新型注浆材料_粘土水泥浆在井筒地面预注浆中的应用(1).pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第15卷 1997年 第1期 3月 河 南 地 质HENANGEOLOGYVol.15No.1M ar.1997新型注浆材料粘土水泥浆在井筒地面预注浆中的应用孙有毅(平顶山矿务局)摘要平顶山13矿为设计年产量180万t的大型矿井,采用立井开拓方式,上部穿过二叠系平顶山砂岩,岩层坚硬,裂隙十分发育。主副井涌水量分别为244m3?h和255m3?h,注浆深度132m,采用粘土水泥浆注浆方法,其技术特点:(1)采用粘土水泥浆新

2、型注浆材料,它具有配制简单,性能好,材料来源广泛,工艺简单、成本低和适用范围广泛等优点,与传统单一水泥浆比较节约水泥80%左右。(2)采用流量测井技术,准确测定了水文地质参数,使注浆设计与施工有的放矢加强了重点层段的注浆,并可精确地测定注浆效果。(3)采用风动潜孔锤钻进和钻机整体搬迁技术,提高钻效45倍。(4)采用高压力大流量注浆工艺,减少注浆次数,缩短注浆工期,保证注浆质量。(5)注浆效果,达到了注浆段井筒剩余涌水量小于6m3?h的设计要求,堵水率98%以上。关键词粘土水泥浆,注浆,浆液成分,效果中图法分类号P633170前言平顶山矿务局十三矿是设计年产量为180万t的大型矿井,井田位于河南

3、省襄县西9km处。采用立井开拓方式。主井直径5m,副井直径7m。井筒设计深度分别为71617m和645m。据主副井检孔资料:井筒上部有1820m第四系黄土,底部夹乱石,下部为二叠系巨厚层、裂隙十分发育的平顶山砂岩。再下部为石盒子甲组砂岩,注浆段涌水量分别为24316m3?h和255107m3?h。井深132m以上采用粘土水泥浆地面预注浆法施工。粘土水泥浆地面预注浆工程是一项新技术:采用该技术施工,主井施工7个钻孔(其中一个为后加的质量检查孔),钻探工作量902108m。副井施工8个钻孔,钻探工作量1072106m。主副井共施工15个钻孔,工作量合计1974114m。采用潜孔锤钻进加快了工程进度

4、,提高钻效45倍。共注浆273次,注浆量达10911m3,较普通水泥注浆节约水泥约80%。主井井筒作者简介:孙有毅,男,58岁,1953年毕业于中央燃料工业部干部学校,高级工程师,现任平顶山矿务局地质测量处副总工程师 1 邮编467000,平顶山市矿工东路北7号收稿日期:19950908;改回日期:19960405 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/平均注入量为44110m3?m,单孔平均注入量为825107m3?孔;副井井筒平均注入量为50184m3?m

5、,单孔平均注入量为730145m3?孔。整个工程历时9个半月。十三矿主副井井筒建设现在开挖深度均已顺利超过了注浆段的深度。由于粘土水泥浆注浆后已经改变了水文地质条件,井筒开挖后大部分已是干井,全注浆段剩余涌水量主副井分别为2m3?h和4115m3?h。堵水率分别达到了99117%和9814%。完全达到了设计小于6m3?h的要求,为实现干打井,加快建井速度创造了良好的条件。1地质及水文地质概况根据主副井井检孔和注浆孔揭露资料可知:(1)第四系为粉质粘土和粉质土,含少量钙质结核,属松散岩组,厚度1820190m。其中副井底部有216m厚,由平顶山砂岩组成的坡积乱石层,间夹红色粘土。(2)二叠系为平

