CN109026011B - 巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺 - Google Patents
巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，包括如下步骤:在地面使用水源钻机开孔,钻注浆孔；注浆材料准备；混合式注浆。本发明首先用塑性早强浆液对注浆孔周边张开度更大的结构面或构造带等主导水网络进行充填后，然后并采用混合式注浆方式，在保证施工效率的同时，增加浆液凝固时间；可保证塑性早强浆液有充足的凝固时间增加浆液凝固时间，避免在注浆压力作用下，将未凝固的结石体挤出到设计井筒注浆帷幕外太远，浪费注浆材料；当主导水网络被充填，即注浆压力上升时，再使用黏土水泥浆对次级导水裂隙网络进行充填，形成的永久注浆帷幕，较常规注浆方式节约1/3注浆材料，较计划工期提前1/5。
Description
技术领域
本发明涉及矿山立井井筒建设防治水技术领域。具体地说是巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺。
背景技术
立井井筒施工条件恶劣、难度大，是矿山建设的关键工程，而当其必须穿越富水性较强的含水层时，更是困难重重。近年来，我国发生了多起井筒突水淹井事故，经济损失巨大，因此，矿井建设期间，井筒防治水工作是重中之重。
我国沉积型磷块岩占总储量的70％，尤以震旦系沉积磷矿床规模较大，但震旦系磷块岩矿层赋存于陡山沱组大厚度富水白云岩地层中，且震旦系磷矿岩矿区分布区经历了加里东、华力西、印支轮回等地壳运动影响，尤其是中生代末期，燕山运动强烈褶皱影响，导致灯影组上部岩石破碎岩溶均较发育。构造破碎带成为地下水良好通道，聚集和储存了大量地下水，井筒开凿常常造成突然涌水而形成水害，给矿建期间井筒开掘造成了极大的威胁。以典型的贵州瓮安老虎洞磷矿、湖北宜昌黑良山磷矿矿井建设为例，多个矿井井筒在开掘过程中出现涌水量过大甚至突水淹井的事故。
地面预注浆技术是利用布置在井筒周围的注浆钻孔，并用注浆泵泵送的可凝结注浆材料实现对井筒含水层堵水并对破碎带围岩进行永久加固的注浆技术。目前井筒地面预注浆技术在“大溶蚀裂隙带型”白云岩地层注浆时存在浆液超扩散现象严重，注浆材料仅沿主导水裂隙网络扩散，而钻孔周边岩体整体裂隙充填率很低，大量注浆材料被泵入设计注浆帷幕范围外。因此，常规注浆工艺各注浆段注入大量浆液也难以达到注浆结束标准，浪费大量注浆材料，形不成有效注浆帷幕，达不到注浆效果，使得井筒防治水费用大幅度增长；且由于各注浆段注浆次数5次以上，仍难以达到结束标准，导致施工工期严重滞后。随着我国磷矿开采逐步由露天矿转入井工开采，磷矿区井筒建设越来越多。因此，地面预注浆技术应用于巨厚白云岩急需一种控制井筒帷幕注浆的范围，避免浪费的注浆工艺。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，包括如下步骤:
(1)在地面使用水源钻机开孔,钻注浆孔；
(2)注浆材料准备；
(3)混合式注浆。
上述巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，在步骤(1)中，所述注浆孔为均匀分布在立井井筒的6个注浆孔，每个注浆孔的净直径为6m，注浆孔的圆心距离立井井筒的圆心为8-10米。
上述巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，其特征在于，在步骤(1)中，所述注浆孔包括套管段和注浆段,注浆段位于巨厚富水灯影组白云岩层,注浆段上端至地面为套管段；所述套管段开孔孔径为钻机钻进至稳定基岩下后，放入的套管，并用水泥浆固定套管；所述注浆段开孔孔径为的裸孔；所述注浆段由上及下依次为第一注浆分段、第二注浆分段……第n注浆分段，n≥3，第m注浆分段的段高为40-60m，n≥m≥1。
