一种竖井工作面超前预注浆方法
【专利摘要】本发明公开一种竖井工作面超前预注浆方法，包括在竖井掘进工作面到达止浆垫位置后，按位置及倾角设置注浆孔孔口管及检查孔孔口管、滤水管并铺设滤水层，然后浇注混泥土的止浆垫施工步骤；对已支护竖井井壁的壁后注入水泥浆液的壁后注浆步骤；经前述步骤后，自埋设注浆孔孔口管钻孔至涌水量超过预定量时停钻并注入浆液，待浆液终凝后再扫孔至涌水量超过预定量时停钻并注入浆液，直至涌水量小于预订量后再继续钻孔，如此反复分段下行式钻孔注浆并扫孔至全深的预注浆步骤。本发明采用预埋注浆孔口管并结合井壁壁后注浆，以注浆孔口管对工作面钻孔注浆，实现对竖井岩石节理裂隙发育的涌水工作面的全面封堵，具有工期短、堵水效果好的特点。
【专利说明】一种竖井工作面超前预注浆方法
【技术领域】
[0001]本发明属于矿井建设【技术领域】，具体涉及一种工期短、堵水效果好、竖井施工安全的竖井工作面超前预注浆方法。
【背景技术】
[0002]注浆是将浆液注入到岩土的孔隙、裂隙或空洞中，浆液经扩散、凝固、硬化以减小岩土的渗透性，增加其强度和稳定性，达到岩土加固和堵水的目的。既可用于为了减少井筒涌水，加快凿井速度、对井筒全深范围内的所有含水层进行预注浆的“打干井”施工，又可对裂隙含水岩层和松散砂土层进行堵水、加固。注浆是矿山建设中凿井、治水的主要方法之一，也是地下工程中地层改良的重要手段，而预注浆法是在凿井前或在井筒掘进到含水层或岩石破碎带之前所进行的注浆工程。
[0003]竖井工作面预注浆是在竖井掘至含水层或破碎带之前，暂停掘进工作，利用含水层上部的不透水层作为防护“岩帽”或修筑止浆垫，然后从工作面打钻、注浆、封堵含水层涌水，再继续进行井筒掘砌的施工方法。
[0004]现有的竖井工作面预注浆施工对于高角度裂隙发育的基岩含水层，大都存在着工期长、堵水效果差、已支护井壁安全性差的技术难题。预注浆工期长，主要是由于钻注效率低，辅助时间长。而堵水效果差的主要原因，一是止浆垫施工质量差，不耐高压，注浆时容易漏浆；二是钻孔数量少，且布置不合理，有些含水裂隙未注到，凿井施工时仍在涌水；三是钻孔浅，I次注浆封堵的含水层少；四是注浆压力低，浆液扩散范围小，且容易在爆破震动后再次涌水。已支护井壁安全性差的主要原因是现有技术中一般只对井壁淋水段进行注浆堵漏，而井壁围岩由于自稳能力非常差，如泥岩遇水澎胀、崩解，围岩受节理构造控制易形成楔形不稳定岩块，容易损坏井壁，造成安全事故；对于岩石节理裂隙发育、岩石较破碎的井壁围岩，在工作面预注浆时还会造成井壁返浆施压而破坏井壁，而且也难以保证预注浆的施工质量；另外，对于围岩稳定性较差的井壁在预注浆后的爆破、凿岩施工中也会存在安全隐患，难以保证竖井施工安全。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种工期短、堵水效果好、竖井施工安全的竖井工作面超前预注浆方法。
[0006]本发明的目的是这样实现的，包括止浆垫施工、壁后注浆、预注浆步骤，具体包括:
A、止浆垫施工:在竖井掘进工作面到达止浆垫位置后，按设计位置及倾角设置注浆孔孔口管及检查孔孔口管、滤水管并铺设滤水层，然后浇注混泥土 ；
B、壁后注浆:对已支护的竖井井壁的壁后注入水泥浆液；
C、预注浆:经步骤A和B后，自步骤A中埋设的注浆孔孔口管钻孔至涌水量超过预定量时停钻并注入浆液，待浆液终凝后再扫孔至涌水量超过预定量时停钻并注入浆液，直至涌水量小于预订量后再继续钻孔，如此反复分段下行式钻孔注浆并扫孔至全深。
