一种竖井高水压地层注浆装置及施工方法

本发明涉及注浆施工技术领域，尤其涉及一种竖井高水压地层注浆装置及施工方法。

背景技术：

近年来，随着竖井井筒建设深度增加，在“三高一扰动”外部环境影响下，深部岩体物理力学性能与浅部相比表现出很大差异。深部岩体由弹性状态向弹塑性状态甚至黏弹塑性状态转变，深部围岩裂隙发育。同时，深部孔隙水压增大，有些地层甚至存在超孔隙水压。由此引起大涌水、突水、片帮等问题，成为深竖井施工期间面临的主要工程难题，严重影响了人民生命财产安全与井筒施工进度。

工作面预注浆是封堵裂隙，提高岩体强度的一种有效途径。然而，深部高孔隙水压所带来的含水层大涌水对传统注浆工艺提出了挑战。在深部高地应力、高水压外部环境下，若注浆压力小，浆液扩散范围有限，达不到预期固结围岩，封堵含水层的效果；若注浆压力过大，超过止浆垫抗压强度，则浆液会造成止浆垫漏水、移动、破裂，甚至造成上部井壁结构破裂。

工作面预注浆注浆压力一般为静水压力2-4倍，当地层深度超过1500m时，注浆压力至少30mpa，再加上静水压力，止浆垫承受的压力将超过45mpa。止浆垫设计厚度与注浆压力成正比，注浆压力增大，止浆垫设计厚度必然增大，而大体积混凝土水化放出的热量难以散发，引起混凝土内外温差加大，导致混凝土产生温度裂缝及体积变化，止浆垫起不到封闭含水层涌水的作用。因此，在深竖井高水压地层工作面注浆时，需要一种既不需要增大止浆垫厚度又能有效封闭含水层的施工方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种竖井高水压地层注浆装置及施工方法，能够有效防止高压注浆时止浆垫漏水、跑浆、整体位移等现象，并能防止了高压注浆对上层井壁的破坏。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

