副立井工作面预注浆施工技术及效果分析报告.docx
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副立井工作面预注浆施工技术及效果分析报告
目录
1工程及水文地质概况1
1.1工程概况1
1.2水文地质概况1
2注浆参数计算1
2.1钻孔布置1
2.1.1布孔方式1
2.1.2钻孔数目2
2.2止浆垫厚度2
2.3滤水层厚度3
2.4井壁强度验算3
2.5注浆量4
3注浆材料的选择及方案的确定4
3.1注浆材料的选择4
3.2超细水泥单液浆5
3.3脲醛树脂化学浆5
3.4注浆方案6
4工作面预注浆施工技术6
4.1预埋孔口管及施工止浆垫6
4.2钻进7
4.3注浆7
4.3.1超细水泥单液浆7
4.3.2脲醛树脂化学浆8
5注浆效果分析10
5.1减水效果分析10
5.1.1超细水泥浆10
5.1.2脲醛树脂化学浆11
5.1.3单孔涌水量变化情况分析12
5.2质量及进度分析12
5.3注浆量分析12
参考文献：
12
****副立井工作面预注浆施工技术及效果分析报告
1工程及水文地质概况
1.1工程概况
****集团****煤矿位于银川市兴庆区境内，矿井设计生产能力2.4Mt/a，为立井多水平开拓井田。
其副井井筒净直径7m，井深1002.25m，井筒上部表土段及基岩风化段采用冻结法施工，基岩段采用普通法施工。
冻结深度681.25m，其中冻结表土段561.55m，冻结基岩风化段119.7m，基岩段321m，基岩段井壁厚度600mm。
1.2水文地质概况
副井检查孔（J2）显示基岩段地层为二叠系孙家沟组和石盒子组。
目前井筒掘砌已揭露孙家沟组，岩层近南北走向，向东倾伏，倾角12度左右，位于孙家沟组的第一、第二含水层井筒涌水量约为1m3/h。
根据J2施工资料分析，影响后续井筒施工的第三至第六含水层为二叠系石盒子组砂岩裂隙孔隙含水层。
由粗粒、中粒砂岩及含砾粗砂岩构成，颗粒支撑，泥钙质胶结，裂隙欠发育。
第三至第六含水层明细如下：
第三含水层：
855.1—860.3m，粗粒砂岩，涌水量5—10m3/h；
第四含水层：
920.5—940.3m，粗粒砂岩，细粒砂岩，涌水量15—20m3/h；
第五含水层：
963.1—973.5m，细粒砂岩，涌水量10—15m3/h；
第六含水层：
986.3—990.4m，粗粒砂岩，涌水量5—10m3/h。
根据三条井筒的的检孔施工资料及同一工业广场主井、风井揭露的实际情况，推算副井井筒在886.3m—895.7m段的含砾粗砂岩亦为含水层，涌水量在5—10m3/h。
2注浆参数计算
2.1钻孔布置
2.1.1布孔方式
根据本次注浆段高及工程地质条件，决定采用单圈径向斜孔的布孔方式进行布孔。
此种布孔穿过裂隙多，有利于提高注浆效果。
为方便检查注浆效果，在注浆孔圈内布设一检查孔。
布孔方式详见图2-1
2.1.2钻孔数目
立井井筒工作面预注浆孔数可按以下公式计算：
式中：
—注浆孔数，个；
—井筒净直径，7m；
—注浆孔中心至井壁的距离，m；根据钻机类型选定，本次注浆采用ZDY1200S型煤矿用全液压坑道钻机，故取0.5m。
—注浆孔中心间距，m；根据浆液扩散半径及注浆壁的要求，取1.05m。
根据上式，计算得
=17.9，故取18个。
图2-1：
工作面注浆孔布置图
2.2止浆垫厚度
因第三含水层上部岩性为薄层粉砂岩，裂隙发育，能见小滑动面，且岩石强度较低，故井筒工作面不具备预留止浆岩帽的条件。
需要浇筑混凝土止浆垫。
选用平底型止浆垫，选用C50混凝土，其厚度计算公式为：
式中：
—止浆垫厚度，m；
—注浆终压，20MPa；
—混凝土允许抗压强度，50MPa；
—混凝土早期强度系数，掺1%氯化钙，对应7天强度系数为0.77；
—安全系数，取1.5；
—井筒荒半径，4.3m。
通过计算，止浆垫厚度
=4.64m，取5m。
2.3滤水层厚度
前期井筒掘砌期间因探水导致工作面有6m3/h的涌水量，为了保证止浆垫浇筑质量，在止浆垫底部铺设碎石滤水层，滤水层厚度按下式计算：