6、顶山砂岩组,主要为灰白色略呈肉红色中粗粒长石石英砂岩,石英成分占80%,巨厚层状,硅质胶结,致密坚硬,抗压强度881825118M Pa,平均15614M Pa,岩石可钻性经中国地质大学鉴定为10级。井筒注浆段内岩体裂隙十分发育,由近水平裂隙和近直立裂隙组成,尤以近地层走向和近地层倾向的直立裂隙最为发育,裂隙宽度1101010mm,延展长度大,裂隙率平均711%(3)井筒注浆段主要含水层为平顶山砂岩含水段(包括部分石盒子甲组砂岩),厚度103104m,呈巨厚层状单一含水层,裂隙发育,导水性强,具有良好的导水和储水空间,属富水承压含水层。主副井水位在孔口以下分别为16m和15m。地下水流向214

7、。水力坡度010297。经抽水试验资料和注浆孔潜孔锤钻进测水资料校正,主井井筒注浆段涌水量243162m3?h,副井为255107m3?h,副井抽水时,同时进行了流量测井,测出具有明显层流的层位有三处,经潜孔锤钻进观测水量验证,基本反映实际情况,为这次注浆的划分及确定重点注浆段,起到了指导性作用。2粘土水泥浆性能和配制粘土水泥浆是目前我国煤炭系统中一种新型的较理想而且有发展前途的注浆材料,也是我国煤炭系统长期以来使用单一水泥注浆材料的一个突破。它是以粘土为主要成分,可以就地取材,不仅节省大量水泥和降低成本,而且具有很多优点,主要是:它具有很好的可调性、可泵性、可注性;不易沉淀和被水稀释;输送过

8、程不凝固;解决了堵孔、堵管的问题;停止流动后很快具有塑性强度;结石率高,因而具有较好的隔水性和耐久性;堵水效果好。211粘土水泥浆材料组成粘土水泥浆由粘土、水泥、水玻璃和水组成。(1)粘土:最好使用以粘土矿物如高岭石、蒙脱石、伊利石为主要成分的粘土,即要求粘土呈高中塑性,粘粒多,含砂量少,质纯而杂质少,粘土矿物成分决定着粘土水泥浆的粘度、析水率和塑性强度等性能。我们就地取材,选用十三矿工业广场的粘土,经中科院地质所测试,其塑性指数、矿物成分、粘粒含量等方面均能满足配制粘土水泥浆的要求。65河南地质第15卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic

9、Publishing House.All rights reserved.http:/(2)水泥:采用普通硅酸盐水泥,要求不受潮,不变质。(3)水玻璃:使用钠质水玻璃作为结构生成物。(4)水:工业用水,最好使用中性水。212浆液性能粘土水泥浆的基本性能包括粘度、塑性强度、比重、析水率、抗渗性和耐久性等。(1)粘度:浆液的粘度大小,直接影响浆液的扩散半经,它随粘土用量和水玻璃的加入量增加而增加,因此具有良好的可调性,适用各种裂隙地层的注浆。一般要求不小于30。(2)塑性强度:它是衡量粘土水泥浆性能的重要指标,粘土水泥浆固化后的结石体是一种强塑性体,其结石体的抗剪切力学指标即抗剪强度,称为粘土水泥

10、浆的塑性强度。要求其塑性强度大于地下水的作用力,使粘土水泥浆能够堵水,而不被静水压力挤出。室内试验表明:塑性强度与矿物成分、水泥标号、水玻璃模数和水的pH值,以及受注岩层的透水性有关。十三矿粘土配制的水泥浆在24h测得的塑性强度为793176102Pa,48h为2024185102Pa,72h为7751156102Pa,据此我们待凝时间确定为2d即可透孔复注。粘土 水搅 拌 造 浆粘土浆储浆池 旋流器 除砂粘土原浆储浆池泥浆泵水泥 带泵 一级搅拌输浆泵水玻璃 二级搅拌 注浆泵注 入 孔 内图1粘土水泥浆配制工艺流程图Fig.1 The technological process chartco

