矿井注浆堵水技术.docx

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矿井注浆堵水技术

矿井注浆堵水技术

    当涌水量很大，仅仅靠排水已不可能或有经济时，注浆堵截水源通道，然后再进行排水。

注浆堵水是将水泥将或化学浆通过管道压入井下岩层空隙、裂隙或巷道中，使其扩散、凝固和硬化，从而岩层具有较高的强度、密实性和不透水性，达到封堵截断补给水源和加固地层的作用，是矿井防治水害的重要手段之一。

目前，注浆堵水已广泛用于矿井井筒注浆，封堵突水点，恢复被淹矿井，井巷堵水过含水层或导水断层，帷幕注浆堵水截流，减少矿井涌水量、底板注浆加固防止突水等方面已取得良好的效果。

   一、注浆堵水的适用条件

（1）当老窑或被淹井巷的积水与强大水源有密切联系时，可先注浆堵截水源，然后排干积水。

如山东肥城国庄矿、河南焦作演马庄矿等，都是先堵截水源而后排干积水恢复生产的。

（2）当井巷工程必须穿过一个或几个强含水层或充水断层，如不堵截水源，将给矿井生产和建设带来很大困难和危害，甚至无法施工，我国许多矿井穿过强含水层时，都是利用这一方法。

   （3）当井筒或工作面发生严重淋水，为了加固井壁、改善劳动条件、减少排水费用，可以采取注浆措施。

如鹤壁鹿楼主、副井，新汶协庄主、副井，采取挂浆措施后，取得了良好的效果。

   （4）某些涌水量特大的矿井，为了减少矿井涌水量，降低常年排水费用，亦可采用注浆堵截水源。

如焦作九里山矿，北部隐伏露头区冲积层水补给八层石灰岩含水层涌人矿井，采取注浆措施后，矿井涌水量减少56m3／'rain，lO年共节省排水电费近亿元，取得了显著的经济效益，使一个严重亏损的矿井得以扭亏为盈。

   二、注浆工作程序

（一）注浆材料

   注浆材料的选择应根据堵水的目的、地质条件、施工条件、注浆工艺和投资多少等因素决定。

从水文地质条件考虑，选择材料可参考表4—2。

   在一般情况下，凡是水泥浆能解决问题的尽量不采用化学浆，化学浆主要用于弥补水泥浆的不足，解决一些水泥浆难以解决的问题。

当地下水流速为25m／h时，采用单液水泥浆；当大干25m／h时，采用水泥一水玻璃双液浆；用于底板岩溶、断层破碎带和动水注浆堵水及处理井下突水事故时，目前多采用先灌注惰性材料（如砂、炉渣、砾石、锯末等）充填过水通道、缩小过水断面、增加浆液流动阻力、减少跑浆，然后灌注快凝水泥一水玻璃浆液，再用强度较高的化学浆进一步封堵。

表4-2注浆材料选择---览表

施工目的

地质条件

堵  水

加固

充填

备     注

岩石

层

裂        隙

单液水泥浆水泥-水玻璃浆

一

细水裂隙用化学浆

孔       隙

MG-646铬木素类

松散砂层

MG-646、水玻璃类脲醛树脂、聚氨脂、糠醛树脂、铬木素类

一

砾石、卵石层可用水泥浆

特殊地层（破碎带、断层）溶洞

骨料+单液水泥浆

骨料+水泥-水玻璃浆

骨料+水泥黏土浆

骨料的品种与粒径可视具体情况而定

混凝

土

壁       内

MG-646、铬木素类、聚氨脂类、水泥-水玻璃类

大裂缝用水泥浆小裂缝用化学浆

壁后

砾  层

MG-646、铬木素类、

岩  石

单液水泥浆

水泥-水玻璃类

水泥

黏土浆

（二）具体注浆工作步骤

   1. 注浆段高和浆方式

   注浆段高是指一次注浆的长度，可分为全段一次注浆和分段注浆两种。

前者是将注孔钻至终孔后一次注浆，适用于含水层距地表近且厚度不大、裂隙发育较均匀的岩层。

其优点是一次钻进、一次完成注浆，缩短施工时间；缺点是段高大时不易保证质量。

当岩层吸浆量大时要求注浆设备能力大，易出现不均匀扩散，影响注浆堵水效果。

当注效果。

当注浆深度较大，穿过裂隙大小不同的多个含水层时，在一定注浆压力下，为防止浆液在大裂隙扩散远、小裂隙扩散近，上部岩层的裂隙进浆多、下部岩层裂隙进浆少，应采用分段注浆。

