CN108915690A - 竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，浇筑止浆垫(4)，在浇筑的止浆垫(4)上架设工作平台(5)；在工作平台(5)上自止浆垫(4)倾斜向下、向外钻凿注浆孔(3)、注水孔(2)及抽水孔(9)，抽水孔(9)布置在水流流场(10)的上游；对注水孔(2)进行注水，对抽水孔(9)进行抽水，再从注浆孔(3)进行注浆。本发明通过抽水和排水，控制待注浆区域的水流流场及水压分布，从而使浆液均匀扩散到注浆区域，减少了浆液跑浆现象，同时适当降低注浆压力，同时降低注浆成本。
Description
技术领域
本发明属于竖井井壁注浆堵漏技术领域，具体涉及一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的注浆加固方法。
背景技术
在深竖井建设中，由于矿井周围岩体经常遇见透水导水层，地下蕴存的大量裂隙水会随着作业面不断渗出，严重情况下全井筒都有渗漏水，尤其在井筒经过的几个断层处均有集中涌水，并且涌水量大、水压高。若井筒涌水不能得到有效封堵，易导致突水淹井事故。常用的竖井含水层掘进工艺有两种方法：
第一种方法为“冻结+注浆”法。冻结法广泛应用于矿井建设、地基基础、水利工程、地下铁道、河底隧道等工程施工中，冻结法在矿井建设中多用于立井的开凿,也用于其它地下工程的不稳定地层或含水极丰富的裂隙岩层施工。但此法不但需要大量的能量冻结井壁四周围岩，而且冻结解除后，冻结区域结构稳定性下降从而导致井壁四周围岩强度下降，对于深竖井高温、高压、高应力的复杂环境下，此种方法成本更加昂贵。
第二种注浆加固方法为直接注浆。此方法在浅部具有良好的适用性，但在深部高承压底层下容易产生跑浆和注浆泵选型较大的问题。而且现有的注浆堵水技术多以传统的普通水泥浆液为主要注浆浆料，而水泥浆液由于粒径较大只能将大的裂隙导水通道堵住，微裂隙仍然不能有效封堵，如果井筒深度大，且井壁没有采用防渗混凝土，那么由于静水压力较高会导致水不断地从围岩裂隙渗出，继而通过井壁混凝土的毛细孔隙渗到井壁上。为了解决以普通水泥浆液为主要注浆浆料的直接注浆法存在的问题，2015.04出版的《矿业装备》上发表的“化学注浆在处理竖井井壁涌水中的应用”一文中，采用选用国家定型产品脲醛树脂、草酸溶液和无毒、无害、无污染的环保型材料纳米灌注剂作为注浆材料，可有效解决普通注浆材料无法封堵的微裂隙，达到注浆效果。但该注浆材料价格昂贵，施工成本高。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的施工成本高、容易造成冻结井壁破裂以及容易产生跑浆等问题，而提供一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法。
为实现本发明的上述目的，本发明一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法采用以下工艺、步骤来实现：
本发明一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，首先在含有隔水层的位置向下开挖竖井，形成现浇钢筋混凝土井壁，并采用以下工艺、步骤：
第一步：利用瞬变电磁仪、水文钻孔方式对竖井进行超前地质探测和预报，掌握竖井的工程地质与水文地质；
第二步：在距离高承压含水破碎带5～8m距离的掘进面处浇筑止浆垫；
第三步：在浇筑的止浆垫上架设工作平台；在工作平台上自止浆垫倾斜向下、向外钻凿注浆孔、注水孔及抽水孔，注浆孔的数量为3～6个，所述的注水孔和抽水孔分布在水流场的同一流线上，注水孔和抽水孔之间的夹角为30～75°；所述的注浆孔均匀分布在抽水孔和注水孔可调节的流场内部；所述抽水孔布置在水流流场的上游；
第四步：对注水孔进行注水实验，获取含水层吸水率、含水层水压参数，为注浆设计方案选择提供依据；然后对注水孔进行注水，对抽水孔进行抽水，对将要注浆加固的高承压含水破碎带进行冲洗，扩大岩石间隙，以易于浆液扩散；
第五步：冲洗完成后，从注浆孔进行注浆，从抽水孔进行抽水，从注水孔进行压水，待抽水孔中浆液达到设计浓度后，停止从抽水孔抽水和从注水孔压水，继续从注浆孔进行注浆，并对注水孔内浆液浓度进行监测，待注水孔内浆液浓度达到设计浓度并持续5～10分钟后，停止注浆，然后对注浆管路进行洗管；注浆时采用水泥－水玻璃双液浆；
第六步：待浆液凝固后，利用电法仪或具有相似性能的地质探测设备对注浆质量进行检查，达到设计的注浆效果后，才能进行已注浆加固区掘进面的开挖；
重复上述第一步、第二步、第三步、第四步、第五步、第六步步骤，直至通过高承压含水破碎带。
在第五步采用的水泥－水玻璃双液浆中，水泥浆液的水灰比为1.8∶1～1∶0.6,掺加水玻璃为1.5％～3.5％。