根据本发明的第一方面，提供了一种竖井高水压地层注浆装置，所述注浆装置设在竖井底部，包括：

止浆岩帽，其呈下凹圆弧形；

滤水层，其设在所述止浆岩帽上方，用于将竖井底部液体过滤排出；

止浆垫，其设在所述滤水层上方，所述止浆垫上下表面平整；

孔口管，其上端高于所述止浆垫上表面，下端延伸至井帮内部；

泄压孔，其设在竖井底部的侧壁上，能够连通侧壁和井帮内部。

进一步的，所述孔口管包括：

加固孔口管，其贯通所述止浆垫；

注浆孔口管，其自上而下依次贯通所述止浆垫、所述滤水层和所述止浆岩帽。

进一步的，所述滤水层包括：

滤水箱，其呈圆筒形，所述滤水箱设在所述止浆岩帽表面中心位置；

水泵，其设在所述滤水箱中心位置；

输水管，其下端与所述水泵连接，上端高于所述止浆垫；

碎石，其设在所述滤水箱四周，所述碎石上表面与所述滤水箱上表面齐平。

进一步的，所述滤水箱的四周开有滤水孔，所述滤水孔内部设有滤水网。

进一步的，所述输水管外侧沿圆周方向固定有若干钢筋，所述钢筋间距大于1m。

进一步的，所述止浆岩帽表面还开有滤水槽，所述滤水槽呈半圆形。

根据本发明的第二方面，提供了一种竖井高水压地层注浆施工方法，所述方法用于施工上述的注浆装置，包括以下步骤：

s1：超前探水，确定围岩含水层位置及涌水量；

s2：根据围岩含水层位置及涌水量，依次施工止浆岩帽、铺设滤水层并浇筑止浆垫：

s3：埋设孔口管并加固止浆垫与滤水层；

s4：前述步骤完成后，在竖井底部侧壁施工泄压孔。

进一步的，所述s2具体包括：

s21：根据围岩含水层位置及涌水量，爆破止浆垫浇筑段围岩；

s22：爆破结束后，在井底开凿下凹圆弧形止浆岩帽；

s23：在所述止浆岩帽表面，沿井筒径向开凿滤水槽；

s24：在所述止浆岩帽中心固定滤水箱，并在所述滤水箱中心安装水泵和输水管；

s25：在所述滤水箱周围铺设碎石，使所述碎石上表面与所述滤水箱上表面齐平；

s26：在所述碎石上方浇筑止浆垫。

进一步的，所述s26具体包括：

利用掺入粉煤灰、矿粉和钢纤维的混凝土，自下至上分层浇筑所述止浆垫；

每层浇筑厚度为0.5-1m，浇筑过程中采用平板式混凝土振动器振动。

进一步的，所述s3中埋设注浆孔口管还包括：

在其中一个孔口管埋设结束后，吹净孔口管内岩粉并注浆；对注浆后的孔口管进行压水试验，压水试验合格后继续施工其它孔口管，直至所有孔口管施工完毕。

相对于现有技术，本发明所述的一种竖井高水压地层注浆装置及施工方法，具有如下优势：

本发明能够应用于深部金属矿竖井工作面注浆施工，包括利用浅孔钻机超前探水(超前探水深度不低于50m)，施工圆弧形止浆岩帽，并在止浆岩帽上开凿滤水槽，在圆弧形止浆岩帽上浇筑止浆垫形成止浆层，止浆垫与滤水层加固期间施工井壁泄压孔，最后采用双孔对称顺时针交替钻注方式进行工作面注浆。本发明中止浆岩帽上方开凿的滤水槽，能够最大限度的将井帮、井底出水引至滤水箱内；利用止浆岩帽与混凝土止浆垫组成止浆层，增大了混凝土止浆垫的受力面积，避免了混凝土止浆垫因浆液挤压应力集中而破裂的可能，同时防止了高压注浆时混凝土止浆垫漏水、跑浆、整体位移等现象；施工井壁泄压孔防止了高压注浆对上层井壁的破坏。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明所述的竖井高水压地层注浆装置示意图；

图2为本发明所述的竖井高水压地层注浆装置俯视图；

图3为本发明所述的竖井高水压地层注浆装置滤水槽布置示意图。

其中，1-井壁；2-泄压孔；3-输水管；4-止浆垫；5-注浆孔口管；6-加固孔口管；7-水泵；8-滤水层；9-止浆岩帽；10-滤水箱；11-滤水槽。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

多个，包括两个或者两个以上。

和/或，应当理解，对于本发明中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。

如图1、2所示，本发明提供了一种竖井高水压地层注浆装置，注浆装置设在竖井底部，包括：

止浆岩帽9，呈下凹圆弧形，可以最大限度的将井帮、井底出水引至滤水箱10内，为止浆垫4的浇筑创造了良好的外部环境，同时下凹圆弧形止浆岩帽9，增大了止浆岩帽9的受力面积，防止止浆岩帽9因高压浆液挤压而产生应力集中现象，增大了止浆岩帽9的承压效果；

滤水层8，设在止浆岩帽9上方，用于将竖井底部液体过滤排出；

止浆垫4，设在滤水层8上方，用于与圆弧形止浆岩帽9组合形成止浆层，止浆层承受高承压水和注浆压力的作用，使注入的浆液能够注入到含水层的裂隙当中；

孔口管，其上端高于止浆垫4上表面，下端延伸至井帮内部；

泄压孔2，设在竖井井壁1，用于防止因高压注浆时浆液上窜而对上层井壁1造成的破坏；

孔口管包括：

注浆孔口管5，其自上而下依次贯通止浆垫4、滤水层8和止浆岩帽9，用于为注浆孔的钻进提供导向，同时防止注浆时注浆管被冲出。

加固孔口管6，其贯通止浆垫4，用于为加固止浆垫4的注浆孔的钻进提供导向，同时防止注浆时注浆管被冲出。

滤水层8包括：

滤水箱10，呈圆筒形，滤水箱10中心位置设有水泵7；

输水管3，设在滤水层8中心，输水管3上端高于止浆垫4，下端与水泵7连接；

碎石，其被设置在滤水箱10四周，碎石上表面与滤水箱10上表面齐平。

滤水箱10的四周开有滤水孔，滤水孔内部设有滤水网。

输水管3外侧沿圆周方向固定有若干钢筋，钢筋间距大于1m。

止浆岩帽9表面还开有滤水槽11，滤水槽11呈半圆形。

本发明还提供一种深竖井高水压地层高压注浆施工方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据竖井工勘孔资料，掌握竖井地质与水文地质简况，对井筒含水层位置做出初步判断，使用潜孔钻机超前探水(超前探水深度不低于50m)，确定含水层位置及涌水量；