段高可按岩层破碎程度划分。

我国经验数据是：

极破碎岩层一般为5m~10m；破碎岩层为10m～15m；裂隙岩层为15m～30m；重复注浆可取30m～50m。

   注浆方式是指注浆顺序，分下行式和上行式两种。

自上而下依次注浆称下行式注浆，即从地表钻进含水层，钻一段孔，注一段浆，反复交替，直至全深。

其优点是：

上段注浆后，下段高压注浆时不跑浆，同时上段获得复注，注浆堵水效果好。

缺点是：

钻孔与注浆交替进行，工期长。

该方式适用于岩层破碎或裂隙发育的地层。

自下而上的注浆称上行式注浆，即注浆孔一次钻进到注浆终深，使用止浆塞，自下而上逐段注浆。

上行注浆优点是无重复钻进，能加快注浆速度。

该方法适用于岩层较稳定、垂直节理不发育的地层。

   2.   注浆前压水

   目的在于将裂隙中松软的泥质充填物推送到注浆范围以外，从而提高注浆质理和堵水效果。

对于大裂隙，压水时间为10min～20min；中小裂隙，则需15min~30min或列长一些。

重复注浆钻孔压水时间适当延长30min~60min。

压水时压力应由小增大，最大不得超过注浆终压。

   3.   下放止浆塞及注浆

   止浆塞放至规定位置后，接好输浆管，压缩胶塞止浆并经压水试验检查好，即可进行注浆。

注浆过程中应特别注意堵浆、跑浆及冒浆，对待不同情况采取相应措施，以保证注浆工作正常进行。

   （三）注浆参数

（1）浆液扩散半径。

裂隙中浆液的扩散半径随岩石的渗透系数、注浆压力、注入时间的增加而增大，随浆液的浓度和黏度的增加而减少。

据现场经验，岩深地层注浆，浆液平均扩散半径为10 m~15m，裂隙地层平均为4m~8m。

（2） 注浆压力。

注浆压力对浆液的扩散影响很大，经验表明，随着注浆压力的提高，充塞物质的强度急剧增加，这就保证了充塞物具有足够强度和不透水性。

在地下水流速大的情况下，应设法增加浆液的流动阻力，需降低注浆压力，故合理运用注浆压力是注浆的关键。

不同地区因地质条件不同，注浆压力也不尽一样。

有地区选用注浆压力为静水压力的2～3倍，有的则根据岩石裂隙采用合适的压力值。

   （3）浆液注入量。

根据扩散半径和岩裂隙率进行粗略计逄，公式为

                         Q=r2AHnβ　　　　　　　　　　　　　　　　（4－2）

式中Q―――浆液注入量，m3;

      r-―――浆液扩散半径，m;

      n―――裂隙率，％

      H―――注浆段高，m；

      β―――浆液在裂隙内有效充填系数，0.9～0.95；

      A――――浆液消耗系数，一般取1.2～1.3。

  （4）注浆结束标准。

一般是用两个指标表示；一是最终吸浆量，即注浆注至最后的允许吸浆量；另一个是达到设计压力时（即终压时）的持续时间。

从理论上讲，最终吸浆量是越小越好，最理想的情况是注至完全不吸浆，但难以做到，故结束标准是注浆压力达到设计终压，一般为受注含水层水压的1.6～2.5倍，吸浆量小于80L/min，时间不少于30min即可。

