CN108952727A - 一种大倾角竖直裂隙地层的注浆堵水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大倾角竖直裂隙地层的注浆堵水方法，应用于煤矿立井的施工，包括定义工作面、施工止浆垫、壁后注浆、工作面预注浆等步骤。本发明将壁后注浆与工作面预注浆相结合，在工作面预注浆之前进行壁后注浆，施工封水圈，加强注浆效果；工作面预注浆施工止浆垫，科学计算止浆垫厚度，并对止浆垫进行注浆加固，可以实现注浆终压达到12Mpa，增大注浆扩散半径，增强注浆效果；壁后注浆和工作面预注浆结合，对沿井筒方向发育的大倾角裂隙进行预注浆封堵加固，掩护井筒掘砌施工，创建安全施工条件。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿副立井的施工领域，特别涉及一种大倾角竖直裂隙地层的注浆堵水方法。
背景技术
注浆是将浆液注入到岩土的孔隙、裂隙或空洞中，并在其中扩散、凝固、硬化，硬化后的浆液能够减小岩土的渗透性，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。
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。由于钻注效率低、辅助时间长而导致预注浆工期长。止浆垫施工质量差、不耐高压、注浆时容易漏浆是导致堵水效果差的主要原因。已支护井壁安全性差的主要原因是现有技术中一般只针对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，难以保证预注浆的施工质量。
公开号为104453913B的中国专利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，然后浇注混凝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。
分析上述工作面超前预注浆方法，该方法没有对止浆垫的厚度进行科学的计算，达不到预期效果，无法使注浆终压达到12Mpa，施工工期较长，施工条件较差，而且需要设置滤水层，工序繁琐，成本高，鉴于现有技术中存在此缺点，急需一种大倾角竖直裂隙地层的注浆堵水方法来对现有的注浆措施进行优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大倾角竖直裂隙地层的注浆堵水方法，利用本发明的技术方案，施工工期短、堵水效果好、竖井施工安全、作业环境改善，其属于竖井壁后注浆与工作面预注浆相结合的注浆堵水方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大倾角竖直裂隙地层的注浆堵水方法，应用于煤矿立井的施工，包括如下步骤：
步骤1，定义工作面：煤矿立井的施工过程中，将揭露大倾角竖直裂隙的下方8-10米位置处定义为工作面；
步骤2，施工止浆垫，依次包括如下步骤：
2.1，钻探水孔：从所述工作面向下钻2-4个探水孔，测定不同深度时探水孔的涌水量；
2.2，预埋注浆孔孔口管：从所述工作面向下布置16-18个预钻孔，预钻孔的直径为110-120mm、深度为1-1.5m，每个所述预钻孔的起始口距井壁均为0.9-1.5m，每个预钻孔内预埋注浆孔孔口管，所述注浆孔孔口管的露出所述工作面的管口高出所述工作面2.5-3.5m；
2.3，预埋检查孔孔口管：从所述工作面向下钻出2-4个检查孔并预埋检查孔孔口管，所述检查孔孔口管的露出所述工作面的管口高出所述工作面2.5-3.5m；
2.4，浇注止浆垫：然后在所述工作面的上面浇注浆液形成止浆垫；
步骤3，壁后注浆：在所述步骤2中的所述止浆垫凝固后，在所述工作面上方距所述工作面2-3m的井壁上倾斜向下钻16-20个壁后注浆孔，并埋入壁后注浆孔孔口管，然后在壁后注浆孔中进行注浆；
步骤4，工作面预注浆，包括如下步骤：
4.1，止浆垫加固：在步骤3壁后注浆结束且所述止浆垫强度符合要求后，自所述注浆孔孔口管内继续向下钻直径为70-80mm、深度为4-6m的孔并注入浆液，用于对止浆垫进行加固；
4.2，分段注浆：在步骤4.1完成后，进行分段钻孔和分段注浆，直至钻孔至注浆孔的设计深度并完成注浆，其中分段钻孔的标准包括：在所述注浆孔孔口管内继续钻孔，当涌水量≥1.5m3/h时停钻并进行该段注浆孔的注浆；所述分段注浆标准包括：当注入浆液的量达到50-60L/min并且注浆压力达到注浆终压后，继续以同样压力注入水灰比为2:1的稀浆液，20-30min后停止此段注浆孔的注浆；