式中：
—滤水层厚度，m；
—井筒涌水量，现场实测6m3/h；
—停泵时间，取15min；
—碎石层的孔隙率，取30%；
—井筒荒半径，4.3m。
经过计算，
=0.34m，故取0.4m。
2.4井壁强度验算
井壁混凝土强度验算：
按照下式进行计算：
式中：
—井壁混凝土承受的实际压应力，MPa；
—井筒的净直径，7m；
—井壁的设计厚度，0.8m；
—注浆终压，11MPa；
—井壁混凝土的允许抗压强度，50MPa；
—球面的矢高，
；
—井筒荒半径，4.3m。
经计算，
35.5MPa
<
，故井壁混凝土强度符合要求。
2.5注浆量
注浆量可用以下公式计算的出：
式中：
—注入量，m3；
—注浆孔数量，18个；
—浆液扩散半径，3.6m；
—注浆段高，72m；
—岩层孔隙率，1.5%；
—注浆有效充填系数，0.8%；
—结石率，0.56
—浆液损失系数，取1.5；
根据上式算的
=1695m3。
3注浆材料的选择及方案的确定
3.1注浆材料的选择
注浆材料的合理选择对提高注浆效果，控制注浆成本具有重要意义，选择时除了考虑实际水文地质条件外，还应遵循以下原则：
1、浆液粘度低，流动性和可注性好，能进入细小裂隙及粉细砂层；
2、浆液的胶凝时间可以在几秒至几十秒内随意调节，并能准确控制；
3、浆液的稳定性好，在常温常压下存放不改变性质，不发生其他任何化学反应；
4、浆液无毒、无臭，对环境无污染，对人体无害，非易燃、易爆品；
5、浆液对注浆管路、混凝土构件等无腐蚀作用，且易清洗；
6、浆液固化后无收缩现象，固化后与岩石、混凝土等具有一定的粘结性；
7、结石体耐老化性能好，能长期耐腐蚀，并不受温度、湿度变化的影响。
目前常用于注浆的有CL—C型粘土水泥浆、水泥单液浆、水泥—水玻璃双液浆、MG—646化学浆液及树脂类化学浆液等。
根据****煤矿水文地质条件，在遵循技术可行、经济合理、安全可靠的原则下，结合注浆材料的工程性质及应用范围，决定以1250目超细水泥单液浆为主，以脲醛树脂化学浆为辅对地下水进行封堵。
3.2超细水泥单液浆
超细水泥单液浆有以下几个优点：
1、它具有良好的渗透性及可注性；结石后具有更高的强度及耐久性；
2、安全无污染性，由无毒无害的无机材料组成；具有更高的安全性；
3、较高的经济性，施工方便，易于操作，价格便宜，因而具有更高的经济性。
表3-1：
超细水泥单液浆配比表
水灰比
水泥（kg）
水（kg）
浆液方量（m3）
2.5：
1
100
250
0.283
2：
1
100
200
0.233
1.5：
1
100
150
0.183
1.25：
1
100
125
0.158
1：
1
100
100
0.133
采用1250目超细水泥单液浆，按照不同的配比配制成浆液（见配比表3-1）：
为了进一步提高超细水泥浆的渗透性、快速凝结性及早强性，保证注浆效果，在超细水泥浆中添加氯化钠和三乙醇胺化学添加剂，其用量分别是水泥用量的0.5%和0.05%。
加入三乙醇胺及氯化钠，初凝时间能缩短一半，1至3天的强度提高2倍左右。
3.3脲醛树脂化学浆
图3-1：
同一比例条件下不同的草酸溶液浓度化合后的初凝时间
图3-1-1：
脲醛树脂溶液
图3-1-2：
浓度为:
1g：
50g的草酸溶液
图3-1-3：
同一比例，不同草酸浓度的固化时间
脲醛树脂的主要原材料是尿素和甲醛，加入草酸作为固化剂。
草酸溶液的浓度及其与脲醛树脂的比例对于固化时间有极大的影响。
草酸溶液浓度越高，在脲醛树脂溶液中占的体积越大，其固化时间就越短。
对进场的脲醛树脂及草酸取样做实验，测得各个浓度及比例下的凝结时间见表3-2，掌握草酸溶液浓度及其与脲醛树脂溶液的比例对初凝时间的影响，对注浆过程的控制具有重要指导意义。
图3-1-1～3-1-3给出了同一比例条件下不同的草酸溶液浓度化合后的初凝时间。
表3-1草酸溶液与脲醛树脂溶液对初凝时间的影响
序号
甲液（脲醛树脂）
乙液（草酸溶液）
体积比甲：
乙
化合物体积（m3）
初凝时间（min）
体积（m3）
质量（kg）
固化剂（kg）
