张集新副井地面预注浆及监测技术研究

2014-04-23曾松春庞建勇

安徽理工大学学报（自然科学版） 2014年1期

曾松春，庞建勇

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

淮南张集煤矿煤层埋藏深，基岩段地层跨度大、变化大、断层多、裂隙发育，涌水量大。而井筒是整个矿井的咽喉，断面大，井筒深，施工条件复杂，虽然工程量少，但工期长。地面预注浆技术是实现井筒快速施工的主要技术手段。注浆过程中能否及时有效地监测直接关系到注浆质量和堵水效果。通过运用信息化技术获得注浆数据，据以分析注浆情况，采取及时有效的应对措施，保证工程质量。

1 工程概况

张集煤矿区间地层平缓，地层走向由北西转向东西，即N60°W 转为EW 向，倾向南，全弧形展布的单斜构造，地层倾角3°～6°，平均4.5°，构造条件较好。新副井检查孔煤层间距正常，未见明显的破碎带或断层构造，但6 煤变薄，顶底板泥岩中滑面发育，受构造影响。井筒基岩段共有8 个含水层，累计厚度135.27 m，岩性以细砂岩和中砂岩为主。新副井井筒500 m 以上水文地质较复杂，500 m以下地下水补给迳流，富水性较差。

2 工程预注浆技术设计

1)注浆深度。鉴于基岩段多含水层，注浆不应过浅，以避免井底涌水事故的发生。根据工程资料，注浆段与冻结段重叠30 m，而冻结深度暂定400 m，因此从地面下370 m 开始，到地面下942 m结束，注浆深度确定为942 m。

2)注浆孔布置。根据地质资料和技术要求，注浆孔设计采用直孔+Y 型钻孔，与冻结孔同步施工。采用平行作业，使各个工序一起进行，相互之间不产生干扰，大大节约了时间。

新副井布置直孔和Y 型孔各8 个注浆孔，直孔布孔圈径Φ15 m，Y 孔在井架基础附近，距井中距离约为20～22 m。Y 孔在610 m 进入设计靶域与直孔重叠10 m，靶心圈径Φ13 m，靶域半径2 m，断面落点位于11.0～15.0 m 的环状带内大体匀布，610 m 以下为直孔(见表1)。

表1 钻孔布置

3)注浆段高。在地下较深处，静水压力逐渐增加且各岩层裂隙发育不一，导致浆液上部扩散远，下部扩散较近，大裂隙扩散远，而小裂隙扩散近，因而应分段注浆。段高划分以水文地质性质相近划在同一段高，裂隙发育、开度相近的划在同一段高为原则(见表2)。

表2 注浆段高及设计终压值

4)注浆压力。注浆压力设计按地下水静水压力设计，岩帽段取1.5～1.8 倍静水压力，基岩段注浆终压直孔为静水压力的2～2.5 倍，Y 孔为静水压的2～2.2 倍。第一轮孔取低值，新轮取高值。新副井筒地面预注浆压力较高，不能忽视对主、副、风井筒井壁构成的威胁，注浆时要加强观测。根据水文地质条件和附近巷道注浆后变化进行调整，确保注浆质量和井筒、巷道的安全，具体各段注浆压力如表2所示。

5)注浆方式。分段注浆的类型有下行，上行以及上下混合三种。根据当地的水文地质资料，经过综合分析决定选择分段下行式。

6)注浆有效扩散半径。凿井爆破影响带经验数据一般为2.5 m 左右，防水帷幕有效厚度为6 m，基岩段井筒最大荒半径为5.0 m，所以注浆安全帷幕半径为13.5 m，考虑到马头门和煤层加固，本次注浆有效扩散距离综合为16.0 m。

7)注浆材料。注浆材料主要是粘土、水泥以及水玻璃;经测定，周边地表大部分土细腻无杂物，为工程性质良好的粘土，故就地取材，选用矿井附近耕土4 m 以上土层作为注浆材料;水泥为42.5号普通硅酸盐水泥，含矿碴＜15%;水玻璃的模数为3.0～3.4，浓度38～40 波美度。

