地面预注浆施工工艺1. 工程概况顾桥煤矿南区设计有进风井、回风井两个立井井筒。
其中进风井井筒地面预注浆工程委托唐山开滦建设(集团)有限公司地矿工程分公司第一项目部施工,进风井井筒净直径8. 6m,深度1034. 6m。
2. 井筒地质及水文地质井筒穿过地层为新生界冲击层和二叠石盒子组含煤地层新生界地层厚度为293. 9m,岩性主要以粘土、砂质粘土、细砂组成,颗粒级别较细小。
基岩段地层为24煤～13 - 1煤底板层段,岩性主要以粘土岩、粉砂岩、细沙岩等组成,上部岩石破碎, 423. 9 ～603. 5m有7层破碎带分布,岩石普氏硬度系数最高19,最低2。
井筒水文地质条件较复杂,整个井筒所穿过地层,上部岩石破碎,裂隙发育,且多为垂向裂隙,含水丰富, 整个井筒共有含水层8 组, 涌水量310. 86m3 /h, 其中上部三层( 492 以上) , 为248. 4m3 /h,占总量的80%。
3. 注浆技术方案为了尽快建井,采用“直孔+ S型孔”的地面预注浆方式。
其特点为:基岩段地面预注浆采用直孔与井筒外定向斜孔“S”相结合,减少了井口占用时间,缩短建井工期。
图1:注浆钻孔布置( a)平面; ( b)剖面两组钻孔的最后一孔均对基岩注浆段做压水试验,分阶段检验注浆堵水效果。
4、井筒注浆设计及参数确定4. 1 注浆段高注浆上限定在基岩风化带中下部,深度327m,注浆下限应超过井深10m左右,深度1045m,注浆段总长度718m。
4. 2 注浆有效扩散距离依据井筒基岩段的开凿荒径(φ9. 6m) ,爆破影响带厚度( 2. 5m)和隔水帷幕厚度不小于6m 的要求,注浆浆液扩散距离为不小于13. 3m,确定为14m。
4. 3 注浆浆液品种的选择确定岩帽是整个注浆施工的基础,是限制浆液上串的屏障,且施工工期短,必须选择强度高、终凝时间短的浆液,才能符合施工的要求,故岩帽段注浆采用单液水泥浆;其他注浆段采用成本低、抗水稀释性强、有良好的流性,所形成的结石体塑性大,抗震性好的粘土水泥浆(CL - C)作为注浆材料。
单液水泥浆:由水泥、食盐、三乙醇胺和水组成,选用32. 5级普通硅酸盐水泥。
粘土水泥浆:由粘土、水泥、水玻璃和水组成,选用施工场地附近耕植土下的粘土和32. 5 级普通硅酸盐水泥,粘土塑料指数18. 5,水玻璃模数2. 4～2.8,浓度35～42波美度。
4. 4 注浆终压终量的要求注浆终压依据岩石性质、水文特征及本地区的经验值,岩帽段为1. 5～2. 0倍静水压,上部直孔段328～500m为2. 5～3. 0倍静水压,外围“S”孔500～1045m为2～2. 5倍静水压。
注浆压力是使浆液在岩石裂隙中充填,扩散的动力。
它是了解浆液是否充满被注层裂隙的一个重要指标,注浆压力在注浆过程中同时又受诸多因素的影响,在施工过程中根据实际情况进行必要合理的调整,来满足注浆质量的要求。
设计终量:粘土水泥浆Q ≤250L /min 为合格标准; 单液水泥浆Q ≤100L /min为合格标准,稳定时间不小于20min。
4. 5 浆液注入量设计岩帽注浆段注入单液水泥浆511m3 ,井筒单位注入量50m3 /m; 其他注浆段注入粘土水泥浆26300m3 ,井筒单位注入量37. 2m3 /m。
设计浆液注入总量为26182m3 ,井筒单位平均注入量37m3 /m。
5. 注浆钻孔结构及施工工艺5. 1 钻孔结构5. 1. 1 直孔直孔结构见表1表1直孔结构表孔深(m) 孔径(mm) 套管(mm) 备注0～328 φ190 (244) φ146 (219) 水泥固管327～500 不小于φ118 裸孔注浆段5. 1. 2“S”型定向孔“S”型定向孔结构见表2表2“S”型定向孔结构表孔深(m) 孔径(mm) 套管(mm) 备注0～355 φ190 (244) φ168 (219)348～480 不小于φ118 裸孔480～1045 裸孔5. 2 孔斜要求直孔段,偏斜率小于5‰。
“S”型孔段:钻孔轨迹偏差范围,向井筒中心方向偏斜不得大于5m,背离井心方向偏率≤5‰,且钻孔大体均布。
5. 3 成孔工艺直孔开孔口径为φ244、φ190mm,钻进到预定深度327m,下入φ219 +φ146mm套管,水泥全孔固管,达到固管强度后采用φ118mm钻头造孔,至终孔注浆结束。
“S”型定向孔开孔口径为φ244mm钻进20m,改用φ190mm口径钻头(变径处加导向)钻进到坚硬基岩后, 355mm下入φ219 +φ168套管,水泥全孔固管,待强度达标后,开始定向钻进钻至480m 完成直孔段、增斜段、降斜段,进入设计靶域。
5. 4 钻孔机具根据注浆深度、孔位、孔径确定造孔设备为: TSJ- 1000型水源钻机、TBW - 850 /50 泥浆泵;钻具采用φ73mm钻杆+φ105mm钻铤+牙轮钻头。