水（kg）
1
1
1210
2
500
2:
1
1.5
31'
2
1
1210
2.5
500
2.5:
1
1.4
34'
3
1
1210
2.5
500
2:
1
1.5
16'
4
1
1210
3.3
500
2:
1
1.5
11'9"
5
1
1210
3.3
500
2.5:
1
1.4
16'30"
6
1
1210
5
500
2:
1
1.5
4'41"
7
1
1210
5
500
2.5:
1
1.4
8'
8
1
1210
10
500
2:
1
1.5
1'51"
9
1
1210
10
500
2.5:
1
1.4
3'30"
3.4注浆方案
从单一水平工作面施工止浆垫，采用自上而下的方式打孔、注浆，主要对奇数孔扫孔注浆，以偶数孔为辅。
注浆以超细水泥单液浆为主，以脲醛树脂化学浆为辅。
4工作面预注浆施工技术
4.1预埋孔口管及施工止浆垫
井筒掘进到滤水层底部时，利用井筒中心线对孔位进行定位。
定好位后用钻机打2m深的钻孔，将事先加工好的孔口管（图4-1）放入打好的孔位。
调整好外插角后利用φ22螺纹钢筋将各个孔口管连接起来并固定在井壁上。
加固牢靠，严防混凝土浇筑过程中孔口管发生移位，影响后续注浆施工。
图4-1：
孔口管结构示意图
孔口管固定好之后，为了保证止浆垫的浇筑效果，安设滤水桶并铺设40cm厚的碎石滤水层。
所有的一切准备工作就绪后，开始浇筑混凝土止浆垫，浇筑过程中混凝土分层振捣密实，分层厚度为30-50cm，采用插入式振捣，以不在出现气泡为振捣密实标准，保证施工质量。
4.2钻进
采用ZDY1200s型煤矿用全液压坑道钻机。
先将钻机定位于工作平台上，利用预埋在止浆垫上的地锚及手动葫芦对钻机施加反作用力以固定钻机。
开机前检查钻机各个关键部位并试运转。
利用孔口管的导向作用按照先慢后快的原则进行钻进。
钻进过程中可能出现钻孔偏斜、卡钻等现象。
出现这些现象的原因有岩石软弱破碎、软硬交替、岩层倾角较大等等。
在钻进过程中要严防卡钻和钻孔偏斜现象的发生。
4.3注浆
根据注浆过程中压水试验、注浆压力等的参数变化及注浆效果，在水泥浆难以注入或注浆效果不佳的情况下注脲醛树脂化学浆。
4.3.1超细水泥单液浆
图4-1：
超细水泥浆工艺流程
1、注浆泵2、吸浆管3、储浆桶（兼做二次搅拌机）4、搅拌机5、输浆管路6、井壁7、工作平台通道8、钻机9、高压球阀10、止浆垫11、孔口管12工作平台立柱
1、工艺流程
注浆泵试运转→压水试验→注浆→压入定量清水→关闭阀门→拆洗注浆管路→完成注浆。
详见工艺流程图4-1。
2、注浆控制
注浆前根据压水试验测得的钻孔吸水率决定采用水泥浆的水灰比。
若钻孔吸水率较大，则先采用较小的水灰比进行注浆，后续再行调整。
反之亦然。
具体的水灰比可参照表4-1选取。
开始注浆时掺入水泥用量的0.5%和0.05%的氯化钠和三乙醇胺，当注入量达到单孔设计注浆量时，若压力无明显变化，则可适当提高氯化钠和三乙醇胺的掺入量，以比较快的速度使水泥浆结石封堵裂隙。
这样既可以控制注浆量，节约工程成本，又可以达到比较理想的注浆效果。
表4-1：
初始水灰比选择表
序号
钻孔最大吸水量（l/min）
浆液浓度（水：
水泥）
1
60～80
2.5:
1或2:
1
2
80～150
1.5:
1
3
150～200
1.25:
1
4
200以上
1:
1
3、注浆压力突变的原因
当注浆泵压发生突降，吸浆量减少或不吸浆时，一般是泵的吸水龙头或泵吸浆口球阀堵塞，应及时停机检查；而如果泵压突增，而注浆孔口压力上升很慢或不升压，一般是输浆管路堵塞，当泵压及孔口压力均出现突然上升，而吸浆能力下降或不吸浆，多为混合器或钻孔发生堵塞。
应及时处理。
当压力突减，吸浆量猛增，说明可能出现跑浆及窜浆现象，或者地下遇见大的溶腔或裂隙空洞，应当观察一段时间根据泵压变化采取相应的措施。
压力表指针如有摆动，应取其平均值。
4、注意事项
因井筒地质条件十分复杂，具有很大的不确定性，尤其是裂隙发育程度及特殊地质条件的存在，在注浆过程中会出现一系列问题，如跑浆、窜浆等现象。