上述巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，在步骤(2)中，所述注浆材料为塑性早强浆和/或黏土水泥浆。
上述巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，所述塑性早强浆为PO.42.5普通硅酸盐水泥、水和复合添加剂组成的混合物；所述复合添加剂为硅溶胶和三乙醇胺，所述硅溶胶为碱性硅溶胶、pH值为9-10，硅溶胶的粒径为10-20nm；塑性早强浆的制备方法如下：PO.42.5普通硅酸盐水泥和水按质量比1:1混合均匀，然后加入复合添加剂，混合均匀，硅溶胶的添加量为PO.42.5普通硅酸盐水泥质量的1-3wt％，三乙醇胺的添加量为PO.42.5普通硅酸盐水泥质量的0.04-0.06wt％。
上述巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，所述黏土水泥浆为黏土原浆、PO.42.5普通硅酸盐水泥和水玻璃组成的混合物；所述黏土原浆为水和黏土颗粒的混合液，黏土原浆的比重为1.10-1.25，所述黏土颗粒的粒度级配为：粒度大于0mm且小于或等于0.005mm的黏土超过黏土总量的60wt％，其余为粒度大于0.005mm且小于或等于2mm的黏土；所述水玻璃的模数为2.8-3.2，所述水玻璃的浓度为38-42波美度；
黏土原浆的制备方法为：采用高压泵水射流水化黏土，并结合制浆机磨细黏土颗粒制备而成；
黏土水泥浆中各组分组成为：黏土原浆、PO.42.5普通硅酸盐水泥、水玻璃按照质量比为1:0.18:0.025配制。
上述巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，在步骤(3)中，所述混合式注浆方法以由上及下相邻的三个注浆分段为一组注浆分段进行混合注浆：
(3-1)第一注浆分段钻孔结束后，对第一注浆分段进行下行式注浆；
(3-2)第一注浆分段单次注浆量控制在100m3，第一注浆分段累计注浆量200m3后，若第一注浆分段注浆压力无明显提高时，则进行第二注浆分段的钻进工作和第二注浆分段的注浆工作；第二注浆分段注浆时，用KWS止浆塞置于第一注浆分段底部止浆；
(3-3)第二注浆分段单次注浆量控制在100m3，第二注浆分段累计注浆量200m3后，若第二注浆分段注浆压力无明显提高时，则对第一注浆分段进行上行式复注，用KWS止浆塞置于套管底口止浆；
(3-3)第一注浆分段上行式复注结束后，对第二注浆分段进行上行式复注，若第二注浆分段单次注浆量控制在100m3，第二注浆分段累计注浆量200m3后，注浆压力无明显提高时，则进行第三注浆分段的钻进工作和第三注浆分段的注浆工作；第三注浆分段注浆时，用KWS止浆塞置于第二注浆分段底部止浆；
(3-4)第三注浆分段第一次注浆结束后，再对第二注浆分段或第一注浆分段进行上行式复注，然后再对第三注浆分段进行上行式复注，直至注浆压力达到2.5倍静水压力时，则可结束第一注浆分段、第二注浆分段和第三注浆分段的注浆；
(3-5)当一组注浆分段注浆全部结束，再进行下一组注浆分段的钻进，重复步骤(3-1)至步骤(3-4)完成立井井筒周围巨厚富水灯影组白云岩层的注浆。
上述巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，所注浆材料的选择为：当透水率q＞10Lu时，先用塑性早强浆进行下形式注浆；当注浆压力达到1.5倍的静水压力时，改用黏土水泥浆进行下形式注浆。
上述巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，在步骤(3)中，开始注浆的位置为距离待注浆富水白云岩层位上方8-10m处，注浆终止位置为距离待注浆富水白云岩层位下方8-10m处。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