4.3，完成整个单孔注浆：待4.2完成后，对各个注浆孔进行扫孔至设计深度，若涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔；单孔注浆结束标准包括：每个注浆孔的注浆压力达到注浆终压12MPa或注入量小于30-40L/min时封孔结束此孔的注浆；
4.4，工作面预注浆的检验和补注：采用检验孔法、放水法或者压力成果检验法对工作面预注浆效果进行检验和补注，从而使工作面预注浆满足注浆效果。
在上述注浆堵水方法中，作为一种优选实施方式，所述壁后注浆孔的倾斜角度为70-75°；优选地，所述探水孔的深度为35-45m。
在上述注浆堵水方法中，作为一种优选实施方式，所述预钻孔或所述注浆孔的倾角为80-85°；所述预钻孔在所述工作面上呈圆形等距分布；更优选地，所述注浆孔的设计深度为35-50m。
在上述注浆堵水方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤2中，所述步骤2.1之前还包括以下步骤：
提升模板：将模板下放至所述工作面并拆除模板底刃角，然后将模板提至距离工作面2-3.5m处；
工作面清理：在挖设集水坑之前，清理所述工作面直到硬底并找平；
挖设集水坑：由所述工作面向下挖设所述集水坑，用于收集所述步骤2中所述探水孔的出水。
在上述注浆堵水方法中，作为一种优选实施方式，当储浆池设置在煤矿立井外时，在所述步骤2和所述步骤4之间还包括以下步骤：
架设输浆管路：所述储浆池连接输浆管的一端，所述输浆管的另一端通过软高压胶管与所述注浆孔孔口管连接，所述储浆池、所述输浆管、软高压胶管和所述注浆孔孔口管形成所述输浆管路；
优选地，在所述软高压胶管与所述注浆孔孔口管之间还设置有混合器。
在上述注浆堵水方法中，作为一种优选实施方式，在所述架设输浆管路步骤中，所述输浆管的承压P通过如下公式计算：
式中：P为输浆管可承受的压力，单位为MPa；
E为接头系数；
S为输浆管的厚度，单位为mm；
D为输浆管的内径，单位mm；
[σ]为设计温度下材料许用应力，单位为MPa。
在上述注浆堵水方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤2中，所述止浆垫的厚度B通过如下公式计算：B＝P0·r/σ+0.3r；
式中：B为止浆垫的厚度，单位为m；
P0为注浆终压，单位为Mpa；
r为井筒半径，单位为m；
σ为止浆垫混凝土允许抗压强度；
所述注浆终压根据实测注浆孔内出水的静水压力确定，取所述静水压力的2.5倍。
在上述注浆堵水方法中，作为一种优选实施方式，所述检查孔的直径为110-120mm、深度为45-50m，预埋的检查孔孔口管进入钻孔的深度为1-1.5m；优选地，所述检查孔的方向与井筒的中心轴平行。
在上述注浆堵水方法中，作为一种优选实施方式，在所述步骤3和所述步骤4中，
注浆所用的浆液为水泥单液浆，水泥单液浆包括：P.O42.5普通硅酸盐水泥和水，优选还包括三乙醇氨，三乙醇氨的用量为普通硅酸盐水泥重量的0.05％；更优选地水和P.O42.5普通硅酸盐水泥的质量比为1:1；
优选地，所述水泥单液浆的注浆量Q单孔通过如下公式计算：Q单孔＝лRO 2nHc；
式中：RO—为浆液有效扩散半径，单位为m，
n—砂层孔隙率，取0.03-0.08，
H—注浆段高，单位为m，
c—修正系数，取1.1-1.3；
优选地，所述水泥单液浆的水泥消耗量WC为：WC＝(dc×Vg)/(1+dcρ)；
式中：dc—水泥比重，取3，
Vg—水泥浆体积，单位为m3，
ρ—水灰比，取1。
在上述注浆堵水方法中，作为一种优选实施方式，
所述步骤4.2中，所述分段钻孔和分段注浆包括：自所述注浆孔孔口管内向下继续钻孔，涌水量≥1.5m3/h时停钻并注入浆液，当注浆满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；然后继续向下钻孔，涌水量≥1.5m3/h时停钻并注入浆液，当注浆满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；重复上述钻孔和注入浆液的步骤，直至钻孔至设计深度并注入浆液，当最后一段注浆孔的注浆满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；
