基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构、施工装置及方法与流程

技术领域：

本发明属于矿井立井建设技术领域，尤其涉及不良地层的立井井壁结构及施工方法。

背景技术：

立井是地下采矿联系地下与地表的重要提升、通风、运输、排水及人员安全通道，井筒与地表直接相连，直接承受井筒提升设施的全部荷载，为此，必须确保立井井筒结构具有足够的承载力和抗变形能力。

随着采矿业的迅速发展，地下采矿所占的比例越来越大，立井越来越深、穿过的地层越来越复杂，尤其是立井井筒基岩段处于不良含水层为强风化层、中风化层和富水层，其中，强风化层和中风化层属于弱含水层，裂隙发育程度存在差异，下部为强含水层。不良含水层原岩成分以凝灰质为主，受强风化作用多变化为高岭土等黏土矿物，呈松散土状或呈残块状，见空气或遇水则解体呈松散状，裂隙透水，涌水量大，井筒无法下掘、支护。

现在，立井井筒基岩段处于不良含水层的常规方法为冷冻法或井筒工作面注浆法。冷冻法是从地表钻一圈或两圈冻结孔至稳定岩层或井筒底部10m～20m，在冻结孔内全孔设置冻结钢管，在地表布置冷冻站，通过冻结钢管将制冷液循环输送至冻结孔底，从而达到冻结井筒周身围岩，达到防渗水加固围岩的目的。存在缺陷是，该方法冷冻系统装备工期长、造价高、耗电量大。井筒工作面注浆法，是井筒工作面快接近不良含水层时，停止掘进，留10m左右止浆岩冒或浇筑混凝土止浆垫，在井筒工作面内布置钻孔，进行工作面注浆。存在缺陷是，该方法采用的注浆泵功率小，注浆能力低，注浆材料消耗少，很难堵住裂隙通道里的水，井筒开挖后，涌水量仍然很大，裂隙涌水带动围岩坍塌，造成灾害。实践表明，该两种方法均存在缺陷，无法满足井筒掘砌和承载力的要求。因此，寻求更为合理的一种基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构及施工方法迫在眉睫。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构及施工方法，该结构简单、稳定、可靠、施工快速，能保证立井井筒的稳定性。

基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构，包括在不良含水层中设置的井筒，其特点是，所述的井筒周围设置定位靶向注浆钻孔、孔口管、注浆段、外壁和内壁；所述的定位靶向注浆钻孔，以井筒中心为圆心沿井筒荒径线圆周2m外成对均匀布置并垂直地面，全井至少设置8个定位靶向注浆钻孔；所述的孔口管设置在定位靶向注浆钻孔内，水泥浆液由靶向注浆钻孔注入，扩充至钻孔周围5～10m基岩段裂隙发育的不良含水层中，凝固成注浆段，注浆段分层设置在基岩段所处的不良含水层内,堵住裂隙，加固围岩；所述的外壁为不小于300mm厚的钢筋混凝土，内壁为不小于600mm厚的钢筋混凝土。

进一步改进，所述的定位靶向注浆钻孔，是利用钻机从地面往下垂直钻成，深度应穿过不良含水层下端10m厚度，孔口管段钻孔直径不小于250mm、下部钻孔直径不小于133mm。

进一步改进，所述的孔口管采用异径结构形式，其中垂深0～10m段，管材规格为φ219×6mm；垂深10～30m段，管材规格为φ159×5mm。

进一步改进，所述的注浆段的注浆材料根据地层的围岩破碎程度、裂隙发育情况及用水量选择黏土水泥浆液/超细水泥浆；注浆压力为所在高度位置静水压力的2.5～4倍；段高30m～50m，根据揭露地层情况而定。

进一步改进，所述的黏土水泥浆液水灰的重量比取值范围为1.2～1.5，超细水泥浆水灰重量比取值范围为0.8～1.0；所述的超细水泥浆由水泥加水、食盐、三乙醇胺配制而成，三乙醇胺加入量为水泥重量的0.5‰，食盐加入量为水泥重量的5‰；所述的水泥为普通硅酸盐p·o42.5；水玻璃为28～40be；黏土的含砂量小于5％。

进一步改进，所述的注浆材料通过8个定位靶向注浆钻孔在基岩段不良含水层向荒径外扩散5～10m，堵住裂隙水，加固围岩。

进一步改进，所述的外壁混凝土为标号不小于c30，混凝土内布置双层钢筋，受力筋直径不小于20mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径不小于20mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

进一步改进，所述的内壁混凝土为标号不小于c30，混凝土内布置单层钢筋，受力筋直径不小于20mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径不小于20mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构施工装置，其特点是包括原浆池、贮浆池、清水池、水玻璃池和成对设置的水泥罐、泥浆泵、一级搅拌罐、二级搅拌罐、高压注浆泵，就近设在井筒附近；原浆池和贮浆池管道直接；一级搅拌罐进料口由管道与水泥罐连接，由管道、泥浆泵连接贮浆池，由管道与清水池连接，配入适量的水泥、泥浆和清水；二级搅拌罐进料口与一级搅拌罐出料口管道连接，由管道与水玻璃池连接，一级搅拌罐的水泥浆再加入水玻璃，在二级搅拌罐中继续搅拌，二级搅拌罐出料口与高压注浆泵、定位靶向注钻孔管道相连接，高压注浆泵将水泥浆高压注入钻孔内。