11、mpounding the clay grout(3)比重:与浆液粘度有关,它随粘土、水玻璃的加量而增加。十三矿使用的粘土原浆比重为11251126g?cm3。粘土水泥浆比重为11341135g?cm3。(4)析水率:浆液析水率低时不易脱水,抗渗性能好,也反映了粘土颗粒在浆液中的分散和水化程度,以及与水泥颗粒的结合程度。十三矿粘土水泥浆的析水率保持在1%3%。(5)抗渗性:对注后井筒剩余水量有密切关系,十三矿粘土水泥浆抗渗能力强,满足了堵水技术要求。(6)耐久性:十三矿主副井注浆孔中取出的粘土水泥浆结石体“岩心”无任何松散和开裂现象,固结完好,(在水中浸泡已有一年半)。213粘土水泥浆配制工艺

12、流程如图1所示:3施工工艺311钻孔布置和施工顺序主井设计6个钻孔(后期增加了一个质检孔),副井设计8个钻孔,均按均匀布置在井筒外径以外110m的同心圆上。布孔位置充分考虑到受注岩层的裂隙发育方向、地下水流向,使之尽可能多的分别揭露和封堵分布在井筒四周的各条导水裂隙。(图2)钻孔施工顺序:钻孔按单双号分为二组,分前后两期施工,布置在主要裂隙方向和地下水流向的第一组钻孔先期施工,其中最后施工的主5孔、主7孔和副8孔分别作为质量检查孔。钻孔在垂直方向上的施工顺序:第一和第二期注浆孔75第1期孙有毅:新型注浆材料粘土水泥浆在井筒地面预注浆中的应用 1994-2010 China Academic J

13、ournal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/均采取下行分段钻进,即每一个注浆段钻进后,进行注浆,然后再转入下一个注浆段施工。在钻进过程中,为了防止各注浆孔串浆,按施工顺序先施工的钻孔钻进深度应超前后续钻孔12个注浆段。本次注浆共安排7台钻机:其中主井TXB-1000型2台,TK-3型1台。副井四台全部为TXB-1000型钻机。一期钻孔施工完后,向二期钻孔搬迁时,采用吊车整体吊迁方法,一天就可全部到位,节省了搬迁时间。图2注浆孔平面布置图Fig.2 The plane distribution graph for th

14、e grout2hole副井第一组孔第二组孔;主井第一组孔第二组孔312钻孔结构和钻进方法(1)第四系黄土层开孔150到基岩钻进012015m后下146套管并用水泥固井,孔深1921m。(2)平顶山砂岩段换用正循环J110潜孔锤钻进,配置W 15?15空压机,钻月效率可提高到400500m,比原有的钻效提高45倍,效果显著。潜孔锤钻进还可以直接观测到岩层注浆前后是否有水及不同层段的涌水情况,可以检测抽水资料和流量测井资料的准确程度,而且孔内清洁,岩层裂隙不易堵塞,为注浆采取相应的措施和参数提供了可靠的依据。(3)石盒子甲组砂岩以下岩层采用118牙轮钻头和110合金钻头终孔。313孔斜注浆孔垂直

15、度是影响注浆堵水质量的重要因素之一,我们采用73石油钻杆110钻铤带扶正器满眼钻进的方式。使用JJX-3型和JDT-3A型陀螺测斜仪(精度3)测斜。孔斜基本达到了5的要求。314注浆段的划分和注浆(1)注浆段高的划分是根据井筒受注含水层埋藏条件、风化程度、裂隙发育程度、连通性、富水性以及含水岩层受注能力和浆液能力等因素设计的,参看表1。(2)注浆采用下行式分段注浆法,钻注施工循环过程如图3所示:(3)注浆压力。粘土水泥浆地面预注浆压力取决于诸多因素,如岩石机械强度、裂隙率85河南地质第15卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publish

