一种立井工作面水泥-水玻璃双液与化学浆液双圈帷幕联合注浆方法与流程

本发明涉及一种矿建施工技术领域，特别涉及一种立井工作面水泥-水玻璃双液与化学浆液双圈帷幕联合注浆方法。

背景技术：

立井施工水患是影响施工进度、质量的最主要因素，立井施工中根据不同岩性、不同涌水量、不同岩层裂隙分布采用不同的治水方式。深部细砂岩含水层埋藏较深，静水压力大，裂隙细小，易被泥砂淤积堵塞，注浆浆液扩散半径小，特别是铁矿深部细砂岩含水层含铁氧化物较重，裂隙中的铁氧化物易脱离硅氧化物在裂隙表面形成一层锈泥，在高压水泥浆液冲击下脱层极易堵塞裂隙，注浆施工难度加大。采用单一的水泥-水玻璃双液单圈孔注浆封堵的裂隙范围很小，注浆结束恢复掘进后，受放炮强烈震动影响，使原已封堵在裂隙里已具备一定凝结强度的水泥及水泥-水玻璃胶结体被震松破碎，很容易被含水层高压水冲出裂隙，重新造成工作面大量涌水，危及施工安全；而采用在工作面采用单一的化学注浆时，成本会远高于水泥或水泥-水玻璃双液注浆的成本，而且会对地下水造成污染，对于深部细砂岩含水层，如何找到一个能有效封堵立井工作面前方的地下水的注浆方法，是建井工程要解决的重要问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种立井工作面水泥-水玻璃双液与化学浆液双圈帷幕联合注浆方法，达到了既有效封堵深部细砂岩含水层裂隙又减少无效注浆量的目的，解决了细砂岩含水层注浆难度大，注浆效果差的技术难题。

本发明的技术方案是：

一种立井工作面水泥-水玻璃双液与化学浆液双圈帷幕联合注浆方法，其特征在于，对立井工作面布置双圈注浆孔，内圈孔注水泥-水玻璃双液浆体，外圈孔注化学浆体。

其中，内圈孔的注浆孔9的倾角要小于外圈孔的注浆孔18的倾角；

沿立井圆周方向等距离安装内圈孔口管12；

该方法能堵塞更多的含水裂隙，注浆量不大，注浆效果好，有效解决了深部细砂岩含水层裂隙细小，浆液扩散半径小，注浆压力大的施工难题。

具体步骤如下：

(1)工作面出矸清底

将立井工作面1的矸石清除井底，并将浮矸清理干净，将钢模上起至离工作面5～6m位置。

(2)碎石滤水层施工

在立井工作面1上进行碎石滤水层2施工，在井筒中部预埋两根抽水中心钢管8，抽水中心钢管8预埋入碎石滤水层2内，两根中心钢管8内各内置一台潜水泵13，然后，在碎石滤水层2上铺二层彩条布3及一层油毡4，将混凝土止浆垫6与碎石滤水层1隔开。

(3)混凝土止浆垫施工

在油毡4上进行混凝土止浆垫6施工，通过计算确定混凝土止浆垫6的厚度，根据注浆孔间距，确定内圈注浆孔9的孔数，确定内圈孔口管12的位置和长度，确定注浆段高，确定内圈注浆孔9与外圈注浆孔18的倾角，并确保内圈孔注浆孔9的倾角要小于外圈注浆孔18的倾角，沿立井圆周方向等距离安装内圈孔口管12，浇筑混凝土止浆垫6。

(4)混凝土止浆垫试压

混凝土止浆垫6浇注7天后，对混凝土止浆垫6进行初次试压和二次试压。二次试压合格后，混凝土止浆垫6达到使用要求。

(4)安装钻架和固定钻机

采用潜孔钻机14配钻头及钻杆钻注浆孔，配钻头打孔，安装外圈孔口管5，潜孔钻机14采用钻架16固定，滑轨架15安装在钻架16上，滑轨架15可以调节方向，并滑轨架15潜孔钻机14可调方位及角度，钻架16采用地锚17固定在混凝土止浆垫6上。