所述步骤4.4中，所述检验孔法，包括：待步骤4.3完成后，利用不同检查孔对整个工作面的注浆效果进行检测，如果第一个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第一个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；如果第二个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第二个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；如果第三个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第三个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；所述放水法，包括：以最后一个未封孔的注浆孔的涌水量计算整个工作面最大涌水量，如果整个工作面最大涌水量超过6m3/h，则需要补打新的注浆孔，继续按照步骤4.2和4.3完成新的注浆孔的分段注浆和整个单孔注浆；如果整个工作面最大涌水量位于1.5-6m3/h之间，则无需补打新的注浆孔，只需对最后一个未封孔的注浆孔注入浆液，直至满足单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔；所述压力成果检验法，包括：通过压力成果检验注浆效果，当单位吸水率不超过0.5-1L/min·m时，工作面预注浆符合要求，当单位吸水率超过1L/min·m时，则需要通过检查孔注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔。
分析可知，本发明公开一种大倾角竖直裂隙地层的注浆堵水方法，将壁后注浆与工作面预注浆相结合，在工作面预注浆之前进行壁后注浆，施工封水圈，加强注浆效果；工作面预注浆施工止浆垫，科学计算止浆垫厚度，并对止浆垫进行注浆加固，可以实现注浆终压达到12Mpa，增大注浆扩散半径，增强注浆效果；壁后注浆和工作面预注浆结合，对沿井筒方向发育的大倾角裂隙进行预注浆封堵加固，掩护井筒掘砌施工，创建安全施工条件。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，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。其中：
图1为本发明实施例的竖向剖面示意图。
图2为本发明实施例的工作面布置示意图。
附图标记说明：1井壁；2工作面；3注浆孔；4注浆孔孔口管；5止浆垫；6法兰盘；7检查孔；8检查孔孔口管；9集水坑。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1至图2所示，根据本发明提供了一种大倾角竖直裂隙地层的注浆堵水方法，本发明所指大倾角竖直裂隙的倾角(裂隙与竖直线之间的夹角)优选在20-70o，更优选50-70o，包括以下步骤：
1、定义工作面：煤矿立井(特别是煤矿副立井)的施工过程中，将揭露大倾角竖直裂隙的下方8-10米位置处定义为工作面2；
2、施工止浆垫：
2.1、提升模板：将模板下放至工作面2并拆除模板底刃角，然后将模板提至工作面2以上2-3.5m位置。
2.2、工作面2清理：在挖设集水坑9之前，清理工作面2直到硬底并找平。
2.3、挖设集水坑9：掘进至工作面2后，在工作面2的中间位置向下挖设集水坑9，优选地，集水坑9的尺寸为长×宽×高为2m×1.5m×1m。集水坑9起到滤水和集水的作用。
2.4、钻探水孔：从工作面2向下钻2-4个探水孔，优选全部探水孔呈圆形等距分布，探水孔的出水排放至集水坑9，测定不同深度探水孔的涌水量。
2.5、预埋注浆孔孔口管：根据井筒基岩段揭露岩层层理，在工作面2上利用钻机布置16-18个预钻孔(用于预注浆钻孔定位)，预钻孔的直径为110-120mm、深度为1-1.5m，每个预钻孔的起始口距井壁1均为0.9-1.5m，预钻孔均为径向斜孔(即逐渐向井筒的径向方向倾斜的孔)，每个预钻孔终点向下的延长线可以落在井筒荒断面外，全部预钻孔在工作面2上呈圆形等距分布，在预钻孔内预埋注浆孔孔口管4，注浆孔孔口管4的露出工作面的管口比工作面2高出m2.5-3.5m。在工作面预注浆步骤中将根据预钻孔的位置向下钻至设计深度得到注浆孔3(注浆孔3的设计深度比如为：35m、40m、45m、47m、50m)。注浆孔3的倾角(孔的中心线与水平线的夹角)优选为80-85°
2.6、预埋检查孔孔口管8：在工作面2上的集水坑9与注浆孔孔口管4之间利用钻机布置2-4个钻孔(检查孔)，钻孔的直径为110-120mm、深度为45-50m，并在钻孔内预埋检查孔孔口管8(孔口管进入钻孔的深度为1-1.5m)，检查孔孔口管8的露出工作面的管口比工作面2高出2.5-3.5m；优选地，所述检查孔的方向与井筒的中心轴平行。
2.7、浇注止浆垫：将集水坑9中的水抽干后填至与工作面齐平，然后在工作面2的上面浇注混凝土浆液形成止浆垫5；
优选地，止浆垫5的厚度B为：B＝P0·r/σ+0.3r；
