立井井筒过流砂层施工置换注浆法

摘要

本发明提出的置换注浆法是用打钻的办法将施工过程中井筒下部的含水流砂挤压出或让其喷出砂层体外，腾出能支承一定时间的空间，将配制好的水泥浆加压注入，尽快充满流砂层的空间，使之逐渐形成人工建造的水泥帷幕防护岩体，防止井筒挖掘时流砂及水的侵入，在流砂层的置换段内实现了无水凿井施工，保证了立井井筒施工质量，并且成井造价只是现有的冻结法，钻井法等特殊凿井法的50％，工程平均进度也有所提高。

说明书

本发明属于一种矿井施工方法，适用于立井井筒表土流砂层施工。

立井井筒是矿井建设中的关键工程，其施工速度和工程造价对整个矿井建设的技术经济效益有显著影响。目前，在立井井筒施工中，普遍存在厚表土流砂层的施工问题，流砂层的存在严重影响了立井井筒施工，而且往往出现塌帮现象，为此，需采用特殊法施工，目前通用的特殊凿井法有冻结法、钻井法、沉井法，但这些方法都存在工期长，设备复杂、造价高等问题。

本发明提出的立井井筒过流砂层施工置换注浆法的原理是：采用普通立井井筒施工法，当井筒开凿到流砂层附近，打钻用压力水或利用承压流砂层自身压力将流砂随水冲出砂层体外，腾出一定的空间，再将水泥浆压入，迅速凝固结石。在井筒四周将流砂层逐渐置换成人工水泥结石体帷幕，从而消除了流砂层段凿井施工中出现流砂和水侵入井筒以及井壁塌帮危险，保证了正常的井筒掘砌施工。

本发明的目的是设计一种采用普通的注浆方法过含水流砂层的立井井筒施工方法。

本发明提出的立井井筒过流砂层施工置换注浆法的具体方法步骤是：

1、在立井井筒施工过程中，在井筒掘进到距含水流砂层2-6m时的井筒底部筑一混凝上止浆垫。

2、在止浆垫上沿井筒四周布置置换注浆钻孔，钻孔沿井筒径向向外倾斜0-20°，钻孔最佳倾斜角为10°-12°，钻孔直径最好为30-50mm，每个钻孔都安装带阀门的孔口管，孔口管可以在建筑止浆垫时预埋在止浆垫内，或直接在钻孔时安设。钻孔分批对称布置，第一批四个孔，按90°间隔布置，第二批八个孔，按30°间隔插入第一批孔的空档中间，依次类推分批布孔，直至井壁范围内的流砂层被置换固结为止。

3、在遇非承压含水流砂层的情况下，采用双孔或多孔钻注方法，在每一批布置的钻孔中先钻两个钻孔或多个钻孔，当钻孔到达流砂层或少许进入流砂层后，提出钻孔内的钻具，对其中一个钻孔注入高压水，使一定量的流砂从另一个钻孔或另几个钻孔中冲出，每次置换量最好为1.5-2m³，然后关闭排砂钻孔的孔口管阀门，接上注浆管向注水钻孔注入水泥浆液，注浆量不少于钻孔排砂量。注浆完毕后关闭注浆孔的孔口管阀门，待水泥浆固结后，对该注浆孔和另一个或另几个排砂孔继续向下钻进，穿过人工结石体钻入流砂层，进行下一循环同样步骤的钻注施工，依此方法逐段向下置换砂层，直至该注浆钻孔不再出水为止。在遇到承压含水砂层的情况下，采用单孔钻注方法，对每一批布置的钻孔逐个钻注施工，当钻孔钻到流砂层或少许进入流砂层时，提出孔内钻具，让一定量的流砂从该钻孔中自行喷出后，接上高压注浆胶管进行第一次注浆，注浆量不少于该钻孔排砂量，每次置换量最好为1.5-2m³，然后关闭钻孔的孔口管阀门，待水泥浆液固结后或打开阀门不返浆时，继续向下钻进，穿过人工结石体，钻入流砂层内，开始进行下一循环同样步骤的钻注施工，依此方法逐段向下置换流砂直到该钻孔不再出水为止。

4、待全部注浆孔呈现为干孔后，即可按顺时针方向逐个孔进行压水试验，其压力值一般等于或少许大于该地层段的静水压力，若本孔不漏水并且临近孔无串水现象即为合格，若有出水南象需补注浆液，待注浆孔逐个检查一遍后，即结束本流砂层的置换注浆，然后在井筒中心打一大孔径取芯钻孔检查该段的注浆效果，并延长孔深到下一流砂层段，摸索下一段地层赋存条件。

本发明提出的立井井筒过流砂层施工置换注浆法为立井施工又增添了一种新的方法，有效地解决了立井井筒采用注浆法通过流砂层的技术难题，采用这种置换注浆法可使井筒向下预计开挖部位和四周流砂层内的80%流砂被水泥浆结石体所置换，有些部分形成水泥与干砂的交互层体，甚至连砂层顶板的土层也被纵横交错的水泥浆侵入，使整个注浆段形成一个坚固的整体。不但彻底止住了流砂和地下水的侵入，而且提高了井筒周围围岩的强度，在流砂层的置换段内实现了无水凿井施工，保证了立井井筒施工质量，并且成井造价只是冻结法、钻井法的50%，工程平均进度也有所提高。