(5)确定注浆材料

内圈孔注水泥-水玻璃双液浆体，外圈孔注化学浆体，所述水泥-水玻璃双液浆的配比为：水泥用普通525#，水玻璃用浓度40Be，模数2.8～3.1；所述化学浆体为脲醛树脂与酸性固化剂的混合物，其改性脲醛树脂的配方按照浆液的初凝时间3-5min左右，终凝时间15-20min左右，凝胶时间主要受控于脲醛树脂(A液)与酸性固化剂(B液)的体积比，需要采用注浆泵按照一定比例(A:B＝3:1～4：1)进行注浆。注浆过程中可以根据浆液在注浆体内的渗透扩散情况及时调节A:B液比例以控制浆液的凝胶时间。

(6)内外圈注浆施工

确定注浆压力(取2倍静水压力)，根据混凝土止浆垫6试压的结果，确定水泥-水玻璃双液浆和脲醛树脂(A液)与酸性固化剂(B液)的配比浓度及不同注浆材料的单孔设计注入量，整个钻孔的施工顺序为：先进行内圈孔钻进探水，如发现有水涌出，则内圈孔钻孔并采用水泥-水玻璃双液浆注浆，接着对外圈孔钻孔并化学注浆，如果浆液注入量达到了设计注入量，但注浆压力没有达到设计注浆终压时，注浆终止，封孔。整个注浆过程采用分段下列式压入注浆。

(8)注浆效果分析

对每一个孔段注浆中注浆压力、流量、浆液浓度，吸水量的变化进行分析，判断注浆施工是否合格。检查孔终孔后，如有涌水，测量水压、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小于2m³/h，就可以认为裂隙的浆液充填饱满，密实，可结束注浆。最后进行井筒中心探水孔钻进，进行探水，用以检查注浆效果。

本发明对现有技术产生的有益效果是：

本发明针对细砂岩含水层采用水泥砂浆注浆难度大，注浆效果差的情况，提出了一种立井工作面水泥-水玻璃双液浆液与化学浆混合注浆方法，对立井工作面布置双圈注浆孔，内圈孔注水泥-水玻璃双液浆体，外圈孔注化学浆体。该方法能堵塞更多的含水裂隙，注浆量不大，注浆效果好，是一种安全可靠、注浆效果良好的立井工作面注浆技术。

附图说明

图1为碎石滤水层和混凝土止浆垫施工示意图；

图2为钻架示意图；

图3为立井工作面水泥-水玻璃双液与化学浆液双圈帷幕注浆示意图；

图4为立井孔口详图；

图中：1、立井工作面，2、碎石滤水层，3、二层彩条布，4、一层油毡层，5、外圈孔口管，6、混凝土止浆垫，7、外圈孔口，8、中心钢管，9、内圈注浆孔，10、内圈孔口，11、树脂锚杆，12、内圈孔口管，13、潜水泵，14、潜孔钻机，15、滑轨架，16、钻架，17、地锚，18、外圈注浆孔，19、高压球阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例(南方某金属矿的箕斗主井工作面水泥-水玻璃双液与化学浆液双圈帷幕注浆为实施例)对本发明，一种立井工作面水泥-水玻璃双液与化学浆液双圈帷幕注浆法，作具体措施和实施过程的进一步说明。

南方某金属矿的箕斗主井细砂岩含水层工作面预注浆，箕斗主井净直径6m，支护厚度300mm，全深832m。在井深606.1～679.5m段为细砂岩含水层。

(1)工作面出矸清底

将立井工作面1的矸石清除井底，并将浮矸清理干净，将钢模上起至离工作面5～6m位置。

(2)碎石滤水层施工

该矿箕斗主井为有涌水工作面，由于地质资料不准，工作面已揭开部分含水层，且涌水量达100m³/h。为了确保混凝土止浆垫顺利浇筑，在立井工作面1上进行碎石滤水层2施工，碎石滤水层2厚度为2.0m。具体过程为：在井筒中部预埋二根抽水中心钢管8，抽水中心钢管8预埋入碎石滤水层2内，两根中心钢管8内各内置一台100m³/h潜水泵13排水，一台排水、一台备用。然后，在碎石滤水层2从下至上铺二层彩条布3及一层油毡4。

(3)混凝土止浆垫施工

在油毡4上进行混凝土止浆垫6施工，通过计算确定垫混凝土止浆垫6的厚度，根据注浆孔间距，确定内圈注浆孔9的孔数，确定内圈孔口管12的位置和长度，确定注浆段高，确定内圈注浆孔9与外圈注浆孔18的倾角，并确保内圈孔注浆孔9的倾角要小于外圈注浆孔18的倾角，沿立井圆周方向等距离安装内圈孔口管12，浇筑混凝土止浆垫6。