   三，突水点（口）注浆堵水

   矿井因突水事故被淹没后，可以采取适当方法与措施，使其恢复生产获得新生，常用的方法有强排疏干法和注浆堵水法。

强排疏干法，即利用大流量水泵（水泵排水量要大于矿井突水后的总水量）强行排水，追水至井底，然后采到相应措施恢复生产。

它适用于突水点（口）动水量和含水层静储量均小，矿井排水设备及电力供应条件皆好，排水后对工农业和居民用水无影响等条件。

注浆堵水法是指用各种方法和材料（水泥、水玻璃、化学材料等）堵塞井下突水点，增加突水点及其周围岩层和隔水层的强度，切断通道和水源，故又称突水点（口）注浆堵水。

此法适用于突水点动水量大、突水点距地面深，井巷断面有限、不能安装大型排水设备，突水点水源与工农业和居民供水属同一水源，排水后会引起水源地枯竭或产生环境水文地质问题时。

突水点（口）注浆堵水，按注浆孔的们位置可分为先后排法和先排后堵法，我国淹没矿井恢复注浆堵水常用的是地面注浆先堵后排法。

（一）注浆堵水前的水文地质工作

   注浆堵水时应解决的问题是：

井下突水点的具体位置在哪里，在什么部位注浆效果最好，根据什么原则布置勘探注浆孔，突水点堵水效果如何判断等问题。

为了正确选择堵水方案，确保注浆钻孔能命中堵水的关键地点或部位和正确评价堵水效果，一般需进行下列水文地质工作：

（1）通过现有水文地质资料的整理分析、野外地质调查以及必在的突水点（口）注浆堵水补充勘探工作，查清突水点的位置，确定或判断突水水源、突水点附近断裂构造的确切位置和含水层间的对接关系、突水点地段内含水层的分布及它们之间的水力联系、各含水层岩溶裂隙发育程度及岩溶裂隙发育的主要方向；

（2）因地制宜地进行连通试验，测定地下水的流速、流向和地下水的水质与水温；

  （3）布设地下水动态观测网，进行堵水前、堵水后和堵水过程中的动态观测，并编制注浆观测孔历时曲线和等水位（压）线图，以指导注浆工程和注浆效果评价；

  （4）用钻孔和被淹矿井进行抽（放）水试验，了解各含水层与突水点（口）的水力联系情况；与注浆工程前后放水资料对比，评价堵水效果；

  （5）注浆前每孔都要进行冲洗钻孔及压水试验，目的是冲洗岩层中空隙通道，利于浆液扩散并与围岩胶结提高堵水效果；通过压水试验计算岩层单位吸水量，了解岩层的渗透性，以选择浆液材料及其浓度与压力。

