立井井筒综合防治水技术.doc

毕业设计专题

金黄庄煤矿风井立井筒施工综合防治水技术

专业:煤矿开采技术

班级:2008级 专升本

函授站：新汶党校

姓名：李延辉

金黄庄煤矿风井立井筒施工综合防治水技术
班级:煤矿开采技术2008级 姓名：李延辉

摘要：以安徽金黄庄矿业有限公司金黄庄矿风井立井井筒防治水为例，简要介绍了“探、堵、截、封“立井井筒综合防治水施工方法、施工工艺及管理措施，为类似工程施工积累了一定的施工经验，取得了良好的经济效益。
关键词 立井井筒 防治水技术 应用
0 引言
立井井筒涌水往往导致施工速度缓慢，井壁浇注质量差，由于井筒中吊盘空间有限，无法安设大功率排水设备，限制了排水能力，施工中极易造成突水淹井事故。搞好井筒防治水工作不仅减少资金投入，缩短建井工期，也关系到施工单位职工的安全。经过研究与探索，总结出了“探、堵、截、封”立井井筒综合防治水施工技术，有效预防了井筒水害事故的发生，为井筒快速优质施工创造了较好的条件。
1 风井井筒水文地质概况
金黄庄煤矿风井位于井田东北端，地层自上而下依次为：第四系、二叠系上统石千峰组、上石盒子组、下统下石盒子组、山西组、石炭系上统太原组、中统本溪组、奥陶系中统白土组、下统马家沟组。由于第四系地层采用了冻结施工,井筒涌水治理主要集中在基岩段。井筒基岩段施工自上而下主要穿过二叠系上统石千峰组、上石盒子组、下统下石盒子组、山西组。
井筒基岩段水文地质主要有以下几个特点：
1.1 地质条件复杂，含水层多，且含水丰富。
风井筒所穿过的砂岩层均含水.矿井自井口（+45.1）至井底（-800m）掘砌过程中，共穿越砂岩含水层26层。砂岩含水层厚度一般在3-6m之间，最厚达25.6m。二叠系上统上石盒子组底界面为奎山砂岩底，是主要含水层，分两段，第一段厚度23.51m，第二段厚度15.10m，间隔7.40m的粉砂岩。含水丰富，
1.2 含水层纵向裂隙发育，注浆难度大
从井筒掘进揭露的地层可看出，岩层纵向裂隙特别发育，揭露的纵向裂隙宽度一般在1-3mm，最大达10mm，风井还揭露断层，井壁出水通道都是纵向裂隙导通，这在其他矿区是很少见的。
1.3 断层构造带影响，致使含水层大量涌水
金黄庄矿风井在施工过程中在垂深 358 m处，揭露 F1断层，受断层的影响，造成砂岩与上覆砂质泥岩联通导水。
1.4 高静水压、微裂隙是井筒深部含水层的主要特征
随着井筒延深，水压随之增大基本与埋深呈正比关系。进入煤系地层，井底静水压达到6Mpa。煤系地层沉积裂隙减小，形成微裂隙。
2 井筒综合防治水技术
根据风井井筒水文地质条件有针对性的选择不同的治水措施，解决了凿井期间治水技术难题。其具体做法为：
2.1 探：根据井筒检查钻提供的含水层位置，预留15米隔水岩柱，在井筒主要含水层揭露前进行钻探，查清水量、水压。
2.2 堵：当钻孔涌水量小于3m3/h时，直接掘进；大于3m3/h时，编制注浆措施，进行注浆封堵。
2.3 截：采用暗截水槽，在井壁敷设排水管，把水直接截吊盘水箱，通过吊盘上的水泵排至地面。减小吊桶排水压力，增加排矸量，同时防止井壁淋水冲刷砼，为井筒壁后注浆创造较好的条件。。
2.4 封：每一次探水注浆前对上一次注浆段出水点进行壁后注浆，减少井筒淋水。待井筒掘砌全部结束后对井壁细小出水点再一次进行全方位封堵。
3 风井井筒掘砌期间综合防治水实例
3.1 风井井筒探水注浆施工工艺
根据水文地质资料，确定含水层位置→调整掘砌段高，预留10～15m止浆岩帽停头，施工砼止浆垫层→搭设注浆工作平台→设备布置安装→按探水注浆措施要求布孔→孔口管加固、注浆施工→注浆完毕后的孔口管，浆液凝固后，打开高压阀门，用钻头扫出水泥浆，继续钻进。遇水后，提钻注浆，如此反复，直至通过整个含水层。