[0007]本发明采用预埋注浆孔孔口管和滤水管，再铺设滤水层通过滤水管先吸干涌水后浇筑混泥土，从而能够保证止浆垫的施工质量，形成耐高压的止浆垫，保证后期工作面预注浆不会漏浆；止浆垫结合已支护井壁壁后注浆，既能保证工作面注浆时不会造成井壁返浆影响预注浆质量，也能保证预注浆及后期竖井施工安全，从而减少竖井施工工期；然后通过预埋合理数量和倾角的注浆孔孔口管对竖井工作面分段下行式钻孔高压注浆，减少了后期钻注的定位时间，从而提高了钻注效率，注浆孔孔口管径向斜孔布孔方式结合高压注浆又增大了注入的浆液在岩石节理裂隙间的扩散范围，实现对竖井涌水工作面的全面封堵和破碎岩石的固结，与注浆围岩紧密相连，固结为一体，保证在竖井后期爆破等震动施工不会出现涌水。工作面超前预注浆施工是在静水位以下进行的，特别是在高压条件下，采用无芯钻进方法，可以加快钻进速度，安装高压球阀，可防止含水层突水，发生淹钻机事故。注浆期间，井底要有足够的排水能力以确保不发生淹井事故，必要时可采用吊桶排水。因此，本发明具有工作面预注浆堵水效果好和施工效率高、竖井整体施工工期明显缩短、施工安全可靠、降低生产期间营运成本的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为竖井工作面超前预注浆剖面结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图中:1-井壁支护，2-止浆垫，3-碎石滤水层，4-竖井掘进工作面，5-注浆孔孔口管，
6-滤水管，7-潜水泵，8-检查孔孔口管，9-注浆孔延长线，10-井壁延长线。
【具体实施方式】
[0009]下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
[0010]如图所示1，本发明包括止浆垫施工、壁后注浆、预注浆步骤，具体包括:
A、止浆垫施工:在竖井掘进工作面到达止浆垫位置后，按设计位置及倾角设置注浆孔孔口管及检查孔孔口管、滤水管并铺设滤水层，然后浇注混泥土 ；
B、壁后注浆:对已支护的竖井井壁的壁后注入水泥浆液；
C、预注浆:经步骤A和B后，自步骤A中埋设的注浆孔孔口管钻孔至涌水量超过预定量时停钻并注入浆液，待浆液终凝后再扫孔至涌水量超过预定量时停钻并注入浆液，直至涌水量小于预订量后再继续钻孔，如此反复分段下行式钻孔注浆并扫孔至全深。
[0011]所述步骤A中的止浆垫采用单级平底型混凝土止垫。
[0012]所述步骤A包括工作面清理、预埋管道、滤水层铺垫、止浆垫浇筑工序，具体包括:
a、工作面清理:在竖井掘进工作面到达止浆垫位置后，清除底部残余废石和泥沙并平整好工作面；
b、预埋管道:按设计位置及倾角埋设注浆孔孔口管及检查孔孔口管、滤水管并使各孔口管和滤水管高出混凝土止衆垫0.3?1.0m ;
C、滤水层铺垫:在工序b结束后在竖井掘进工作面敷设1.5?2.5m厚的碎石滤水层； d、止浆垫浇筑:在工序c结束后在滤水层上浇注1.5?2.5m厚，强度为C20、C25、C30或C35的混泥土。
[0013]所述按设计位置及倾角埋设注浆孔孔口管及检查孔孔口管、滤水管中的注浆孔孔口管孔数 N 为:N= (D — 2A) /L
式中:D—竖井井筒净径，
A—注浆孔与井壁距离，
L一注浆孔间距；
注衆孔孔P管倾角α为:a =tg_1 (s+A) /h
式中:α—注浆孔孔口管在径向上与竖直轴线的夹角，
s—终孔位置在径向上超出净径的距离，
A—注浆孔与井壁距离， h一注衆段闻。
[0014]所述工序c后通过所述滤水管抽干滤水层后再浇筑止浆垫，然后经注浆孔孔口管向滤水层注入浆液。
[0015]所述注浆孔孔口管采用同心圆等距布置于竖井，所述检查孔孔口管布置于竖井中部，所述滤水管设置于注浆孔孔口管与检查孔孔口管之间。
[0016]所述滤水管下部小于或等于滤水层厚度的管壁上设置有通孔。
[0017]所述步骤B中是对已支护的竖井靠近掘进工作面的井壁呈梅花状钻孔，然后将一端设置注浆阀的孔口管插入孔内并注入浆液。
