，阿里因普瑞贝硬煤矿井的一个井筒，第一次使用了水泥注浆法，以后又在比利时、法国、德国等国家使用这种方法。1885年，Tietjens成功地采用地面预注浆法开凿井筒，获得专利。从此，注浆技术在世界的许多国家得到应用，上世纪50年代以后国外的注浆技术更为普遍，化学药液为主要浆液材料的化学注浆只有40多年的历史，70年代以后由于化学药剂的毒性污染问题，化学注浆受到限制。砂、土层的化学注浆防渗加固技术被70年代出现的高压喷射注浆法逐步取代。我国的煤炭行业，在50年代初期，东北的鹤岗矿区、鸡西矿区和山东的淄博矿区首先采用井壁注浆堵水，山东新汶张庄煤矿工作面预注浆取得了良好的堵水效果。1985年峰峰的薛村煤矿主、副井地面预注浆堵水效果达到96.3%，焦作的李庄立井地面预注浆深度180m，堵水效果达到99.6%。60年代后，开发了许多注浆的新材料、新工艺以及注浆专用设备与配套机具，在保证注浆施工的安全，提高注浆的效果方面起了很大的作用，因而使注浆技术有了很大的发展和提高，有些方面已经达到国际先进水平。㈡注浆法的分类注浆法的分类目前没有统一的标准，但一般有以下几种分类方法：1按含水岩土地层揭露前后进行注浆施工分类（1）预注浆：当井筒、巷道、硐室等构筑物在开凿前或开凿到接近含水层以前所进行的注浆工程，称之为预注浆。煤炭行业常见的有地面预注浆、工作面预注浆。预注浆法进行岩土堵水和加固，减少事故的发生。（2）后注浆：当井筒、巷道、硐室等构筑物掘砌以后，用注浆法治理水害和地层加固，称之为后注浆。2按注浆使用的浆液材料进行分类中国矿业大学毕业设计说明书第96页（1）水泥注浆：浆液材料以水泥为主，包括其它附加剂；（2）粘土注浆：浆液材料以粘土为主，包括粘土-水泥浆；（3）化学注浆：注浆材料以化学药液为主剂。3按浆液进入地层产生能量方式进行分类（1）压注浆：浆液用注浆泵输送，使浆液压入或渗透入受注地层，称为静压注浆；（2）高压喷射注浆：浆液利用高压泵输送，并通过特殊的喷嘴产生具有巨大动能的喷射流，切削地层，与土、砂颗粒搅拌混合、凝结称为高压喷射注浆。4按浆液在地层中运动的方式进行分类⑴充填注浆：浆液充填大裂隙、洞穴等称为充填注浆；⑵挤压注浆：依靠注浆压力迫使浆液在地层中压开各种各样的通道来挤入地层，浆液多呈现脉络状或树枝状固结，这种浆液可以使松软地层挤压密实，所以在地基加固中也称压密法；⑶置换注浆：通过一定的方法把受注地层中的土、砂逼放出来，形成的空间用浆液充填，称之为置换注浆；⑷高压喷射注浆，利用喷射流的动能进行注浆。㈢注浆技术在我国的发展我国煤炭行业非常重视注浆技术的研究，注浆技术在我国的发展的近50年里取得了巨大的发展和广泛的应用，国家、省部、院所及各矿物局都立了许多课题进行研究，并取得了多项成果。许多矿物局、矿都建立了自己的专业注浆队伍，以治理各种煤矿水灾害，用于预注浆凿井，井壁或壁后注浆，井巷及硐室的漏水与涌水封堵，软岩或软土的封水加固，特大透水或淹井事故的治理。我国自从1955年在新汶矿区张庄矿立井采用工作面预注浆取得成功后，迄今已有200多例，其中地面预注浆立井井筒最深的达859m，工作面预注浆立、斜井井筒最大深度达1110.4m，实现了预注浆打干井提高了建井的质量，推进了井巷中国矿业大学毕业设计说明书第97页施工机械化，加快了建井速度。三、注浆机理浅析㈠注浆基础理论注浆是人工用机械的方法将浆液压入地层中以驱动地下水，并在空隙中流动、扩散凝胶，最后形成固体堵水帷幕的过程。