3.2. 注浆参数的选择
3.2.1 设备选择及布置
选用mz120－Ⅱ锚固钻机，钻杆直径Φ60mm，Φ90mm冲击器。小钻头直径90mm；大钻头直径Φ130mm，注浆泵选用2TGZ-60/210型双液注浆泵。
3.2.2 注浆材料选择
工作面注浆主要采用水泥单液注浆，水泥—水玻璃双液浆封孔；壁后注浆主要采用水泥—水玻璃双液浆。针对特殊地层采用化学浆注浆。主要材料为：水泥P.O42.5R，水玻璃浓度为40Be0；化学浆用DHN-3改性脲醛树脂胶和草酸
3.2.3止浆垫厚度的确定
探水注浆采用预留岩帽做隔水岩柱，工作面视岩层情况施工不同厚度的止浆垫层。一般岩层垫层厚度控制在1~1.5以内，止浆岩帽厚度一般控制在10m～15m。
3.2.4 钻孔参数确定
①　 探注段高确定
根据以往施工经验，参考潜孔钻机钻孔深度和注浆泵流量、浆液沉淀速度、注浆泵压等参数，确定注浆有效段高65m。在岩层隔水状况较好层段，施工部分深部检查孔，探查深部含水层情况，探查深度至80m。如段高80m内，检查孔内均无水，则掘砌段高70m；否则掘砌段高视含水探查孔揭露含水层位置确定不超过55m。
②　 探水注浆钻孔倾角按下式计算： α=tg（E＋M＋A）/H
E：为永久井壁厚度，m。
M：为终孔位置超出荒径的距离，考虑放炮松动圈影响,岩层空隙率及注浆交圈效果，对井筒取一般3.5米。
A：开孔位置距井帮距离，为方便施工一般取0.3m。
H：钻孔深度，m。依据探注段高确定。
α：钻孔倾角，由于含水层距止浆垫距离不同,施工过程中钻孔倾角随时调整,一般为4.1°～5°,最大时达8°。
③　 布孔数目的确定
注浆孔数一般按下式确定：
N=π（D-2A）/L
N：注浆孔数，个；
D：井筒净直径；
A：开孔位置距井帮距离，一般取0.3m；
L：注浆孔间距，m；
施工过程中，三个井筒正常布置12个钻孔,分单双号施工，先期均匀布置6根，钻孔在井筒内，以井筒中心为中心，均匀布置；施工过程中视探水情况，适当增减钻孔个数。全部钻孔施工完毕后，结合探注期间的揭露水文情况，施工1～2个检查孔，当情况异常时，再补充注浆孔，加密注浆。
3.2.5 注浆压力的确定
注浆压力是驱动浆液在裂隙中流动扩散、充填、压实的能量，是控制浆液扩散距离的重要因素， 在注浆过程中，注浆压力可分为初期、正常及终压三个阶段。可由下列公式确定：
Pa =P0+（1～3） Pa: 注浆初始压力，MPa
Pb=P0+（3～5） Pb：正常注浆压力，MPa
Pc=P0+（5～8） Pc：注浆终压， MPa
P0：静水压力。 Mpa
一般，当初始浓度确定后，用人为的办法调节注浆泵的吸浆量，调整浆液浓度及凝结时间，使压力达到初压、正常和终压值，并达到预计注入量，浆液注入量可由下式估算：
Q=λπR2Hηβ/M
λ：浆液损失系数，取1.5。 R:浆液扩散半径3.5米。
H：注浆段高。 η：岩石裂隙率，取10%～20%。。
β：浆液在裂隙内的有效充填系数取0.8。 M：结石率，取0.8。
根据现有经验，注浆终压一般控制在静水压力的2.5～3倍，终压具体数据以实际测定静水压力确定。
3.2.6 浆液浓度选配
用注浆泵压清水，冲洗岩石裂隙中的充填物，提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘结强度及抗渗能力，一般压水时间10～20分钟。复注时压水时间20～30分钟。根据压水试验资料，计算单位钻孔吸水量，据此确定所注浆液的浓度。
q=Q/H
q：单位钻孔吸水量；
Q：压水最大压力时的流量；
H：注浆段高。
注浆期间，根据实际注浆情况，按下列方式进行浆液浓度调整：
