一种非全深冻结立井解冻后的涌水防治方法

摘要

本发明公开了一种非全深冻结立井解冻后的涌水防治方法，方法包括：注浆形式确定，井筒防治水时机确定，注浆位置确定，注浆孔的布置，注浆材料，注浆压力，注浆管的制作与安装；其中单液为主，双液为辅，按质量比单液浆配比：水:硅酸盐水泥；按质量比双液浆配比：硅酸盐水泥:水玻璃:三乙醇胺；高低压并用，注浆时工作压力为该处静水压力的1.2~1.5倍，注浆终压为该处静水压力的2～2.5倍；深浅孔结合，冻结表土段采用壁间注浆，冻结基岩段采用壁间注浆和壁后注浆，浅孔注浆管为φ38mm×600mm，深孔注浆管为φ38mm×3100mm。具有施工及操作方便，可注性强，不透水性强，密实性好，强度高，用于解冻后的立井。

说明书

技术领域

本发明涉及立井涌水防治方法，具体涉及一种非全深冻结立井解冻后的涌水防治方法。

背景技术

我国自1955年首次在开滦林西风井应用冻结法施工成功后，迄今已建成了700多个冻结井筒，但井筒解冻后围岩会产生新的裂隙，岩石的渗流通道会发生变化，相应的涌水规律也会发生变化，当涌水量很大，仅仅靠排水已不可能满足施工要求时，注浆堵截水源通道后再进行排水成为主要治理措施。注浆堵水是将水泥浆或化学浆通过管道压入井下岩层空隙、裂隙或巷道中，使其扩散、凝固和硬化，从而使岩层具有较高的强度、密实性和不透水性，达到封堵截断补给水源和加固地层的作用，它是矿井防治水害的重要手段之一。

目前井筒冻结法解冻后的涌水防治技术存在几个缺陷：一、注浆的时机不好选择，注浆过早，围岩裂隙还未形成，治理效果不好，注浆过迟，涌水很大，浆液全被水冲出，达不到注浆效果。二、注浆的形式，单一的注浆方式对于富水弱渗地层可注性不强。三、注浆位置的确定，一旦位置确定不好，会造成过多的注浆工作量，且注浆效果不好。

发明内容

本发明的目的是提供一种施工及操作方便，可注性强，不透水性强，密实性好，强度高，防治水效果显著，高低压并用，深浅孔结合，单液为主、双液为辅的一种非全深冻结立井解冻后的涌水防治方法。

为了达到发明目的，本发明的技术方案是这样解决的：一种非全深冻结立井解冻后的涌水防治方法，本发明的特殊之处在于该方法按下述步骤进行：

1）、注浆形式的确定

井筒解冻后围岩裂隙区贯通，围岩裂隙涌水量较大，在富水弱渗地区，一般注浆形式难以注入或是注入效果不好，本发明采用单液为主、双液为辅，高低压并用，深浅孔结合的注浆方式；

2）、井筒防治水时机的确定：

（1）、为保证未冻结段施工的下部井筒及马头门安全施工，在下部井筒及马头门施工过程中，上部井筒要保证一定的负温，即为-4℃，避免上部井筒解冻过早引起的涌水对未冻结段凿井的下部井筒的施工带来不利影响，这是非全深冻结法立井施工井筒防治水技术的一个重要技术措施；

（2）、井筒防治水时机的确定是未冻结段施工的下部井筒及马头门施工完毕，允许非全深冻结法的上部井筒自然解冻完毕，然后立即实施井筒防治水工作；

（3）、如果在自然解冻后没有立即进行防治水处理，存在冻结段解冻后涌水通道随着时间的推移，在地下水的作用之下，岩体中的裂隙不断发展扩大、连通最终会形成一系列强渗流水力通道，最终导致大的涌水灾害发生的缺陷，为此，应选择立即进行防治水处理；

3）、注浆位置的确定

井筒自上而下分为冻结表土段、冻结基岩段、未冻结段，所述冻结表土段采用壁间注浆，所述冻结基岩段采用壁间注浆和壁后注浆，所述未冻结段不注浆；

（1）、所述壁间注浆

所述冻结表土段和冻结基岩段为双层井壁段，注浆管为φ38mm×600mm，孔深500mm，终孔位置位于内壁与外壁之间，用以封堵内外壁间的水力联系；

内外层井壁夹层间注浆充填时间的确定应满足下列规定：

A、夹层周围井壁混凝土温度应不低于4℃；

B、冻结壁在解冻过程中但仍处于封闭状态，并能承受外部水压力；

（2）、所述壁后注浆

应用于冻结基岩段（双层井壁段），注浆管为φ38mm×3100mm，孔深3000mm，终孔位置位于冻结管处，用以封堵冻结管环形通道与基岩的水力联系，壁后注浆不能对掘进施工的正常进行产生明显影响，也不能对井壁浇筑质量构成危害；

