立井工作面承压水流砂层保浆旋喷注浆工艺

摘要

本发明涉及一种矿井的掘进支护方法，具体说是立井工作面承压水流砂层保浆旋喷注浆工艺。高压旋喷注浆应用于工作面承压水条件下砂卵石层尤其是流砂层施工，钻孔涌水量很大、压力很高导致注入的水泥浆液被水冲走，从而造成旋喷无法成桩；目前国内外未见任何关于承压水条件下的旋喷技术研究。本发明在承压水条件下的立井工作面中，先实施单孔成孔，再实施保浆单孔成桩，最后封孔固浆，实现了保压保浆一体化的承压水条件下流砂层旋喷施工。本发明采用工作面为主要施工场地，额外占地面积小，施工机具较简单，耗能较小；其所用主要材料为水泥系浆液，无毒无害，固结体牢固可靠；对保护自然资源和生态环境可起到积极的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矿井的掘进支护方法，具体说是立井工作面承压水流砂层保浆旋喷注浆工艺。

背景技术

注浆技术是指利用压力将能固化的浆液通过钻孔注入岩土孔隙或建筑物的裂隙中，使其物理力学性能得到改善或达到某一特定目的(比如止水、灭火和提高摩擦力等)的工程应用技术。该技术已经广泛应用于包括水电工程、铁路工程、建筑工程、公路工程、桥梁基础、矿山建设等工程领域，成功地解决了许多地质灾害、工程边坡加固和防水止水的关键技术难题，取得丰硕的成果。目前在注浆技术方面的研究很多，尤其是注浆材料层出不穷，从最初的单液注浆发展到双液，化学浆液的应用也越来越广泛。高压旋喷注浆技术自上世纪70年代间世以来得到迅猛发展和广泛应用。目前高压旋喷主要用于处理地基及基坑防水止水方面，应用较多且取得显著效果。

在矿山建设及岩土工程中，碰到的需要采用注浆技术解决的主要问题包括基岩破碎带固结加固、裂隙带堵水、第四系松散堆积层固结加固和堵水以及封堵有害气体逸出、灭火等特殊用途。其中砂卵石层注浆方面尚没有形成成熟技术，还在施工摸索。对于含承压水砂卵石层的处理，近年来在矿山建设过程中主要采用冻结法施工，效果较好但费用昂贵且工期较长，有时甚至难于实现。而采用其他工艺方法如地面预注浆、工作面静压预注浆、小导管注浆法等，效果很不理想。

而高压旋喷注浆因其具有射流切割、混合搅拌、土体置换、充填渗透、挤密压实等作用，在松散地层中属于强扰动注浆，其注浆有效范围可得到控制，在岩土工程中已大范围推广。但应用于工作面承压水条件下砂卵石层尤其是流砂层施工，因其既需要孔口正常返浆，又要保证孔内正常成桩，施工难度非常大。承压水流沙层一般情况下透水性良好，旋喷过程中如果不采取特殊工艺，钻孔涌水量很大、压力很高导致注入的水泥浆液被水冲走，从而造成旋喷无法成桩。目前国内外未见任何关于承压水条件下的旋喷技术研究，因此在承压水条件下的立井工作面流砂层旋喷防水帷幕工程目前国内未有成功先例。

发明内容

本发明的目的在于提供一种施工工艺难度小的立井工作面承压水流砂层保浆旋喷注浆工艺。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

立井工作面承压水流砂层保浆旋喷注浆工艺，其工艺步骤如下：

(1)、在承压水条件下的立井工作面中，先实施单孔成孔工艺步骤：为防止流沙层底涌及成孔过程中大量涌水涌砂，施工前需进行混凝土止浆垫的施工；待止浆垫达到2-3天龄期后，钻透止浆垫，安设孔口套管并进行固管；在孔口套管固管达到钻进施工条件后，安装孔口保压保浆装置及钻喷一体装置，进行钻进成孔；

(2)、保浆单孔成桩工艺步骤：采用孔口防突装置实施孔口注浆口控制，保压保浆旋喷；旋喷采用双喷嘴，直径2.5mm，浆液压力大于20Mpa，流量大于120L/min；钻机提升速度20-25cm/min，钻机旋转速度20-25r/min；