要获得良好的注浆效果，其一要掌握受注地层的地质和水文地质，摸清地下水的运动规律；其二要了解浆液的特性，并研究浆液在地层中流动扩散的规律。前者是地下水动力学研究的内容，后者是正在形成的注浆理论。注浆理论是研究浆液在岩土空隙中的流动规律，揭示地质条件、浆材性质和工艺技术之间的相互关系，为注浆设计和现场施工提供科学的理论依据。在一般情况下，浆液在地层中运动规律和地下水的运动规律相似，只不过浆液的流变性不同，运动阻力复杂。因此，地下浆体力学与地下水力学同属一个科学范畴，但前者相关因素更多，难度更大，因此许多浆液都属于宾汉流体，且粘度会随注浆时间而增长，当采用粒状浆材时，不稳定悬浮浆液在一定条件下会在空隙中发生颗粒沉淀，从而使浆液的流动规律大大改变。所以在流变学、水力学和地下水动力学等基础上建立起来的注浆理论和计算公式，对指导注浆设计和施工具有十分重要的意义。但是，注浆理论的研究，由于受注浆岩土层的各项异性和不均匀性、以及浆液性能随时间变化等因素的影响，且浆液实际在岩土层运动状态很复杂、是难以控制的，因此，推导出的公式与实际会有较大的出入。这就需要进行大量的模拟试验，并在施工中进行实测，不断归纳总结，以便修正理论公式，使其更加符合或接近实际。㈡注浆机理注浆就是利用气压、液压或电化学的原理，把某些能固化的浆液注入各种介质的裂隙、孔隙，以改善注浆对象的物理力学性能，使其适应各类土木工程需要的科学技术。就岩土工程而岩，就是通过向地层注入各类浆液，以减少地中国矿业大学毕业设计说明书第98页层的渗透性，并提高地层的力学强度和抗变形或抗液化能力。所以，就其效果而言，任何一类注浆，都可归属于防渗注浆或加固注浆的范畴。注浆法广义地说是指一切使浆液与地层发生充填、置换、挤密等无论粒和化学变化地地层处理方法。注浆机理概括起来有渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、电化学注浆和高压喷射注浆五个基本机理组成。1渗透注浆。在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入岩土地孔隙或裂隙使岩土孔隙、裂隙中存在地气体和水被排挤出去，浆液充填孔隙或裂隙，形成较为密实的固体化，从而使地层的渗透性减小，强度得到提高。注浆压力越大，吸浆量及浆液扩散间距就越大。这种理论假定，在注浆过程中地层结构不受扰动和破坏，所用的注浆压力相对较小。对粒状浆材（如水泥、膨闰土等），最多只能注入粒径不小于0.1mm的细砂及以上的土层或比细砂直径更大的裂隙；对于化学浆材，最多只能注入粉土（渗透系数kw=10-4cm/s，粒径为0.01mm）层中。2压密注浆。通过钻孔向土层中压入浓浆（塌落度20~50mm），随着土体的压密和浆液的挤入，将在压浆点周围形成灯泡形空间的浆泡，通过浆泡的挤压作用而产生辐射状上抬力，从而引起地层局部隆起，许多工程利用这一原理纠正了地面建筑物的不均匀沉降。压密注浆的最大优点是它对于最软弱土层区域能起到最大的压密作用。压密注浆一般用于比中细纱细的粉细砂中，也可用于有充分排水条件的粘土和非饱和粘性土，此外，还可用来调整不均匀沉降，进行纠偏拖换，以及在大开挖或隧道开挖时对临近土进行加固，但在加固深度小于1~2m时，加固质量很难保证，除非其上原有建筑物能提供约束。3劈裂注浆。