主斜井注浆治理方案

1山西华晋焦煤有限责任公司沙曲矿主斜井砂砾石层段注浆方案一、工程概况华晋焦煤有限责任公司沙曲矿通风系统改造（二期）主斜井位于沙曲矿工业广场内，斜井设计长度1262.933m，倾角18.8°，穿过新生界松散层和煤系岩层段，煤系段层序自上而下依次为二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组和石炭系太原组。根据已有的钻探资料和该矿1#主斜井实际施工揭露情况推断，主斜井部位第四系表土段厚度约为18m，其中上部为厚约8m的黄土层，下部为砂砾层，厚度10m左右。主斜井浅部采用明槽开挖方式施工，受场地条件限制,明槽设计开挖长度36m，垂深11.65m左右，其下采取暗槽开挖方式。根据斜井穿过地层预想剖面，主斜井暗槽开挖穿过第四系下部砂砾石层长度约为26～56m。该砂砾层为井田主要含水层段，1#主斜井施工揭露砂砾层段时涌水量达到56.9m3/h，且施工过程塌方严重。目前明槽开挖已揭露至砂砾石层顶部，实测井筒涌水量达到28～50m3/h，预计井筒继续向下施工，揭露含水砂砾层中下部时的涌水量会更大，并可能伴随有流砂现象。为确保采用普通法掘进通过第四系下部砂砾石层段，决定采用工作面迎头帷幕预注浆方法对该砂砾石层段进行封水、加固，创造普通法掘进的安全施工条件。二、方案要点主斜井表土层掘进迎头层位组合结构如图1所示。图1主斜井迎头砂砾石层预注浆段示意图砂砾石层10m8m迎头止浆垫18.8°黄土揭露段注浆段2根据建井施工单位施工单位提供的资料，目前主斜井掘进进尺（斜长）39m，迎头已揭露砂砾石层顶部，由此推断主斜井位置砂砾石层分布情况与邻近的1#斜井位置实际揭露的情况相近，按主斜井预想地层剖面分析，迎头前方可能穿过的砂砾石层厚度（斜长）在20m左右。1.基本思路鉴于目前工作面迎头已揭露出水，为防止围岩松动坍塌，建议停止掘进，在目前迎头部位浇筑混凝土止浆垫，厚度控制在1m左右。对于未揭露的迎头水，根据迄今的工程经验，最宜行的措施是进行迎头长段预注浆，通过高压注浆使浆液对砂砾石层孔隙网络实施有效充填、胶结，使其在斜井井壁外围周边形成一定厚度的帷幕层。帷幕层在隔断砂砾石含水层水与壁后的水力联系的同时，也发挥承载拱的作用，有效防止围岩松动坍塌。2．技术要点迎头段预注浆须采用钻机成孔，布孔密度须根据砂砾石层密实程度、水动力特点、浆液渗透扩散效果等综合情况确定。由于目前不掌握这方面的资料，所以迎头预注浆布孔采取分步进行：即先按一定密度布孔、注浆，然后，插孔检查并根据浆液扩散情况进行补充注浆，以确保注浆在斜井围岩中封水帷幕的形成质量。考虑到砂砾石层为孔隙性介质，且注浆段长较大，常规水泥注浆的渗透扩散效果极为有限，须采取化学注浆特殊工艺，以保证普通法掘井所需的注浆封水、加固效果。三、方案设计1．布孔方案1）注浆孔布设在目前迎头断面布14个注浆孔，注浆段长初步确定为22m，孔深以注浆孔穿过砂砾石层底板后延伸2m为基本要求。注浆孔设置初步方案为：第一轮先按图2所示布设7个注浆孔，终孔深度为25~35m。然后插补7个复注孔，孔深及布孔部位可根据第一轮注浆量、泵压及串浆情况适时进行调整。另外，由于注浆初始段注浆孔外扩范围较小，需补充必要的浅孔，以使浆液能够在巷道外围形成帷幕。初步考虑在迎头巷道周边以大致等距增补6~8个较大外扩角度的浅孔（孔深控制在5~10m）。