安措井工程水害治理研究与施工.docx
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安措井工程水害治理研究与施工
安措井工程水害治理研究与施工
Researchontreatmentofwaterburstandwaterproofingworkinthesafetyshaft
张玉涛(招金矿业股份有限公司,山东招远265400)
摘要:
通过对安措井工程注浆堵水施工的介绍,阐述了注浆堵水的几种施工工艺及注浆过程中的一些问题,并浅谈了自己的看法。
关键词:
注浆堵水;注浆材料;静压抛注;壁后注浆;锚喷治水支护;BR型材料
Abstract:
Throughtheintroduceofcementationandgroutingmethodforshaftdevelopment,thepaperstatesseveralconstructiontechnologyofslipcastingandquestionscomingacross,andgiveshisview.
Keywords:
grouting;injectingpastematerial;slipcastingonwaterbottombed;backfillinginjection;waterproofingshotcreteandrockbolt;BRwater-repellentagent
1前言
注浆堵水是的一门综合科学。
既要了解地质水文,又要懂得工程、材料、施工方面的相关知识,只有做到勘测、设计、选材、施工准确可靠,工序协调有效,才能取得注浆堵水的胜利。
安措井工程井下地质条件差、涌水量大,对井巷施工极为不利。
竖井及巷道施工过程中均遇断裂破碎带,区域涌水量大压力高,单孔最大水量超过100m3/h,压力与工程施工深度成正比,从1MPa到4MPa变化,给施工带来了一定困难。
建设方与施工单位积极展开涌水治理研究,通过静压抛注、壁后注浆、巷道预注浆、锚喷治水支护等措施,确保了工程的顺利进展。
多年堵水封漏实践的积攒和对注浆堵水的不断认识、探索、研究,积累了一些宝贵经验,供大家参考。
2国内主要施工方法及材料
水害治理无非就是疏和堵,疏干法适用于水源外补给不大,易于疏干的工程地质。
注浆堵水为矿山治理水害的主要形式,较帷幕注浆和掘进预注浆,国内大多中小型有色矿山采用后者。
注浆堵水选材很关键,直接关系到堵水的成败。
目前,应用于工程较多的注浆材料有两类,一类是水泥+添加剂(水玻璃浆、BR型防水剂等);一类是化学浆。
化学浆多数有一定毒性,施工时应注意个体的防护。
表1例举了一些不同地质情况注浆选材的对应关系。
注浆材料选择一览表表1
施工目的地质条件
堵水
加固
充填
备注
岩石层
裂隙
单液水泥浆、水泥-水玻璃
孔隙
MG-646铬木素类
松散砂层
MG-646、水玻璃类脲醛树脂、聚氨脂、糠醛树脂、铬木素类
砾石、卵石层可用水泥浆
特殊地层(破碎带、断层)溶洞
骨料+单液水泥浆
骨料+水泥-水玻璃浆
骨料+水泥黏土浆
骨料的品种与粒径可视具体情况而定
壁内
MG-646、铬木素类、聚氨脂类、水泥-水玻璃类
大裂缝用水泥浆小裂缝用化学浆
壁后
砾层
MG-646、铬木素类
岩石
单液水泥浆或加水玻璃
近年来,兴起一种新型水泥添加材料,BR型防水剂。
该材料为无机物,可代替水玻璃、速凝剂等材料广泛应用于水泥构件及水泥施工中。
它不但能控制水泥的凝固时间,而且能增强水泥构件工程的防水性和力学强度。
在隧道、桥梁、高速路、水利、机场、矿山等工程中得到大量运用。
它通过改变水泥的凝结产物而使固结物强度增加。
水泥掺入BR型防水剂反应生成物质表2
Ca(OH)2
氢氧化钙石
