流沙层置换注浆施工技术

陈金山，张世轶

（河南煤业（焦煤）集团 中马村矿，河南 焦作454003）

流沙层置换注浆施工技术

陈金山，张世轶

（河南煤业（焦煤）集团 中马村矿，河南 焦作454003）

针对厚度11m、水压1.5MPa、最大单孔涌水量153.9m3/h流沙层，采用二次置换注浆，并用钢筋混凝土作为骨架加固井筒周边，使井筒周边形成结石体帷幕；探注孔涌水量超标即注脲醛树脂化学浆液，采用小段高掘砌施工方式，加强井筒支护强度，顺利通过了流沙层。

流沙层；置换注浆；小段高掘进

1 流沙层段的水文地质

某矿新的进风立井井筒净径 φ7.0 m，井深1038.5m，其中表土段290m。根据井检孔综合柱状及抽水试验资料，预计井深253 m-283 m段揭露流沙含水层，含水层段高30 m。该流砂层最大单孔涌水量153.9 m3/h，下部含水层赋水情况大于原预计水量，水压达1.5MPa。由于本次施工的含水流砂（砾）层，是国内少见的立井表土段深埋深含水流砂（砾）层，施工存在如下难度：⑴单孔水量大，且岩性天然状态下较松散，含饱和水，有随水流动特性，形成含水流砂层。前期施工单孔水量均大于100 m3/h。⑵水压大，该井静水位井深74.5 m时静水压力达1.5 MPa，在施工中不易控制。注浆施工结束后，掘砌施工开挖对结石体帷幕整体性要求较高。⑶放砂量大，施工中由于水压大、水量大，相对孔内出砂量较大。施工中曾单孔一次出砂近20 m3，易造成工作面砂石淤积；所以必须及时将砂石运至井上，否则造成钻注施工无法进行。（4）由于距含水流砂层较远和放砂量不足，注浆压力是注入量的重要保证。但止浆垫面积大（井径7.0m），单孔注浆时会导致压力作用在局部，压力传递不均匀，使止浆垫局部受力。造成止浆垫位移。对于同类地层条件下，通常采用冻结法通过这样的富含水流砂（1-2），但工期长、工程造价大，约是普通注浆方式的10倍以上，不符合快速建井和减少成本的要求。为了节省工期、降低工程造价，采用二次置换注浆，并用钢筋作为骨架加固井筒周边，使井筒周边形成结石体帷幕，再用小段高掘砌施工方式，加强井筒支护强度，顺利通过了流沙层。

2 二次置换注浆

图1 流沙层段地质剖面图

井筒至248.5 m停止掘进，见图1，构建止浆垫（2.5m），进行探钻施工。钻探过程中，当钻孔刚进入含水砂层时，孔内将会出现大量水砂涌出（最大单孔涌水量153.9 m3/h），下部含水层赋水情况大于预计水量（原预计表土段第三层的总涌水量52 m3/h）。在原布置的12个钻孔钻注浆结束后，每2个孔之间再加1个钻孔，作为补漏孔，共计25个孔（含中间孔1个），原钻孔顶角5°～12°，加密布孔调整为7°～9°，这样既保证了扩散半径，又增加了注浆范围。钻注过程中，每个钻孔都历经了5次～10次的“钻进—放砂—注浆”循环打钻注浆工艺，并在放砂量较大的前期，单孔每次放砂量控制在5 m3，注浆压力控制在3.0 MPa～3.5 MPa。注浆时，采用一孔放砂、一孔注浆，串通的钻孔注浆后使钻孔浆液到达一定浓度时，适时关闭串通钻孔阀门，受注孔调整注浆参数，达到注浆压力后停止注浆，等凝后8 h进行下一阶段的循环注浆，直到注入所有钻孔下部粘土1 m。每个孔通过大量的放砂、注浆循环工艺，单孔涌水量由开始的大于100 m3/h，逐渐减少至20 m3/h左右，最终单孔涌水量已小于3.0m3/h。

为了靠近流砂层便于施工，在前期25个孔钻注浆结束，达到原定方案结束标准后，向下开挖，二次构筑止浆垫，对该段含水流砂层和下部砾石层进行注浆施工。

下步工作分为三步进行：（1）注浆效果检验达到结束标准——开挖前准备工作——拆除止浆垫——掘砌4.4 m至井深252.9 m位置——掘进荒断面1.5 m至254.4 m（距流砂层上平面4.0 m）——浇注2.5 m厚的混凝土止浆垫——止浆垫凝固。（2）注浆工作准备——流砂层加固注浆——注浆效果检验。（3）打钻探明砾岩层涌水量——若水大进行注浆——注浆效果检验。若水小，进行开挖——砾岩层顶水掘进注浆。