在注浆压力作用下利用液体传压的特性，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石或土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的空隙或裂隙扩张，或形成新的裂缝或孔隙，从而使低透水性地层的可注性和浆液扩散距离增大。这种注浆所用的注浆压力相对较高。中国矿业大学毕业设计说明书第99页由于劈裂注浆是通过浆脉来挤压和加固临近土体的，虽然浆脉压力较小，但与土体的接触面却很大，且远离注浆孔处的浆脉压力与注浆孔相差不大。因此，劈裂注浆适合于大体积土体的加固，在断层带的软弱岩层中或软、硬岩层的界面处，效果最为明显。4电化学注浆。当在岩土内产生电场后，就在岩土中引起电渗、电泳和离子交换等作用，并通过钻孔-电极往岩土内注入浆液（电解液）时，在孔隙性岩土内产生注浆压力作用、电动力学、电化学和构造形成过程，结果在岩土空隙内积聚了化合物，从而达到隔水作用。该方法可适用于具有低渗透的岩土、流砂性质的不稳定粘土、不稳定及流砂性岩石、空隙性砂岩，并对于治理井筒涌水和处理空隙性岩石段的残余涌水也很重要。5高压喷射注浆。利用钻机钻进到设计深度后，井钻杆和钻头上的特殊喷嘴将浆液高速喷出,以射流切削，搅动土体，使浆-土拌合，同时钻杆边旋转边提升，浆液凝固后形成柱状固结体，达到加固土层和止水防渗作用㈢注浆理论基础1浆液的可注性进行渗透注浆的前提是满足浆材对空隙的尺寸效应，即假定粒状浆材的颗粒尺寸为d，地层的空隙尺寸为Dp，则浆液渗入空隙的前提条件为Dp/d1；考虑群粒堵塞作用带来的附加影响，在被用于施工控制时要求Dp/d3。2浆液的流变性⑴浆液的流变模型浆液从流变学观点看，浆液运动按力学模型和特性曲线分为粘性体和弹粘塑性体两大类，并分为牛顿体、非牛顿体、宾汉体和非宾汉体四种型式。各种型式的特性曲线和物理方程见表-1⑵各种浆液的流变特性浆液在空隙种流动时，浆液内部及浆液与孔壁之间将产生一定的摩擦阻力，中国矿业大学毕业设计说明书第100页这种阻力的型式和大小，也就是浆液的流变性，它是影响可注性的一个重要因素。表-1浆液的特性曲线及物理方程表分类粘性体弹粘塑性体牛顿体非牛顿体宾汉体非宾汉体特性曲线dtddtddtddtd物理方程τ=μdtd或μ=dtdμ=常数tn=μdtd或nn11μ’≠常数τ-τ0=μ0dtd或dtd00μ0=常数或（τ-τ0）n=μ0dtd000110dnnμ0=常数从浆液流动的物理方程可知，在注入塑性浆液时一部分有效注浆压力将消耗在克服有剪应力产生的阻力上面，因而必须采用较高的注浆压力才能使浆液渗入细小孔隙和扩散至较远的距离。但在另一方面，因塑性体一般都存在触变现象，所以它又具有一些牛顿体所没有的优点，例如能防止浆液中的粗颗粒沉淀分层和有利于在大孔洞或动水条件下注浆等。例如可用高速搅拌尽量减少流动阻力，获得较大的充填范围；当需较小范围时，可用注注停停的方法，使注入的浆液获得更大的阻力以取得较理想的效果。浆液的流动性受浓度影响最大（一般流动性随水灰比增大而提高），此外如材料颗粒的比表面积（流动性随比表面积的增大而降低）、颗粒形状（带角颗粒将增加流动阻力、絮凝程度或内质点的吸力（絮凝性降低流动性）等也是重要的影响因素。中国矿业大学毕业设计说明书第101页一般认为，水泥浆较稀时为牛顿体，但当水灰比降低到某值后则变为塑