式中：B为止浆垫5的厚度，单位为m；P0为注浆终压，单位为Mpa；r为井筒半径，单位为m；σ为止浆垫5所用混凝土允许抗压强度(5-7天抗压强度)。
注浆终压根据实测注浆孔3内出水的静水压力确定，取静水压力的2.5-3倍，由于孔口静水压力较小，注浆时可根据实际情况调整。
2.8、架设输浆管路：储浆池连接输浆管的一端，输浆管的另一端通过软高压胶管与注浆孔孔口管4连接，储浆池、输浆管、软高压胶管和注浆孔孔口管4形成输浆管路，如此设置能够确保煤矿立井的施工安全、牢固和稳定。
优选地，输浆管为DN50无缝钢管，其承压P为：
式中：P为输浆管可承受的压力，单位为MPa；E为接头系数；S为输浆管的厚度，单位为mm；D为输浆管的内径，单位mm；[σ]为设计温度下输浆管许用应力，单位为MPa。
在软高压胶管与注浆孔孔口管4之间还设置有混合器，混合器用于实现工作面预注浆过程中多种浆液混合输出。
输浆管路的设置，实现了制浆与注浆分离，改善井下作业环境，改善工人工作条件。
3、壁后注浆：在步骤2中的止浆垫5凝固后，在工作面2上方2-3m的井壁1上倾斜向下钻16-20个壁后注浆孔并埋入壁后注浆孔孔口管，然后在壁后注浆孔(图中未示出)中注入浆液，作为工作面2预注浆的封水圈。壁后注浆孔的倾斜角度(即孔的中心线与水平线或径向的夹角)优选为70-75°。
该封水圈能够提高工作面2预注浆的注浆终压，增大注浆扩散半径，加强注浆效果。
4、工作面预注浆：
4.1、止浆垫5加固：在步骤3壁后注浆结束且止浆垫5强度符合要求(即达到最大抗压强度的三分之二以上)后，自步骤2.5中预埋的注浆孔孔口管4内继续向下钻直径为70-80mm、深度为4-6m的孔(该孔属于注浆孔3的一部分)并注入浆液(优选水灰比为1:1)，用于对止浆垫5进行加固。如此设置，可以进一步保证注浆终压达到12Mpa，增大注浆扩散半径，增强注浆效果；
4.2、分段注浆：在步骤4.1完成后，进行分段钻孔和分段注浆，直至钻孔至注浆孔的设计深度并完成注浆，其中所述分段钻孔的标准包括：在注浆孔孔口管4内继续钻孔，当涌水量≥1.5m3/h时停钻并进行该段注浆孔3的注浆。
具体地，自步骤2.5中预埋的注浆孔孔口管4内向下继续钻孔，涌水量≥1.5m3/h时停钻并注入浆液，此段注浆孔命名为第一段注浆孔，当第一段的注浆孔3的注浆满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；然后继续向下钻孔，涌水量≥1.5m3/h时停钻并注入浆液，此段注浆孔命名为第二段注浆孔，当第二段的注浆孔3的注浆满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；重复上述钻孔和注入浆液的步骤，直至钻孔至设计深度并注入浆液，当最后一段注浆孔3的注浆满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；
所述分段注浆标准包括：当注入浆液的量达到50-60L/min并且注浆压力达到注浆终压(静水压力的2.5倍，比如12Mpa)后，继续以同样压力注入水灰比为2:1的稀浆液，20-30min后停止此段注浆孔3的注浆。
4.3完成整个单孔注浆
待4.2完成后，对各个注浆孔3进行扫孔至设计孔深，若单一注浆孔3的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔。
单孔注浆结束标准包括：每个注浆孔3的注浆压力达到注浆终压12MPa或注入量小于30-40L/min时封孔结束此孔的注浆。
4.4工作面预注浆的检验和补注
采用检验孔法、放水法或者压力成果检验法对工作面预注浆效果进行检验和补注，从而使工作面2预注浆满足注浆效果。
检验孔法包括：待4.3完成后，利用不同检查孔对整个工作面的注浆效果进行检测，如果第一个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第一个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；如果第二个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第二个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；如果第三个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第三个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔。采用三个检查孔相对于采用单一检查孔可以更好地保证工作面预注浆的效果。