[0018]所述步骤B中的壁后注浆钻孔布置以平角为主，其它根据现场实际情况而定。
[0019]所述步骤C中自注浆孔孔口管采用无芯钻进方法钻孔，且先按单数孔钻孔后注入水泥浆注浆，然后再按双数孔钻孔后注入浆液。
[0020]所述涌水预定量为2.5?3.5m3/h。
[0021]所述注入浆液的终止压力为静水压力PO的1.5?2.5倍，注浆压力达到终止压力后继续静注10分钟再停注。
[0022]所述浆液为水泥一水玻璃双液浆及水泥单液浆，所述注入浆液采用轮流间换注单液和双液浆，注单液浆时水灰比为1:0.3?0.7 ;注双液浆时水泥浆与水玻璃体积比C:S值为1:1?0.5，水玻璃浓度为30、35或40Be'。
[0023]所述止浆垫浇筑的混泥土和/或工作面预注浆的水泥单液浆中掺入水泥重量
0.5%的食盐和0.05%的三乙醇胺。
[0024]所述步骤A中的注浆孔孔口管和/或检查孔孔口管上部设置有法兰盘与注浆阀连接，且注浆孔孔口管和/或检查孔孔口管上部侧面设置有法兰盘和高压泄压阀.所述步骤C中在高压条件下采用无芯钻进方法钻孔。
[0025]实施例1
昆钢大红山铁矿二道河铁矿段100万t/a采矿项目回风竖井，井口标高628.3m，井筒断面:圆形，净直径Φ 5.5m,掘进直径Φ 6.2m，井颈段掘进直径Φ 6.5?7.1m,井颈段深度42m。工作面揭露岩石节理裂隙发育，岩石较破碎，工作面多处涌水，井筒掘进至603.1m标高(井口下25.2m)时现场测定井筒涌水量为34.57m3/h。
[0026]根据上述地质情况，经过反复分析比较、推敲，注浆堵水段高为40m。
[0027](一)注浆参数设计 1、注浆孔数
根据上述水文地质条件、井筒特征，按照下式计算含水层的注浆孔数N:
N= 31 (D - 2A)/L，
式中:D—竖井井筒净径:5.5m,
A—注浆孔与井壁距离0.6m,
L一注浆孔间距2.0m,
经计算井筒周围注浆孔数取8个，中心注浆检查孔I个，本次注浆共计钻孔9个。如图2，注浆孔采用同心圆等距布孔，其中1#在正北方向，顺时针编号，均匀布置。
[0028]2、注浆孔角度
采用径向斜孔，钻孔倾角按照下式计算: a =tg_1 (s+A) /h,
式中:α —钻孔在径向上与竖直轴线的夹角 s—终孔位置在径向上超出净径的距离，取3.0m A—注浆孔与井壁距离，为0.5m H—注浆段高:40m 计算得 α=5。21，21”
(二 )、止浆垫施工
1、清除竖井底部工作面残余废石、泥沙并平整好；
2、注浆孔空口管检查孔孔口管及滤水管预埋:
如图2所示，按注浆孔及检查孔设计位置及倾角埋设注浆孔孔口管5及检查孔孔口管8，注浆孔及检查孔孔口管采用Φ 108 X 5.5，长度4.4m无缝钢管，上部焊法兰盘连接注浆阀，并安设Φ 10mm高压球阀(高压球阀上安装橡胶缓冲装置，以防遇高压水钻杆拔不出时，缓冲装置自动挤紧钻杆，封闭管孔)，孔口管两侧焊接2寸支管，支管上焊接高压法兰盘并安装2寸高压球阀作为泄压阀放水泄压。孔口管高出混凝土止浆垫0.5m。注浆孔孔口管5数量8根，检查孔孔口管8数量I根。
[0029]如图1所示，在检查孔孔口管8与注浆孔孔口管5间对称埋设2根滤水管6，滤水管采用Φ377 X 10无缝钢管，管长4.4m,上部焊法兰盘，底部1.9m段均匀钻小孔，孔径10，孔间距100mm,潜水泵7放入滤水管排水。
[0030]3、碎石滤水层铺垫:
注浆孔孔口管5及滤水管6预埋结束，在竖井掘进工作面4敷设1.9m厚碎石滤水层3，碎石粒径Φ20πιπι左右，以便在止浆垫施工期间正常排水，确保止浆垫施工质量。
[0031]4、止浆垫浇筑:
在上述准备工作结束后，进行混凝土止浆垫施工，止浆垫混凝土厚度2.0m,混凝土强度