3图2注浆孔布置示意图a:正视图244661.5m掘进净面边界第一轮注浆孔3355复注注浆孔2.7m271875.4mc:俯视图②④⑧⑤①巷道侧帮巷道侧帮注浆孔编号注浆孔12°10°12°10°⑦⑥⑤⑦③③④⑥②b:侧视图⑥①②④⑧⑦20°巷道顶板巷道底板注浆孔注浆孔编号③23°19°15°17°18.8°⑤42）注浆孔结构采用φ73mm钻头无芯掘进，孔口管用材要求采用外径φ2.5＃的无缝钢管，长度不小于6m。3）布孔参数注浆孔布置参数如表1。表1注浆孔布孔参数一览表钻孔编号布孔参数①②③④⑤⑥⑦⑧倾角/°-23**-23-20-19-18-17-15-15水平夹角*/°03555330孔深/m2525253035353737注*）：水平夹角为斜巷垂直轴面与钻孔轴向之夹角；注**）：-23“-”为俯角，如图2b3．注浆工艺控制所有注浆孔均采取分段注浆方式，各分段以5m为宜：（1）首先在止浆岩盘钻进6~7m提钻、安装孔口管、注浆固管；（2）钻进至10m开始注浆，注浆压力不宜过大，主要是硬化该深度范围砂砾石层，以与迎头混凝土喷层共同承受注浆压力；（3）套孔注浆：套孔延深5m开始注浆，达到停注标准后，继续套孔再延深钻孔、注浆………..直至终孔深度，达到停注标准后封孔。第一轮注浆如钻孔揭露出水较大，且有一定压力，表明砂砾石含水层补给充分，渗透通道较畅。这种情况下，要合理调配化学浆液胶凝时间（最好控制絮凝时间在1分钟左右），防止浆液遇水稀释，且适当提高注浆压力；如砂砾石层揭露出水在20m3/h以内，且压力不大，则可适当延长浆液胶凝时间（可控制絮凝时间在4分钟左右），以提高浆液的渗透扩散范围。第一轮注浆结束后，在孔间插孔进行第二轮复注。第二轮插孔复注根据以下情况灵活掌握：（1）如第一轮注浆孔揭露水量大、水压高，注浆过程泵压较低且注浆量较大，注浆后插孔揭露出水明显较第一轮降低，则表明第一轮注浆扩散效果较好，第二轮注5浆则可适当缩短浆液胶凝时间（可控制絮凝时间在2分钟左右）；（2）如第一轮注浆孔揭露水量不大，但水压高，第一轮注浆过程泵压维持在不低于3~5Mpa情况下具有一定的吃浆量，且终孔压力较高，则第二轮插孔注浆则适当延长浆液胶凝时间（可控制絮凝时间在4分钟左右）；（3）插孔补注浆情况下，如套孔出水，表明浆液扩散充填效果不理想，则套孔后注浆要适当提高浆液注入量，且尽量延长浆液胶凝时间。（4）设计注浆孔全部结束注浆后，在迎头中间部位开一检查孔，分5m段长进行检查：如钻探出水承压，放水观察水压变化，以辨明是否窝水；如钻探揭露为渗水或无水，则压浆观察浆液扩散情况，分析辨明外围帷幕形成是否存在薄弱部位。4．注浆过程参数（1）停注压力结合以往工程经验，确定本次注浆压力控制为：10m以浅、10~20m段、20m以深段注浆过程孔口压力分别控制在5MPa、10MPa和16MPa，注浆过程的瞬间冲击压力可控制在15～18MPa范围。（2）浆液扩散半径的计算用马格公式计算并结合以往注浆经验，在足够的注浆压力下，化学浆液在砂砾石含水层中的扩散半径一般在2-3m范围，如空隙网络连通比较好的情况下，化学浆液的串浆距离可达到5m以上。（3）注浆结束标准①注浆终压达到设计要求2min后；②如单孔分段（5m）注入浆液超过5吨情况下，孔口压力仍处于低压状态，可及时调整甲、乙液比例，缩短浆液胶凝时间，直至注浆终压达到设计要求。（4）封孔注浆终结后，调整甲、乙液配比进行封孔。5．注浆技术要求注浆后的预期效果如图3所示。