井筒至252.0 m停止掘进，构建止浆垫（2.5 m），进行探钻施工。对止浆垫及垫以上2.0m井壁注浆加固后。布孔距井壁300 mm，Φ50 mm钻注孔顶角14°，孔间距0.314 m。孔底位置落在井径外2.7m；Φ108 mm探注孔均匀布孔16个（间距1.256 m），探注孔顶角5°，布孔呈一同心圆台状，共计布孔64个，钻孔布置参数见表1。采用HB—1手持钻机钻进Φ50mm钻孔，钻头接触砂层或少许进入砂层内，提出钻具时水携带砂砾顺钻孔而出。采用单孔钻进、分组进行，每3个钻注孔为一组，让一定数量的流砂从该钻孔中喷出后，每组3个孔均有涌水、砂时，其中间钻注孔作为注浆孔，接上注浆管对其注入水泥沙浆，注浆量不少于钻孔排砂量，旁边孔串浆后关闭钻孔孔口管阀门，受注孔待水泥浆液凝固后或打开阀门不返浆时，继续向下钻进，穿过水泥结石体，钻入流砂层内，进行下一循环（组）同样步骤的钻注施工工艺，依此方法向下置换流砂，直到终孔为止。为使浆液尽可能在荒径外形成一道有效的坚固帷幕防护体、保证扩散半径，预埋Φ50mm钻注孔口管，钻孔顶角14°，较原钻注孔布孔角度大。开始钻注时，单孔涌水量最大5 m3/h～6 m3/h，孔内有少量砂涌出，经过复钻后，各孔内已经无砂，涌水也降至2m3/h以下。所有48个Φ50mm钻注孔在注浆封孔前，为增加结石体帷幕强度，各孔均置入Φ25 mm×6000 mm钢筋，然后进行了注浆封孔，Φ50 mm钻注孔封孔后均无出水现象。

48个置换注浆孔施工结束后，施工16个Φ108 mm探注孔。钻注孔内还有1 m3/h～3 m3/h涌水，检查孔内有0.1 m3/h～3 m3/h涌水。若此时进行掘砌施工，很可能会因注浆帷幕结石夹砂，有少量水进入井筒后，导致承压水由小突然变大，造成工作面突水（砂），大量涌水携砂进入井筒内，造成井筒回填积砂10m-15m，对井筒内施工人员有很大威胁。选用化学浆液（脲醛树脂—草酸溶液）对细小出水进行封堵。脲醛树脂化学浆液，悬浮微粒细小，浆液粘度低可注性好，采用传统的双液注浆工艺，凝结时间可调，容易操作；对细小裂隙出水效果明显；同性能化学浆液中，价格适中，确保浆现施工的钻孔单孔水量降至0.5 m3/h以下。使用TXU-150钻机配Φ75 mm钻头，从Φ108 mm孔口管向下钻探（孔径Φ90 mm），按设计单孔钻进12m，在钻进过程出现涌水大于3 m3/h，立即进行注化学浆施工。注化学浆的同时，还对帷幕进行检查。发现帷幕结石体中，浆液与砂互层，涌水（砂）量显著减少，但前期检查孔只涉及到净井壁以外2.1m（荒径外1.5m）。化学注浆结束后。对帷幕重新检查，判断是否达到流砂层开挖的标准：①所有钻孔、终孔均施工钻注至下部粘土层1.0m；②注浆帷幕达到2.2m～3.0m以上厚；③终孔单孔涌水量小于0.5 m3/h，单孔注浆压力不小于3.0 MPa。④所有注浆孔、终孔前，均埋设1根Φ25mm×6 000mm的钢筋，用来增大帷幕的强度。

3 二次加强支护小段高掘进

流沙层段施工期间，荒断面达到设计尺寸4100+（0～150）mm要求后，平整工作面，下放模板刃脚，随后立即进行一次支护工作。一次支护采用挂圈背板方式，每个段高设一圈井圈。160 mm×8.5 mm×25800mm井圈梁悬挂在已成型的井筒内预埋设的钢筋挂钩上，横向每2 m设一道挂钩，共设13道挂钩。每组井圈分为6块，下井前，在地面进行了组装实验，确认没有问题，才能拆开下井组装。井圈贴紧井帮，井圈后面使用25 mm厚的木板（为了节省井下施工的时间，先在地面加工成了1m宽的整体板块）将帮背实背严。一次支护任务完成后，按其上部井筒尺寸绑扎钢筋。立筋采用螺纹连接（砂砾石层段的立筋采用绑扎连接），环筋采用绑扎连接。绑扎完钢筋后，以井筒中心线立模板。模板固定可靠后，方可进行浇注混凝土作业。破完止浆垫后，开始进行掘砌施工作业，根据实际揭露情况，井深248.5 m～252.0 m施工段高为1.0 m，共分4段完成；井深252.0 m以下设计施工段高为0.5m，连续进行了12段后（至井深262.2 m），进入粘土层0.7m。又连续掘砌进行2个1.0m段高，顺利通过了流沙层。

表1 钻孔布置参数

4 结论

对于单孔最大涌水量153.9 m3/h、厚度13.7 m流沙层，为节省工期、降低工程造价，分别在距流沙层10 m、6 m位置停止井筒掘进，构筑止浆垫，分别在两个位置进行二次置换注浆，使井筒周边形成结石体帷幕，达到流沙层掘进标准；并采用小段高、加强支护强度，顺利通过了流沙层。

［1］ 安良友.板石煤矿斜井井筒流沙层方案及施工方法总结［J］.山东煤炭科技，2010(05):12-13.

［2］ 徐新斌，杨焕友，等.石槽村煤矿副井井筒地面预注浆施工方法［J］.能源技术及管理，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

陈金山（1971—），男，河南修武人，大学本科，助理工程师，从事煤矿技术管理工作。

刘新光