3CaOSiO2·6H2O
硅酸三钙
CaS2
斜硅钙石
KAlSi3O8
微斜长石
Na2Mg3Al2Si2O22(OH)2
蓝闪石
SiO2
α--石英
CaOAl2O3·6H2O
六水铝酸四钙
Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O
钙石
3注浆工艺及施工方法
3.1工程水文地质
安措井工程距界河大断裂主裂面不足200m,次级构造错综复杂,裂隙极为发育。
地表水源主要有界河、原疃水库、坡子水库等;第四系孔隙水,主要包括坡积含水层、洪积含水层、冲积含水层;再深一层的混合花岗岩风化裂隙含水层及脉状裂隙含水层和断层含水等为坑内涌水主要是浅部补给水源。
从水质化学类型上看,脉状裂隙含水层水质和风化裂隙及第四系孔隙水具有极其相似甚至相同的水质。
这证明三者有密切的水力联系。
3.2静压抛注
区域内岩石岩性为花岗岩,较破碎,裂隙发育,断层较多。
竖井掘进工程初
期,因对施工地质条件认识不够,掘进过程中遇较大涌水,致使井筒内积水淹过工作面无法进一步施工。
(1)方案选择
第一方案:
强行追水到底,在动水条件下,打止浆垫,注浆封水。
第二方案:
在静水条件下,抛渣注浆,待水源封住后,排出积水,打止浆垫,再打钻注浆。
经与施工单位商讨研究,认为第一方案虽然工艺简单,但施工难度较大,因水压较大,失败的可能较大;第二方案虽然工艺复杂,但安全可靠,封水成功的可能性很大。
故最终选择第二方案。
(2)静压抛注工艺过程及原理
在井筒水位恢复至自然水位后,从地面井口下两道注浆管路至井底,下放注浆管前要求在注浆管的末端焊接2m长的花管,花眼直径10mm,间距100mm。
然后向井筒内抛20-40mm粒级的石子,达到设计高度后,再注入单液浆,养护一周,即可向下追水,检查封水情况,实测涌水量与突水前比较,若差值较小说明封水成功,即可排净积水进行下一步的井壁注浆及砼止浆垫的施工及后续工作。
静压抛注的原理是水位稳定后,底部水源不再向上返压力的涌水,从预先下放的注浆管内连续注入单液水泥浆,利用水泥浆具有一定的流动性,易扩散渗入石渣空隙及涌水裂隙等特点,将水挤出,与石子、井壁结合成充填密实的整体,凝固后起到封水作用。
(3)抛碴技术参数的选择
a、渣层厚度的确定
采用525#普通硅酸盐水泥,水灰比1:
1,按平底型止浆垫公式计算:
B=
=3.59m
式中B——止浆垫厚度,Po——注浆压强,γ——井筒半径δ——结石体允许的抗压强度
根据以往施工经验,注浆充填石碴空隙的不均一性,以及抛碴封水段与井壁结合密实性较差,为保证一次成功,不出现渗水现象,实际抛碴厚度按理论值的2倍施工,确定碴石层厚度为8m,实际需要碴石278.1m3。
b、水泥注入量
Q=
=254.5吨
式中Q——水泥注入量,λ——浆液损失系数取1.3,ν——碴石层体积,
β——浆液有效充填系数1.2,Μ——水泥浆结石率75%
碴石层以下浮矸体积41.5m3,车场体积为18.4m3,按空隙率44%计算,需要充填体积26.3m3,需要水泥量19.7t,合计需要注入水泥274.2t。
c、注浆压力
井底静水压力为3.8MPa,注浆压力取静水压力的2—3倍,地面注浆泵终压控制在2—3MPa之间为宜。
(4)设备选型及注浆工艺
设备选型:
HFV—C型注浆泵两台,2TGZ—60/120注浆泵一台,1.5m3搅拌桶两个,SQZ—IB150型钻机两台。
在井口设注浆站,预先建储浆池一个,浆液由搅拌桶经隔筛流入储浆池。
注浆工艺:
注浆前实测静水液位,先向两个注浆管内注清水,检查注浆管是否通畅及是否漏水,严格按水灰比1:
1造浆,不得随便改变浆液浓度。