（1）保证浆液对壁后砂砾石层的密实充填，形成一2～3m厚的封水帷幕，阻断外围裂隙水向壁后渗流的通道；（2）帷幕注浆要对斜井壁后砂砾石层取得防渗加固的双重效果，即壁后帷幕体不6但要有充分的防水效果，也要具有较高的抗破坏强度，帷幕体起到防松动坍塌的承力拱作用；（3）注浆后保证斜井掘进过砂砾石层施工揭露的水量在6m3/h以下，且不出现高压出水点。二、工艺环节要点由于主斜井缺少砂砾石层赋水情况探查资料，难以对其导水性和连通性作出准确的把握。但根据主斜井已揭露出水情况，结合已有的1#斜井施工揭露出水资料分析，主斜井向下揭露砂砾石层的出水可能性较大。因此，为充分保障砂砾石层注浆堵水效果，须严格把握以下注浆工艺要点：（1）原则上要求钻孔出水后即开始注浆，待升压后停注，浆液固结后再重复套孔钻进→注浆的过程。在揭露水量低于20m3/h情况下，如较长时间（不少于30min）低压状态下吃浆量较大，则适当加大甲乙液比例缩短浆液胶凝时间，待升压后再按正常比例继续注浆；（2）本方案关于砂砾石层厚度是依据1#斜井及钻孔柱状图预计的，如果砂砾石层实际厚度与预计的厚度出入较大，则需适当调整注浆方案。如砂砾石层实际厚度超过预计厚度3m以上，则要适时对注浆方案中的部分工艺细节进行重新调整；（3）注浆段以穿过砂砾石层后延深2m为基本要求。根据以往砂砾石层注浆施工经验，砂砾石层如存在孔隙连通性不均匀问题情况，化学浆容易出现扩散不均的问题，因此，注浆过程中要随时观察注浆量与注浆压力变化情况，严格防止因浆液渗透不均而导致壁厚帷幕局部薄弱或缺失的问题；图3注浆帷幕预期效果示意图注浆帷幕7（4）考虑到斜井迎头浇筑止浆盘的施工难度，初步要求在迎头喷筑1m左右的混凝土垫层，因本工程须采用高压注浆，仅凭1m左右的混凝土垫层无法满足高压力止浆要求，因此，须在迎头构筑复合止浆岩盘。设计复合止浆盘厚度为10m，考虑到砂砾石层为松散介质，承力和止浆效果较差，因此，要求在迎头10m段长范围采取密孔渐进式低压注浆，使浆液对迎头10m深度范围产生整体固化效果。另一方面，砂砾石层段设计布控因角度限制，浅部注浆孔外撇有限，形成的壁厚帷幕易受掘井施工破坏，因此，在构筑复合止浆盘时，在迎头周边适当布设外撇角度较大浅孔（图4所示），以弥补浅段浆液扩散范围不足的缺陷。图4迎头复合止浆盘构筑布孔示意图三、注浆材料化学浆建议采用中国矿业大学开发研制的专用化学注浆材料（溶胶树脂）。复合止浆盘外撇注浆孔a：侧视图掘进方向帷幕b：正视图：注浆孔迎头轮廓线8四、工程量及注浆材料消耗量1、钻进工程量（1）钻孔进尺钻机成孔进尺：如按平均30m钻孔14个，12m钻孔12个（构筑复合止浆盘）。其中，30m深孔采取5m分段套孔计算，则每个30m深孔的实际钻进进尺为105m；12m渐进（套孔段长按3m计）注浆，每个孔实际钻进进尺为30m。则成孔进尺约为1800延米。如按10%补孔进尺，则实际成孔进尺约为2000延米。（2）固管工程量按每个钻孔6m计，约为100延米。2、注浆材料用量预估如主斜井注浆段长按22m计，以浆液在壁后的窜浆范围平均按3m计，则注浆段则总固结体体积约为2600m3。考虑到砂砾石孔隙度以及空隙充填率暂为不确定参数，浆液量按实际消耗量计算。五、注浆费用及工期预计1、注浆材料费根据的注浆材料消耗量，化学浆价格9500元/吨计，（成品出厂价，不含税钱及运费）浆液量按实际消耗量计算。2、工期因本工程为砂砾石层预注浆，钻孔进度是影响工期的主要环节。按预计工程量，如单班（8小时）钻探进尺能达到40m，注浆施工工期大约需20～25天左右（不包括施工前期准备）。（其他：施工组织、施工准备、质量保障、安全措施等略）