①　 在初期注浆压力条件下，吸浆量为吸水量的80%，可视为正常，否则，可调浓或调稀一级。
②　 当压力不变时，连续注入30分钟后，吸浆量不变，可调浓一级。
③　 当压力缓慢上升，吸浆量逐渐减少时为正常，可一直注浆直至结束。
3.2.7 结束注浆的控制
单孔注浆结束标准，用以下两个指标衡量：
一是注浆压力达到注浆设计终压，注入量小于40至30升每分；
二是实际注入量基本符合预计注入量。
通过对井筒掘砌前含水层探水注浆，封堵了含水层出水通道，将水隔离在以井筒中心为中心，半径8米的范围之外。全井筒共探水注浆10次，在掘砌过程中未出现大于3m3/h以上的出水点。确保了施工安全和井筒质量。
4 井筒探水注浆后残余水量的处理
通过工作面探水注浆，含水层涌水得到有效控制，井筒施工环境大为改善,但由于地质构造复杂，纵向裂隙发育，仍有个别点出现涌水现象，在不影响井筒掘砌的情况下,掘完本注浆段后，下次探水注浆前对井壁出水点进行壁后注浆封水。壁后注浆一般在吊盘上进行,打眼采用7665型风钻，钻头直径42mm;注浆孔深度一般1.5-2.5m;注浆管采用直径40mm的无缝钢管,车出鱼鳞扣，长度0.5-1.5m;注浆孔沿井壁合茬缝上、下呈倒三角布置，孔间距一般1.0m;注浆材料采用水泥单浆液和水泥、水玻璃双液浆两种，一般采用双液浆，注浆过程中根据现场情况及时调整浆液浓度和浆液配比;注浆终压为该段静水压的1.5倍。通过壁后注浆，可将大部分出水点进行封堵，大大减少井壁淋水。
5 采取截水槽集中导水，减少工作面淋水，改善施工环境。
采用壁后注浆后，大部分出水点得到封堵，但由于井筒深度不断加大，水压相应增高，个别出水点容易出现反弹，而且由于井筒几乎全部含水,虽经注浆后,井壁淋水仍然逐步增大。为保证井壁砼浇筑质量及给工作面创造一个好的生产作业环境，每隔一段距离在浇筑井壁合茬缝时，人为增大合茬缝宽度，一般在50-100ｍm，然后对合茬缝进行改造，制作成外口小，内腔稍大的环形槽，可以储存大量淋水，最后采用2寸胶管将环形槽淋水引至工作面吊盘水箱内, 排至井口.
6 全井筒壁后注浆封水
由于风井探水注浆次数多，累积井筒残余总水量超过竣工验收标准，为此，在井筒施工完毕后，进行一次系统壁后注浆，注浆采用自下向上注集中出水点，然后自上向下封堵各接茬缝封水，对集中出水段采取上下拦截，分段注浆方法进行注浆。注浆压力控制在静水压的1.5倍左右。通过全井筒壁后注浆，达到了综合治水效果，最后风井残余水量为：5.5m3/h
7 注浆效果
风井井筒全长699米，共有含水层28层，井筒进行了10次工作面预注浆，累计工期293天，施工钻孔164个，钻孔总进尺8119米；6次壁后注浆，累计工期64天，消耗水泥2227吨，水玻璃54吨，Φ90mm钻孔单孔涌水量最大68 m3/h一般在12-20m3/h。顺利通过厚26米的奎山砂岩段富含水层。井筒验收收时实测全井筒涌水量小于5.5m3／h，封堵涌水效果十分明显。
8 结束语
8.1 实践证明，在井筒施工过程中灵活应用综合防治水技术，能够及时掌握水文地质情况，由原来的被动排水改为主动封堵涌水，提高了治水效果，杜绝了井筒突水淹井事故的发生。
8.2 通过注浆堵水，减轻了井筒排水系统的压力，减少了排水设施及排水费用的投入，降低了生产成本。
8.3 混凝土中加入BR-5防水剂，可增强混凝土的密实性和抗渗性，减少井壁淋水对混凝土的影响，确保了井壁质量。
8.4 上述防治水措施工艺简单，效果可靠，解决井筒穿越多个砂岩含水层注浆堵水的难题，可供类似条件井筒施工借鉴。
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