1)混凝土止浆垫厚度确定

B_n—止浆垫厚度(m)；

P₀—注浆终压，取静水压力的2倍(MPa)；

[σ]—混凝土允许抗压强度(MPa)，混凝土凝固时间7天，C40混凝土7天极限抗压强度为标准值的70％-90％，即28～36MPa，考虑2倍安全系数并取小值，[σ]取值为14MPa；

r为井筒直径(m)，取6.6m；

经计算止浆垫厚度B_n为4.2m。

2)注浆孔孔数及内圈孔口管确定

为使钻孔能尽可能的找寻更多裂隙，并使孔间裂隙注浆充分，不留空白区，各孔在注浆范围内充分交圈形成帷幕，注浆孔布置宜密且双圈布置，孔数计算如下：

孔数N按下式计算：

N＝π(γ-2A)/L

r—主井筒掘进直径(m)，主井筒掘进直径为6.6m；

A—孔中心到井筒周边的距离(m)，以钻进方便为原则，内圈孔取0.8m；外圈孔紧靠井壁，A值为0.3；

L—注浆孔间距(m)，内圈孔间距均取0.98m，经计算，孔数为16个；外圈孔间距取1.18m，经计算，孔数为16个。

内圈孔口管12采用108×4.5mm钢管,内圈孔口管12长度5m，采用预埋式埋入混凝土止浆垫6中。

外圈孔口管5长度4m，采用MKQJ120/40-HT型潜孔钻机14配钻头钻孔。

3)注浆段高确定

由含水层厚度、岩石裂隙的发育程度和钻孔涌水量综合确定注浆段高。根据箕斗主井细砂岩的厚度和钻孔涌水量，确定注浆段高为35m左右。注35m左右，掘进30m左右，预留5m左右的岩帽。

4)注浆孔角度确定

注浆段高35m，混凝土止浆垫6距工作面6.2m，钻孔角度计算如下：

α＝tan^-1(S+A)/h

S—孔底超出含水层底部直径以外的距离(m)，内圈孔取3.4m、外圈孔取5.7m；

A—钻孔至混凝土井壁距离(m)，内圈孔取0.8m、外圈孔为0.3m；

h—混凝土止浆垫和注浆段高之和(m),取41.2m,经计算内圈孔径向倾角为6°、外圈孔径向倾角为8.3°。

5)内圈孔口管安装固定

在碎石滤水层2上，按内圈孔口管12的设计位置，在井帮上打两排树脂锚杆11，采用焊接的方式将内圈孔口管12的上、下两端固定在安装好的树脂锚杆11上，内圈孔口管12间采用钢筋横向、斜向相连，使所有内圈孔口管12连成一个整体。

6)浇筑混凝土止浆垫

浇筑混凝土止浆垫6，采用C40混凝土，混凝土止浆垫6必须高过已砌筑的原混凝土井壁0.5m以上。混凝土止浆垫6施工属大体积混凝土施工，为防止大体积混凝土水化热冷却后，混凝土体积收缩，使止浆垫6与井壁之间产生较大缝隙，在混凝土内按水泥用量的6～8％掺加膨胀剂，内圈孔口管12预埋在混凝土止浆垫6中。

(4)混凝土止浆垫试压

混凝土凝固7天后，混凝土强度可达到标准值的70％～90％，为缩短停工时间，一般选择在混凝土止浆垫6凝固7天时开始对混凝土止浆垫试压。将2台潜水泵13从预埋中心钢管8内提出，在中心钢管8上焊接4寸10MPa高压球阀19并打开球阀放水。混凝土止浆垫6初次试压：缓慢关闭4寸高压球阀19对混凝土止浆垫6试压，观察混凝土止浆垫6受压状况，混凝土止浆垫6及混凝土井壁均无异状并继续观察8小时，混凝土止浆垫及混凝土井壁仍处于稳定状态时，初次试压成功。混凝土止浆垫6二次试压：混凝土止浆垫6二次试压为高压试压，利用4寸高压球阀19向碎石滤水层2注浆并观察混凝土止浆垫6受压情况，注重量比1:1的水泥单液浆，观察出水情况及混凝土井壁受压情况，经过二次试压注浆后，原混凝土井壁整体强度得到进一步加强，二次试压合格后，混凝土止浆垫6已确认达到使用要求。

