流沙層置換注漿施工技術(shù)

陳金山，張世軼

（河南煤業(yè)（焦煤）集團(tuán) 中馬村礦，河南 焦作454003）

流沙層置換注漿施工技術(shù)

陳金山，張世軼

（河南煤業(yè)（焦煤）集團(tuán) 中馬村礦，河南 焦作454003）

針對厚度11m、水壓1.5MPa、最大單孔涌水量153.9m3/h流沙層，采用二次置換注漿，并用鋼筋混凝土作為骨架加固井筒周邊，使井筒周邊形成結(jié)石體帷幕；探注孔涌水量超標(biāo)即注脲醛樹脂化學(xué)漿液，采用小段高掘砌施工方式，加強(qiáng)井筒支護(hù)強(qiáng)度，順利通過了流沙層。

流沙層；置換注漿；小段高掘進(jìn)

1 流沙層段的水文地質(zhì)

某礦新的進(jìn)風(fēng)立井井筒凈徑 φ7.0 m，井深1038.5m，其中表土段290m。根據(jù)井檢孔綜合柱狀及抽水試驗(yàn)資料，預(yù)計(jì)井深253 m-283 m段揭露流沙含水層，含水層段高30 m。該流砂層最大單孔涌水量153.9 m3/h，下部含水層賦水情況大于原預(yù)計(jì)水量，水壓達(dá)1.5MPa。由于本次施工的含水流砂（礫）層，是國內(nèi)少見的立井表土段深埋深含水流砂（礫）層，施工存在如下難度：⑴單孔水量大，且?guī)r性天然狀態(tài)下較松散，含飽和水，有隨水流動特性，形成含水流砂層。前期施工單孔水量均大于100 m3/h。⑵水壓大，該井靜水位井深74.5 m時(shí)靜水壓力達(dá)1.5 MPa，在施工中不易控制。注漿施工結(jié)束后，掘砌施工開挖對結(jié)石體帷幕整體性要求較高。⑶放砂量大，施工中由于水壓大、水量大，相對孔內(nèi)出砂量較大。施工中曾單孔一次出砂近20 m3，易造成工作面砂石淤積；所以必須及時(shí)將砂石運(yùn)至井上，否則造成鉆注施工無法進(jìn)行。（4）由于距含水流砂層較遠(yuǎn)和放砂量不足，注漿壓力是注入量的重要保證。但止?jié){墊面積大（井徑7.0m），單孔注漿時(shí)會導(dǎo)致壓力作用在局部，壓力傳遞不均勻，使止?jié){墊局部受力。造成止?jié){墊位移。對于同類地層條件下，通常采用凍結(jié)法通過這樣的富含水流砂（1-2），但工期長、工程造價(jià)大，約是普通注漿方式的10倍以上，不符合快速建井和減少成本的要求。為了節(jié)省工期、降低工程造價(jià)，采用二次置換注漿，并用鋼筋作為骨架加固井筒周邊，使井筒周邊形成結(jié)石體帷幕，再用小段高掘砌施工方式，加強(qiáng)井筒支護(hù)強(qiáng)度，順利通過了流沙層。

2 二次置換注漿

圖1 流沙層段地質(zhì)剖面圖

井筒至248.5 m停止掘進(jìn)，見圖1，構(gòu)建止?jié){墊（2.5m），進(jìn)行探鉆施工。鉆探過程中，當(dāng)鉆孔剛進(jìn)入含水砂層時(shí)，孔內(nèi)將會出現(xiàn)大量水砂涌出（最大單孔涌水量153.9 m3/h），下部含水層賦水情況大于預(yù)計(jì)水量（原預(yù)計(jì)表土段第三層的總涌水量52 m3/h）。在原布置的12個鉆孔鉆注漿結(jié)束后，每2個孔之間再加1個鉆孔，作為補(bǔ)漏孔，共計(jì)25個孔（含中間孔1個），原鉆孔頂角5°～12°，加密布孔調(diào)整為7°～9°，這樣既保證了擴(kuò)散半徑，又增加了注漿范圍。鉆注過程中，每個鉆孔都?xì)v經(jīng)了5次～10次的“鉆進(jìn)—放砂—注漿”循環(huán)打鉆注漿工藝，并在放砂量較大的前期，單孔每次放砂量控制在5 m3，注漿壓力控制在3.0 MPa～3.5 MPa。注漿時(shí)，采用一孔放砂、一孔注漿，串通的鉆孔注漿后使鉆孔漿液到達(dá)一定濃度時(shí)，適時(shí)關(guān)閉串通鉆孔閥門，受注孔調(diào)整注漿參數(shù)，達(dá)到注漿壓力后停止注漿，等凝后8 h進(jìn)行下一階段的循環(huán)注漿，直到注入所有鉆孔下部粘土1 m。每個孔通過大量的放砂、注漿循環(huán)工藝，單孔涌水量由開始的大于100 m3/h，逐漸減少至20 m3/h左右，最終單孔涌水量已小于3.0m3/h。