16、ing House.All rights reserved.http:/及开度、充填程度、浆液的扩散半径以及配比和浓度等,注浆压力既要保证浆液扩散到设计扩散半径内,又要不致扩散太远造成浪费。我们采用DSB2300型(压力30M Pa)泥浆泵,高压、大流量的注浆方法效果较好。终压一般达到静水柱压的5倍或5倍以上,较纯水泥注浆压力提高了一倍。终量控制在156225L?m in范围。注浆难度大时,采取提高浆液浓度、一般是稀浓稀的原则。表1注浆段高划分表单位:mTable 1D ivision of the height for grouting section(un it:m)段序主井副井设计实际设

17、计实际起止深度段高起止深度段高起止深度段高起止深度段高备注岩帽段171323517024242227502525主井含风化基岩517m副井含风化基岩411m?段234421244420274215254217强风化带基岩 段447632447632427735427735强风化带基岩,层流量大,重点注浆段 段769721769721779518779619层流量大,重点注浆段?段9711013971101395110159611014层流量大,重点注浆段 段11013222110132181 22181110132221101341012410注浆结束标准均达到了岩层吸水量小于0105L?m

18、inmm的标准。平顶山十三矿注浆设计,一期孔主要是解决大裂隙、水流上方的封堵问题。实践证明:注浆量一般符合先期钻孔,首注钻孔大于后期钻孔:流量测井和潜孔锤钻进水量大的层段大于水量小的层段的规律。4结束语通过平顶山一矿和新峰矿务局梁北矿主副井粘土水泥浆地面预注浆的实践体会到:粘土水泥浆注浆材料是一种新型的较理想的注浆材料,可以就地取材,成本低,配制方便,操作简单,适用条件范围广泛,堵水效果好,可节约水泥约80%。配合潜孔锤钻进,钻孔流量测井和高压力大流量注浆法等先进手段,可提高效率,缩短工期,还可以准确掌握水文地质情况,有的放矢地正确选择注浆参数,了解注浆效果,确保注浆堵水的质量。注浆孔注浆段钻

19、进 下止浆塞 压水试验 制浆 注浆泄压起 止 浆 塞待 凝 养 护透孔转入下一个循环(下一个注浆段的钻注或本注浆段的复注)图3钻注施工过程示意图Fig.3 Sketch map show ing the processof drilling and grouting construction95第1期孙有毅:新型注浆材料粘土水泥浆在井筒地面预注浆中的应用 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/THE APPL ICATI ON OF NEW-TYPE CLAY

20、 GROUT TOTHE SHAFT SURFACE-PREGROUTINGSun Youyi(P ingd ingshan CoalM ine B ureau,P ingd ingshan,467000,China)AbstractThe Pingdingshan 13th M ine is a large2type m ining shaft which has been designed w ith1.8M ill.t.output per year,adopting the vertical shaft development.The Pingdingshansandstone of

21、Upper Perm ian w ill be cut through when the drilling.The beds of this sand2stone is hard and developing fissures.The inflow of water of main and auxiliary shafts areseparately 244m3?h and 255m3?h.The grouting depth is 132m.The technical characteristicsof grouting method of the clay grout adopted ar

22、e as follow s:(1)The advantages of new2type grout material are:simple ingredient,better property,ample materials,simple technology,low cost,application w ide2ranging and saving on cementabout 80%.(2)Hydrogeologic parameters can be precisely measured by using the technique of flow2logging.The aim has

23、 been easy determ ined between the design and construction,to paymoreattention to the grouting of some important beds,so as to measure the grouting effect.(3)To adopt the technique of air2driven down2the2hole hammer drilling and removingthe integral drill,raising the drilling efficiency about 45 tim

24、es.(4)To adopt the grouting technique of high pressure and large flow,reduce the timesand shorten the time lim it for a project and guarantee the quality for the grouting.(5)Grouting result:The surplus inflow of water in the grouting beds is less than 6m3?h which has been designed,the rate of exclusion of water is above 98%.key wordsthe clay grout,grouting,the ingredients of grout,effect06河南地质第15卷