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第二章： 注浆法施工
§1、概述
注浆技术是矿山建设中凿井、治水的主要方法之一，也是地下工程中地层改良的重要手段。注浆法是将浆液注入刀岩土的空隙，裂隙或空洞中，浆液经扩散，凝固，硬化以减少岩土的渗透性，增加其强度和稳定性，达到岩土加固和堵水的目的。
注浆法永久改变了岩土的性质，岩土强度提高，稳定性增强，而冻结法中的冻结壁是临时改变岩土的性质，冻结解冻后岩土又恢复到原来的性能。
一、注浆分类
分类方法很多，可按注浆时间，浆液注入形态，将浆液材料类型，主将目的等进行分类，矿山注浆通常按注浆工作与矿山掘砌工序的先后时间次序分类：
预注浆、后注浆
地面预注浆 改变围岩性质进行
预注浆 工作面预注浆 加固
注浆法 （施工地点不同）
后注浆 壁后注浆 治水措施
（注浆位置不同） 壁内注浆 (封水与加固)

二、注浆法在矿山中的应用
1、国外：1882年南非首次应用工作面预注浆开凿井筒
1885年德国又成功地采用地面预注浆开凿井筒
1925年荷兰采用水玻璃浆液注浆，开始了化学注浆的历史。
注浆法在英、法、南非、美、加拿大、德国及苏联应用广泛。60～70年代，英国有80％煤矿井筒采用注浆技术，注深达1657m，南非注浆深度达1700m多，苏联78年用注浆法凿井占煤矿用特殊施工总进尺的75％。
2、国内：我国50年代初期开始成功应用注浆法，60年代开始应用水泥—水玻璃浆液及其它化学浆液。
55年代新汶张庄矿主井首次采用工作面注浆，58年峰峰薛村矿主井副井采用地面预注浆。
目前，注浆技术在矿山中应用及其广泛，注浆深度已达900m，注浆技术即可用于井筒工程，为了减少井筒涌水，加快凿井速度，对所有含水层进行预注浆施工，也可对破碎地层，高应力大地压地层进行堵水加固，可以说，对所有地下工程都可采用注浆技术。
§2、注浆材料
正确选择注浆材料是实现岩土改良、完成注浆工程的关键，因为它直接影响注浆工艺过程，注浆效果及注浆工程的成本和工期。
一、注浆材料分类
1、对理想注浆材料的要求
①粘度低，流动性好，可注性好。
②具有可调节控制的凝固时间
③结石率高，强度大，抗渗透性好。
④稳定性好
⑤价格低，来源丰富，不污染环境，对人体无害。
2、注浆材料分类：

单液水泥浆
水泥水玻璃双浆液 水泥浆液
无机类 水泥粘土浆
水玻璃类
丙烯酰胺类
有机类 铬木素类 化学浆液
聚氨脂类
脲醛树脂类
二、注浆材料的主要性能
粘度、渗透能力、凝固时间，渗透系数、抗压强度
1、粘度
浆液流动时，液体分子间相互作用而产生阻碍运动的内摩擦力，粘度大小影响浆液扩散半径、注浆压力和浆液流量等。
↑ R↓ ρ↑ Q↓
要求：浆液粘度具有可调节性，通常有两种类型：曲线 Ⅰ，曲线Ⅱ
单液水泥浆 15～140s
常用浆液粘度： 水泥－水玻璃 15～140s
水玻璃类 （3～4）×10－3Pa·s
化学类 （1.2～几百）×10－3Pa·s
2、渗透性——注入岩层的难易程度的指标，通常用浆液可能注入砂层的最大粒径来表示，mm。
单液水泥浆 1.1 mm
水泥——水玻璃1.0 mm
化学类0.01～0.1 mm
3、凝胶时间——参加反应的全部成分，从混合时起，直到凝胶发生，浆液不再流动为止的一段时间。h .min
要求：能随意调节，并能准确控制。
单液水泥浆 6～15 h
水泥水玻璃 十几秒～几十分钟
化学类 瞬间～几十分钟
4、渗透系数——浆液固化后，结石体抗渗性强弱的指标，cm/s
单液水泥浆 10－1～10－3 cm/s
水泥水玻璃 10－2～10－3 cm/s
化学类 10－2～10－6 cm/s
5、抗压强度——浆液固化后，结石体的极限抗压强度，Mpa
单液水泥浆 10～25 Mpa
水泥水玻璃 5～20 Mpa
化学类 0.4～10 Mpa
三、几种主要浆液
1、单液水泥浆——以水泥为主要成分，添加一定量外加剂，用水调制而成，用单液方式注入的浆液。