附图1非承压含水流砂层置换注浆方法示意图

附图2承压含水流砂层置换注浆方法示意图

附图3注浆孔布置及置换注浆平面图

附图4立井井筒表土段置换注浆掘砌施工剖面图

下面结合附图用实施例对本发明做进一步的描述：

置换注浆是借用压力水将施工井筒下部地层中松散，遇水即流动的成层砂粒挤压排出砂层体外，若遇到承压含水流砂层时，则无需压水，靠流砂层自身的压力使流砂喷出，从而腾出能支承一定时间的空间，再将配制好的水泥浆液加压注入，尽快充满流砂层的空间，逐渐形成人工建造的水泥帷幕防护岩体，防止井筒挖掘时流砂及地下水的侵入。

为了安全和阻止浆液喷入井筒内，在立井井筒施工接近流砂层时，在井筒底部建筑一混凝土止浆垫2，止浆垫2的位置最好选择在距砂层顶1.5-2m，采用素混凝土结构，如图1所示，其上面四周略高于井筒中部，便于集聚淋水于中央水窝之中。下部的矢度高一般有0.3-0.5m即可，便于使压力传递到井壁1上，减轻止浆垫2直接接受压力负荷，止浆垫2向外倾斜度10°;最大厚度为1.5m，其中井壁内为0.5m。

止浆垫建筑完成后，在止浆垫上沿井筒四周布置注浆钻孔，为了使浆液尽可能在井筒井壁周围形成一道有效的坚固帷幕防护体，注浆孔布置时尽可能靠近井壁，钻孔向外倾斜度为10°-12°，孔底位置落在井壁荒径外0.5-2m，使置换后的人工结石体7呈圆锥台形状，如图4所示。施工中为了掌握浆液在砂层中扩散范围以及每次注浆效果，注浆钻孔分批对称布置，第一批四个孔，按90°间隔布置，第二批八个孔，按30°间隔插入第一批孔的空档中间，依此类推逐渐分批上孔，缩小孔距，直至在井壁范围内的流砂层被置换固结为止，一般孔距最好为0.3-0.5m，钻孔布置方式如图3所示。

在钻注施工中，应根据流砂顶板土层的最大悬空条件选择最佳置换砂量。若一次置换量过小，则增加往复钻注次数，延长了施工时间，若一次置换量过大，则砂层顶板处悬能力不够，在尚未注浆即已塌落，势必增加注浆的难度，每次置换量最好为1.5-2m³，每个孔从开始到结束，一般往复钻注次数可达6-20次。钻注施工时，在遇到非承压含水流砂层6的情况下，采用双孔或多孔钻注法，其中一个孔个为压水和注浆孔，另一个钻孔或另几个钻孔为排砂孔，如图1所示。在遇到承压含水流砂层8的情况下，采用单孔钻注法，当钻头接触砂层或少许进入砂层内，层内呈现承压状态，提出钻具5，让水砂喷出1-2m³后再关闭孔口管3上的阀门4，然后向孔内压注水泥浆，第一次钻注结束等2-4小时水泥浆凝固后，或打开阀门不返浆时，即可进行第二次钻注，这样一次次往复钻注，如图2所示，一直延深到砂层底板，该孔不再出水砂为止，已结束的孔应以空孔出现，当等迟到水出现渗透或临近钻孔注浆时局部压裂出现串浆现象时，应重新扫孔注浆，凡注浆孔内有水砂者必须扫开复注，一直到全部注浆孔呈现干孔状即可结束。

钻孔的孔口管3及阀门4可在建筑止浆垫时预埋，也可以在打钻时安设。对于多层相隔较近的流砂可共用一个止浆垫钻注施工。

注浆终压的确定取决于受注空间的条件，由于置换注浆基本上互相换位，压力不需过大即能达到目的。砂粒在水力作用下随水流动所形成范围是很广的，若沿水力搬运方向逆向而扩散浆液，可达数公里之远，每次注浆终压控制在1.5-20MP₀，无论终压是否达到，只要终量指数达到标准即应停注，其目的是控制浆液在距井筒不太远的地方逐渐堆积加厚，形成有效理想的人工水泥结石体7，从而取代流砂层。

待全部注浆孔呈现为干孔后，即按顺时针方向逐个孔进行压水试验，其压力值一般等于或少许大于该地层段的静水压力，若本孔不漏水或临近孔无串现象即为合格，否则仍需补注，待注浆孔逐个检查一遍后，即结束本段注浆。然后在井筒中心打一孔径90mm钻孔取芯检查该段注浆效果，并延长孔深到下一注浆段，摸索下一段地层赋存条件，为下一流砂层的置换注浆施工提出地质数据。