C25。
[0032](三)、壁后注浆
为防止由于前方注浆对后面井壁返浆施压破坏，对已支护的井壁下部8m段进行壁后注浆。井壁钻孔布置呈梅花状布置并以平角为主，钻孔间排距1.5mX 1.5m，根据出水点和注浆情况，钻孔间距和个数可由实际情况调整。每个钻孔设计深度为3.0m，钻孔间距1.0m，开孔直径为36 mm，钻孔完成后紧接着把准备好的孔口管连同阀门一起插入孔内注浆。选用以单液水泥浆为主，采用P0.32.5R普通硅酸盐水泥，另掺入水泥重量0.5%的食盐和0.05%的三乙醇胺作为外加剂，外加剂起速凝早强作用。
[0033](四)、预注浆
预注浆施工顺序:钻孔一遇水注浆一凝固一扫孔钻进一遇水注浆一钻眼至全深一注浆封孔一扫孔一遇水注浆一扫孔至全深
自埋设的注浆孔孔口管采用无芯钻进方法钻孔，以单数孔为第一组，先行施工，目的是封堵大的裂隙，双数孔为第二组，以封堵细小裂隙为主，并兼作质量检查孔。采用分段下行式压入注浆，原则上是由上至下，涌水量超过3m3/h停钻即注，注浆终压为静水压力Ptl的2倍，待注浆压力达到终压后，继续静注10分钟，再停注。以后序注浆孔作为检查孔，检测钻孔涌水量，如果换算成大井法，涌水量小于2m3/h时，可结束本段注浆。浆液终凝后，扫孔，如仍然有不少于3 m3/h的涌水，需进行复注，直到钻孔涌水量不大于3 m3/h，再继续施工新孔，如此反复分段下行式钻孔注浆并扫孔至全深。检查孔终孔后，如有涌水，测量水压、涌水量，换算成大井涌水量，看大井涌水量是否小于2m3/h，如果检查孔经计算出的大井涌水量均少于2m3/h，就可以认为裂隙的浆液充填饱满，密实，可结束注浆。
[0034]本次注浆所用的注浆材料为水泥一水玻璃双液浆及水泥单液浆，水泥为普通硅酸盐水泥P.0.42.5，40Be'工业用水玻璃。为即能扩大浆液的扩散半径又能保浆液的结实率，故采用轮流间换注单液和双液浆。注单液浆时，水灰比为1:0.5 ;注双液浆时，C:S值为1:1，水玻璃浓度为35Be'。稀浆结石率低，大量使用稀浆，必然增大扩散范围，造成浆液流失和延长注浆时间，采用高压、浓浆，既能缩短注浆时间，又能加快工程进度，并且能获得良好的堵水效果。
[0035]浆液的配制在井口进行，根据井下压水试验的结果，配制所需的水泥浆液，浆液浓度是先稀后浓，若压力不上升，吸浆量变化不大，应逐渐加大浓度，反之，若压力上升快，吸浆量变小，可降低浆液浓度，以保证有足够的注入量，在涌水量较大，需要及时封堵时，可用双液浆注浆，注浆工作结束后，注入一定量清水，把管路冲洗干净，孔内浆液终凝后，再扫孔，重做压水试验，当吸水量小于5L/min时，可不再注浆，大于该值，应当复注。
[0036]从2014年3月20日开始，进行了工作面超前探水、预注浆施工，全面封堵了涌水，效果良好，确保了竖井的施工工期和施工安全，如爆破安全，凿岩安全，保证了竖井施工质量，减少了建设和生产期间产生的维修、排水等运营费用，大大降低了以后的运营成本，为二道河下一步的施工创造了较好施工条件。
【权利要求】
1.一种竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于包括止浆垫施工、壁后注浆、预注浆步骤，具体包括: A、止浆垫施工:在竖井掘进工作面到达止浆垫位置后，按设计位置及倾角设置注浆孔孔口管及检查孔孔口管、滤水管并铺设滤水层，然后浇注混泥土 ； B、壁后注浆:对已支护的竖井井壁的壁后注入水泥浆液； C、预注浆:经步骤A和B后，自步骤A中埋设的注浆孔孔口管钻孔至涌水量超过预定量时停钻并注入浆液，待浆液终凝后再扫孔至涌水量超过预定量时停钻并注入浆液，直至涌水量小于预订量后再继续钻孔，如此反复分段下行式钻孔注浆并扫孔至全深。