放水法包括：以最后一个未封孔的注浆孔3的涌水量计算整个工作面最大涌水量，如果整个工作面最大涌水量超过6m3/h，则需要补打新的注浆孔3，继续按照4.2和4.3步骤完成新的注浆孔3的打孔和注浆；如果整个工作面最大涌水量位于1.5-6m3/h之间，则无需补打新的注浆孔3，只需对最后一个未封孔的注浆孔3注入浆液，直至满足单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔。
压力成果检验法包括：通过压力成果检验注浆效果，当单位吸水率不超过0.5-1L/min·m时即完成工作面2预注浆，当单位吸水率超过1L/min·m时，则需要通过检查孔注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔。
在步骤3和步骤4中，注浆所用的浆液为水泥单液浆，水泥单液浆包括：P.O42.5普通硅酸盐水泥和水，优选还包括三乙醇氨，三乙醇氨的用量为普通硅酸盐水泥重量的0.05％；更优选地水和P.O42.5普通硅酸盐水泥的质量比为1:1。
对漏浆段及封孔采用水泥-水玻璃双液浆，水泥-水玻璃双液浆包括：P.O42.5普通硅酸盐水泥、水和水玻璃；其中，所述水玻璃模数M取2.4-3.4，波美度35-42Be′；
更优选地，水泥单液浆的注浆量Q单孔为：Q单孔＝лRO 2nHc；
式中：RO—为浆液有效扩散半径，单位为m，
n—砂层孔隙率，取0.03-0.08，
H—注浆段高，单位为m，
c—修正系数，取1.1-1.3。
优选地，水泥单液浆的水泥消耗量WC为：WC＝(dc×Vg)/(1+dcρ)；
式中：dc—水泥比重，取3，
Vg—水泥浆体积，单位为m3，
ρ—水灰比，取1。
优选地，在步骤2、步骤3、步骤4中，均利用ZLJ1100矿用坑道钻机进行钻孔。
实施例1：
唐家会煤矿副立井设计深度544.8m，井筒净直径10.5m，断面为圆形断面。
1、定义工作面：采用综合机械化配套掘砌方式施工，在井深440m附近揭露大倾角竖直裂隙，倾角为60°，井筒掘砌到447.0m，向下掘进1.5m并进行刷帮，448.5m位置处定义为工作面2。
2、施工止浆垫：
2.1、提升模板：将模板下放至工作面2并拆除模板底刃角，然后将模板提至距工作面2为3.5m的位置。
2.2、工作面清理：清理工作面2直到硬底并找平。
2.3、挖设集水坑：在工作面2的中间位置向下挖设集水坑9，集水坑9的尺寸长×宽×高为2m×1.5m×1m。
2.4、钻探水孔：首先在工作面2内以直径为9.3m的圆周上施工三个均匀分布的探水孔并测定涌水量，首先，使用直径113mm钻头打5m深钻孔，在孔内预埋直径为108mm、长度为5.5m的无缝钢管作为探水孔孔口管，探水孔孔口管露出岩层长度500mm左右，探水孔孔口管上口焊接直径108mm高压法兰盘，法兰盘上连接直径108mm高压球阀，高压球阀上连接防突阀，然后使用直径75mm钻头在探水孔孔口管内钻进，形成探水孔。探水孔预计深度为40.2m。利用步骤1.2中挖设的集水坑9排放探水孔的出水。三个探水孔施工完毕后，测定涌水量，集水坑9在该步骤使用完毕后即填至工作面高度以便于下面施工止浆垫。
探水孔涌水量测定结果如下：1#探水孔在461.5m见少量水，为0.1m3/h；478.0m水量增大至1.2m3/h；481.3m水量增至2.2m3/h；483.5m水量增大至6.8m3/h；485.7m水量增大至9.8m3/h；494.5m测得水量为12m3/h。2#探水孔在484.0m涌水量为6.5m3/h；在489.7m涌水量为10.2m3/h；493.5m涌水量为11.2m3/h。3#探水孔在472.2m涌水量为0.2m3/h；479.1m涌水量为3.8m3/h；481.3m涌水量为5.3m3/h；484.6m涌水量为10.6m3/h；494.5m涌水量为15.1m3/h；起钻后涌水量增大至25.2m3/h。3个钻孔全部打开后，测得井筒涌水量为40.1m3/h。
针对井筒施工揭露的大倾角竖直裂隙及探水孔涌水量进行分析研究，探水孔涌水量＞5m3/h，需要对447.0m至494.0m范围内进行分段注浆，根据实测孔内出水的静水压力确定注浆终压，取静水压力的2.5倍，故设计注浆终压(孔口压力)为12MPa。
2.5、预埋注浆孔孔口管：根据井筒基岩段揭露岩层层理较乱，为保证注浆效果，多布眼充分打钻穿透含水裂隙。利用ZLJ1100矿用坑道钻机在工作面2上布置18个深度为1.3m、直径为113mm的预钻孔，预钻孔为径向斜孔，预钻孔以直径为8.5m的同心圆等距分布，每个预钻孔终点向下的延长线落在井筒累深494.0m荒断面外3.2m处，故预钻孔或者说注浆孔3的角度为84°，在钻孔内设置注浆孔孔口管4，注浆孔孔口管4的露出工作面管口比工作面2高出2.5m左右，在注浆孔孔口管4上通过法兰盘6安装混合器。
