CN110424968B - 一种基于锚注防腐措施的井筒加固方法 - Google Patents

一种基于锚注防腐措施的井筒加固方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于锚注防腐措施的井筒加固方法，属于采矿技术领域。该方法根据实际工程问题和力学计算确定锚杆以及锚固型壁座的规格和数量，进而根据井筒加固处治区域确定锚杆位置和锚固型壁座位置，再按照设计要求安装锚杆和锚固型壁座，并通过注浆加固。在安装高压自钻式锚杆和注浆的过程中，可在重要关注区域的锚杆上安装监测设备，以便于实时监测加固效果。在完成高压自钻式锚杆注浆和锚固型壁座的安装以达到主要加固效果后，再在井壁喷涂防腐层以达到进一步防护目的。本发明具有操作简单，成本较低、处治效果好的特点。

Description

一种基于锚注防腐措施的井筒加固方法
技术领域
本发明涉及采矿技术领域，特别是指一种基于锚注防腐措施的井筒加固方法。
背景技术
随着采矿工程技术的不断发展，地下矿山的产量日益增加，不良的工程地质条件、周围工程的施工扰动和器械化生产导致的高负荷运输容易对竖井井筒造成内裂、破碎、掉渣或者直接破坏等严重不良后果，成为矿山安全生产的最大隐患之一。因此，针对工程运营阶段竖井井筒破坏的区域进行加固处治方法研究，对实现矿山安全开采有着重大的现实意义。
井筒在具有合理支护的情况下，一般不易发生破坏和失稳，但随着运营年代的增长，支护层的老化或者有外力扰动时，井筒的支护层和周围区域可能发生局部破坏，若不及时加固处治，甚至可能从局部破坏衍生为更大范围的破坏。因此，对破坏区域进行及时、有效的加固措施至关重要，而由于加固结构设计的不合理和材料力学性能的缺陷，工程中常用的锚喷支护和衬砌支护常常达不到长期、稳定的支护效果。所以，建立一种经济有效的井筒破坏加固方法迫在眉睫。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于锚注防腐措施的井筒加固方法。
该方法包括步骤如下：
S1：针对井筒加固处治区域，选取计算点和计算模型，计算主应力分布，并结合工程经验确定自钻式高压注浆锚杆的规格和数量；
S2：针对井筒加固处治区域，确定不同规格的自钻式高压注浆锚杆以及锚注型壁座结构的位置，钻孔施工并采用高浓度水泥浆对锚杆内部端头进行固结；
S3：在安设自钻式高压注浆锚杆的过程中，在加固处治区域安设应力和位移监测装置，以达到持续性实时监测的目的；
S4：在自钻式高压注浆锚杆和锚注型壁座安设后，自下而上对措施井内圈喷射一层厚度为3～4cm的化学加固防腐喷层。
其中，S1中将井筒周围的岩(土)层视为水平层，再通过计算确定井筒的稳定性。确定井筒的稳定性方法为：计算井筒周围岩(土)层的主应力值，将计算值和主应力的已知值进行比较，即可判断出选取点是否发生了剪切破坏。如果计算的最大主应力小于试验值或者计算的最小主应力大于试验值，表明该点已经被剪坏，反之则没有发生剪切破坏；
S2中锚杆10的间距和排距根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB50086-2015)里的经验公式确定。
S2中特制自钻式高压注浆锚杆的规格有A、B、C三种型号，A型锚杆规格为外径25mm，壁厚6mm，长度3m；B型锚杆(2)规格为：外径25mm，壁厚6mm，长度4.5m；C型锚杆(3)规格为：外径25mm，壁厚6mm，长度6m。
S2中锚注型壁座结构采用交叉锚注与定向修补的方式对已破坏的区域进行加固修补，壁座插筋采用B型锚杆和C型锚杆，其中B型锚杆水平梅花状布置，C型锚杆上下倾斜梅花状布置。