(5)安装钻架和固定钻机

采用MKQJ120/40-HT潜孔钻机14配钻头及钻杆钻注浆孔，配钻头打孔安装外圈孔口管5，潜孔钻机14采用钻架16固定，滑轨架15固定在钻架16上，潜孔钻机14可调方位及角度，钻架16采用地锚17固定在混凝土止浆垫6上。地锚17采用4根水泥膨胀锚杆，长1.2～1.5m。每根孔口管后方布置4根锚杆。

(6)确定注浆材料

对立井圆周方向布置双圈注浆孔，内圈孔注水泥-水玻璃双液浆体，外圈孔注化学浆体，所述水泥-水玻璃双液浆的配比为：水泥用普通525#，水玻璃用浓度40Be，模数2.8～3.1；水泥浆和水玻璃体积比为1∶0.6。施工中需要变换浓度,水泥浆的水灰比在1:0.4～1：0.5之间。

所述化学浆体的主为脲醛树脂与酸性固化剂的混合物，其改性脲醛树脂的配方按照浆液的初凝时间3-5min左右，终凝时间15-20min左右，凝胶时间主要受控于脲醛树脂(A液)与酸性固化剂(B液)的体积比，需要采用注浆泵按照一定比例(A:B＝3:1～4：1)进行注浆。注浆过程中可以根据浆液在注浆体内的渗透扩散情况及时调节A:B液比例以控制浆液的凝胶时间。

(7)内外圈注浆施工

确定注浆压力(取2倍静水压力)，根据混凝土止浆垫6试压的结果，确定水泥-水玻璃双液浆和脲醛树脂(A液)与酸性固化剂(B液)的配比浓度及不同注浆材料的单孔设计注入量，整个钻孔的施工顺序为：先进行内圈孔钻进探水，如发现有水涌出，则对内圈孔钻孔并采用水泥-水玻璃双液浆注浆，接着对外圈孔钻孔并化学注浆，如果浆液注入量达到了设计注入量，但注浆压力没有达到设计注浆终压时，注浆终止，封孔。整个注浆过程采用分段下列式压入注浆。

1)注浆压力

注浆终压一般大于静水压力，一般为静水压力p₀的2倍。注浆终压取8MPa。注浆压力达到终压后，继续静注10分钟，再停注。

2)浆液注入量

浆液注入量根据扩散半径(5m)及岩石裂隙率进行粗略计算，计算公式如下：

R—浆液扩散半径(m)；H—注浆段高(m)；η—岩层裂隙率；β—浆液有效填充系数，取0.8；m—结石率 取0.85；λ—浆液损失系数 取1.2

3)注浆设备

选用2TGZ-60/210型电动、2ZBQ-11.5/3气动注浆机，在井底工作面钢模上搭设平台布置注浆泵及搅拌机，井底现场拌料注浆。水泥、水玻璃用吊桶下放至工作面。用3m³的吊桶上下人员及材料。

(8)注浆效果分析

对每一个孔段注浆中注浆压力、流量、浆液浓度，吸水量的变化进行分析，判断注浆施工是否合格。检查孔终孔后，如有涌水，测量水压、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小于2m³/h，就可以认为裂隙的浆液充填饱满，密实，可结束注浆。最后进行井筒中心探水孔钻进，进行探水，用以检查注浆效果。

采用立井工作面水泥-水玻璃双液与化学浆液双圈帷幕联合注浆方法对湖南某金属矿的箕斗主井工作面进行注浆堵水。在注浆堵水前工作面已揭开部分含水层，且涌水量达100m³/h。当工作面采用单一的水泥注浆和水泥-水玻璃双液注浆时，发现注浆压力大，注浆效果差，不能很好地封堵地下水，而采用纯化学浆液注浆时，发现其注浆的成本是3～5倍单一的水泥注浆和水泥-水玻璃双液注浆成本费用，而且化学浆体将会严重污染地下水，不利于环保。采用立井工作面水泥-水玻璃双液与化学浆液双圈帷幕联合注浆方法进行施工后，工作面水量由注浆治水前的近100m³/h减少到1.8m³/h，通过计算可节省人工、电费等排水费用30余万元。本明不仅降低了能耗，而且给深立井井筒基岩段施工提供了可靠的安全保障，解除了水患对施工人员造成的威胁，给井下施工人员创造了良好的作业环境，取得了很好的经济效益和社会效益，达到了节能和环保的目的。获得了良好的社会和经济效益。

当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。