2.6、预埋检查孔孔口管：井筒内注浆孔孔口管4与集水坑9之间，且位于井筒内东、西、北方向上各布置一个竖向的直径为113mm、深度为47m的钻孔，并在钻孔内预埋检查孔孔口管8，检查孔孔口管8的露出工作面管口比工作面2高出2.5m左右。
2.7、浇注止浆垫：注浆孔孔口管4和检查孔孔口管8预埋完成后，利用浆液浇筑混凝土止浆垫5，止浆垫5结构为单级平底型止浆垫5，应采用强度高、封水效果好并便于快速施工的材料，采用C40混凝土，浆液中混凝土与水的质量比为1:1。为防止止浆垫5与井壁1之间产生微小裂隙及止浆垫5翻浆，按要求向浆液中添加高性能减水剂(早强型)，可提高早期止浆垫5抗压强度。
止浆垫5厚度B为：B＝P0·r/σ+0.3r；
式中：P0注浆终压为12Mpa；r井筒半径为5.25m；σ止浆垫5混凝土允许抗压强度为C40×2/3＝26.6Mpa。
经计算，止浆垫5厚度为3.0m。据探水孔揭露岩性，工作面2448.5m往下岩性为4.8m砂质泥岩，作为预留岩帽，强度大于1.0m厚混凝土，故混凝土止浆垫5厚度2.0m。
2.8、架设输浆管路：储浆池连接输浆管的一端，输浆管的另一端通过软高压胶管与注浆孔孔口管4上的混合器连接，储浆池、输浆管、软高压胶管、混合器和注浆孔孔口管4形成输浆管路。
输浆管为DN50无缝钢管，其承压P为：
式中：E接头系数为0.8；S输浆管的厚度为4.5mm；D输浆管的内径为43mm；[σ]设计温度下输浆管许用应力为225MPa。
经计算注浆管可承受的压力为35.22MPa。
3、壁后注浆：
在止浆垫5凝固期满后，对井壁1的446.2m、445.5m处分别均匀布置8个呈同心圆等距分布的壁后注浆孔，壁后注浆孔的倾斜角度(即孔的中心线与水平线或径向的夹角)优选为75°，然后进行壁后注浆，作为工作面2预注浆的封水圈。
4、工作面2预注浆：
4.1、止浆垫5加固：经步骤3壁后注浆结束且止浆垫5强度符合要求后，进行工作面2预注浆。在注浆孔孔口管4内钻直径为75mm、深度为5m的钻孔，并进行注浆用以对止浆垫5进行加固。
4.2、分段注浆：在步骤4.1止浆垫5加固完成后，自步骤2.5中预埋的注浆孔孔口管4内向下继续钻孔，涌水量≥1.5m3/h时停钻并注入浆液，当对于第一段的注浆孔3满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；然后继续向下钻孔，涌水量≥1.5m3/h时停钻并注入浆液，当对于第二段的注浆孔3满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；重复上述钻孔和注入浆液的步骤，直至钻孔至设计深度并注入浆液，当最后一段注浆孔3满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；
分段注浆标准包括：当注入浆液的量达到50-60L/min并且注浆压力达到注浆终压后，继续以同样压力注入水灰比为2:1的稀浆液，20-30min后停止此段注浆孔3的注浆。
4.3完成整个单孔注浆
待4.2完成后，对各个注浆孔3进行扫孔至设计孔深，若单一注浆孔3的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔。
单孔注浆结束标准包括：每个注浆孔3的注浆压力达到注浆终压12MPa或注入量小于30-40L/min时封孔结束此孔的注浆。
4.4工作面预注浆的检验和补注
采用检验孔法进行检验和补注，从而使工作面2预注浆满足注浆效果。
检验孔法包括：待4.3完成后，利用不同检查孔对整个工作面的注浆效果进行检测，如果第一个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第一个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；如果第二个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第二个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；如果第三个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第三个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔。采用三个检查孔相对于采用单一检查孔可以更好地保证工作面预注浆的效果。
经计算预计浆液有效扩散半径为2700mm；单孔预计注浆量为143m3，预计总注浆量(18个孔)为2574m3；预计消耗P.O42.5水泥总量为1930.5t(按水灰比1:1浆液计算)。