（二）突水点注浆堵水方案的制定

制定方案时应反复分析研究，在弄清水文地质条件等情况的基础上，对堵水工程作出正确布置，对堵水方法提出明确要求。

方案设计应包括如下内容；

（1）确定堵水范围、注浆层位和部位，注浆孔、观测孔检查孔数及其布置方式；

（2）确定注浆材料、注浆深度，划分注浆段、选　择注浆方式和止浆方法；　

  （3）确定注浆参数及质量检查和评价方法；　

  （4）选择钻探设备，确定钻孔结构与施工方法，确定主要安全技术措施（包括注浆操作规程）。

  （三）施工注浆孔及注浆

   1．勘探注浆孔及注浆

（1）应布置在井下突水点附近，围绕着突水点由内往外和由稀至密分批布置。

其目的是根据探资料及时修改补充原设计，以达到提高堵水和加固底板的效果；

（2）根据地下水的流速、流量和流向，注浆孔应布置在来水方向上，在突水点或断层带附近应适当加密堵水钻孔，以便切断突水点补给来源，减少注浆堵水孔数；

   （3）布置钻孔尽可能一孔多用，使之既是地质、水文地质勘探孔，又是试验孔、观测孔，同时还可作为注浆堵水孔；

   （4）注浆间距应按当地的具体地质、水文地质条件与实际扩散半径（R）等因素确定。

   2．注浆过程中的若干问题

（1）注浆层或段裂隙细小，钻孔单位吸水量小到中等的钻孔，一般耗浆量不大时，可采用连续注浆法，即自始至终连续不断地注浆，直到达到注浆设计结束标准。

（2）岩溶通道大、钻孔单位耗浆量大时，可采用间歇时间长短，主要依浆液达到初凝所需时间而定。

间歇的次数以孔口压力上升快慢而定。

当注浆孔口压力上升较快时，可改为连续注浆。

每次停注后需冲入一定量清水，以保持通道井口有致被堵塞。

   （3）若发现邻孔有窜浆现象，应串连两孔同时注浆；若设备不足，依钻孔水位高低，可在下游注浆孔压入清水保持通道能畅、上游注浆孔注浆的办法处理。

   （4）注浆时，若通道中地下水流量汪、流速大时，只要浆液性能（水灰比）适宜，吸浆量大于通道中地下水流量1.5倍，注浆也可以成功；若通道流量大、流速小时，可用不易被水稀释的浆液，使用间歇注浆法注浆；若通道中流量和流速皆大，则可在注浆前设置比重较大固料，先将通道充填，然后注入速凝浆液。

   3．注浆堵水效果的判断

   当注入突水点及其周围的堵水材料固结封住突水通道后，则淹没矿蟛的水位将发生显著变化，地下水流的流动方向和水化学成分也相应发生变化，这些均可看成判断堵水效果的定性指标；定量指标是通过注浆前后的排水试验取得水量与降深关系的数据后，即可识别。

四、井下注浆堵水

    井下注浆封堵突水点，主要是处理某些生产过程中发生和规模小的突水或恢复某个采区、工作面的生产工作。

它的注浆堵水工作在井下进行，而且主要是对断层突水处理，主要方法是：

（1）用水闸墙挡水。

当水突入巷道后，若水量较大，应采取紧急措施，在所掘巷道突水点以处地段，将水堵在巷道内；若水量不大时，可用水管将水导出，然后先择岩层比较完整处修筑水闸墙，待水闸墙修好后将管子的水门关闭，造成静水条件。

（2）待封堵于巷道内的水停止流动后，在接近水闸墙的正常巷道内向断层出水点和和其接近的含水层打注浆孔，然后用高压注浆泵往钻孔里注浆，以封堵和加固突水点及其周围地层，同时切断补给水源。

底板含水层注浆改造技术

   一、适用条件

   在承压区含水层的富水区，强径流带或底板不完整的工作面，采用疏水降压和帷幕注浆难度大、经济不合理时，可通过薄层灰岩含水层注浆改造。

   煤层底板注浆改造含水层，是沿工作面上下平巷大面积布置注浆钻孔，通过注浆钻孔注浆来充填底板灰层含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，从而大大减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，使受注含水层被改造为不含水或弱含水层，实现工作面不突水开采。