由于高承压破碎岩层空隙水压较大，过度排水会导致岩层破坏。因此，在上述第四步中，当从抽水孔进行抽水时的水压降低到高承压含水破碎带相应位置含水层水压的1/4～1/2时，保持该抽水水压到抽水结束。
一般情况下，从注水孔中的注水、压水的压力是高承压含水破碎带相应位置含水层水压的1.8～2.8倍为宜。过小的注水、压水压力，难以起到对高承压含水破碎带进行良好的冲洗效果；过大的注水、压水压力，势必会增加设备和施工作业成本。
本发明一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，通过抽水和排水，控制待注浆区域的水流流场及水压分布，从而使浆液均匀扩散到注浆区域，减少了浆液跑浆现象，同时适当降低注浆压力。
本发明一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，具有以下有益效果：
(1)该方法通过适当增加抽水孔，在抽水的同时进行注水，使含水层水压不会下降太快，同时控制抽水水头，使含水层水压保持在合理范围内，保证了高承压含水层破碎带的稳定性。
(2)该方法通过抽水孔和注水孔调节一定范围内的高承压含水破碎带水流流场，诱导浆液率先向水流上游扩散，然后向水流下游的注浆区扩散，减少了注浆过程中的跑浆现象，使浆液均匀在注浆区内扩散。
(3)本发明克服了“冻结+注浆”法施工成本高以及现有“注浆加固法”在深部高承压底层下容易产生跑浆和注浆泵选型较大的问题，适用性强。
(4)本发明通过调节深部高承压含水破碎带水流流场及水压大小，不但可以避免冻结法造成的井壁围岩结构不稳定的问题，同时可以适当降低注浆压力，从而降低注浆成本。
(5)克服了“化学注浆法”注浆材料价格昂贵、施工成本高、有可能带来环境污染等问题。
(6)采用了水泥—水玻璃双液浆,该浆液具有下列特点:凝胶时间可以在几秒至几十分钟范围内调节,并能准确控制；浆液结石体抗压强度、抗拉强度高，结石率可达100％；材料来源丰富,价格低廉,注浆成本低，浆液配制方便,对地下水及环境无污染；浆液粘度低,流动性能好,可注性强,比较适合本竖井的地质情况。
附图说明
图1为本发明一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法之竖井诱导注浆加固剖面示意图；
图2为本发明注浆后水流流场示意图，即图1之A－A向视图；
图3为天然状态下高承压含水破碎带水流示意图，即图1之B－B向视图；
图4为本发明采用冲洗工艺后水流流场示意图；
附图标记为：1—高承压含水破碎带；2—注水孔；3—注浆孔；4—止浆垫；5—工作平台；6—已注浆加固区；7—现浇钢筋混凝土井壁；8—隔水层；9—抽水孔；10—水流流场；11－竖井。
具体实施方式
为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法做进一步详细说明。
由图1所示的本发明一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法之竖井诱导注浆加固剖面示意图看出，本发明一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，采用以下工艺、步骤：
本发明一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，根据矿体分布特征及当地水文地质情况，选择竖井建设位置，在含有隔水层的位置向下开挖竖井，形成现浇钢筋混凝土井壁，并采用以下工艺、步骤：
第一步：利用瞬变电磁仪、水文钻孔方式对竖井11进行超前地质探测和预报，掌握竖井11的工程地质与水文地质。
第二步：在距离高承压含水破碎带1的距离5～8m的掘进面处浇筑止浆垫4。
第三步：在浇筑的止浆垫4上架设工作平台5；在工作平台5上自止浆垫4倾斜向下、向外钻凿注浆孔3、注水孔2及抽水孔9，注浆孔3的数量为3～6个，所述的注水孔2和抽水孔9分布在水流场的同一流线上，注水孔和抽水孔之间的夹角为30～75°；所述的注浆孔3均匀分布在抽水孔9和注水孔2可调节的流场内部；所述抽水孔9布置在水流流场10的上游，所述抽水孔9布置在水流流场上游，缓慢抽水时，在其周围形成低水压区，从而使从注浆孔注入的浆液可以沿着水流梯度下降的方向快速扩散，将处于水流上游的待注浆含水破碎带区进行防堵，从而减少后续水流下游的跑浆现象，同时在确保岩层稳定的前提下适当降低注浆压力。
第四步：对注水孔2进行注水实验，获取含水层吸水率、含水层水压参数，为注浆设计方案选择提供依据；然后对注水孔2进行注水，对抽水孔9进行抽水，从注水孔2中的注水压力是高承压含水破碎带1相应位置含水层水压的1.8～2.8倍，通过注水对将要注浆加固的高承压含水破碎带1进行冲洗，扩大岩石间隙，以易于浆液扩散；当从抽水孔9进行抽水时的水压降低到高承压含水破碎带1相应位置含水层水压的1/4～1/2时，保持该抽水水压到抽水结束。