注浆作业必须连续,中途不得停止,注浆期间,每小时实测一次井筒内水位上升高度,计算出注入的水泥浆量,当注入量到150吨时将注浆管上提3m,第二次达150吨时再上提2m,以防水泥初凝时注浆管提不上来。
达到注浆量后,方可停止注浆。
养护及排水:
自注浆结束起养护7-10天,即可往下排水。
排水时每30m实测一次水位上升高度,若上升速度较慢则证明井底突水已被封堵。
排水完毕后,撤出注浆管路。
(5)井底注浆
为继续延伸井筒,井底必须向下预注浆。
a、砼止浆垫
根据实际情况,碴石层上层面与砼止浆垫结合处及砼止浆垫与井壁结合处较为薄弱,要将碴石层上部未凝固的石子水泥清干净及在井壁上用风镐施工麻面。
严格按400#C35砼配比施工,配合比水泥:
砂:
石子:
水=1:
1.19:
2.53:
0.4。
浇筑时每半米用振动棒夯实一次。
止浆垫内设预埋管8根(2300×159mm)。
止浆垫厚度计算:
式中B——止浆垫厚度,Po——注浆压强,γ——井筒半径δ——砼养护7天后的抗压强度
b、注浆参数
在预埋管上焊接法兰盘后,用SQZ—IB150型钻机钻孔,钻孔外倾5o,深度控制在30m,钻进时若出水在5m3/h时提钻注浆。
由于井筒花岗岩裂隙均为高角度,且裂隙内有充填物,注浆时浆液浓度先稀后浓,逐级调节,浆液配比(水灰比)1.5:
1,1.25:
1,1:
1。
当终压达到13MPa稳定30分钟后即可停止注浆。
3.3壁后注浆
(1)壁后注浆在吊盘上进行,重新架设一软管路将浆液输送到吊盘上,采取适当的安全措施后,将2TGZ-60/210型注浆泵,清水桶,浆液桶,水玻璃桶等注浆设备和工具搬运到吊盘上,准备工作就绪后开始注浆。
井筒自下而上注浆,发现井壁有出水位置,则进行注浆,直到上部井壁基本无水。
(2)浆液采用双液浆封堵,配比:
水灰比为1:
1、0.8:
1,水玻璃与水灰体积比为0.6:
1、0.8:
1。
(3)注浆孔采用7655型凿岩机凿孔,孔径φ42mm,孔深根据实际情况而定,原则上孔深大于1.5m。
(4)注浆压力根据砼厚度及抗压强度一般控制在3-10MPa。
(5)水玻璃由吊桶放到吊盘上,水泥浆及清水由地面利用HFV-C型注浆泵通过管路输送。
3.4巷道掘进预注浆
车场断面4.0×2.8m采用预注浆方式掘进,全断面布置注浆孔8个,所有注浆孔均外倾5°,孔径∮90mm,孔深30m。
每25m一循环,留5m止浆垫。
关于注浆孔径的问题一般有两种观点:
一是小孔径注浆,二是大口径注浆。
小孔径注浆的优点是孔径小注浆材料不会在孔内产生紊流,紊流会导致浆液停留时间过长凝结堵塞微裂隙通道,影响浆液材料的扩散。
大口径注浆的优点是揭露裂隙充分,揭露机会大。
安措井注浆工程中两孔径均有采用,下面以大孔径为例说明。
(1)固定孔口管
注浆孔口管采用长度为2m∮108mm的钢管,口部焊接法兰盘。
孔口管用冲击锤送入孔内,掌子面外留30cm,安装完毕后注双液浆,配比:
水灰比为0.8:
1,水玻璃与水灰体积比为0.8:
1,凝固6小时。
(2)钻进注浆
首先钻进的是1-4孔,钻进过程中当水量超过5m3/h时停止注浆。
若水量不大,排水设备允许的情况下,可以打开注浆孔法兰放出涌水,待2-3小时后再开始注浆。
注浆开始时首先注清水10-20min,冲洗裂隙中的颗粒物,以便于注浆液扩散。
视钻孔可灌浆情况,逐级调节注浆液浓度(水灰比)1.5:
1,1.25:
1,1:
1,在注浆结束前20分钟有单液变双液直至稳定达到水压的2-3倍停止注浆。
注浆孔需凝固6小时后,才能钻进。
期间可移至斜对孔施工。
5-8孔最后钻进注浆,这四个孔有验证前四孔注浆效果和查漏补缺的作用。
注浆孔钻进过程中若遇大水,可紧急安装法兰截水避免造成过大排水负担和淹井事故的发生。
3.5锚喷治水支护