(3)封孔固浆：旋喷终孔后，采用CS双液注浆方式固浆；浆液初凝后退出钻具，单孔保浆旋喷完成。

所述的浆液配比为：旋喷注浆采用水灰重量比1：1的纯水泥浆，再加添加剂；其中水泥用量：300kg/m；水泥型号：早强型普通硅酸盐水泥P.032.5R；

添加剂：采用水泥浆液体积的3-5％的水玻璃，模数等于2.6-3，浓度等于34-38波美度。

本发明相对于与冻结法工艺对比，其优点如下：

冻结法凿井是在井筒开凿之前，用人工制冷的方法，将井筒周围的地层冻结形成封闭的圆筒——冻结壁，以抵抗地压，隔绝地下水，在冻结壁的保护下进行井筒掘砌施工的特殊施工方法。其适应性强、安全可靠，目前是国内第四纪松散含水层建井施工的主要施工方法。但对于较深松散地层，其施工成本过高。且对于前期未进行冻结施工而井架系统已经形成时，由于其无法进行工作面施工，须在地面拆除井架而会需要更大的施工成本，需要更长的施工工期。

本发明工艺采用工作面为主要施工场地，额外占地面积小，施工机具较简单，耗能较小。其所用主要材料为水泥系浆液，无毒无害，固结体牢固可靠。对保护自然资源和生态环境可起到积极的作用。

附图说明

图1是承压水条件下旋喷孔口保浆保压装置原理图；

标号说明：

1.推进器手柄，2.螺旋推进器，3.保浆器外套，4.密封压环，5.密封组件，6.密封支撑环，7.挡环，8.孔口管接头，9.孔口管，10.固管剂，11.防滑肋，12.旁路管，13.阀门，14.外平钻杆，15.钻喷一体钻具。

具体实施方式

本发明立井工作面承压水流砂层保浆旋喷注浆工艺步骤如下：

(1)、在承压水条件下的立井工作面中，先实施单孔成孔工艺步骤：为防止流沙层底涌及成孔过程中大量涌水涌砂，施工前需进行混凝土止浆垫的施工；待止浆垫达到2-3天龄期后，采用空气潜孔锤冲击钻进工艺，按设计孔位及角度钻透止浆垫，安设孔口套管并采用CS双液注浆方式固管；在孔口套管固管达到2天龄期后，安装孔口防突装置及钻喷一体装置，进行钻进成孔；

(2)、单孔成桩工艺步骤：采用双喷嘴，直径2.5mm，浆液压力大于20Mpa，流量大于120L/min；提升速度20-25cm/min，旋转速度20-25r/min；

(3)、保浆工艺步骤：采用孔口防突装置实施孔口注浆口控制，保压保浆，旋喷终孔后，采用CS双液注浆方式固浆。

在钻喷一体小直径沙层成孔的工艺过程中，为解决在承压条件下砂卵石层中钻进的塌孔卡钻问题，本试验工程参考煤炭科学研究总院西安研究院的《近水平旋喷钻喷一体施工钻具》专利技术，公告号：CN201141282，设计了钻喷一体小直径沙层钻头其最大外径仅76mm。配套直径为63.5mm外平钻杆保证了快速、安全的钻进成孔。

在承压水旋喷孔口保压保浆工艺中，旋喷施工因有置换机理，施工时孔内多余材料必须适当排出。在非承压水条件下，垂直孔旋喷孔口无需采取措施。但在承压水条件下旋喷时孔口不采取封孔将会产生泄压及跑浆问题。而封孔则对旋喷施工会产生严重影响(旋喷时钻具需进行旋转与提升，同时还要排出一定量的余浆)。本发明采用煤炭科学研究总院西安研究院的《水、气害探治钻进防突装置》专利，公告号：CN201103363，设计了孔口保浆保压装置。

参见图1，推进器手柄1焊接在螺旋推进器2上，与保浆器外套3通过螺纹连接。耐磨密封压环4，弹性橡胶密封组件5，耐磨密封支撑环6，共同组成弹性密封组，其内通径可比外平钻杆14外径大5毫米左右。挡环7焊接在外套3上。孔口管接头8通过螺纹连接防突外套3与孔口管9。固管剂10主要起固定孔口管9于注浆垫的作用。防滑肋11焊接在孔口管9的外壁。旁路管12焊接在防突外套3上。阀门13通过螺纹连接在旁路管12上。钻喷一体钻具15通过螺纹连接外平钻杆14。

实际旋喷施工中，首先依计算安全固管长度施工孔口管9的固管。待固管剂10强度达到要求，钻出孔口管9内多余固管剂，安装保浆保压装置即可进行钻进施工。钻进施工中可通过打开阀门13排出钻进循环液及钻硝。旋喷时遇孔口跑浆时，可首先旋紧推进器手柄1通过螺纹使螺旋推进器2向前推进，压缩密封压环4，密封组件5，密封支撑环6组成的弹性密封组，使其产生径向变形，封堵保浆器与外平钻杆14间的间隙。然后缓慢打开阀门13，实行旋喷余浆可控排出。旋喷施工完成后再通过阀门13回注CS双液浆固孔后，即可拆除孔口装置，完成保浆旋喷注浆。