水泥——普通硅酸盐水泥，矿渣硅酸盐水泥，32.5级、42.5级
成分 水玻璃（Na2O·nSi2O）——可缩短浆液凝胶时间，
加入量3％～4.5％。
外加剂 氯化钙（CaCl2）——加入量5％。
减水剂——1～2％，减少水灰比，使浆液变稀。
硅粉 （SiO2）——颗粒细（水泥的1/100），对水泥有活化作用，和增强作用，可增加结石体密度，抗渗性好，3～4％。
粉煤灰，煤渣，矸石粉——充填作用。
水灰比 0.5～2.0 常用0.6～1.0
特点：结石体强度高，25Mpa，工艺简单，但结石率低75％，凝固时间长6～15h，且难以控制。
2、水泥——水玻璃双液浆（CS浆液）
——以水泥，水玻璃为主要成分，外加Ca(OH)2、Na2HPO4等外加剂配置而成。
①特点——克服了水泥浆液凝固时间长，且凝固施工不易控制、结石率低等缺点，又具备了水泥浆液强度高等优点，工艺相对复杂。
②水泥——普通硅酸盐水泥，32.5级、42.5级，水灰比0.5～2.0
③水玻璃（Na2O·nSi2O）——泡化碱，常用模数与浓度表示水玻璃的参数模数M＝/Na2O,二氧化碳遇氧化钠的物质量之比。
模数大小对注浆影响较大，M小，SiO2含量低，凝胶物，且结石体强度低，注浆要求模数M＝2.4～3.2较为适宜。
浓度——通常用波差度Bé表示，一般注浆用30～45Bé，市场上50～56 Bé。
④配比
一般：水泥浆越浓，凝固越快（水灰比小）
水玻璃越稀，反应越快。
水泥与水玻璃的体积比1：0.5～1：1
随水玻璃用量较少，凝固时间缩短。
3、化学浆液——P97～101 自学
特点:化学浆液，结石体强度低，成本昂贵，主要用于堵水，应用较少。
四、浆液材料的选择
根据地质条件和施工目的而定。
1、基岩裂隙含水层注浆——用量大，要求有较高的强度（堵水为主）
采用单液水泥浆或水泥水玻璃浆液。
2、松散冲击层泥浆（含水砂层）——主要堵水与加固
属于挤压注浆，较少孔隙率：粗砂层——水泥水玻璃浆液；其它——化学浆。
3、特殊地层（破碎带，断层）——裂隙空隙大，用量大，主要是充填加固。
粗骨料＋水泥浆
粗骨料＋水泥水玻璃浆 粗骨料——细砂、炉渣、粉煤灰、粘土等。
4、选择上优先考虑水泥浆 水泥水玻璃 化学浆
强度高，便宜，材料来源广，工艺简单。