喷锚治水支护是地下水防治专家教授级高工王衡发明的专利技术,该技术打破了顶板普遍淋水不能施工的禁区。
喷锚治水支护采用BR型防水剂作为喷浆料的添加剂,“BR”与水泥在干式喷浆机水、料混合口水化时反应生成无机胶体物质,把混凝土的粒子粘结成团状物,受压喷出,由于有较大粘结附着力的作用,喷层在淋水基岩上能够牢固附着,并且改善了混凝土内部结晶状态,达到密实状构筑体。
整体构件内密实,表面光洁,有折光效果,封闭基岩后形成耐久性稳定的自防水构件。
该技术可顶水作业,锚喷封闭淋水区域效果好。
虽然巷道进行了预注浆但是由于前期采用的是普通水泥和水玻璃浆液,注浆只封住了80%水源,破碎段仍然有很大淋水。
一中、七中车场采用了锚喷治水支护,取得了较好效果。
治理前普遍淋水,大处超过每平方0.5m3/h,治理后基本不淋水。
具体施工方案如下:
钻孔——安装疏水管——锚固挂网——充填锚杆——初喷缩淋——复喷——堵管——终喷找平。
钻孔时注意观察巷道地质构造,尽量从断层裂隙底部将水引出。
疏水管长度1.5m,外露10cm,后1m用气焊割成花管,便于引出不同深度的淋水。
用管缝式锚杆锚固锚网,网度5cm×5cm,打好孔后必须立即锚固防止塌孔。
锚网必须紧贴岩壁,锚杆用水泥加18%BR—K型防水剂药卷封好,约12秒即可凝固。
初喷时各物料配比为:
PO42.5#普通硅酸盐水泥:
碴末:
BR-K型=100:
100:
18。
喷射时水灰比小于0.3,喷射厚度5cm。
初喷结束后,淋水已基本被封住。
复喷时只需找漏和加固,各物料配比为:
PO42.5#普通硅酸盐水泥:
碴末:
石子:
BR-K型:
BR-2型=100:
150:
100:
3:
15。
喷射时水灰比小于0.3,喷射厚度5cm。
复喷结束后,涌水只能从疏水管内流出。
堵孔用水泥加18%BR—K型防水剂药卷,长度30cm。
终喷找平疏水管低洼处,其它处喷射1-3cm,各物料配比PO42.5#普通硅酸盐水泥:
碴末:
石子:
BR-2型=100:
200:
100:
15。
添加了BR型防水剂的水泥凝固后如晶体般晶莹透亮,强度非常高,具有自防水能力,没有腐蚀性,更没有钠离子析出而逐渐减小强度的现象。
4小结
注浆堵水需要合理的选材和施工控制才能取得良好的预期效果,BR型防水剂是后期运用到施工中的,但是取得了良好的阶段性效果。
通过各种手段的注浆,安措井井筒掘砌完成时,涌水控制在5m3/h左右,基本达到要求。
巷道预注浆方面,经过预注浆的巷道涌水封堵率80%。
经过对比,相同数量的注浆孔,大孔径注浆效果略好于小孔径。
锚喷治水支护技术的运用,很好的解决了巷道淋水问题,在治理安措井巷道工程井下淋水方面非常成功,建议其它有类似情况的矿山不妨一试。
注浆过程是水泥浆受压力推动达到含水层空间扩散充填凝胶固化结石的过程。
因此,浆液的悬浮率、凝胶时间的控制、浆液粘度、水稀释后能否按时凝胶固化结石、结石体粘结力能否保证自身不被流水带走、结石体强度及自身稳定性是注浆成败内在因素。
普通水泥水玻璃浆液注入水中凝固后因结石体中钠离子析出,影响了结石体强度和通透性,故而出现注浆封水后,过一段时间涌水又会变大的现象。
[个人简介]张玉涛,男,1979年12月生人,山东省临朐县人,毕业于广西大学矿物资源工程系,采矿工程师,现在招金矿业金翅岭金矿生产科从事采矿和工程施工工作。
[1]王衡.地下工程水害治理新技术[M].北京:
中国科学技术出版社,2005.
[2]中华安全信息网.矿井注浆堵水技术.2007
[3]中煤七十一工程处.安措井注浆施工资料2002
[4]辽宁工程技术大学.金翅岭金矿矿床充水条件分析与涌水防治可行性研究报告.2005
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