4）、注浆孔的布置

壁间注浆间隔20～30m布置一个断面，上下断面错开45°，一个断面均布4个孔，孔深500mm，注浆管为φ38×600mm；

壁后注浆间隔40～50m布置一个断面，一个断面均布4个孔，孔深3000mm，注浆管为φ38×3100mm；若有出水点，可根据实际情况调整孔位；

5）、注浆材料

按质量比单液浆配比：水: 硅酸盐水泥＝0.6:1～1.25:1；

按质量比双液浆配比：硅酸盐水泥:水玻璃: 三乙醇胺＝1:1:0.1%～0.25%，水玻璃浓度为38～40°Be′；

所述外加剂三乙醇胺，三乙醇胺既有速凝作用又有缓凝作用与水泥类型和掺量有关；对于硅酸盐水泥，三乙醇胺掺量为0.02%时起速凝作用，掺量为0.25％时有轻微的缓凝作用，掺量为0.5％时有很强的缓凝作用，而当掺量为0.1％时则表现出强烈的速凝作用；

氯化钠主要作为抗冻剂，在冬季施工时防止水结冰而影响水泥砂浆的强度，按质量比单液浆总质量或双液浆总质量与氯化钠的配比＝0.3%～0.5%:×0.1%～0.3%；

6）、注浆压力

工作压力：达到该处静水压力的1.2~1.5倍；

注浆终压：达到该处静水压力的2～2.5倍；同时以不引起围岩与井壁开裂凸起为原则，不应超过井壁强度；

7）、注浆管的制作与安装

注浆孔使用YT-28风锤，配以                                                42“一”字型钻头打眼，壁间注浆孔孔深500mm，壁后注浆孔孔深3000mm，注浆管采用32无缝钢管制作，一头设马牙扣，另一头设内丝扣配管帽，长度根据壁厚加工，注浆管用麻丝缠绕，打入孔内，外露长度不得大于50mm，注浆管采用套孔的方式进行埋管，打好注浆孔后，然后埋入Φ38mm×600mm或Φ38mm×3000mm的注浆管，管口安装阀门，钻孔进入外壁深度不得大于100mm。

本发明的有益效果为：具有施工及操作方便，可注性强，不透水性强，密实性好，强度高，防治水效果显著的特点，用于解冻后的立井。

附图说明

图1为本发明的冻结立井剖面主视结构示意图；

图2为本发明的冻结表土段冻结管布置平面图；

图3为本发明的冻结基岩段冻结管布置平面图；

图4为单液浆或双液浆工艺流程示意图；

图5为单液浆或双液浆注浆工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明内容作进一步说明：

实施例1

参照图1、图2、图3、图4、图5所示，一种非全深冻结立井解冻后的涌水防治方法，该方法按下述步骤进行：

1）、注浆形式的确定

井筒解冻后围岩裂隙区贯通，围岩裂隙涌水量较大，在富水弱渗地区，一般注浆形式难以注入或是注入效果不好，本发明采用单液为主、双液为辅，高低压并用，深浅孔结合的注浆方式；

2）、井筒防治水时机的确定：

（1）、为保证未冻结段施工的下部井筒及马头门安全施工，在下部井筒及马头门施工过程中，上部井筒要保证一定的负温，即为-4℃，避免上部井筒解冻过早引起的涌水对未冻结段凿井的下部井筒的施工带来不利影响，这是非全深冻结法立井施工井筒防治水技术的一个重要技术措施；

（2）、井筒防治水时机的确定是未冻结段施工的下部井筒及马头门施工完毕，允许非全深冻结法的上部井筒自然解冻完毕，然后立即实施井筒防治水工作；

（3）、如果在自然解冻后没有立即进行防治水处理，存在冻结段解冻后涌水通道随着时间的推移，在地下水的作用之下，岩体中的裂隙不断发展扩大、连通最终会形成一系列强渗流水力通道，最终导致大的涌水灾害发生的缺陷，为此，应选择立即进行防治水处理；