為了靠近流砂層便于施工，在前期25個孔鉆注漿結(jié)束，達(dá)到原定方案結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，向下開挖，二次構(gòu)筑止?jié){墊，對該段含水流砂層和下部礫石層進(jìn)行注漿施工。

下步工作分為三步進(jìn)行：（1）注漿效果檢驗(yàn)達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)——開挖前準(zhǔn)備工作——拆除止?jié){墊——掘砌4.4 m至井深252.9 m位置——掘進(jìn)荒斷面1.5 m至254.4 m（距流砂層上平面4.0 m）——澆注2.5 m厚的混凝土止?jié){墊——止?jié){墊凝固。（2）注漿工作準(zhǔn)備——流砂層加固注漿——注漿效果檢驗(yàn)。（3）打鉆探明礫巖層涌水量——若水大進(jìn)行注漿——注漿效果檢驗(yàn)。若水小，進(jìn)行開挖——礫巖層頂水掘進(jìn)注漿。

井筒至252.0 m停止掘進(jìn)，構(gòu)建止?jié){墊（2.5 m），進(jìn)行探鉆施工。對止?jié){墊及墊以上2.0m井壁注漿加固后。布孔距井壁300 mm，Φ50 mm鉆注孔頂角14°，孔間距0.314 m?？椎孜恢寐湓诰畯酵?.7m；Φ108 mm探注孔均勻布孔16個（間距1.256 m），探注孔頂角5°，布孔呈一同心圓臺狀，共計(jì)布孔64個，鉆孔布置參數(shù)見表1。采用HB—1手持鉆機(jī)鉆進(jìn)Φ50mm鉆孔，鉆頭接觸砂層或少許進(jìn)入砂層內(nèi)，提出鉆具時(shí)水?dāng)y帶砂礫順鉆孔而出。采用單孔鉆進(jìn)、分組進(jìn)行，每3個鉆注孔為一組，讓一定數(shù)量的流砂從該鉆孔中噴出后，每組3個孔均有涌水、砂時(shí)，其中間鉆注孔作為注漿孔，接上注漿管對其注入水泥沙漿，注漿量不少于鉆孔排砂量，旁邊孔串漿后關(guān)閉鉆孔孔口管閥門，受注孔待水泥漿液凝固后或打開閥門不返漿時(shí)，繼續(xù)向下鉆進(jìn)，穿過水泥結(jié)石體，鉆入流砂層內(nèi)，進(jìn)行下一循環(huán)（組）同樣步驟的鉆注施工工藝，依此方法向下置換流砂，直到終孔為止。為使?jié){液盡可能在荒徑外形成一道有效的堅(jiān)固帷幕防護(hù)體、保證擴(kuò)散半徑，預(yù)埋Φ50mm鉆注孔口管，鉆孔頂角14°，較原鉆注孔布孔角度大。開始鉆注時(shí)，單孔涌水量最大5 m3/h～6 m3/h，孔內(nèi)有少量砂涌出，經(jīng)過復(fù)鉆后，各孔內(nèi)已經(jīng)無砂，涌水也降至2m3/h以下。所有48個Φ50mm鉆注孔在注漿封孔前，為增加結(jié)石體帷幕強(qiáng)度，各孔均置入Φ25 mm×6000 mm鋼筋，然后進(jìn)行了注漿封孔，Φ50 mm鉆注孔封孔后均無出水現(xiàn)象。