注浆过程中发现浆液从止浆垫与井壁接缝部位或从井壁模接茬部位跑出时，可在浆液中掺加惰性材料，或预先冲灌骨料。
也可以用定量、分次复注的办法解决。
当注浆孔之间相互窜浆，除需要错开层位注浆施工外，还可采取将窜浆孔加盖封闭的办法。
4.3.2脲醛树脂化学浆
从现场注浆记录数据分析：
刚开始注浆时单孔涌水量均较大，在35～60m3/h之间。
通过对奇数孔注入超细水泥单液浆减水至14～33m3/h。
再次扫孔注浆非常困难，主要表现在注浆压力大，吸浆量少。
如果继续注入超细水泥浆，不仅起不到减水作用，反而可能因为注浆压力过大而导致上部井壁破裂。
因此，为了保证上部井壁质量，进一步减少单孔涌水量，必须采用分子材料即脲醛树脂化学浆进行进一步的注浆堵水，以达到预期效果。
图4-2：
脲醛树脂化学浆注浆工艺流程
1、抽浆泵2、储浆池（脲醛树脂）3、注浆泵4、吸浆管路5、储浆桶（草酸溶液）6、储浆桶（脲醛树脂）7、集中控制台8、输浆管路9、井壁
钻机11、混合器12、止浆垫13、孔口管14、工作平台立柱
1、工艺流程
其工艺流程同超细水泥单液浆。
2、注浆控制
对于脲醛树脂而言，其初凝时间完全取决于草酸溶液的浓度及其与草酸溶液的体积比。
通过调整草酸溶液的浓度及比例，可以很精确的控制其初凝时间（从表3-1可以看出）。
这对于注浆过程具有重要的指导意义。
注浆时可以从以下几方面着手控制。
1）压水试验，每次注浆开始时均应进行压水试验。
一是检验止浆垫的止浆效果，检查是否有跑浆及窜浆情况出现；二是将岩层裂隙中的充填物压到注浆范围之外，以保证浆液充填的密实性及其的透水性固化后与裂隙岩石的胶结强度；三是测量钻孔的吸水量，进一步核实岩层的透水性，为注浆泵量和确定浆液配比提供参考数据。
2）开始注浆时，可以用低浓度或较少体积的草酸溶液，让浆液的固化时间稍长，以免化合后的浆液在钻孔内或岩层裂隙中过快固化，影响浆液在岩层裂隙中很好地扩散并填充。
这样不仅导致了钻孔扫孔量，不利于控制成本，且达不到预期的注浆效果。
3）根据压水试验结果参数，待注入一定量（与压入清水量相当）的浆液时，可以将草酸溶液浓度调高一级，适当的缩短浆液的固化时间，使其在钻孔周围扩散的过程中固化，和先注浆液在同一时间内均完成固化，这样可以保证浆液扩散半径，也能保证注浆效果。
5注浆效果分析
5.1减水效果分析
5.1.1超细水泥浆
表5-1：
超细水泥浆液减水率
孔号
初始涌水量（m3/h）
注浆次数（次）
注浆后涌水量（m3/h）
减水率（%）
注浆终压（MPa）
1
54
4
33
38.9
23
2
40
1
20
50.0
20
3
45
5
33
26.7
22
4
36
2
25
30.6
23
5
58
5
33
43.1
23
6
39
1
18
53.8
22
7
56
6
15
73.2
20
8
35
2
19
45.7
19
9
42
6
33
21.4
22
10
36
3
14
61.1
23
11
38
6
15
60.5
23
12
41
1
19
53.7
21
13
60
7
32
46.7
22
14
51
2
29
43.1
20
15
58
5
33
43.1
19
16
43
1
25
41.9
20
17
50
8
26
48.0
22
18
37
2
21
43.2
19
从现场注浆记录数据分析（见表5-1）：
开始注浆时单孔涌水量均较大，在35～60m3/h之间，注入一定量的超细水泥后钻孔涌水量减至14～33m3/h。
减水率在21.4%～53.8%，注浆终压在19～23MPa之间。
因继续扫孔注浆钻孔吸浆量不大（不超过3m3），且注浆压力上升极快，对注浆泵及注浆管路检查确认无误，证明超细水泥浆液已经难以在岩层裂隙中扩散并固结。
若继续提高压力可能会造成井壁开裂。
因此不可采取此种措施。
但钻孔涌水量仍然较大（14～33m3/h），离注浆结束标准（≤6m3/h）还有一定的差距。
究其原因，是因为超细水泥的已经无法充填细微的裂隙，说明超细水泥单液浆起到了一定的堵水作用，但效果不是很明显。