3）、注浆位置的确定

井筒自上而下分为冻结表土段、冻结基岩段、未冻结段，所述冻结表土段采用壁间注浆，所述冻结基岩段采用壁间注浆和壁后注浆，所述未冻结段不注浆；

（1）、所述壁间注浆

所述冻结表土段和冻结基岩段为双层井壁段，注浆管为φ38mm×600mm，孔深500mm，终孔位置位于内壁与外壁之间，用以封堵内外壁间的水力联系；

内外层井壁夹层间注浆充填时间的确定应满足下列规定：

A、夹层周围井壁混凝土温度应不低于4℃；

B、冻结壁在解冻过程中但仍处于封闭状态，并能承受外部水压力；

（2）、所述壁后注浆

应用于冻结基岩段（双层井壁段），注浆管为φ38mm×3100mm，孔深3000mm，终孔位置位于冻结管处，用以封堵冻结管环形通道与基岩的水力联系，壁后注浆不能对掘进施工的正常进行产生明显影响，也不能对井壁浇筑质量构成危害；

4）、注浆孔的布置

壁间注浆间隔20～30m布置一个断面，上下断面错开45°，一个断面均布4个孔，孔深500mm，注浆管为φ38×600mm；

壁后注浆间隔40～50m布置一个断面，一个断面均布4个孔，孔深3000mm，注浆管为φ38×3100mm；若有出水点，可根据实际情况调整孔位；

5）、注浆材料

按质量比单液浆配比：水: 硅酸盐水泥＝0.6:1～1.25:1；

按质量比双液浆配比：硅酸盐水泥:水玻璃: 三乙醇胺＝1:1:0.1%～0.25%，水玻璃浓度为38～40°Be′；

所述外加剂三乙醇胺，三乙醇胺既有速凝作用又有缓凝作用与水泥类型和掺量有关；对于硅酸盐水泥，三乙醇胺掺量为0.02%时起速凝作用，掺量为0.25％时有轻微的缓凝作用，掺量为0.5％时有很强的缓凝作用，而当掺量为0.1％时则表现出强烈的速凝作用；

氯化钠主要作为抗冻剂，在冬季施工时防止水结冰而影响水泥砂浆的强度，按质量比单液浆总质量或双液浆总质量与氯化钠的配比＝0.3%～0.5%:×0.1%～0.3%；

6）、注浆压力

工作压力：达到该处静水压力的1.2~1.5倍；

注浆终压：达到该处静水压力的2～2.5倍；同时以不引起围岩与井壁开裂凸起为原则，不应超过井壁强度；

7）、注浆管的制作与安装

注浆孔使用YT-28风锤，配以42“一”字型钻头打眼，壁间注浆孔孔深500mm，壁后注浆孔孔深3000mm，注浆管采用32无缝钢管制作，一头设马牙扣，另一头设内丝扣配管帽，长度根据壁厚加工，注浆管用麻丝缠绕，打入孔内，外露长度不得大于50mm，注浆管采用套孔的方式进行埋管，打好注浆孔后，然后埋入Φ38mm×600mm或Φ38mm×3000mm的注浆管，管口安装阀门，钻孔进入外壁深度不得大于100mm。

实施例2

主井注浆方案

（1）注浆管的制作与布设

注浆孔使用YT—28风锤，配以42㎜“一”字型钻头打眼，眼深穿过井壁，进入围岩1000mm，每水平均布六个眼并安装注浆管，尽量布置在出水点，上、下水平孔应错开，注浆管采用32㎜无缝钢管制作，一头设马牙扣，另一头设内丝扣配管帽，长度根据壁厚加工，注浆管用麻丝缠绕，打入孔内，外露长度不得大于50mm。

（2）浆液的配置

本次注浆采用单液水泥浆和水泥水玻璃双液浆两种。其应用原则是以单液浆为主，双液浆为辅，浆液采用先稀后浓的原则，水灰比为：1.5:1、1:1、0.8:1三个级配，水玻璃选用模数2.8~3.2，浓度为：32~45°Be′，水泥浆与水玻璃体积比控制在1:0.3~0.6范围内，水泥选用42.5R普通硅酸盐水泥。

