CN109209287B - 一种立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法 - Google Patents
一种立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，在立井井筒掘进工作面浇灌混凝土止浆垫层，先在止浆垫层上、沿立井井筒同心圆周开始施工钻孔初始段，然后在钻孔孔口位置安装孔口管，通过孔口管继续施工钻孔至注浆深度位置，接着在孔口管上安装法兰盘，通过法兰盘连接高压注浆软管及注浆设备，先采用重力灌浆方式对孔口管进行封孔和固定，再采用水泥浆液将孔口管与钻孔间的空间充填密实。本发明通过分段钻孔注浆，可避免在井筒狭小的空间内施工多个注浆孔，大幅度降低了注浆孔的数量，提高了钻孔效率和缩短了建井工期；通过渗透和压密及劈裂交替循环注浆技术，提高了注浆堵水与加固破碎围岩体的可靠性，保障了井筒高效安全地穿过断层。
Description
技术领域
本发明涉及矿山井筒掘进技术领域，尤其涉及一种立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，对矿产资源需求日益增大，深井矿山等地下工程建设正向地质条件复杂多变，工程建设向难度高的地域延伸和转移。特别是我国多数矿山井田在井筒建设期间遇到含水层多且含水量大，井内涌水量大等问题，严重影响了井筒工程的施工速度和质量，甚至发生突然性涌水淹没矿井的事故，造成了重大的经济损失和人员伤亡事故。因此，妥善处理好井筒涌水问题，是立井施工的重要工作。软弱介质充填断层破碎带是井筒建设中经常遭遇的不良地质，在地下水及开挖扰动作用下，极易发生软弱介质的结构破坏，形成导水通道而引发突水突泥、坍塌失稳及地表沉降等地质灾害，是井筒建设中的主要灾害源。井筒围岩变形的空间分布受断层控制作用明显，依靠常规的施工方法和支护技术，很难克服井筒开挖期的冒顶、突水等地质灾害和运行期大变形引起的支护结构失稳破坏。
注浆技术是封堵地下水和加固破碎围岩体的有效途径，广泛应用于软弱介质充填断层的灾害治理中。一般而言，通过注浆孔向断层内注入起充填胶结作用的浆液，待浆液渗透或劈裂扩散、凝结、硬化后，浆液固结体可在断层中起骨架作用，从而在井筒掘进轮廓周边形成一定厚度的加固堵水注浆帷幕，起到止水及承受地层荷载的作用，达到注浆加固和堵水的目的，为井筒安全穿过断层提供了保障。但当井筒掘进时遇到大倾角断层时，井筒有较长一段范围都在断层内，若采用常规的帷幕注浆施工方法，需在井筒狭小的空间内施工大量的注浆孔，且钻孔长度长，重复钻孔率高，钻孔工程量大，钻孔易偏斜甚至塌孔，造成井筒施工工期长、工程造价高等。因此，急需探索合理的立井井筒过大倾角断层帷幕注浆施工技术。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的井筒过大倾角断层注浆孔多、造孔工程量大、注浆效果差的技术难题，本发明提供一种立井井筒高效与安全穿过大倾角断层的帷幕注浆方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，在立井井筒掘进工作面浇灌混凝土止浆垫层，首先在止浆垫层上、沿立井井筒同心圆周开始施工钻孔初始段，然后在钻孔孔口位置安装孔口管，通过孔口管继续施工钻孔至注浆深度位置，接着在孔口管上安装法兰盘，通过法兰盘连接高压注浆软管及注浆设备，先采用重力灌浆方式对孔口管进行封孔和固定，再采用水泥浆液将孔口管与钻孔间的空间充填密实。