§3、注浆设备

注浆泵，搅拌机，止浆塞，混合器等。
一、注浆泵——输送浆液的动力设备
要求：①有足够的压力，泵压>1.2～1.3倍最大注浆压力
②有足够的流量，适应大流量注浆要求
③双液注浆时，能保证两液的比例关系
④流浪与压力相对稳定
常用注浆泵：
1、YSB——250/120 液力调力注浆泵
最大注浆压力12Mpa，流量250L/min，适用于地面预注浆。
2、2MJ——3/40型隔膜计量注浆泵
压力4Mpa，流量3m3/h。双液注浆用，适用于工作面预注浆。
3、其它注浆泵
TBW—50/15 泥浆泵 压力15Mpa ,50L/min
TBW—150/30 泥浆泵 压力3Mpa ,150L/min
KOBJ—1.8 矿用防爆砂浆泵 压力1.5Mpa，1.8 m3/h
HB50/15 活塞式灌浆泵 1.5Mpa ,50L/min
二、搅拌机——拌浆设备
要求：①浆液搅拌均匀，保证连续供浆
②搅拌能力与注浆能力相适应。
三、止浆塞
四、混合器
§4、地面预注浆
井筒开凿之前或地下工程开凿之前，从地面钻孔到含水层，利用地面的注浆设备将浆液压送到注浆孔含水层中，以封堵裂隙，隔断水力联系的一种注浆方式。
适用于裂隙含水层厚度较大，距地面深度较浅，或层厚不大，但层数较多的情况下。
一、注浆工程设计
（一）注浆深度及段高划分
1、注浆深度——注浆孔的终孔深度，根据含水层的埋藏深度确定。应穿过注浆范围的含水层全厚伸入不透水层10m以上。
2、注浆段高——一次注浆深度，段高大，钻孔与注浆工序重复次数少，工期短，但注浆效果差。
根据岩层裂隙性及含水量大小，一般按裂隙特性划分：

宽度（mm）
初注（m）
复注(m)
细裂隙
0.3～3
30~40
50~100
中裂隙
3～6
20~30
40~50
大裂隙
6～13
10~20
30
破碎地层
>13
4~10
10
（二）注浆参数——注浆压力，浆液注入量，浆液扩散半径，注浆孔个数。
1、注浆压力——是浆液克服流动阻力，进行扩散，充塞和压实的能量。
注浆泵压：＝（0.02～0.025）H——受注点到静水位的水扬高度，通常用注浆深度代替。
注浆应选泵压力 P＝1.3，地面预注浆主要控制泵压。
2、单孔浆液注入量——指一个注浆孔的受注段注入的浆液量。
裂隙注浆单孔注入量q
m3/孔
式中： ——岩层裂隙率，＝0.5～3％。
——浆液在裂隙内的有效充填系数，＝0.8～0.9
——浆液损失系数，＝1.2～1.5
m——结石率，m＝0.56～0.99
R——浆液有效扩散半径，
H——注浆段高
总注入量 Q＝nq m3 实际上先注入孔量大，后注孔量小，并非均匀。
对于含水砂层，q＝
其中：n——砂层孔隙率，30～40％
c——修正系数，c＝1.1～1.3％
3、注浆孔个数（同心圆等距离布置在井径内外）
①井内布孔
②井内布孔

D——井筒净径，A——孔距井径间距，A＝0.25m
D1——井筒荒井，A1——孔径距荒井的间距，A1＝0～1.5m
一般布置6～9个孔，
L＝（1.3～1.5）R
裂隙连通性差，井径小，采用井外布孔。
裂隙连通性好，裂隙发育，井径大，采用井内布孔。
4、浆液扩散半径——有效扩散半径
浆液扩散（流失）的范围——扩散半径
浆液充填堵水的扩散范围——有效扩散半径R
R与注浆压力、裂隙大小、注浆材料有关。
对于单液水泥浆而言：