5.1.2脲醛树脂化学浆
表5-2：
脲醛树脂浆液减水率
孔号
初始涌水量（m3/h）
注浆次数（次）
注浆后涌水量（m3/h）
减水率（%）
注浆终压（MPa）
1
33
2
2
93.9
22
2
20
4
3.2
84.0
21
3
33
4
1.7
94.8
20
4
25
2
3.1
87.6
21
5
33
4
2
93.9
20
6
18
2
1.5
91.7
20
7
15
5
1.8
88.0
20
8
19
2
2.4
87.4
19
9
33
4
1.7
94.8
20
10
14
2
2.3
83.6
20
11
15
4
0.9
94.0
16
12
19
2
2.8
85.3
20
13
32
3
2.2
93.1
21
14
29
2
3.3
88.6
22
15
23
5
1.9
91.7
19
16
25
2
1.6
93.6
20
17
26
3
2
92.3
20
18
21
4
2.8
86.7
18
因超细水泥单液浆难以在细微裂隙中扩散充填，且结石率在0.56（以水灰比2:
1为例），故需要分子材料对更加细微的裂隙进行封堵。
在注入一定量的超细水泥的基础上，开始转用脲醛树脂化学浆进行注浆封堵渗水。
其减水率为83.6%～94.8%（见表5-2）。
且单孔涌水量均在6m3/h（最大3.3m3/h）之下。
通过对检查孔钻孔探水，其涌水量为0.9m3/h。
通过上述放水分析，本次注浆达到了预期目的。
5.1.3单孔涌水量变化情况分析
以最具有代表性的15号孔进行分析：
从图5-1可以看出，第1、2、3次注超细水泥浆有比较明显的效果，涌水量由58m3/h减至45m3/h，但第4、5次减水效果并不明显，由45m3/h减至42m3/h，且注浆压力上升较快，浆液难以注入。
如果继续注超细水泥浆，则扫孔工程量增加，从而导致注浆工期延长，且减水效果不明显。
因而需要改用化学分子材料进行进一步注浆堵水。
图5-2显示，每次注入脲醛树脂化学浆，减水效果都比较明显，曲线呈近线性变化。
从单孔涌水量变化趋势分析得出：
超细水泥有一定的减水效果，但是减到一定程度后难以继续减小，说明其超细水泥浆在复杂地质条件下有其局限性。
而脲醛树脂化学浆减水效果较好，尤其对细微裂隙充填有较好的效果。
两者联合使用既能适当节约成本，又能达到预期的目的。
图5-1：
涌水量变化曲线（超细水泥）
图5-2：
涌水量变化曲线（化学浆）
5.2质量及进度分析
井筒涌水量超过10m3/h时，会改变混凝土的水灰比，较大的涌水会带走混凝土中的灰浆，从而降低混凝土的强度，导致施工缝不平整，无论观感质量及实体质量均达不到设计要求。
另外施工工序时间会受到排水的影响，且井下作业环境相当恶劣，诸多问题的出现均会影响工程质量及进度。
通过此次注浆堵水，将井筒涌水量控制在6m3/h以下，既能保证井壁混凝土浇筑质量，又能减少施工过程中的排水量，从而加快施工进度，还能改善井下作业环境。
5.3注浆量分析
本次注浆用超细水泥335.3t，氯化钠1714kg，三乙醇胺180kg，超细水泥单液浆770.68m3。
脲醛树脂化学浆1085m3（1290.9t），草酸3.2t。
总计注入量1500m3，前期预算注1695m3，预算节约195m3。
参考文献：
【1】崔云龙·建井工程手册—北京：
煤炭工业出版社，2003.1
【2】张首明·最新建井工程技术操作标准规范实务全书—北京：
中国建筑工业出版社，2004.3
【3】韩立军等·沿途加固技术—徐州：
中国矿业大学出版社，2005.9
【4】梁祖军·千米立井井筒工作面预注浆施工—平煤建工集团，2009.8.
【5】崔文龙·工作面预注浆在治理砂砾岩涌水中的应用—煤炭技术，2012.5
【6】唐功建·立井分段工作面预注浆—建井技术，2011.8
【7】毕和德·井筒工作面预注浆施工工艺探讨—煤矿现代化，2006
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