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        流沙層置換注漿施工技術(shù)

        2012-11-10 01:56:40陳金山張世軼
        山西煤炭 2012年2期
        關(guān)鍵詞:流沙砂層涌水量

        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(duì)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(guó)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(dòng)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(zhǎng)、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(huì)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(gè)鉆孔鉆注漿結(jié)束后,每2個(gè)孔之間再加1個(gè)鉆孔,作為補(bǔ)漏孔,共計(jì)25個(gè)孔(含中間孔1個(gè)),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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)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(gè)(間距1.256 m),探注孔頂角5°,布孔呈一同心圓臺(tái)狀,共計(jì)布孔64個(gè),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(gè)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(gè)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(duì)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(gè)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(gè)置換注漿孔施工結(jié)束后,施工16個(gè)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)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(gè)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(duì)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(gè)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

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