本案在实施过程中，需要在钻孔孔口位置安装孔口管，可以方便使用钻机进行继续钻孔，防止破碎区内钻孔塌孔，保证钻进效率；同时采用法兰盘连接高压注浆软管及注浆设备进行注浆固管，可以有效实施注浆作业。
优选的，对立井井筒掘进工作面在深度上进行分段施工，每个分段的底面间距为20～40m，止浆垫层施工在每个分段的底面上，上一个浅深度的分段施工完成后，施工下一个深度分段；每一段的施工过程中，先进行立井井筒的掘进，达到当前分段的底面时，进行井壁和止浆垫层浇筑，然后施工钻孔和注浆，完成当前分段的施工。
优选的，每一个分段上，钻孔开始施工位置对应的立井井筒的同心圆周不同，上一个浅深度分段对应的同心圆周半径大于下一个深度的同心圆周半径。
优选的，上一个浅深度分段施工的钻孔，对应的孔底落底位置低于相邻下一深度分段的底面位置。
优选的，所述钻孔的径向倾斜度(钻孔与井筒中心竖线的夹角)为80～85°，切向角度(钻孔轨迹线任一点切线在水平面的投影与子午线指北方向顺时针旋转方向的夹角)为110～120°，保证注浆孔的孔底落在井筒开挖轮廓线(井壁)外5～10m范围内。
优选的，对同一个分段，沿顺时针或逆时针方向(一般采用顺时针方向)对所有钻孔进行连续编号，先从小到大对单号钻孔进行扫孔和注浆，然后从小到大对双号钻孔进行扫孔和注浆。每个钻孔完成封孔和封缝施工后再进行下一个钻孔的封孔和封缝施工。
优选的，单号钻孔和双号钻孔的主要注浆方式和注浆材料不同：
单号钻孔以渗透和压密注浆为主，注浆所用材料为水泥-水玻璃单液浆，水泥使用普通硅酸盐水泥，水泥标号为P.O.32.5～42.5，水灰比为0.6～0.8，水玻璃的掺量为水泥用量的3～5％，注浆压力为10～20MPa；
双号钻孔以劈裂注浆为主，注浆所用材料为超细水泥浆液，其最大粒径不超过30μm，其表面积为800～1000m/kg；水灰比为0.6～0.8，分散剂的掺量为超细水泥质量的10～15％，并采用高速搅拌机搅拌；注浆压力为20～30MPa。
优选的，通过法兰盘向钻孔注浆时，首先采用重力灌浆方式对孔口管进行封孔和固定，灌浆材料为重量比为1:1:0.4的水泥、砂、水混合物；然后再采用水泥浆液将孔口管与钻孔间的空间充填密实，此时采用低压渗透充填注浆，注浆压力比静水压力高1～2MPa。
优选的，钻孔初始段的长度为3～5m，安装的孔口管直径为100～130mm，长度为3～5m，孔口管突出钻孔一定距离。
优选的，对同一个分段，相邻钻孔的孔口间距为0.7～0.9m。
有益效果：本发明提供的立井井筒高效与安全穿过大倾角断层的帷幕注浆方法，相对于现有技术，具有如下优势：
1、在本发明所述技术方案中，首先将待穿过断层井筒位置分成多个段高，注浆孔分为多个序列，每一序注浆孔钻孔施工到预先设计的位置，待注浆完成后进行该水平段高的井筒掘进与井壁浇筑工作，然后再依次施工下一序注浆孔的钻孔施工与注浆工作及井筒掘进与井壁浇筑，直至井筒穿过断层为止。故本发明适用于井筒过大倾角断层注浆帷幕施工方法，且所需的注浆孔数量少，可提高钻孔效率和缩短建井工期。
2、在本发明所述技术方案中，同一序单号注浆孔所注浆液为水泥-水玻璃单液浆，以渗透注浆和压密注浆为主；双号注浆孔所注浆液为超细水泥浆液，以劈裂和渗透注浆为主。在现场施工时，先施工单号注浆孔，待单号注浆孔施工与注浆工作完成后再施工双号注浆孔。一方面，可使双号注浆孔起到检验单号注浆孔注浆堵水效果的作用；另一方面，超细水泥的可注性好，双号注浆孔注浆后可加强对井筒的注浆堵水效果。