山东肥城和河南焦作等矿区通过多年的实践探索，总结出在下面两个条件下采作注浆改造方法可取得较好效果：

（1）煤层底板薄层灰岩含水层富水性强，单位降深疏水量大于5m3/h·m；突水系数在复杂地段超过0.06MPa/m，在正常地段超过0.1MPa/m。

（2）工作面存在构造破裂带、导水裂隙带等。

   二、注浆孔的布设和施工

（一）钻孔布设的原则

   有条件的先要进行物探，再根据物探资设计钻孔。

一般在采煤工作面的运输巷每隔60m~80m施工一钻机房，在钻机房内以不同的倾角、方位分别向工作面内上、中、下各部位施工2～4个钻孔。

工作面初压和周压段构造发育段（尤其是断层交叉部位）、含水层富水段、隔水层变薄区，都要酌情加密，并尽量与裂隙发育方向垂直或斜交。

（二）钻孔结构

   注浆孔的终孔孔径不小于73mm，钻孔要下二级套管，一级管直径146mm~159mm，二级管直径为89mm~108mm。

一级套管的底口距煤层面法向深度不低于5m，二级套管距煤层面法向深度不低于15m。

两级套管均需注浆、固结、耐压试验，合格的方可继续钻进。

   （三）钻孔施工顺序

    为使注浆钻孔能有效命中富水地段，减少钻探工程量，注浆孔要分三个序次施工，先施工第一序次钻孔，完成一个注一个，以免串浆，造成废孔。

完成第一序次后，再施工第二序次孔，全部注浆结束后，视钻孔水量和进浆情况补打第三序次的检查孔。

   （四）钻孔施工技术要求

（1）为确保施工人员人安全，在水压在于1.5MPa时必须使用防喷装置和孔口钻杆卡持器。

（2）孔口管下好后必须进行耐压试验，压力达到设计注浆终孔压力，持续20min以上。

   （3）孔口要安设与注浆孔压力相匹配的水门。

   （4）终孔位置一般要穿过含水层，由于水大（大于200m3/h）、孔深，施工因难时可以不穿透含水层或换用小径钻进，但进入含水层的垂直厚度不得小于含水层的1/2。

   （5）认真做好现场不班记录，准确记录初始涌水量和最大涌水量、岩层层位、换层深度、进入含水层前有无“导高”、进入含水层后岩溶的发育程度等，便于进行资料分析。

   三、注浆系统

   煤层底板含水层改造注浆系统采用地面集中建站、造浆，所制得浆液通过泥浆泵、注浆管路、送料孔、井下管路、注浆钻孔进入受注含水层（见图4－16）。

（一）注浆材料

以黏土、水泥为主，可视钻孔涌水量大小，可适当增加少量水玻璃，提高注浆效果。

（1）黏土：

是黏土水泥浆的主剂，通常占干料的80％左右。

实践证明，塑性指数为7～15，主要成分为高岭石的黏土配制的水泥浆，性能较好。

（2）水泥：

对凝胶体起结构成型作用，通常采用425号普通硅盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，占浆液干料的10％～30％，一般为20％左右【插图1幅】

（二）注浆设备

   注浆系统中主要注浆设备有泥浆和输浆管路等。

一个注浆站一般需要两台注浆泵，一台正常运行，一台检修备用。

根据肥城和焦作矿区的经验，泥浆泵流量为100L/min~250Lmin,压力为4MPa~10MPa，可满足注浆要求。

输浆管路用60×6无缝钢管及配套的快速接头为宜。

   （三）注浆方式

   对含水层采用全段连续注浆方式，尽量充填实岩溶裂隙，对初始水量大于150m3/h的钻孔，可先注浆，然后再穿透含水层，相邻钻孔在含水层段间距小于50m时，不得同时穿透含水层。

   （四）注浆参数

   水灰比、相对密度、稠度视单孔涌水量及岩溶发育程度而定。

单液水泥浆的水灰比为0.8﹕1～2﹕1；黏土水泥浆中黏土的比重为1.12～1.18，每立方米黏土水泥浆中水泥掺入量为0.1t~0.4t，水玻璃与黏土水泥浆的体积比为0.5％～3.0％。