注浆压力（MPa）
裂隙宽度（mm）
扩散半径R（m）
2～7.0
<5.0
2~6
7～10
5~30
6~25
>10
>30
>25
（三）注浆方式——分段注浆
1、分段下行式——（自上而下注浆式）
从地面开始，自上而下钻一段孔，注一段浆，在同一段内先钻孔后注浆，每注一段浆，后继续下延钻孔与注浆如此交替进行，直到设计的最终注浆深度，然后再从下向上复注。
特点：①上段已注浆，下段注浆时不跑浆。
②注下段时，上段已复注，效果好。
③钻注交替，工期长。
2、分段上行式——（自下而上注浆方式）
注浆孔一次钻到注浆终深，使用止浆塞进行自下而上的分段注浆。
止浆塞——橡胶止浆塞，靠机械压力使止浆塞产生横向变形，与孔壁挤紧，使孔内注浆段与未注浆段分开。
特点 ①钻孔一次到底，施工速度快。
②需用止浆塞，且对地层条件要求严格，局限性大。
适用条件：岩层坚硬，孔壁完整的稳定岩层中，且竖向裂隙不发育。
3、一次注全深——注浆孔一次钻到注浆终深，然后对全深进行一次注浆。
施工简单，工期较短，但段高大，效果差。
二、注浆钻进
①注浆孔允许偏斜率<0.5％，注浆深度大于500m时，e<1％。
②取芯钻进，以判明岩层裂隙发育与分布状况，确定注浆参数，
取芯率：坚硬岩层80～90％；破碎岩层70％。
三、注浆施工
（一）注浆前的准备工作
1、设备安装——钻孔同时进行地面预注浆，搅拌机、地面管路等安装，调试并进行管路耐压试验，要求管路耐压为注浆终压的1.2倍，钻孔后下放注浆管，止浆塞和混合器等。
2、压水试验——在注浆前向孔内压注清水，时间10～20min，压力比注浆终压高0.5Mpa。
压水实验目的：①检查止浆塞的止浆效果。
②测定钻孔吸水率，核实岩层的透水性，选择注浆参数。
③把留在孔底、孔壁上的杂物推到注浆范围以外，以提高
浆液结石体与裂隙面的结合强度及抗渗能力。
（二）注浆作业
1、规律：①先注孔吸浆量大，后注孔吸浆量小
②同一孔中，注浆压力不变时，浆流量减少，浆液量不变时，压力逐渐增加。
2、故障
①泵压突然下降，吸浆量减少，或不吸浆，——吸浆笼头堵塞。
②泵压上升，孔口压力不上升——地面管理堵塞。
③泵压孔口压力均上升，吸浆量下降或不吸浆——混合器或注浆管堵塞。
④注浆压力下降，增大流量也不回升——跑浆：间隙注浆，浓度变稀。
（三）注浆结束标准
由注浆终压和注浆终量而定：
注浆压力上升，注浆量下降
当①主机那个压力达到设计的泵压，P＝（0.02～0.025）H
②注浆量：单液50～60L/min；双液100～120 L/min时，稳定20～30,即可认为达到注浆结束标准，可以停止注浆工作。
§5、工作面预注浆
在井筒施工到含水层之前，暂停掘砌工作，利用含水层上部的不透水层作为防护岩帽或修筑混凝土止浆垫，然后在工作面打钻，注浆，封堵含水层涌水后，再进行井筒掘砌的施工方法。
适用于①含水层厚度不大，而埋深较深或②含水层间距较大，中间又有良好的隔水层的裂隙含水层中。
工作面预注浆在井筒内进行，占建井工期，且在工作面上钻孔，注浆空间受限，只能用小型钻机等设备。
工作面预注浆工艺过程，浆液材料与地面预注浆相同，所不同的是注浆作业由地面转入工作面，并增加了岩帽或止浆垫而已。
一、注浆工程设计
5个（注浆方案、布孔方式与段高、注浆参数、止浆塞与止浆岩帽）
（一）注浆施工方案选择
两种：单水平注浆；多水平注浆

1、单水平注浆——由单一水平工作面打钻注浆的施工方案，适用于含水层埋深大，层数多且层间距小的岩层，需用大能力钻机。

2、多水平注浆——由不同水平工作面打钻注浆的施工方案。
适用于含水层埋深大，层间距较大，需用小型钻机即可。

（二）布置孔方式与段高
根据裂隙产状而定，分为3种方式
1、直孔注浆——裂隙发育，连通性好的水平或缓倾斜裂隙含水层中。
2、径向斜孔注浆——裂隙发育，连通性一般，径向垂直裂隙发育较差的含水层。
α——径向角
3、径向切向斜孔注浆——裂隙发育不均，连通性差，有径向垂直裂隙分岩层。
β——切向角
4、注浆段高——与布孔方式与钻机能力有关。
直孔——50～70m 钻机能力大
斜孔——30～50m 小型钻机
（三）注浆参数（注浆压力，浆液注入量，注浆孔径，浆液扩散半径，斜孔径向倾角，切向布孔的切线角）
1、注浆终压——结束注浆时孔口最大压力，