3、在本发明所述技术方案中，每一序注浆孔的孔底落点距井筒开挖轮廓线(井壁)外5～10m，使得井筒注浆堵水与破碎围岩体的加固范围相对较大，可有效地阻断断层的水源补给与加固断层对井筒影响范围内的破碎围岩体，可保障井筒高效安全地穿过断层，是一种行之有效的施工方法。
附图说明
图1为实施例中的钻孔孔口位置平面示意图；
图2为序列Ⅰ的钻孔水平俯视示意图；
图3为序列Ⅱ的钻孔水平俯视示意图；
图4为序列Ⅲ的钻孔水平俯视示意图；
图5为序列Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在纵向深度(注浆段高)上的施工位置的对照图；
图中包括：
Ⅰ:1：分段Ⅰ的钻孔孔口位置圆；Ⅰ:2：分段Ⅰ的止浆垫层；Ⅰ:3：分段Ⅰ的钻孔(注浆孔)；Ⅰ:4：分段Ⅰ的钻孔孔底落底位置；
Ⅱ:1：分段Ⅰ的钻孔孔口位置圆；Ⅱ:2：分段Ⅰ的止浆垫层；Ⅱ:3：分段Ⅰ的钻孔(注浆孔)；Ⅱ:4：分段Ⅰ的钻孔孔底落底位置；
Ⅲ:1：分段Ⅰ的钻孔孔口位置圆；Ⅲ:2：分段Ⅰ的止浆垫层；Ⅲ:3：分段Ⅰ的钻孔(注浆孔)；Ⅲ:4：分段Ⅰ的钻孔孔底落底位置；
5-井壁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，对立井井筒掘进工作面在深度上进行分段施工，每个分段的底面间距为20～40m，止浆垫层施工在每个分段的底面上，上一个浅深度的分段施工完成后，施工下一个深度分段；每一段的施工过程中，先进行立井井筒的掘进，达到当前分段的底面时，进行井壁和止浆垫层浇筑，然后施工钻孔和注浆，完成当前分段的施工。对于每一个分段，需要在立井井筒掘进工作面浇灌混凝土止浆垫层，首先在止浆垫层上、沿立井井筒同心圆周开始施工钻孔初始段，然后在钻孔孔口位置安装孔口管，通过孔口管继续施工钻孔至注浆深度位置，接着在孔口管上安装法兰盘，通过法兰盘连接高压注浆软管及注浆设备，先采用重力灌浆方式对孔口管进行封孔和固定，再采用水泥浆液将孔口管与钻孔间的空间充填密实。
本实施例给出一个三分段的实施案例，具体实施过程如下：
步骤一：将根据待施工井筒深度，将井筒全深度分为3个分段，每个分段的高度为20～40m；
步骤二：施工序列Ⅰ的分段，首先在井筒内施工分段Ⅰ的止浆垫层Ⅰ:2，然后施工分段Ⅰ的钻孔Ⅰ:3，安装孔口管、法兰盘和注浆阀门；钻孔的孔口间距为0.7～0.9m，径向倾角为80～85°，切线角为110～120°；孔口管直径为100～130mm、长度为3～5m，孔口管外露200～300mm；注浆时通过外接的变变径管与高压注浆软管相连。
进行单号注浆孔的扫孔和注浆(Ⅰ-1→Ⅰ-3→Ⅰ-5→Ⅰ-7→Ⅰ-9)，扫孔深度到设计位置，所注浆液为水泥-水玻璃单液浆，以渗透注浆和压密注浆为主，注浆压力为10～20MPa。待Ⅰ序单号注浆孔注浆完成后，再进行双号孔的扫孔和注浆(Ⅰ-2→Ⅰ-4→Ⅰ-6→Ⅰ-8→Ⅰ-10)，扫孔深度到设计位置，所注浆液为超细水泥浆液，以劈裂注浆为主，注浆压力为20～30MPa。
步骤三：施工完成序列Ⅰ的分段后，继续掘进井筒至设计位置，然后进行井壁浇筑和止浆垫层浇筑，重复步骤二的施工过程，施工完成序列Ⅱ-的分段。序列Ⅱ-的分段中，注浆顺序：单号Ⅱ-1→Ⅱ-3→Ⅱ-5→Ⅱ-7→Ⅱ-9→Ⅱ-11→Ⅱ-13→Ⅱ-15→Ⅱ-17；双号Ⅱ-2→Ⅱ-4→Ⅱ-6→Ⅱ-8→Ⅱ-10→Ⅱ-12→Ⅱ-14→Ⅱ-16→Ⅱ-18。