本发明首先用塑性早强浆液对注浆孔周边张开度更大的结构面或构造带等主导水网络进行充填后，然后并采用混合式注浆方式，在保证施工效率的同时，增加浆液凝固时间；可保证塑性早强浆液有充足的凝固时间增加浆液凝固时间，避免在注浆压力作用下，将未凝固的结石体挤出到设计井筒注浆帷幕外太远，浪费注浆材料；当主导水网络被充填，即注浆压力上升时，再使用黏土水泥浆对次级导水裂隙网络进行充填，形成的永久注浆帷幕。
在立井井筒掘进至富水白云岩含水层之前，利用注浆材料凝结固化形成的永久注浆帷幕，实现富水含水层“打干井”凿井作业，保障了井筒建设，该注浆工艺在贵州老虎洞磷矿回风井井筒地面预注浆工业性试验中成功应用，较常规注浆方式节约1/3注浆材料，较计划工期提前1/5，井筒注浆后压水试验检测，压水试验吕荣值小于0.3，井筒涌水量小于6m3/h，可在井筒荒半径外一定范围内形成止水帷幕，实现立井井筒安全、经济凿井掘进作业，有重要的应用价值和推广价值。
附图说明
图1本发明巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺的井筒地面预注浆技术剖面结构示意图；
图2本发明巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺的井筒地面预注浆设计帷幕结构示意图；
图3本发明巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺的混合式注浆工艺流程图。
图中附图标记表示为：1-立井井筒；2-钻塔；3-套管段；4-注浆段；5-注浆开始位置；6-注浆结束位置；7-待注浆富水白云岩层；8-钻孔；9-注浆帷幕。
具体实施方式
本实施例为巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺在贵州老虎洞磷矿回风井井筒地面预注浆的试验，包括如下步骤:
(1)在地面使用水源钻机开孔,钻注浆孔；
在步骤(1)中，所述注浆孔为均匀分布在立井井筒的6个注浆孔，注浆孔的圆心距离立井井筒的圆心为8米。如图1和图2所示。
在步骤(1)中，所述注浆孔包括套管段和注浆段,注浆段位于巨厚富水灯影组白云岩层,注浆段上端至地面为套管段；所述套管段开孔孔径为钻机钻进至稳定基岩下后，放入的套管，并用水泥浆固定套管；所述注浆段开孔孔径为的裸孔；根据检查孔地质剖面图及相应地质报告，将巨厚富水灯影组白云岩层的注浆段由上及下依次为第一注浆分段、第二注浆分段……第n注浆分段，n≥3，第m注浆分段的段高为40-60m，n≥m≥1。
(2)注浆材料准备；
在步骤(2)中，所述注浆材料为塑性早强浆和/或黏土水泥浆。
所述塑性早强浆为PO.42.5普通硅酸盐水泥、水和复合添加剂组成的混合物；所述复合添加剂为硅溶胶和三乙醇胺，所述硅溶胶为碱性硅溶胶、pH值为9-10，硅溶胶的粒径为10-20nm；塑性早强浆的制备方法如下：PO.42.5普通硅酸盐水泥和水按质量比1:1混合均匀，然后加入复合添加剂，混合均匀，硅溶胶的添加量为PO.42.5普通硅酸盐水泥质量的2wt％，三乙醇胺的添加量为PO.42.5普通硅酸盐水泥质量的0.05wt％。塑性早强浆具有优良的悬浮稳定性，适合大段高注浆；塑性强度增长快，塑性强度是表征浆液在凝固过程中塑性凝结体的抗剪切能力，塑性强度增长快可保证在水压力作用下浆液不被水冲走或挤出，影响注浆效果。浆液塑性强度测试表见表1。。
表1塑性强度随时间变化表
复合添加剂改善浆液的流变特征，黏土增长快，浆液扩散距离可控，黏土增长见表2。
表2塑性早强浆液表观黏度随时间变化表
所述黏土水泥浆为黏土原浆、PO.42.5普通硅酸盐水泥和水玻璃组成的混合物；所述黏土原浆为水和黏土颗粒的混合液，黏土原浆的比重为1.10-1.25，所述黏土颗粒的粒度级配为：粒度大于0mm且小于或等于0.005mm的黏土为黏土总量的70wt％，其余为粒度大于0.005mm且小于或等于2mm的黏土；所述水玻璃的模数为2.8-3.2，所述水玻璃的浓度为38-42波美度；
黏土原浆的制备方法为：采用高压泵水射流水化黏土，并结合制浆机磨细黏土颗粒制备而成；