式中：——注浆结束时，注浆泵表的压力。
——浆液容重。T/m3
H——孔口以上液柱高度，m
2、浆液注入量
Q＝Nq=Nλ
式中： ——岩层裂隙率，＝0.5～3％。
——浆液在裂隙内的有效充填系数，＝0.8～0.9
——浆液损失系数，＝1.2～1.5
m——结石率，m＝0.56～0.99
R——浆液有效扩散半径，
H——注浆段高
N——孔个数。
3、注浆孔个数N

式中：A——孔径与井筒净径间距，A＝0.3～0.6m
＝（1.3～1.5）R
大裂隙 ＝2～3m
小列席 ＝1～1.5m
4、浆液扩散半径R——与注浆压力，裂隙状况有关（同地面预注浆）
5、斜孔径向倾角 α

式中：A——注孔与井壁间距，A＝0.3～0.6m
H ——注浆段高
S——终孔位置超出井筒净直径的距离，S＝E＋m
6、切向布孔的切线角，β
β＝110～130°
（四）止浆岩帽——不透水岩层
为保证浆液在注浆压力作用下沿裂隙有效扩散，并防止从工作面跑浆，一般在含水层上部预留止浆岩帽，当含水层上方具有足够厚度的不透水层时（隔水层），其厚度取决于岩层性质和强度，通常按岩石允许抗剪强度条件计算，即工作面承受最大压力≤止浆岩帽 的允许抗剪强度。
P0——最大注浆压力
[τ]——岩石允许抗剪强度
一般取2——7m。
（五）止浆垫——含水层上方无良好隔水层时，即不具备预留岩帽时，需人工砌筑止浆垫，C25混凝土。
形式：单级平底型——结构简单，施工方便，受力差；
单级球面型——受力状态好，结构复杂，施工困难。

平底型 球面型
按混凝土允许抗压强度与注浆净压力确定，其厚度为：
h=0.3r

式中：R——球面内半径，[σ]——混凝土允许抗压强度，
h——球面矢高，
r——井筒掘进半径
B——垫厚
α——内锥角一半
——注浆终压，
通常取α＝33°，R＝1.8r，h=0.3r。
井壁强度验算：
当止浆垫在已砌壁的井筒内构筑，止浆垫是以井壁为支承，呈圆柱状，结构在此情况下，应对井壁进行验算：

式中：
——注浆终压
——井筒净直径
E——井壁厚度
h——球面矢高
——止浆垫材料的抗压强度
——混凝土结构的强度系数，＝1.6～2.5
1、无水条件下浇注止浆垫
止浆垫底成型后，按布孔要求（位置，数量，角度），安设孔口管（注浆导管），随后浇注止浆垫。

无水 涌水
2、有涌水条件下浇注止浆垫
为防止被水淹侵，止浆垫成型后，先布设孔口管，并在底部 铺一层碎石滤水层（设水泵排水），最后浇混凝土。
3、水下浇注混凝土止浆垫
当工作面凿穿含水层，井筒被淹时，待水位达静水位后，在水下浇注混凝土，
悬吊直管法 在井内悬吊直径φ150～200mm管子下放混凝土，边下混凝土边提管子，但要求管子下端始终在混凝土中，为保质量应连续浇注。

（二）注浆作业——钻入井下，注浆设备在地面，需加强信号联系。
（三）注浆结束标准——同地面：①注浆压力达到设计的泵压。
②注浆量：单液50～60L/min，双液100～120 L/min，稳定20～30min。
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