唐家会副立井通过大倾角竖直裂隙地层层位时采用壁后注浆及工作面预注浆的堵水方法，对沿井筒方向发育的大倾角竖直裂隙提前进行注浆加固封堵，实现截水、加固岩体等多重作用，在井筒外围形成帷幕，掩护井筒施工，加快井筒施工速度。注浆实现井下打孔，地面制浆注浆分离，改善井下作业环境，改善工人工作条件。
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：
本发明将壁后注浆与工作面2预注浆相结合，在工作面2预注浆之前进行壁后注浆，施工封水圈，加强注浆效果；工作面2预注浆施工止浆垫5，科学计算止浆垫5厚度，并对止浆垫5进行注浆加固，可以实现注浆终压达到12Mpa，增大注浆扩散半径，增强注浆效果；壁后注浆和工作面2预注浆结合，对沿井筒方向发育的大倾角裂隙进行预注浆封堵加固，掩护井筒掘砌施工，创建安全施工条件。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大倾角竖直裂隙地层的注浆堵水方法，应用于煤矿立井的施工，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，定义工作面：煤矿立井的施工过程中，将揭露大倾角竖直裂隙的下方8-10米位置处定义为工作面；
步骤2，施工止浆垫，依次包括如下步骤：
2.1，钻探水孔：从所述工作面向下钻2-4个探水孔，测定不同深度时探水孔的涌水量；
2.2，预埋注浆孔孔口管：从所述工作面向下布置16-18个预钻孔，预钻孔的直径为110-120mm、深度为1-1.5m，每个所述预钻孔的起始口距井壁均为0.9-1.5m，每个预钻孔内预埋注浆孔孔口管，所述注浆孔孔口管的露出所述工作面的管口高出所述工作面2.5-3.5m；
2.3，预埋检查孔孔口管：从所述工作面向下钻出2-4个检查孔并预埋检查孔孔口管，所述检查孔孔口管的露出所述工作面的管口高出所述工作面2.5-3.5m；
2.4，浇注止浆垫：然后在所述工作面的上面浇注浆液形成止浆垫；
步骤3，壁后注浆：在所述步骤2中的所述止浆垫凝固后，在所述工作面上方距所述工作面2-3m的井壁上倾斜向下钻16-20个壁后注浆孔，并埋入壁后注浆孔孔口管，然后在壁后注浆孔中进行注浆；
步骤4，工作面预注浆，包括如下步骤：
4.1，止浆垫加固：在步骤3壁后注浆结束且所述止浆垫强度符合要求后，自所述注浆孔孔口管内继续向下钻直径为70-80mm、深度为4-6m的孔并注入浆液，用于对止浆垫进行加固；
4.2，分段注浆：在步骤4.1完成后，进行分段钻孔和分段注浆，直至钻孔至注浆孔的设计深度并完成注浆，其中分段钻孔的标准包括：在所述注浆孔孔口管内继续钻孔，当涌水量≥1.5m3/h时停钻并进行该段注浆孔的注浆；所述分段注浆标准包括：当注入浆液的量达到50-60L/min并且注浆压力达到注浆终压后，继续以同样压力注入水灰比为2:1的稀浆液，20-30min后停止此段注浆孔的注浆；
4.3，完成整个单孔注浆：待4.2完成后，对各个注浆孔进行扫孔至设计深度，若涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔；单孔注浆结束标准包括：每个注浆孔的注浆压力达到注浆终压12MPa或注入量小于30-40L/min时封孔结束此孔的注浆；
4.4，工作面预注浆的检验和补注：采用检验孔法、放水法或者压力成果检验法对工作面预注浆效果进行检验和补注，从而使工作面预注浆满足注浆效果。
2.根据权利要求1所述的注浆堵水方法，其特征在于，所述壁后注浆孔的倾斜角度为70-75°；优选地，所述探水孔的深度为35-45m。
3.根据权利要求1所述的注浆堵水方法，其特征在于，所述预钻孔或所述注浆孔的倾角为80-85°；所述预钻孔在所述工作面上呈圆形等距分布；更优选地，所述注浆孔的设计深度为35-50m。
4.根据权利要求1所述的注浆堵水方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述步骤2.1之前还包括以下步骤：
提升模板：将模板下放至所述工作面并拆除模板底刃角，然后将模板提至距离工作面2-3.5m处；
工作面清理：在挖设集水坑之前，清理所述工作面直到硬底并找平；
挖设集水坑：由所述工作面向下挖设所述集水坑，用于收集所述步骤2中所述探水孔的出水。
5.根据权利要求1所述的注浆堵水方法，其特征在于，当储浆池设置在煤矿立井外时，在所述步骤2和所述步骤4之间还包括以下步骤：
架设输浆管路：所述储浆池连接输浆管的一端，所述输浆管的另一端通过软高压胶管与所述注浆孔孔口管连接，所述储浆池、所述输浆管、软高压胶管和所述注浆孔孔口管形成所述输浆管路；