S2中用高浓度水泥浆注浆方式为选用高浓度水泥浆与水泥—水玻璃双液浆交替循环灌注或采用高浓度水泥浆并添加3～5％水玻璃一次性灌注。
S2中注浆施工中，搅拌机安装在作业平台上，通过下料管传送注浆料，下料管固定在井壁上。
S3中应力和位移监测装置包括锚杆测力计、钢筋计和数显收敛计。
S4中喷涂作业时，先通过压缩空气，再启动物料泵，放弃开始时的物料，料液配比正常后方可正式开始喷涂作业。S4中化学加固防腐喷层由高浓度水泥浆和水玻璃制成，高浓度水泥浆和水玻璃的质量比为1:1。
S2中高浓度水泥浆的水灰比为0.5:1。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过特制自钻式高压注浆锚杆、锚注型壁座结构和化学防腐加固喷层的联合作用，具有操作方便、处治效果好等优点。
附图说明
图1为本发明的基于锚注防腐措施的井筒加固方法工艺流程图；
图2为本发明的措施井井筒处治措施空间关系图；
图3为本发明的特制自钻式高压注浆锚杆结构图；
图4为本发明的锚杆平面分布图；
图5为本发明的特制自钻式高压注浆锚杆注浆结构图，其中，(a)为锚杆部件和注浆结构图；(b)为锚头部分出浆口分布图；(c)为杆身部分出浆口分布图；
图6为本发明的矿用锚杆测力计安装示意图；
图7为本发明的监测装置布置点定位图。
其中：1-A型锚杆；2-B型锚杆；3-C型锚杆；4-锚注型壁座结构；5-堵头；6-螺母；7-锚垫板；8-连接套F；9-出浆口；10-自钻式高压注浆锚杆；11-锚杆内部端头；12-高浓度水泥浆；13-锚杆测力计；14-钢筋计；15-数显收敛计；16-钢筋混凝土；17-止浆塞；18-化学加固防腐喷层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于锚注防腐措施的井筒加固方法。
如图1所示，该方法包括步骤如下：
S1：针对井筒加固处治区域，选取计算点和计算模型，计算主应力分布，并结合工程经验确定自钻式高压注浆锚杆的规格和数量；
S2：针对井筒加固处治区域，确定不同规格的自钻式高压注浆锚杆10以及锚注型壁座结构4的位置，钻孔施工并采用高浓度水泥浆12对锚杆内部端头11进行固结；
S3：在安设自钻式高压注浆锚杆10的过程中，在加固处治区域安设应力和位移监测装置，以达到持续性实时监测的目的；
S4：在自钻式高压注浆锚杆和锚注型壁座安设后，自下而上对措施井内圈喷射一层厚度为3～4cm的化学加固防腐喷层18。
在具体应用中，设计S2中锚注型壁座结构4的位置选择在井筒破坏的区域范围内，壁座直径为4m，厚度为250mm，高度为3m的钢制结构，锚注型壁座结构是采用交叉锚注与定向修补的方式对已破坏的区域进行加固修补，壁座插筋采用B型和C型的特制自钻式高压中空注浆锚杆，其中B型锚杆2水平梅花状布置，间距1m，排距2m；C型锚杆3上下倾斜梅花状布置，间距1m，排距1m，倾斜角度为10°。
S3中收敛监测主要作用是在加固区域测定上下0.6m距离内的收敛位移；钢筋计14能够监测破坏区域钢筋的受力状态，先于变形判断整体结构的稳定性，可拉线到井口外进行采集，在破坏区域周围布置6组；锚杆测力计可拉线到井口外进行采集，共布置6组。
下面结合具体实施例予以说明。
以三山岛金矿措施井井筒加固处治为工程背景，介绍一种基于锚注防腐措施的井筒加固方法。三山岛金矿措施井井口以下32～35m范围内的井壁发生严重变形，严重威胁安全生产。
采用本发明对该措施井井筒进行加固处治，其具体步骤如下：
(1)由于竖井井壁的破坏一般都是由于剪切破坏造成的，所以构建措施井抗剪强度计算力学模型，如图2所示。
(2)将措施井周围的十四个岩(土)层都简化为水平岩(土)层，通过粘性土的极限平衡条件(公式1和公式2)来判断岩(土)体是否达到剪切破坏。