48個置換注漿孔施工結(jié)束后，施工16個Φ108 mm探注孔。鉆注孔內(nèi)還有1 m3/h～3 m3/h涌水，檢查孔內(nèi)有0.1 m3/h～3 m3/h涌水。若此時(shí)進(jìn)行掘砌施工，很可能會因注漿帷幕結(jié)石夾砂，有少量水進(jìn)入井筒后，導(dǎo)致承壓水由小突然變大，造成工作面突水（砂），大量涌水?dāng)y砂進(jìn)入井筒內(nèi)，造成井筒回填積砂10m-15m，對井筒內(nèi)施工人員有很大威脅。選用化學(xué)漿液（脲醛樹脂—草酸溶液）對細(xì)小出水進(jìn)行封堵。脲醛樹脂化學(xué)漿液，懸浮微粒細(xì)小，漿液粘度低可注性好，采用傳統(tǒng)的雙液注漿工藝，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)，容易操作；對細(xì)小裂隙出水效果明顯；同性能化學(xué)漿液中，價(jià)格適中，確保漿現(xiàn)施工的鉆孔單孔水量降至0.5 m3/h以下。使用TXU-150鉆機(jī)配Φ75 mm鉆頭，從Φ108 mm孔口管向下鉆探（孔徑Φ90 mm），按設(shè)計(jì)單孔鉆進(jìn)12m，在鉆進(jìn)過程出現(xiàn)涌水大于3 m3/h，立即進(jìn)行注化學(xué)漿施工。注化學(xué)漿的同時(shí)，還對帷幕進(jìn)行檢查。發(fā)現(xiàn)帷幕結(jié)石體中，漿液與砂互層，涌水（砂）量顯著減少，但前期檢查孔只涉及到凈井壁以外2.1m（荒徑外1.5m）?；瘜W(xué)注漿結(jié)束后。對帷幕重新檢查，判斷是否達(dá)到流砂層開挖的標(biāo)準(zhǔn)：①所有鉆孔、終孔均施工鉆注至下部粘土層1.0m；②注漿帷幕達(dá)到2.2m～3.0m以上厚；③終孔單孔涌水量小于0.5 m3/h，單孔注漿壓力不小于3.0 MPa。④所有注漿孔、終孔前，均埋設(shè)1根Φ25mm×6 000mm的鋼筋，用來增大帷幕的強(qiáng)度。

3 二次加強(qiáng)支護(hù)小段高掘進(jìn)

流沙層段施工期間，荒斷面達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸4100+（0～150）mm要求后，平整工作面，下放模板刃腳，隨后立即進(jìn)行一次支護(hù)工作。一次支護(hù)采用掛圈背板方式，每個段高設(shè)一圈井圈。160 mm×8.5 mm×25800mm井圈梁懸掛在已成型的井筒內(nèi)預(yù)埋設(shè)的鋼筋掛鉤上，橫向每2 m設(shè)一道掛鉤，共設(shè)13道掛鉤。每組井圈分為6塊，下井前，在地面進(jìn)行了組裝實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)沒有問題，才能拆開下井組裝。井圈貼緊井幫，井圈后面使用25 mm厚的木板（為了節(jié)省井下施工的時(shí)間，先在地面加工成了1m寬的整體板塊）將幫背實(shí)背嚴(yán)。一次支護(hù)任務(wù)完成后，按其上部井筒尺寸綁扎鋼筋。立筋采用螺紋連接（砂礫石層段的立筋采用綁扎連接），環(huán)筋采用綁扎連接。綁扎完鋼筋后，以井筒中心線立模板。模板固定可靠后，方可進(jìn)行澆注混凝土作業(yè)。破完止?jié){墊后，開始進(jìn)行掘砌施工作業(yè)，根據(jù)實(shí)際揭露情況，井深248.5 m～252.0 m施工段高為1.0 m，共分4段完成；井深252.0 m以下設(shè)計(jì)施工段高為0.5m，連續(xù)進(jìn)行了12段后（至井深262.2 m），進(jìn)入粘土層0.7m。又連續(xù)掘砌進(jìn)行2個1.0m段高，順利通過了流沙層。

表1 鉆孔布置參數(shù)

4 結(jié)論

對于單孔最大涌水量153.9 m3/h、厚度13.7 m流沙層，為節(jié)省工期、降低工程造價(jià)，分別在距流沙層10 m、6 m位置停止井筒掘進(jìn)，構(gòu)筑止?jié){墊，分別在兩個位置進(jìn)行二次置換注漿，使井筒周邊形成結(jié)石體帷幕，達(dá)到流沙層掘進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)；并采用小段高、加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，順利通過了流沙層。

［1］ 安良友.板石煤礦斜井井筒流沙層方案及施工方法總結(jié)［J］.山東煤炭科技，2010(05):12-13.

［2］ 徐新斌，楊煥友，等.石槽村煤礦副井井筒地面預(yù)注漿施工方法［J］.能源技術(shù)及管理，2010(06):67-69.

Replacement Grouting Technology in Drift Sand Layer

CHEN Jin-shan,ZHANG Shi-yi
(Zhongmacun Mine,Henan Coking Coal Group,Jiaozuo,Henan454003)

A specific drift sand layer(11 meters deep,water pressure=1.5Mpa,and maximum single-hole water yield=153.99m3/h)used secondary replacement grouting;reinforced concrete strengthened around the shaft as skeleton;and aggregated masses shield formed.If water flow of detection hole exceeded standard, urea-formaldehyde resin chemical slurry would be grouted.Small section high driving was used to reinforce shaft support,which passed the drift sand layer successfully.

drift sand layer;replacement grouting;small section high driving

TD265.4

A

1672-5050（2012）02-0071-03

2011-09-15

陳金山（1971—），男，河南修武人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤礦技術(shù)管理工作。

劉新光