基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构施工方法，按如下步骤进行：

1、标定定位靶向注浆立井井壁结构施工线按照设计坐标在地表标定出井筒中心点，根据井筒中心点和设计的井筒净直径和支护厚度标定出井筒净径线和荒径线；沿井筒荒径线外2m圆周至少对称均匀布置8个垂直地面的定位靶向注钻孔，钻孔直径不小于250mm，深度应穿过不良含水层厚度下端10m，连续编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#，将8个孔分成两组，第一组为1#、3#、5#、7#，第二组为2#、4#、6#、8#；先施工第一组钻孔，根据场地大小，同时施工2/4个钻孔；

2、设置注浆站在地面适当就近位置就近设置注浆站，共设两套注浆系统，包括两个水泥罐、一个原浆池、一个贮浆池、一个清水池、一个水玻璃池、两个泥浆泵、两个一级搅拌罐、两个二级级搅拌罐、两个注浆泵；

3、安装钻机按设计要求进行场平，在标定的孔位上方安装工字钢底盘，在底盘上安装钻机及钻塔；

4、钻孔及设孔口管采用φ250mm钻头向下钻进40.5m，在钻孔内下放设置长10m、直径φ219×6mm和长30m、直径φ159×5mm的异径结构孔口管，向孔口管内注入水灰重量比为0.6:1的水泥浆，直至孔口返浆为止；经24小时养护，扫口至原来深度进行压水试验，检查固结质量，如发现漏水现象，应再次进行注浆固结；

5、设置止浆塞采用φ133mm复合片钻头无芯向下钻进至第一注浆段，在孔口管段设置kws型止浆塞；

6、压水试验通过钻杆向钻孔内注水，进行压水试验，符合设计标准后，方可进行高压注浆；

7、高压注浆按设计比例制备水泥黏土浆液，通过钻杆向钻孔内高压注浆，达到注浆设定压力，稳定时间20min，达到或接近设计注浆量后，该段注浆结束；

8、扫口，重复5、6、7步骤进入下一注浆段施工，kws型止浆塞设置在注浆段上部稳定岩层中；

9、开挖井筒在井筒设计的荒径线范围内自上而下逐次分段开挖井筒，每次开挖深度不大于4m；

10、浇筑井筒外壁钢筋混凝土自上而下浇筑井筒外壁钢筋外壁，直至注浆段底部；混凝土为标号不小于c30，混凝土内布置双层钢筋，受力筋直径不小于20mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径不小于20mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

11、浇筑井筒内壁钢筋混凝土从注浆段底部自下而上连续浇筑井筒内壁钢筋混凝土，直至井口地表；混凝土为标号不小于c30，混凝土内布置双层钢筋，受力筋直径不小于20mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径不小于20mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm；

12、拆除施工装置，施工结束。

与现有技术相比，优点是构思新颖，结构简单，稳定可靠，注浆段护卫基岩段井筒，承载力高，堵水效果好，施工快速，方便，能够实现井筒快速掘砌，节省费用。

附图说明

下面对照附图对本发明作进一步说明。

图1基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构平面示意图。

图2是图1之b－b剖面井壁结构示意图

图3是孔口管剖面示意图。

图4是图1之施工装置结构示意图。

图中：1、井筒中心2、净径线3、荒径线4、钻孔5内壁6、外壁7、孔口管8、水泥浆9、注浆段10钻机11、止浆塞12、钻杆13、原浆池14、贮浆池15、泥浆泵16、清水池17、水泥罐18、一级搅拌罐19、水玻璃池20、二级搅拌罐21、高压注浆泵22、含水地层

具体实施方式

由图1、图2、图3可以看出，基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构，包括在不良含水层中设置的井筒，井筒1周围设置定位靶向注浆钻孔4、孔口管7、注浆段9、外壁6和内壁5；定位靶向注浆钻孔，以井筒中心1.1(图中未标注)为圆心沿井筒荒径线3圆周2m外成对均匀布置并垂直地面，全井至少设置8个定位靶向注浆钻孔；所述的孔口管设置在定位靶向注浆钻孔内，水泥浆液由靶向注浆钻孔注入，扩充至钻孔周围8m基岩段裂隙发育的不良含水层中，凝固成注浆段，注浆段分层设置在基岩段所处的不良含水层22内，堵住裂隙，加固围岩；所述的外壁为350mm厚的钢筋混凝土，内壁为700mm厚的钢筋混凝土。

由图1、图2、图3可以看出，所述的定位靶向注浆钻孔，是利用钻机10从地面往下垂直钻成，深度应穿过不良含水层下端10m厚度，孔口管段钻孔直径350mm、下部钻孔直径145mm。