Figure BDA0002118109300000041
Figure BDA0002118109300000042
式中，σ1和σ3分别为岩(土)层中某点的最大和最小主应力；c为岩(土)层的粘聚力；
Figure BDA0002118109300000043
为岩(土)层的内摩擦角。在测得上述参数值得情况下，可以将σ1、σ3、c、
Figure BDA0002118109300000044
的值分别代入公式1和公式2的右侧，从而求得主应力的计算值σ1j和σ3j，将计算值已知值进行比较，即可判断出选取点是否发生了剪切破坏。如果σ1j小于σ1或者σ3j大于σ3，表明该点已被剪坏，反之则没有发生剪切破坏；若σ1j等于σ1或者σ3j等于σ3，表明该点处于极限平衡状态。
通过上述计算确定破坏情况后，可根据相关规范中的经验公式计算锚杆支护承载力，进而结合工程类比和工程经验确定锚杆数量和打设方案。
如图3所示，自钻式高压注浆锚杆10一端为锚杆内部端头11，另一端设置锚垫板7，锚垫板7外设置螺母6和堵头5，自钻式高压注浆锚杆10上套有止浆塞17，并设置连接套F8，连接套F8上开有出浆口9。
由于井筒的破坏范围在井口以下32～35m的范围内，根据相关规范和经验公式的计算，结合工程经验，确定的加固处治范围为井口以下50m的范围，其中破坏区域以外的部分打设A型锚杆1，上下16排，共计192根，排距为2m，间距为1m，梅花状下向倾斜布置，倾斜角10°，；破坏区域内使用B型锚杆2和C型锚杆3和锚注型壁座结构4联合作用，锚注型壁座为高度为3m，厚度为250mm的钢结构；B型锚杆2打设7排，共计42根，排距2m，间距1m，梅花状水平布置；C型锚杆3打设12排，共计72根，排距1m，间距1m，梅花状上下倾斜布置，倾斜角度为45°,锚杆平面分布如图4所示；
(3)针对措施井加固处治区域：锚杆施工采用支腿式气动凿岩机钻孔，内部端头注浆锚固，锚杆预紧力不大于60kN。
(4)针对措施井加固处治区域：选用水灰比0.5:1水泥浆与水泥—水玻璃双液浆交替循环灌注时，注浆压力控制在2MPa。采用专用封孔塞封孔，最终形成一个“扩大头”锚固结构，设计锚固力值能够实现持久拉住井壁作用。同时为了保证注浆质量和效果，设置了专门的注浆观测孔2个和水文观测孔1个。
(5)针对措施井加固处治区域：采用高浓度水泥浆12(水灰比0.5:1)并添加3～5％水玻璃注浆方式时，浆液初凝时间控制在2h以内。综合考虑潮汐及海水流动影响，在锚杆钻孔施工完成后，每根锚杆通过出浆口将浆液注入到钻孔内，单次注浆时间控制在2分钟以内，每次注浆间隔时间为1小时，注浆压力达到2Mpa停止注浆，每天最后一个注浆作业应控制在2h浆液初凝时间内，即最后一根锚杆注浆完成在潮汐水来临前2h以内完成；减轻海水动水对注浆效果影响，有效控制注浆扩散范围，提高浆液结石体强度和锚固力。注浆结构如图5所示，自钻式高压注浆锚杆10深入岩层中，穿过钢筋混凝土16，开始注浆。
(6)针对措施井加固处治区域：锚注型壁座结构4是采用交叉锚注与定向修补的方式对已破坏的区域进行加固修补，定向修补区域首先清理原有已腐蚀的钢筋混凝土，并布置双层钢筋，浇筑C25混凝土成型。在综合考虑井筒锚杆施工的前提下，只清理局部区域表面12～15cm的混凝土，能够保证施工过程中的整体安全性。
(7)针对措施井加固处治区域：选取的监测设备的型号是矿用锚杆测力计13、振弦式钢筋应力计14和数显收敛计15。如图6所示，锚杆测力计13安装在锚杆的井壁端，且应该在安装锚杆计的位置通过井壁深凿一定深度，使得锚杆测力计埋于岩(土)层中，避免锚杆测力计13的损坏和其对措施井正常运营的干扰。如图7所示。