（3）注浆压力

              （8.22）

式中：

——注浆部位井壁能承受的压力，MPa；

——井壁材料允许抗压强度，MPa；

——井壁厚度，m；

——井筒净半径，m；

——安全系数，取。

为防止井壁破坏，注浆最大压力不得超过表8.2中段高的计算允许承受压力。

（4）注浆

注浆时，视浆液吸水量确定起始浓度，浆液以单液水泥浆为主，注浆浆液调配原则为先稀后浓再稀。若遇可注性较差情况，每次注浆前可考虑注入1~2m³水玻璃对钻孔裂隙进行润滑处理，以提高可注性，并增加注浆效果。注浆终压为静水压力的2~2.5倍。若浆液注入量过大可考虑使用双液浆。另外止浆垫和孔口套管耐压试验出现漏浆现象时，即可加入双液浆，双液浆与单液水泥浆的配比为1:1。

（5）注浆量

以实际注入量为准。

主井涌水防治效果试验评价

（1）×年×月×日开始注浆，×年×月×停止注浆。历时29天零18小时10分钟。水量由17.82m³/h降到0.39m³/h。消耗材料数量如表8.6所示。

实施例3

副井注浆方案

（1）凿孔

注浆孔施工使用YTP-26型气腿式凿岩机配mm钻头及空六角钢钎进行凿孔，专用埋管器进行埋管。

基岩段壁后注浆孔根据出水点实际位置确定注浆孔位置，一般在出水点1m范围内进行布孔，施工前由于有经验的老工人进行现场定位。孔深以穿透基岩段井壁进入岩石0.5m为宜。注浆管规格为φ38×600mm。

壁间注浆分层进行，从垂深-234m为起点，以50m层间距离的各水平充填注浆孔均匀布置在井壁的4个方向上，采用套孔的方式进行埋管。先使用φ42mm的钻孔进行凿孔，孔深750mm，然后埋入φ38×600mm的注浆管，管口安装1.2阀门，钻孔进入外壁深度不得大于100mm。

（2）注浆管埋设

开孔后，将预先加工好的注浆口管马牙扣端缠上丝麻，抹上铅油，丝扣端上好套管，用大锤将注浆管砸入孔内，下放孔内部小于550mm，管套拧下，将高压球阀安装到注浆孔口管的丝头上。注浆前，小压水试验，球阀与高压混合器接好后，开动注浆泵用清水冲孔，并作耐压试验。

（3）注浆参数

工作压力：达到该处静水压力的1.2倍。

注浆终压：达到该处静水压力的2倍。同时以不引起围岩与井壁开裂凸起为原则，不应超过井壁强度。

（4）浆液配比

单液浆配比：水灰比：0.6:1～1.25:1；

双液浆配比：C：S1为1:1，水玻璃浓度为38～40°Be′。

（5）注浆

注浆时，视浆液吸水量确定起始浓度，浆液以单液水泥浆为主，注浆浆液调配原则为先稀后浓再稀。若遇可注性较差情况，每次注浆前可考虑注入1~2m³水玻璃对钻孔裂隙进行润滑处理，以提高可注性，并增加注浆效果。注浆终压为静水压力的2~2.5倍。若浆液注入量过大可考虑使用双液浆。另外止浆垫和孔口套管耐压试验出现漏浆现象时，即可加入双液浆，双液浆与单液水泥浆的配比为1:1。

（6）注浆量

以实际注入量为准。

副井涌水防治效果试验评价

×年×月×日开始注浆，×年×月×停止注浆。历时12天零2小时55分钟，水量由19.5m³/h降到0.02m³/h。消耗材料如表8.8所示。

综上所述，

（1）进行了××煤矿主、副井防治水关键技术应用。结果表明，注浆后，主井井筒漏水量由17.82m³/h降低为0.39m³/h，。副井井筒漏水量由19.5m³/h降到0.02m³/h，满足国家有关规范对井筒涌水量的要求，非全深冻结法井筒解冻后的防治水效果显著。

（2）注浆防治水技术方案可概括为“高低压并用，深浅孔结合，单液为主双液为辅”，所谓“高低压并用”是指，对于注浆压力根据注浆封堵不同的涌水通道而分为高压和低压两种形式，“深浅孔结合”是跟据不同注浆部位分为深孔注浆和浅孔注浆两种形式，“单液为主双液为辅”指的是根据出水点水量大小、漏浆情况及吸水难易程度适当调整水灰比、水玻璃双液浆等注浆材料，对涌水量较大的出水点采用双液浆直接封堵；对于涌水量较小的出水点或大面积渗水，采用单液浓水泥浆进行充填。其中“高压+深孔+单液浆”主要为封堵冻结管形成环形水力通道，“低压+浅孔+单液浆”主要是进行壁后充填注浆。