步骤四：施工完成序列Ⅱ的分段后，继续掘进井筒至设计位置，然后进行井壁浇筑和止浆垫层浇筑，重复步骤三的施工过程，施工完成序列Ⅲ-的分段。序列Ⅲ-的分段中，注浆顺序：单号Ⅲ-1→Ⅲ-3→Ⅲ-5→Ⅲ-7；双号：Ⅲ-2→Ⅲ-4→Ⅲ-6→Ⅲ-8。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，其特征在于：在立井井筒掘进工作面浇灌混凝土止浆垫层，首先在止浆垫层上、沿立井井筒同心圆周开始施工钻孔初始段，然后在钻孔孔口位置安装孔口管，通过孔口管继续施工钻孔至注浆深度位置，接着在孔口管上安装法兰盘，通过法兰盘连接高压注浆软管及注浆设备，先采用重力灌浆方式对孔口管进行封孔和固定，再采用水泥浆液将孔口管与钻孔间的空间充填密实；
对立井井筒掘进工作面在深度上进行分段施工，每个分段的底面间距为20～40m，止浆垫层施工在每个分段的底面上，上一个浅深度的分段施工完成后，施工下一个深度分段；每一段的施工过程中，先进行立井井筒的掘进，达到当前分段的底面时，进行井壁和止浆垫层浇筑，然后施工钻孔和注浆，完成当前分段的施工；
对同一个分段，沿顺时针或逆时针方向对所有钻孔进行连续编号，先从小到大对单号钻孔进行扫孔和注浆，然后从小到大对双号钻孔进行扫孔和注浆；单号钻孔和双号钻孔的主要注浆方式和注浆材料不同：
单号钻孔以渗透和压密注浆为主，注浆所用材料为水泥-水玻璃单液浆，水泥使用普通硅酸盐水泥，水泥标号为P.O.32.5～42.5，水灰比为0.6～0.8，水玻璃的掺量为水泥用量的3～5％，注浆压力为10～20MPa；
双号钻孔以劈裂注浆为主，注浆所用材料为超细水泥浆液，其最大粒径不超过30μm，其表面积为800～1000m/kg；水灰比为0.6～0.8，分散剂的掺量为超细水泥质量的10～15％，并采用高速搅拌机搅拌；注浆压力为20～30MPa。
2.根据权利要求1所述的立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，其特征在于：每一个分段上，钻孔开始施工位置对应的立井井筒的同心圆周不同，上一个浅深度分段对应的同心圆周半径大于下一个深度的同心圆周半径。
3.根据权利要求1所述的立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，其特征在于：上一个浅深度分段施工的钻孔，对应的孔底落底位置低于相邻下一深度分段的底面位置。
4.根据权利要求1所述的立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，其特征在于：所述钻孔的径向倾斜度为80～85°，切向角度为110～120°，保证注浆孔的孔底落在井筒开挖轮廓线外5～10m范围内。
5.根据权利要求1所述的立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，其特征在于：通过法兰盘向钻孔注浆时，首先采用重力灌浆方式对孔口管进行封孔和固定，灌浆材料为重量比为1:1:0.4的水泥、砂、水混合物；然后再采用水泥浆液将孔口管与钻孔间的空间充填密实，此时采用低压渗透充填注浆，注浆压力比静水压力高1～2MPa。
6.根据权利要求1所述的立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，其特征在于：钻孔初始段的长度为3～5m，安装的孔口管直径为100～130mm，长度为3～5m，孔口管突出钻孔一定距离。
7.根据权利要求1所述的立井井筒过大倾角断层工作面分段帷幕注浆施工方法，其特征在于：对同一个分段，相邻钻孔的孔口间距为0.7～0.9m。
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