由图1、图2、图3可以看出，所述的孔口管采用异径结构形式，其中垂深0～10m段，管材规格为φ219×6mm；垂深10～30m段，管材规格为φ159×5mm。

由图1、图2、图3可以看出，所述的注浆段的注浆材料根据地层的围岩破碎程度、裂隙发育情况及用水量选择黏土水泥浆液/超细水泥浆；注浆压力为所在高度位置静水压力的3倍；段高45m，根据揭露地层情况而定。

由图1、图2、图3可以看出，所述的黏土水泥浆液水灰重量比取值范围为1.3，超细水泥浆水灰重量比取值范围为0.9；所述的超细水泥浆由水泥加水、食盐、三乙醇胺配制而成，三乙醇胺加入量为水泥重量的0.5‰，食盐加入量为水泥重量的5‰；所述的水泥为普通硅酸盐p·o42.5；水玻璃为28～40be；黏土的含砂量小于5％。

由图1、图2、图3可以看出，所述的注浆材料通过8个定位靶向注浆钻孔在基岩段不良含水层向荒径外扩散8m，堵住裂隙水，加固围岩。

由图1、图2、图3可以看出，所述的外壁混凝土标号c30，混凝土内布置双层钢筋，受力筋直径25mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径22mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

由图1、图2、图3可以看出，所述的内壁混凝土标号不小于c30，混凝土内布置单层钢筋，受力筋直径25mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径22mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

由图1、图2、图3可以看出，基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构施工装置，其特点是包括原浆池13、贮浆池14、清水池16、水玻璃池19和成对设置的水泥罐17、泥浆泵15、一级搅拌罐18、二级搅拌罐20、高压注浆泵21，就近设在井筒附近；原浆池和贮浆池管道直接；一级搅拌罐进料口由管道与水泥罐连接，由泥浆泵连接贮浆池，由管道与清水池连接，配入适量的水泥、泥浆和清水；二级搅拌罐进料口与一级搅拌罐出料口管道连接，由管道与水玻璃池连接，一级搅拌罐的水泥浆再加入水玻璃，在二级搅拌罐中继续搅拌，二级搅拌罐出料口与高压注浆泵、定位靶向注钻孔管道相连接，高压注浆泵将水泥浆高压注入钻孔内。

基岩段不良含水层定位靶向注浆立井井壁结构施工方法，按如下步骤进行：

1、标定定位靶向注浆立井井壁结构施工线按照设计坐标在地表标定出井筒中心点，根据井筒中心线1.1和设计的井筒净直径和支护厚度标定出井筒净径线和荒径线；沿井筒荒径线外2m圆周至少对称均匀布置8个垂直地面的定位靶向注钻孔，钻孔直径不小于250mm，深度应穿过不良含水层厚度下端10m，连续编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#，将8个孔分成两组，第一组为1#、3#、5#、7#，第二组为2#、4#、6#、8#；先施工第一组钻孔，根据场地大小，同时施工2/4个钻孔；

2、设置注浆站在地面适当就近位置就近设置注浆站，共设两套注浆系统，包括两个水泥罐、一个原浆池、一个贮浆池、一个清水池、一个水玻璃池、两个泥浆泵、两个一级搅拌罐、两个二级级搅拌罐、两个注浆泵；

3、安装钻机按设计要求进行场平，在标定的孔位上方安装工字钢底盘，在底盘上安装钻机及钻塔；

4、钻孔及设孔口管采用φ250mm钻头向下钻进40.5m，在钻孔内下设置长10m，直径φ219×6mm和长30m直径φ159×5mm的异径结构孔口管，向孔口管内注入水灰重量比为0.6:1的水泥浆，直至孔口返浆为止；经24小时养护，扫口至原来深度进行压水试验，检查固结质量，如发现漏水现象，应再次进行注浆固结；

5、设置止浆塞采用φ133mm复合片钻头无芯向下钻进至第一注浆段，在孔口管段设置kws型止浆塞；

6、压水试验通过钻杆向钻孔内注水，进行压水试验，符合设计标准后，方可进行高压注浆；

7、高压注浆按设计比例制备水泥黏土浆液，通过钻杆向钻孔内高压注浆，达到注浆设定压力，稳定时间20min，达到或接近设计注浆量后，该段注浆结束；

8、扫口，重复4、5、6、7步骤进入下一注浆段施工，kws型止浆塞设置在注浆段上部稳定岩层中；

9、开挖井筒在井筒设计的荒径线范围内自上而下逐次分段开挖井筒，每次开挖深度3.5m；

10、浇筑井筒外壁钢筋混凝土自上而下浇筑井筒外壁钢筋外壁，直至注浆段底部；混凝土为标号c30，混凝土内布置双层钢筋，受力筋直径25mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径22mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

11、浇筑井筒内壁钢筋混凝土从注浆段底部自下而上连续浇筑井筒内壁钢筋混凝土，直至井口地表；混凝土为标号c30，混凝土内布置双层钢筋，受力筋直径25mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径22mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

12、拆除施工装置，施工结束。