第五步：冲洗完成后，从注浆孔3进行注浆，从抽水孔9进行抽水，从注水孔2进行压水，待抽水孔9中浆液达到设计浓度后，停止从抽水孔9抽水和从注水孔2压水，继续从注浆孔3进行注浆，并对注水孔2内浆液浓度进行监测，待注水孔2内浆液浓度达到设计浓度并持续5～10分钟后，停止注浆，然后对注浆管路进行洗管；注浆时采用水泥－水玻璃双液浆，水泥浆液的水灰比为1.8∶1～1∶0.6,掺加水玻璃为1.5％～3.5％。
第六步：待浆液凝固后，利用电法仪或具有相似性能的地质探测设备对注浆质量进行检查，达到设计的注浆效果后，才能进行已注浆加固区6掘进面的开挖。
重复上述第一步、第二步、第三步、第四步、第五步、第六步步骤，直至通过高承压含水破碎带1。
由图2所述的本发明注浆后水流流场示意图看出，高承压含水破碎带1被注浆后，水流流场10的流线绕开已注浆加固区6。
由图3所示的天然状态下高承压含水破碎带水流示意图看出，水流流场10的流线以直线方向贯穿高承压含水破碎带1。
由图4所示的本发明采用冲洗工艺后水流流场示意图看出，钻凿注浆孔3、注水孔2及抽水孔9，对注水孔2进行注水、对抽水孔9进行抽水后，注水孔2的水流流场10的流线不仅通过岩石间隙与抽水孔9导通，而且排向高承压含水破碎带1中其它低压方向；抽水孔9不仅通过岩石间隙从注水孔2中抽水，而且也通过岩石间隙将高承压含水破碎带1中其他高压方向的水抽出。从图4所示的本发明采用冲洗工艺后水流流场示意图看出，本发明方法可以对高承压含水破碎带1中的岩石间隙进行很好的冲洗，清除岩石间隙中泥沙的堵塞，以利于浆液扩散，为向贯穿高承压含水破碎带1注浆创造条件。
本发明方法通过在注浆方案中增加注水孔2和抽水孔9对高承压含水破碎带1内的水流流场10进行调节，从而使浆液均匀扩散。
Claims (5)
1.一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，首先在含有隔水层(8)的位置向下开挖竖井(11)，形成现浇钢筋混凝土井壁(7)，其特征在于还采用以下工艺、步骤：
第一步：利用瞬变电磁仪、水文钻孔方式对竖井(11)进行超前地质探测和预报，掌握竖井(11)的工程地质与水文地质；
第二步：在距离高承压含水破碎带(1)5～8m距离的掘进面处浇筑止浆垫(4)；
第三步：在浇筑的止浆垫(4)上架设工作平台(5)；在工作平台(5)上自止浆垫(4)倾斜向下、向外钻凿注浆孔(3)、注水孔(2)及抽水孔(9)，注浆孔(3)的数量为3～6个，所述的注水孔(2)和抽水孔(9)分布在水流场的同一流线上，注水孔和抽水孔之间的夹角为30～75°；所述的注浆孔(3)均匀分布在抽水孔(9)和注水孔(2)可调节的流场内部；所述抽水孔(9)布置在水流流场(10)的上游；
第四步：对注水孔(2)进行注水实验，获取含水层吸水率、含水层水压参数，为注浆设计方案选择提供依据；然后对注水孔(2)进行注水，对抽水孔(9)进行抽水，对将要注浆加固的高承压含水破碎带(1)进行冲洗，扩大岩石间隙，以易于浆液扩散；
第五步：冲洗完成后，从注浆孔(3)进行注浆，从抽水孔(9)进行抽水，从注水孔(2)进行压水，待抽水孔(9)中浆液达到设计浓度后，停止从抽水孔(9)抽水和从注水孔(2)压水，继续从注浆孔(3)进行注浆，并对注水孔(2)内浆液浓度进行监测，待注水孔(2)内浆液浓度达到设计浓度并持续5～10分钟后，停止注浆，然后对注浆管路进行洗管；注浆时采用水泥－水玻璃双液浆；
第六步：待浆液凝固后，利用电法仪或具有相似性能的地质探测设备对注浆质量进行检查，达到设计的注浆效果后，才能进行已注浆加固区(6)掘进面的开挖；
重复上述第一步、第二步、第三步、第四步、第五步、第六步步骤，直至通过高承压含水破碎带(1)。
2.如权利要求1所述的一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，其特征在于：在第五步采用的水泥－水玻璃双液浆中，水泥浆液的水灰比为1.8∶1～1∶0.6,掺加水玻璃为1.5％～3.5％。
3.如权利要求1或2所述的一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，其特征在于：上述第四步中，当从抽水孔(9)进行抽水时的水压降低到高承压含水破碎带(1)相应位置含水层水压的1/4～1/2时，保持该抽水水压到抽水结束。
4.如权利要求3所述的一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，其特征在于：从注水孔(2)中的注水压力是高承压含水破碎带(1)相应位置含水层水压的1.8～2.8倍。
5.如权利要求4所述的一种竖井含水层掘进中预防竖井井壁涌水的新方法，其特征在于：所述注浆孔(3)的数量为4个，4个注浆孔(3)间隔均匀且对称布设。
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