单孔注浆结束标准：

当泵量在80L/min以下时，工作面注浆孔孔口的压力达到终孔压力，持续时间不低于20min，即可结束。

    四、注浆效果检查

（一）钻探检查

    检查孔的数量不少于注浆孔的20％。

检查孔水量大于30m3/h。

要继续进行注浆改造，注后再检查，直至小于30m3/h。

检查孔的布置要重点考虑褶区的轴部、断层破碎带、断层的分叉尖灭区部位、含水层的富水区、注浆质量相对较差的地段。

（二）物探检查

   有条件的在注浆改造之前先进行物探，注浆改造之后再进行物探比较，从而检查注浆改造结果。

其方法有直流电透视法、电测探法，亦可两种方法相结合。

五、注浆技术措施

（1）注浆前，对注浆输送管路进行耐压试验，试验压力不低于设计终孔压力，持续时间不低于20min，试验合格方可准备注浆。

（2）每孔注浆前，要观测其水量和水压，并进行单孔放水，放水时间不小于10min，以孔内无岩粉、水变清为宜。

在连接注浆管路后，向孔内作压水试验，其目的是扩张裂隙，提高注浆效果，压入孔内的水量不得少于管路总体积的2倍，无异常变化方可注浆。

   （3）注浆过程中，检验人员要严格检验标准，做到每池浆液必须化验，并做认真记录。

记录员要准确详细记录泵压、孔口压力、浆液相对密度、泵量、注入浆液体积、黏土量、水泥量等情况。

   （4）注浆过程中如发现钻孔串浆、堵塞钻孔和钻孔水量明显变小时，要重新扫孔注浆。

   （5）若单孔进浆量较大时，可间歇注浆，每次注浆结束后，应及时用清水冲洗管路，并对注浆设备进行检修。

   六、应用示例

   底板含水层注浆改造，最初在山东肥城矿务局开展试验，现已在河南焦作、河北峰峰等大水矿区依次推广使用。

十年来，肥城矿务局已在100多个工作面应用了注浆改造技术，安全采出受水威胁煤炭储量1000余万吨，取得了显著的社会效益。

    下面对肥城矿务局查庄矿某工作面的应用情况简单介绍。

（一）某采煤工作面水文地质条件简况

    该工作面主采石炭系太原组八层煤，平均煤厚1.95m，倾角80左右，工作面掘进过程中，曾揭露2条小断层，落差分别为0.8m和1.6m。

八层煤下距五灰含水层32m，下距奥灰含水层51m。

五灰是矿井直接充水含水层，受奥灰水间接补给。

    据观测资料，五灰水位+28.3m，奥灰水位+29.6m，八层煤底板隔水层所承受的水压为 2.4MPa~2.5MPa。

经计算，五灰突水系数为0.12MPa/m，奥灰突水系数为0.07MPa/m，根据肥城矿区防治水经验，认为有突水危险，预计突水量为350m3/h，为此决定对该面实施底板加固。

（二）底板注浆工程实施情况及效果

    该工作面施工30个注浆检查孔，注入黏土水泥浆3657m3,其中黏土908t水泥281t，单孔平均进浆122m3,其中黏土和水泥平均约40t。

    注浆检查孔分三个序次施工。

第一序次各钻孔单孔平均涌水量为90.7m3/h，经注浆改造后，第二序次单孔平均涌水量为78.7m3/h，经第三序次注浆改造后，第三序次检查孔平均涌水量为22.5m3/h，比第二序次钻孔水量减少了56.2m3/h。

由此可见，底板注浆改造确实起到了改造含水层富水性的效果。

    该面从1998年10月开采，至1999年5月开采结束，开采过程中未发生底板突水，工作面涌水量仅为5m3/h~10m3/h。

通过底板加固，实现了工作面不突水开采。

复习思考题

   1．矿井防治水的目的是什么？

   2．防治水规划应包括哪些内容？

   3．地面防水工程设计应具备什么资料？

   4．地面防水常采用的方法有哪些？

   5．简述井口、工业场地和矿井免受洪水侵害的安全措施。

   6．井下防治水的基本任务有哪些？

   7．井下防治水要做哪些基础工作？

   8．哪些地点应设防水闸门？

   9．水闸墙有哪些种类？

修筑时应注意哪些事项？

  10．何谓防水煤（岩）柱？

在什么情况下留设？

 11．井下生产时为什么必须执行“有疑必探，先探后掘”的方针？

 12．在什么情况下必须探水？

 13．探水前应注意哪些问题？

 14．探水时应注意哪些问题？

 15．放水时应注意哪些问题？

 16．什么叫探水钻孔的超前距离？

 17．什么叫帮距？

 18．什么是钻孔密度？

 19．探水钻孔布置有哪些方式？

 20．简述探水与掘进的配合。

 21．断层探放水原则是什么？

 22．断层水探查的主要内容有哪些？

 23．简述断层探水钻孔布置方式。

 24．断层水如何预防和处理？

 25．何谓“带压开采”？

 26．何谓“疏水降压开采”？

 27．矿井疏放方式有几种？

其适用条件是什么？

  28．什么叫注浆堵水？

 29．注浆堵水适用于什么条件？

 30．注浆时如何选择注浆材料？

 31．注浆前为什么要进行压水试验？

 32．注浆结束的标准是什么？

 33．突水点（口）注浆堵水的适用条件是什么？

 34．注浆堵水前需做什么工作？

 35．注浆堵水设计方案应包括哪些内容？

 36．注浆堵水效果如何识别？

 37．试述底板含水层注浆改造的适用条件。

参考文献

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