步骤2，施工止浆层，止浆层由圆弧形止浆岩帽9与其上部浇筑的止浆垫4组成，具体步骤如下：

2.1爆破止浆垫浇筑段围岩：在步骤1完成后，停止掘进，对止浆垫浇筑段围岩进行光面爆破，减少围岩扰动，爆破后排矸、向下清底；

2.2施工圆弧形止浆岩帽9：在步骤2.1完成后，在井底开凿圆弧形工作面，刷大部分标高高于圆弧形中心位置1m；

2.3施工滤水槽11：在步骤2.2结束后，用风镐从圆弧形止浆岩帽9中心沿井筒径向开凿滤水槽11，滤水槽11为半圆形，直径400-800mm；

2.4安装滤水装置：滤水装置由输水管3、滤水箱10两部分组成，在圆弧形工作面中心处固定滤水箱10，滤水箱10与输水管3焊接，其中，输水管3为无缝钢管；

2.5铺设滤水层8：在止浆岩帽9弧形面上铺设碎石，碎石直径30-50mm；

2.6浇筑止浆垫4：混凝土中掺入钢纤维，粉煤灰、矿粉等；

步骤3，注浆孔口管5埋设：在步骤2.6止浆垫养护第9-10天期间，预埋16个注浆孔口管5，孔口管直径ф108mm；

步骤4，止浆垫4与滤水层8加固：在步骤2.6止浆垫养护10天后，沿井筒一周布置4个加固孔口管6用于加固止浆垫4与滤水层8，加固孔口管6起始位置均距井帮0.5m位置，终孔位置在径向上超过荒径；

步骤5，施工井壁泄压孔2：工作面高压预注浆前，自止浆垫4以上1.5m位置，在井壁1周边倾斜向下向外布置泄压孔2，泄压孔2直径ф46mm；

步骤6，工作面高压注浆。

前述方法针对深竖井高水压地层，探水孔单孔涌水量超过80m³/h，水头高度超过0.6m，注浆压力达到30mpa。

在步骤2.4之前，在井底施工步骤2.3的滤水槽，滤水槽11可以最大限度的将井帮、井底出水引至滤水箱10内；

高压注浆时，圆弧形止浆岩帽9与上部的混凝土止浆垫4组合形成的止浆层增大了止浆垫受力面积，避免了混凝土止浆垫因浆液挤压应力集中而破裂的可能，同时防止了高压注浆时止浆垫漏水、跑浆、整体位移等现象；

步骤2.4滤水箱10为圆筒状，滤水箱10顶盖为厚钢板，水箱周圈钻出滤水孔，在水箱周圈焊接滤水网；

步骤2.4输水管3外焊接光面钢筋，钢筋间距大于1m，增强了钢管与混凝土的连接强度，减少了沿滤水装置的漏水，

步骤2.5滤水层8上部覆盖风筒布，将滤水层8与止浆垫4隔开，一方面防止混凝土浇筑时水泥浆、沙子漏入滤水层8，另一方面防止滤水层8的水位上涨后局部冲刷止浆垫4；

步骤2.5滤水层8碎石粒径30-50mm，大粒径碎石间水流通道增大，增大了井帮、井底内出水点出水流向滤水箱10的速度；

步骤2.7止浆垫浇筑时，分层浇筑，每层浇筑顺序从一侧推向另一侧，采用平板式混凝土振动器振动。混凝土中掺入粉煤灰、矿粉等减少水泥用量，降低水化热；掺入钢纤维能提高混凝土的韧性，提高混凝土止浆垫的抗拉强度。

步骤6工作面注浆前，在井壁上施工泄压孔2，防止高压注浆造成上层井壁破坏；

步骤3中，预埋孔口管时注浆材料为by12-ia型早凝早强高强注浆材料以及by12-7型瓦斯密封孔专用注浆材料。两种材料水料比为0.27：1～0.3：1。

孔口管施工结束后，用压风机吹净孔内岩粉，将两种注浆材料放入混合器内，用注浆机将混合器内注浆材料注入孔口管内，待孔口管内注浆材料凝固后，做压水试验，压水合格后继续施工其它钻孔，直至所有孔口管施工完毕；

步骤5工作面高压注浆采用双孔对称顺时针交替钻注方式，将注浆孔分两组进行钻注，第一组钻孔封堵大裂隙，第二组钻孔封堵小裂隙，钻进过程中，当钻孔涌水量大于5m³/h时，暂停钻进，钻孔涌水量减小至5m³/h以下时，恢复钻进直至设计深度。

实施例

某金矿副井设计深度，井筒直径8.3m，断面为圆形断面。

步骤1，根据竖井工勘孔地质资料，掌握竖井地质与水文地质简况，对井筒岩性、含水层位置做出初步判断，利用潜孔钻机超前探水(超前探水深度不低于50m)，确定含水层位置及涌水量；根据勘察孔资料显示，某金矿副井-1180m通过断裂带，在用浅孔钻机超前探水时发现，-1180～-1181m地层出现涌水，水头高度0.4m，单孔出水量82.8m³/h，设计注浆压力30mpa。