黏土水泥浆中各组分组成为：黏土原浆、PO.42.5普通硅酸盐水泥、水玻璃按照质量比为1:0.18:0.025配制。
(3)混合式注浆。
如图3所示，在步骤(3)中，所述混合式注浆方法以由上及下相邻的三个注浆分段为一组注浆分段进行混合注浆：
(3-1)第一注浆分段钻孔结束后，对第一注浆分段进行下行式注浆；
(3-2)第一注浆分段单次注浆量控制在100m3，第一注浆分段累计注浆量200m3后，若第一注浆分段注浆压力无明显提高时，则进行第二注浆分段的钻进工作和第二注浆分段的注浆工作；第二注浆分段注浆时，用KWS止浆塞置于第一注浆分段底部止浆；
(3-3)第二注浆分段单次注浆量控制在100m3，第二注浆分段累计注浆量200m3后，若第二注浆分段注浆压力无明显提高时，则对第一注浆分段进行上行式复注，用KWS止浆塞置于套管底口止浆；
(3-3)第一注浆分段上行式复注结束后，对第二注浆分段进行上行式复注，若第二注浆分段单次注浆量控制在100m3，第二注浆分段累计注浆量200m3后，注浆压力无明显提高时，则进行第三注浆分段的钻进工作和第三注浆分段的注浆工作；第三注浆分段注浆时，用KWS止浆塞置于第二注浆分段底部止浆；
(3-4)第三注浆分段第一次注浆结束后，再对第二注浆分段或第一注浆分段进行上行式复注，然后再对第三注浆分段进行上行式复注，直至注浆压力达到2.5倍静水压力时，则可结束第一注浆分段、第二注浆分段和第三注浆分段的注浆；
(3-5)当一组注浆分段注浆全部结束，再进行下一组注浆分段的钻进，重复步骤(3-1)至步骤(3-4)完成立井井筒周围巨厚富水灯影组白云岩层的注浆。
开始注浆的位置为距离待注浆富水白云岩层位上方10米处，注浆终止位置为距离待注浆富水白云岩层位下方10米处。
在步骤(3-1)至步骤(3-5)中，所注浆材料的选择为，根据各注浆分段压水试验，计算该注浆分段的透水率，当透水率q＞10Lu时，先用塑性早强浆进行注浆，利用其起始粘度高，粘度增长快，扩散距离可控的特点，先封堵主导水裂隙网络(张开度大裂隙或破碎带)；当注浆压力达到1.5倍的静水压力时，改用黏土水泥浆进行注浆，利用其渗透性能好的特点，对次级导水裂隙网络及微小裂隙进行封堵，结合步骤(3-1)至步骤(3-5)的混合式注浆方法，当注浆压力达到2.5倍静水压力时，可结束该分段的注浆。
如图2所示，步骤3中的混合式注浆方法，可以保证施工效率，同时还可增加了第一注浆分段的间歇时间，可保证浆液有充足的凝固时间增加浆液凝固时间，注浆材料凝结时间在48h以上，避免在注浆压力作用下，将未凝固的结石体挤出到设计井筒注浆帷幕外太远，避免单次注浆量过大，浪费注浆材料；当主导水网络被充填，即注浆压力上升时，再使用黏土水泥浆对次级导水裂隙网络进行充填。
在立井井筒掘进至富水白云岩含水层之前，利用注浆材料凝结固化形成的永久注浆帷幕，实现富水含水层“打干井”凿井作业，保障了井筒建设。采用本发明的巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺较常规注浆方式节约1/3注浆材料，较计划工期提前1/5。根据贵州老虎洞磷矿回风井井筒注浆后压水试验检测，压水试验透水率小于0.3Lu，井筒涌水量小于6m3/h，可实现安全凿井作业。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (6)
1.巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，其特征在于，包括如下步骤:
(1)在地面使用水源钻机开孔,钻注浆孔；在步骤(1)中，所述注浆孔包括套管段和注浆段,注浆段位于巨厚富水灯影组白云岩层,注浆段上端至地面为套管段；所述套管段开孔孔径为钻机钻进至稳定基岩下后，放入的套管，并用水泥浆固定套管；所述注浆段开孔孔径为的裸孔；所述注浆段由上及下依次为第一注浆分段、第二注浆分段……第n注浆分段，n≥3，第m注浆分段的段高为40-60m，n≥m≥1；
(2)注浆材料准备；在步骤(2)中，所述注浆材料为塑性早强浆和/或黏土水泥浆；