(8)针对措施井加固处治区域：在制备化学加固防腐喷层18材料时，移动式制备机自动计量装置应能保证高浓度水泥浆和水玻璃料液配比准确，其误差不应大于4％，开喷前应将设备空运转3-5分钟，确认机械运转安全可靠方能进行试喷。
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，在不脱离本发明所述原理的前提下，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)

1.一种基于锚注防腐措施的井筒加固方法，其特征在于：包括步骤如下：
S1：针对井筒加固处治区域，选取计算点和计算模型，计算主应力分布，并结合工程经验确定自钻式高压注浆锚杆的规格和数量；
S2：针对井筒加固处治区域，确定不同规格的自钻式高压注浆锚杆（10）以及锚注型壁座结构（4）的位置，钻孔施工并采用高浓度水泥浆（12）对锚杆内部端头（11）进行固结；锚注型壁座结构（4）的位置选择在井筒破坏的区域范围内，破坏区域以外的部分打设A型锚杆，上下16排，共计192根，排距为2m，间距为1m，梅花状下向倾斜布置，倾斜角10°；破坏区域内使用B型锚杆和C型锚杆和锚注型壁座结构联合作用，B型锚杆打设7排，共计42根，排距2m，间距1m，梅花状水平布置；C型锚杆打设12排，共计72根，排距1m，间距1m，梅花状上下倾斜布置，倾斜角度为45°；
S3：在安设自钻式高压注浆锚杆（10）的过程中，在加固处治区域安设应力和位移监测装置，以达到持续性实时监测的目的；
S4：在自钻式高压注浆锚杆和锚注型壁座安设后，自下而上对措施井内圈喷射一层厚度为3~4cm的化学加固防腐喷层（18）。
2.根据权利要求1所述的基于锚注防腐措施的井筒加固方法，其特征在于：所述步骤S2中自钻式高压注浆锚杆（10）的规格有A、B、C三种型号，A型锚杆（1）规格为：外径25mm，壁厚6mm，长度3m；B型锚杆（2）规格为：外径25mm，壁厚6mm，长度4.5m；C型锚杆（3）规格为：外径25mm，壁厚6mm，长度6m。
3.根据权利要求2所述的基于锚注防腐措施的井筒加固方法，其特征在于：所述步骤S2中锚注型壁座结构（4）采用交叉锚注与定向修补的方式对已破坏的区域进行加固修补，壁座插筋采用B型锚杆（2）和C型锚杆（3），其中B型锚杆（2）水平梅花状布置，C型锚杆（3）上下倾斜梅花状布置。
4.根据权利要求1所述的基于锚注防腐措施的井筒加固方法，其特征在于：所述步骤S2中用高浓度水泥浆（12）注浆方式为选用高浓度水泥浆（12）与水泥—水玻璃双液浆交替循环灌注或采用高浓度水泥浆（12）并按质量比添加3~5%水玻璃一次性灌注。
5.根据权利要求1所述的基于锚注防腐措施的井筒加固方法，其特征在于：所述步骤S3中应力和位移监测装置包括锚杆测力计（13）、钢筋计（14）和数显收敛计（15）。
6.根据权利要求1所述的基于锚注防腐措施的井筒加固方法，其特征在于：所述步骤S4中化学加固防腐喷层（18）由高浓度水泥浆（12）和水玻璃制成，其中，高浓度水泥浆（12）和水玻璃的质量比为1:1。
7.根据权利要求1所述的基于锚注防腐措施的井筒加固方法，其特征在于：所述步骤S2中高浓度水泥浆（12）的水灰比为0.5:1。
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深部软岩井筒马头门破坏修复治理技术研究;董健涛等;《煤炭工程》;20091231(第2期);第25-27页 *

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