步骤2，施工止浆层：止浆层由圆弧形止浆岩帽9与其上部浇筑的止浆垫4组成，具体步骤如下：

2.1爆破止浆垫浇筑段围岩：在步骤1完成后，停止掘进，对止浆垫浇筑段围岩进行光面爆破，减少围岩扰动，爆破后排矸、向下清底。

2.2施工圆弧形止浆岩帽9：在步骤2.1完成后，在井底开凿圆弧拱形工作面，刷大部分标高高于圆弧形工作面中心位置1m。

2.3施工滤水槽11：在步骤2.2结束后，用风镐从圆弧形止浆岩帽中心沿井筒径向开凿滤水槽11，滤水槽11为半圆形，水槽直径400-800mm；以便将井帮和井底出水点出水全部引至滤水箱内，滤水槽布置方式如图3所示。

2.4安装滤水装置：滤水装置由输水管3、滤水箱10两部分组成，在圆弧形工作面中心处固定滤水箱10，滤水箱10与输水管3焊接；在井底中心处固定滤水箱10，滤水箱10为圆筒状，直径×高为1000mm×1000mm，滤水箱10顶盖为厚16mm钢板，水箱周圈钻出直径15mm的滤水孔，在水箱周圈布置网眼5mm的滤水网，输水管3尺寸为ф825mm×14m，在钢管外焊10圈ф20光面钢筋，钢筋间距大于1000mm，滤水箱10与输水管3之间焊接；

2.5铺设滤水层8：在止浆岩帽弧形面上铺设碎石，碎石直径30-50mm；滤水层8碎石粒径30-50mm，并在其上部覆盖风筒布；

2.6浇筑止浆垫4：混凝土中掺入钢纤维，粉煤灰、矿粉等；止浆垫4浇筑时，分层浇筑，每层浇筑顺序从一侧推向另一侧，采用平板式混凝土振动器振动，同时混凝土中掺入钢纤维，粉煤灰、矿粉，提高止浆垫4的抗拉强度；

步骤3，注浆孔口管5埋设：在步骤2.6止浆垫养护第9-10天期间，预埋16个注浆孔口管5，孔口管直径ф108mm；注浆孔口管5施工结束后，用压风机吹净孔内岩粉，将搅拌好的注浆材料注入孔口管内，待孔口管四周溢出注浆材料后，等待凝固，待注浆孔口管5内注浆材料凝固后，做压水试验，压水合格后继续施工其它钻孔，直至所有注浆孔口管5施工完毕；

步骤4，止浆垫4与滤水层8加固：在步骤2.6止浆垫养护10天后，沿井筒一周布置4个加固孔口管6，4个加固孔口管6均距井帮0.5m，终孔位置在超过荒径；

步骤5，施工井壁泄压孔2：工作面高压预注浆前，自止浆垫以上1.5m位置，在井壁周边倾斜向下向外布置泄压孔2两层，每层10个泄压孔2，泄压孔2错开布置，泄压孔直径46mm，深度大于2m；

步骤6，工作面高压注浆；采用双孔对称顺时针交替钻注方式进行注浆，钻孔注浆施工分两组进行，第一组钻孔注浆施工用于封堵大裂隙，第二组钻孔注浆施工用于封堵小裂隙，其中两组钻孔注浆位置相互交错，能够有效增强注浆过程中周围结构的稳固性，钻进过程中，当钻孔涌水量大于5m³/h时，暂停钻进，注浆堵水，钻孔涌水量减小至5m³/h以下时，恢复钻进直至设计深度；

某金矿副井通过高水压地层时采用施工圆弧形止浆岩帽，在止浆岩帽上开凿滤水槽，并在圆弧形止浆岩帽上浇筑止浆垫形成止浆层，止浆垫与滤水层加固期间施工井壁泄压孔，对高水压大涌水地层进行注浆加固，井筒成功穿过焦家断裂带含水层，提高了竖井掘进效率，缩短了竖井建设周期。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

本发明通过施工圆弧形止浆岩帽，并在止浆岩帽上开凿滤水槽，能够最大限度的将井帮、井底出水引至滤水箱内，并利用水泵排出；在圆弧形止浆岩帽上浇筑止浆垫，利用止浆岩帽与混凝土止浆垫组成止浆层，增大了混凝土止浆垫的受力面积，避免了混凝土止浆垫因浆液挤压应力集中而破裂的可能，同时防止了高压注浆时混凝土止浆垫漏水、跑浆、整体位移等现象；止浆垫与滤水层加固期间施工井壁泄压孔，最后采用双孔对称顺时针交替钻注方式进行工作面注浆，防止高压注浆造成上层井壁破坏，实现了对高水压地层涌水的封堵，提高了竖井掘进效率，缩短了竖井建设周期，节约了建井成本。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。