(3)混合式注浆：在步骤(3)中，所述混合式注浆方法以由上及下相邻的三个注浆分段为一组注浆分段进行混合注浆：
(3-1)第一注浆分段钻孔结束后，对第一注浆分段进行下行式注浆；
(3-2)第一注浆分段单次注浆量控制在100m3，第一注浆分段累计注浆量200m3后，若第一注浆分段注浆压力无明显提高时，则进行第二注浆分段的钻进工作和第二注浆分段的注浆工作；第二注浆分段注浆时，用KWS止浆塞置于第一注浆分段底部止浆；
(3-3)第二注浆分段单次注浆量控制在100m3，第二注浆分段累计注浆量200m3后，若第二注浆分段注浆压力无明显提高时，则对第一注浆分段进行上行式复注，用KWS止浆塞置于套管底口止浆；
(3-4)第一注浆分段上行式复注结束后，对第二注浆分段进行上行式复注，若第二注浆分段单次注浆量控制在100m3，第二注浆分段累计注浆量200m3后，注浆压力无明显提高时，则进行第三注浆分段的钻进工作和第三注浆分段的注浆工作；第三注浆分段注浆时，用KWS止浆塞置于第二注浆分段底部止浆；
(3-5)第三注浆分段第一次注浆结束后，再对第二注浆分段或第一注浆分段进行上行式复注，然后再对第三注浆分段进行上行式复注，直至注浆压力达到2.5倍静水压力时，则可结束第一注浆分段、第二注浆分段和第三注浆分段的注浆；
(3-6)当一组注浆分段注浆全部结束，再进行下一组注浆分段的钻进，重复步骤(3-1)至步骤(3-5)完成立井井筒周围巨厚富水灯影组白云岩层的注浆。
2.根据权利要求1所述的巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，其特征在于，在步骤(1)中，所述注浆孔为均匀分布在立井井筒周围的6个注浆孔，注浆孔的圆心距离立井井筒的圆心为8-10米。
3.根据权利要求1所述的巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，其特征在于，所述塑性早强浆为P.O 42.5普通硅酸盐水泥、水和复合添加剂组成的混合物；所述复合添加剂为硅溶胶和三乙醇胺，所述硅溶胶为碱性硅溶胶、pH值为9-10，硅溶胶的粒径为10-20nm；塑性早强浆的制备方法如下：P.O 42.5普通硅酸盐水泥和水按质量比1:1混合均匀，然后加入复合添加剂，混合均匀，硅溶胶的添加量为P.O 42.5普通硅酸盐水泥质量的1-3wt％，三乙醇胺的添加量为P.O 42.5普通硅酸盐水泥质量的0.04-0.06wt％。
4.根据权利要求1所述的巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，其特征在于，所述黏土水泥浆为黏土原浆、P.O 42.5普通硅酸盐水泥和水玻璃组成的混合物；所述黏土原浆为水和黏土颗粒的混合液，黏土原浆的比重为1.10-1.25，所述黏土颗粒的粒度级配为：粒度大于0mm且小于或等于0.005mm的黏土超过黏土总量的60wt％，其余为粒度大于0.005mm且小于或等于2mm的黏土；所述水玻璃的模数为2.8-3.2，所述水玻璃的浓度为38-42 波美度；
黏土原浆的制备方法为：采用高压泵水射流水化黏土，并结合制浆机磨细黏土颗粒制备而成；
黏土水泥浆中各组分组成为：黏土原浆、P.O 42.5普通硅酸盐水泥、水玻璃按照质量比为1:0.18:0.025配制。
5.根据权利要求1所述的巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，其特征在于，所注浆材料的选择为：当透水率q＞10Lu时，先用塑性早强浆进行注浆；当注浆压力达到1.5倍的静水压力时，改用黏土水泥浆进行注浆。
6.根据权利要求1所述的巨厚富水灯影组白云岩立井井筒止水帷幕控制注浆工艺，其特征在于，在步骤(3)中，开始注浆的位置为距离待注浆富水白云岩层位上方8-10m处，注浆终止位置为距离待注浆富水白云岩层位下方8-10m处。
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