优选地，在所述软高压胶管与所述注浆孔孔口管之间还设置有混合器。
6.根据权利要求5所述的注浆堵水方法，其特征在于，在所述架设输浆管路步骤中，所述输浆管的承压P通过如下公式计算：
式中：P为输浆管可承受的压力，单位为MPa；
E为接头系数；
S为输浆管的厚度，单位为mm；
D为输浆管的内径，单位mm；
[σ]为设计温度下材料许用应力，单位为MPa。
7.根据权利要求1所述的注浆堵水方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述止浆垫的厚度B通过如下公式计算：B＝P0·r/σ+0.3r；
式中：B为止浆垫的厚度，单位为m；
P0为注浆终压，单位为Mpa；
r为井筒半径，单位为m；
σ为止浆垫混凝土允许抗压强度；
所述注浆终压根据实测注浆孔内出水的静水压力确定，取所述静水压力的2.5倍。
8.根据权利要求1所述的注浆堵水方法，其特征在于，所述检查孔的直径为110-120mm、深度为45-50m，预埋的检查孔孔口管进入钻孔的深度为1-1.5m；优选地，所述检查孔的方向与井筒的中心轴平行。
9.根据权利要求1所述的注浆堵水方法，其特征在于，在所述步骤3和所述步骤4中，
注浆所用的浆液为水泥单液浆，水泥单液浆包括：P.O42.5普通硅酸盐水泥和水，优选还包括三乙醇氨，三乙醇氨的用量为普通硅酸盐水泥重量的0.05％；更优选地水和P.O42.5普通硅酸盐水泥的质量比为1:1；
优选地，所述水泥单液浆的注浆量Q单孔通过如下公式计算：Q单孔＝лRO 2nHc；
式中：RO—为浆液有效扩散半径，单位为m，
n—砂层孔隙率，取0.03-0.08，
H—注浆段高，单位为m，
c—修正系数，取1.1-1.3；
优选地，所述水泥单液浆的水泥消耗量WC为：WC＝(dc×Vg)/(1+dcρ)；
式中：dc—水泥比重，取3，
Vg—水泥浆体积，单位为m3，
ρ—水灰比，取1。
10.根据权利要求1所述的注浆堵水方法，其特征在于，
所述步骤4.2中，所述分段钻孔和分段注浆包括：自所述注浆孔孔口管内向下继续钻孔，涌水量≥1.5m3/h时停钻并注入浆液，当注浆满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；然后继续向下钻孔，涌水量≥1.5m3/h时停钻并注入浆液，当注浆满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；重复上述钻孔和注入浆液的步骤，直至钻孔至设计深度并注入浆液，当最后一段注浆孔的注浆满足分段注浆标准后停止注浆并等待浆液冷凝；
所述步骤4.4中，
所述检验孔法，包括：待步骤4.3完成后，利用不同检查孔对整个工作面的注浆效果进行检测，如果第一个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第一个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；如果第二个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第二个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；如果第三个检查孔的涌水量≥1.5m3/h则注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔，如果第三个检查孔的涌水量未超过1.5m3/h，则直接封孔；
所述放水法，包括：以最后一个未封孔的注浆孔的涌水量计算整个工作面最大涌水量，如果整个工作面最大涌水量超过6m3/h，则需要补打新的注浆孔，继续按照步骤4.2和4.3完成新的注浆孔的分段注浆和整个单孔注浆；如果整个工作面最大涌水量位于1.5-6m3/h之间，则无需补打新的注浆孔，只需对最后一个未封孔的注浆孔注入浆液，直至满足单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔；
所述压力成果检验法，包括：通过压力成果检验注浆效果，当单位吸水率不超过0.5-1L/min·m时，工作面预注浆符合要求，当单位吸水率超过1L/min·m时，则需要通过检查孔注入浆液，直至满足所述单孔注浆结束标准后停止注浆并封孔。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2018
- 2018-05-25 CN CN201810560871.7A patent/CN108952727B/zh active Active
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