利用冻结管射孔地面注浆加固实践研究

2019-05-07赵文举

山东煤炭科技 2019年4期

赵文举

（山西焦煤霍州谭坪煤电有限责任公司工程技术科，山西霍州 042100）

1 工程概况

谭坪矿新副井全深714.6m，净直径为6.8m，井筒采用冻结法施工，冻结管布置情况见图1所示。工程中冻结管布置数量为36根，18根深孔345m，布置方式为深、浅管间隔布置，圈径为14m，冻结管孔径为121mm，冲积层段厚160m，井壁结构为钢筋混凝土复合井壁，其底部砾石层厚2.65m。基岩强风化裂隙带深度为175m，风化带深190m，该风化基岩段即为冻结管射孔注浆加固段。注浆段井壁厚度为1150 mm、1350mm，其中内壁厚650mm，外壁厚500～700mm。混凝土C38井壁承受最大水平侧压力为4.4MPa。

2 射孔弹射孔原理及射孔冻结管的选择

（1）导爆索起爆后产生的爆轰波通过传爆孔中心起爆身射孔弹中的炸药，在爆炸时有聚能效应，聚能装药破甲效果非常好。导爆索时产生的金属射流温度能达1100℃，30℃锥角紫铜射流头部速度达7800m/s。根据该情况进行注浆通道的设计，能满足注浆的需求。

（2）冻结管射孔工艺及射孔引爆系统如图2所示。射孔弹装枪密封后，在井口将射孔枪和单芯铠装电缆连接好，操作绞车通过井口滑轮下放到预定深度并进行核对确定。起爆仪引爆射孔弹射透冻结管，进入围岩一定深度，从而完成一次射孔。将枪体提到地面，检查射孔效果。其注浆工艺流程如图3所示。

图2 冻结管射孔工艺及射孔引爆系统示意图

图3 注浆工艺流程

根据该煤矿地质及水文资料破冻结管注浆段高为井深170～190m。设计在36个冻结管中，按均匀间隔选取6个深管，管距为7m，但因封口盘梁影响，实际选取4号、10号、16号、22号、34号深管和29号浅管。冻结管规格为Ф133mm×6.3mm，6个冻结管破管方案相同。确定射孔枪型号为：73型和102型；射孔弹型号：YD-89B型；射孔角度：相位为90°；孔密度：10孔/m。

3 注浆加固工艺方案

3.1 注浆材料

本次地面加固注浆工艺材料为水泥单液浆，水灰比为0.6:1～1:l，加入一定量的添加剂增加注浆的强度，实现凝结时间的控制。添加剂加入量，食盐∶水泥=5‰:1（质量比）；三乙醇胺:水泥=5‰:1（质量比）。在注浆时，遇到特难层段，可以提前注入一定量的水玻璃，然后再进行注浆作业。

3.2 注浆段高划分与施工顺序

根据谭坪矿新副井的施工实况，管孔的段高从上而下分成设计为2m、7m、11m。第一段高（170～172m）：主要是对管外岩土体空隙部分进行充填，一方面起到加固地层的作用，另一方面防止注浆液流到第四系松散层。第二段高（172～179m）：粉砂岩注浆。第三段高（179～190m）：泥岩层注浆。

2m、7m、11m三个段高射孔注浆自上而下逐段进行，在各自的段高内，6个注浆管射孔注浆顺序是：每对称两孔为一组，共分三组，按组分别进行。在第三段高内，每个管孔射孔注浆完成时，注浆封闭全孔。

4 注浆参数的设计

4.1 注浆压力

井壁承受侧压力能力为4.4MPa，因此可设计注浆压力最大值为4.2MPa，孔口最大压力由下列公式（1）确定：

式中：

p-孔口压力表读数，MPa；

γ-水泥单液浆密度；

Δp-水泥单液浆压力损失，通过施工现场试验确定，MPa。

已知水泥单液浆的密度1.57，则上式可写为：p=1.4+Δp。根据安全原则，注浆孔口压力应保持在3MPa以下。

4.2 浆液扩散半径

单孔浆液有效扩散半径为13m。查阅相关资料，根据集团公司相关经验数据分析，浆液向上、向下扩散分别为3.5m、0.5m，因此确定竖向扩散总高度为4.0m。

4.3 注浆量

注浆量由公式（2）确定：

式中：

V-总注浆量，m3；

A-浆液耗散系数，取1.3；

R-浆液距井筒中心的有效扩散半径，m；

R1-浆液有扩散半径，取6m；

Rd-冻结管圈半径，取7m；

r-井筒掘进半径，4.4m；

H-注浆段高，20m；

h-上下扩散高度，取4.0m；

β-浆液充填系数，0.95；

n-注浆段平均裂隙率，取2%；

m-浆液结石率，取0.85。

经计算得，V=327.9m3。根据配比，设计总注入水泥量为296t。另外，还要考虑管外充填需一定量水泥。

5 注浆施工步骤方案

注浆施工作业的详细步骤：（1）扫孔；（2）第一段高破管；（3）第一段高管外充填注浆前的压水处理；（4）第一段高管外充填注浆；（5）第二段高破管；（6）第二段高注浆前压水；（7）第二段高注浆；（8）第三段破管；（9）第三段高注浆前压水；（10）第三段高注浆及封孔。注浆工程量见表1所示。

表1 注浆工程量表

6 工程质量检测

冻结管射孔地面注浆施工作业后，对注浆工程质量进行检测。物探检测原理：震源产生的高频应力波在注浆后的井壁、围岩、灰浆帷幕三者间有着明显波抗差异界面，通过对折射、反射信号的综合处理，可以判定注浆效果。如图5灰浆分布断面图与纵向剖面图所示，在168.3～190m的注浆段取168.8m、173.8m、178.8m、183.8m、188.8m五个水平断面进行实测，同时再在正东、西北、西南实测三条纵向剖面。检测结果表明：注入灰浆已交圈封闭，砂岩段的浆液分布较大，帷幕厚度4.3～5.2m，泥岩段为3.3～4.4m，注浆密实度较好的达76%，相应数据表明达到了加固底层的预期效果。