5. 5 钻孔测斜与防斜、纠偏直孔偏斜率以注浆圈径为标准位置不大于8‰,“S”型定向孔段进入靶域(注浆圈径上靶点的5‰,且8个孔轨迹均匀分布)为标准。
为防止钻孔过度偏斜,在钻进过程中严格遵守技术操作规程,并且及时对钻孔轨迹进行监测,采用陀螺测斜仪,每20m一个测斜点,必要时进行加密观测,“S”孔段用陀螺进行监测, 50m 一个测点,并且把数据及时、准确计算后,绘制到钻孔偏斜平面图上,以便根据钻孔偏斜情况及时采取纠偏措施,冲积层套管下入前、每个注浆段注浆前必须有准确的测斜记录,符合设计要求后,方可下管或转入注浆施工,保证注浆质量。
5. 6 钻孔定向钻进方法基岩深部500～1045m注浆由“S”型定向注浆钻孔完成,布孔圈径40m,由30m 开始定向,为保证整个井筒的注浆质量,定向钻孔在直孔段重合20m的指定深度(480m)进入靶域,持续井筒注浆施工。
480～1045m稳斜钻进。
钻孔轨迹光滑平缓确保孔内顺利下放套管、止浆塞及钻具等。
“S”孔开孔口径为φ244mm,钻进至下套管深度(348m)下入φ168mm套管,固管之后开始定向钻进,钻进至480m完成增斜段、降斜段、直孔段,并进入设计靶域、稳斜钻进至1045m。
定向注浆孔钻具组合:造孔钻头+螺杆钻具+斜向器+钻杆注浆垂直段钻具组合:钻头+扶正器+钻铤+钻杆。
5. 7 岩芯采取地质及水文地质工作是注浆堵水施工重要的原始依据,关系到整个注浆施工的质量的好坏,故注浆先行孔部分孔段进行取芯,直孔段327～500m取芯,为节省工期,根据各孔进度情况可交替取芯。
6. 注浆施工技术6. 1 建立制浆站及注浆站,稳固注浆设备。
6. 2 制备粘土浆将采集到的粘土运至堆土场地,然后用TBW850 /50泥浆泵高压射流造浆,存于储浆池内备用,在使用时充分循环粘土浆液,使其保持悬浮状态,并测定粘土、比重,调配成所需原浆,比重1. 13～1. 25。
6. 3 注浆前的准备工作及管路打压试验注浆施工前准备工作主要包括注浆站的建立、注浆管路系统的形成、水、电、材料来源的确定以及注浆管路系统的打压试验。
所有注浆系统形成后,应进行打压试验,注浆段管路打压压力应超过设计最大压力3～5MPa,稳定15min以后,无异常即可投入运行。
6. 4 止浆方法及止浆塞下入要求注浆钻孔施工需要分段进行注浆,本工程采用KWS系列止浆塞止浆,止浆位置依设计注浆段高、岩层岩性等要求来确定。
止浆塞下入前要认真检查各丝扣是否紧密、完好、卡瓦是否灵活,拉筋是否平直、对称,胶筒是否完整、有弹性,内管是否畅通等。
有问题的要及时修理,完好后方准下入孔内。
孔内下入止浆塞时,要均匀、慢速下入,遇到卡、阻现象时,缓慢串动,不得生拉硬串,必要时拉出止浆塞,再次扫孔、趟孔后再下。
6. 5 注浆方式注浆方式采用上、下行相结合的方式,岩帽段或破碎采用下行式注浆。
大部分孔段采用下行式注浆,局部孔段也可上行,可根据实际情况合理调整。
岩帽段或破碎段必须采用下行式注浆。
6. 6 注浆复注、扫灰时间要求不小于12h,最好在16h以上。
6. 7 注浆前的压水试验每次注浆前例行压水10～20min,为的是检验注浆系统工作是否正常,同时把裂隙中的松散充填物推到注浆范围之外,以保证浆液充填密实饱满。
并检查止浆塞止水效果,防止浆液上串埋塞而造成孔内事故的发生。
每段第一次注浆前要求做正式压水试验,获得水文地质参数,了解含水层的渗透性、连通性、裂隙的发育程度,据此合理调整每一次的注浆参数。
试验中要求记录准备、详细、内容真实。
6. 8 注浆闷塞时间及止浆塞提拉注浆闷塞时间具体要求:单液水泥浆闷塞: 3～4h,粘土水泥浆闷塞: 4～6h。
闷塞时间结束后,要马上解塞、提塞,解塞时要认真观察拉力表的变化情况,细心操作,准确判断止浆塞是否解开,解开后要缓慢、平稳提拉至孔口。
7. 施工效果(1)工期与效率。
在井筒表土段滑模套壁结束前完成,不影响基岩段正常掘进。
第1组注浆钻孔按期完工后,即让出井口位置,以便第2组注浆钻孔与冻结钻孔施工平行作业。
单台钻机钻注综合施工效率平均为377m /月,最高达400m /月。
(2)注浆质量。
注浆钻孔设计合理,造孔质量高。
浆液性能好。
注浆参数选取合理。
浆液注入量充足。
注浆形成的隔水帷幕体厚度大,浆液结石体强度高,裂隙充填饱满密实。
终检孔压水试验检验显示,预计井筒基岩注浆段注后剩余涌水量≤4m3/h,达到了预期的注浆堵水质量要求。
当然,井筒基岩注浆段实际剩余涌水量需待凿井时实测来验证。
8. 结语(1)认真分析井筒注浆段的地质、水文地质条件,制定切实可行的注浆施工技术方案是保证注浆质量和工期的关键。
(2)采用直孔与S型钻孔相结合的注浆施工技术方案,在保证注浆堵水效果的前提下大大节省工期,是因为做到了以下两个同时:直孔段地面预注浆与井架安装同时进行;“S”型钻孔地面预注浆与井筒冻结孔段施工同时进行。