2.根据权利要求1所述的竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于所述步骤A包括工作面清理、预埋管道、滤水层铺垫、止浆垫浇筑工序，具体包括: a、工作面清理:在竖井掘进工作面到达止浆垫位置后，清除底部残余废石和泥沙并平整好工作面； b、预埋管道:按设计位置及倾角埋设注浆孔孔口管及检查孔孔口管、滤水管并使各孔口管和滤水管高出混凝土止衆垫0.3?1.0m ; C、滤水层铺垫:在工序b结束后在竖井掘进工作面敷设1.5?2.5m厚的碎石滤水层；d、止浆垫浇筑:在工序c结束后在滤水层上浇注1.5?2.5m厚，强度为C20、C25、C30或C35的混泥土。
3.根据权利要求1所述的竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于所述按设计位置及倾角埋设注浆孔孔口管及检查孔孔口管、滤水管中的注浆孔孔口管孔数N为:Ν=π (D -2A) /L 式中:D—竖井井筒净径， A—注浆孔与井壁距离， L一注浆孔间距； 注衆孔孔P管倾角α为:a =tg_1 (s+A) /h 式中:α—注浆孔孔口管在径向上与竖直轴线的夹角， s—终孔位置在径向上超出净径的距离， A—注浆孔与井壁距离， h一注衆段闻。
4.根据权利要求3所述的竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于所述注浆孔孔口管采用同心圆等距布置于竖井，所述检查孔孔口管布置于竖井中部，所述滤水管设置于注浆孔孔口管与检查孔孔口管之间。
5.根据权利要求1或2所述的竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于所述滤水管下部小于或等于滤水层厚度的管壁上设置有通孔。
6.根据权利要求1所述的竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于所述步骤B中是对已支护的竖井靠近掘进工作面的井壁呈梅花状钻孔，然后将一端设置注浆阀的孔口管插入孔内并注入浆液。
7.根据权利要求1所述的竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于所述步骤C中自注浆孔孔口管采用无芯钻进方法钻孔，且先按单数孔钻孔后注入水泥浆注浆，然后再按双数孔钻孔后注入浆液。
8.根据权利要求1、6或7所述的竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于所述注入浆液的终止压力为静水压力PO的1.5?2.5倍，注浆压力达到终止压力后继续静注10分钟再停注。
9.根据权利要求1、6或7所述的竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于所述浆液为水泥一水玻璃双液浆及水泥单液浆，所述注入浆液采用轮流间换注单液和双液浆，注单液浆时水灰比为1:0.3?0.7 ;注双液浆时水泥浆与水玻璃体积比C:S值为1:1?0.5，水玻璃浓度为30、35或40Be'。
10.根据权利要求1或2所述的竖井工作面超前预注浆方法，其特征在于所述步骤A中的注浆孔孔口管和/或检查孔孔口管上部设置有法兰盘与注浆阀连接，且注浆孔孔口管和/或检查孔孔口管上部侧面设置有法兰盘和高压泄压阀；所述步骤C中在高压条件下采用无芯钻进方法钻孔。
【文档编号】E21D5/04GK104453913SQ201410791779
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】郭军, 包继锋, 李雪民, 董越权, 杨国永, 胡艳芳 申请人:玉溪大红山矿业有限公司