8)浆液配合比设计。单液水泥浆水灰比为0.6∶1，外加剂三乙醇胺占水泥重0.05%，氯化钠占水泥重0.5%;粘土水泥浆中，水灰比为1∶1，水泥浆与水玻璃体积比为2∶1，水泥浆与粘土体积比为1∶5。

9)浆液注入量。浆液注入量依据浆液的有效扩散半径和注浆的平均裂隙率，依据矿山井巷工程施工及验收规范公式计算。

式中:Q为浆液注入量，m3;A为浆液损耗系数，取1.2～1.5;R为浆液有效扩散半径，m;H为注浆段高，m;n为岩层裂隙率，根据岩芯和抽水试验及经验确定，可取0.5%～3%，在破碎带中取10%;β为浆液在裂隙内的有效充填系数，取0.8～0.95;m为浆液结石率，与浆液性质、水灰比等有关，一般取0.60～0.99。

通过计算，岩帽注浆量为510 m3，其它段注入量为16 036 m3。固管采用水灰比为0.6∶1 的单液水泥浆，直孔固管量为2.8m3/100m，“Y”型定间孔段固管量为4m3/100m，固管水泥浆需用138m3。材料用量如表3所示。

表3 注浆材料用量

3 注浆信息化监测监控

3.1 检测仪器

主要有浆液流量计和注浆自动记录仪。

流量计选择低频矩形二值波励磁，具有适应性优良，整合性好，配件稳固，运行平稳的特点，口径大小DN20～DN200，精度达到1.0%，工作温度－25 ℃～+1 000 ℃;采用CJ－G3 型注浆自动记录仪，能准确记录通过的浆液量，利用主机处理使信息的获得、研究和转换很好结合成一体，此外还能将所得结果简单直观地显示和打印。

3.2 工作原理

把流量传感器安装在注浆泵和注浆孔的中间，这样可测量流过的浆量，然后传感器将浆液的流量转换成电信号，经过电缆线输入主机(见图1)。压力传感器可测量出浆泵输出浆液的压力，然后将物理量转换成电信号，经过电缆线输入主机。CJ－G3型注浆自动记录仪把来自压力传感器和流量计的信号转换成数据信号，通过显示器让操作者直观的看到数据。

图1 仪器布置

3.3 检测结果分析

根据Y3 孔2012年3 月1 号9:00:00 到11:00:00生成数据的流量数据图(见图2)和压力数据(见图3)可知，注浆速度维持在211～217 L/min，基本上可以认为没有变化;注浆压力稍有降低，但表现不明显，分析认为注浆区域内可能存在大量孔隙，浆液阻力小，表现为填充扩散方式进行加固。

图2 注浆量与时间关系

图3 注浆压力与时间关系

Y3 孔在2012年4 月1 号9:00:00 到11:00:00生成数据(见图4)和压力数据(见图5)中，Q－t曲线虽有波动，但整体上呈下降趋势，最终达到204 L/min 附近;P－t曲线呈缓慢上升趋势，最终达到17 MPa。注浆速度和注浆压力均达到设计值。裂隙充填效果良好。

图4 注浆量与时间关系

图5 注浆压力与时间关系

注浆过程中监测设备自动每隔50 s 监测流量和压力一次，同时生成累积流量，时间间隔短，细化了注浆中变化的整个过程，施工单位的注浆质量能够通过数据反映并控制，注浆流量随时间变化的幅度较小，说明注浆速度趋于平缓，这样能够保证注浆的填充率和较高的经济性，注浆压力随时间变化幅度也较小，未出现明显的突出点，对裂隙能够有效的渗透，避免了浆液流失，浆液扩散可以达到设计的扩散半径，可以通过调整注浆压力、注浆量和注浆时间来调整注浆扩散半径，如果注浆过程出现跑浆窜浆和注浆管路堵塞等安全事故时，监测数据会出现较大幅度的变化，保证了注浆过程中的安全性。