粘土水泥浆在立井地面预注浆中的应用及效果.pdf

199 5.北京全国首届岩 石锚固与注浆学术会议论 文集矿业工程粘土水泥浆在立井地面预注浆中的应用及效果黄德发吴强(河南煤炭工业管理 局墓建处郑州4 500 00)建国 以来,立井地面预注浆堵水工程中,传统的使用单一水泥浆液,为了降低井筒预注浆的水泥消耗量和提高堵水效果,近年来,不少井筒开展了对粘土水泥浆的性能试验和实际应用。河南平顶山十三矿、冷泉矿、梁北矿6个井筒对粘土水泥浆进行应用,取得了显著效果。1浆液的组成粘土水泥浆的主要成分是粘土、水泥、水玻璃和水。粘土是浆液的主要成分,占浆液干料的7 0%左右。本着就地取材的原则,平十三矿及梁北矿在广场选用 红粘土,冷泉矿选用鹤壁市浚县红粘土,并对其性能和矿物成分进行了测定和化验分析,综合监定结果如表1所示。表1粘土性能及组份测试结果粘土名称塑限/%塑性指数自由膨胀/%比表面积/m,g一蒙脱石/%伊利石/%pH值禹县上新世红土梭县红粘土2 2.518.7552 1.560228.413 28.6726.2 81 9.28.162 3.51 3.37.94粘土做为浆液的主要成份,要求含砂量越少越好,颗粒越细越好,塑性指数较高为好并具有一定的粘度,粘度太大,可注性较差,影响注浆泵吸浆和输送;粘度过小,浆液凝结后塑性强度低,容易影响堵水效果。水泥是浆液中仅次于粘土的主要成份,一般占干料 3 0%左右,在浆液 中通过水化作用生成凝胶体,起结构成型作用,6个井筒在浆液 中配用42 5号以上的普通硅酸盐水泥。水玻璃是浆液中结构成型剂和速凝剂,其用量为浆液体积的1%一2.5%,6个井筒均采用钠质水玻璃,模数为2.8一.32,浓度为3 7 4 4e B。水是配制浆液 的主要液体,一般占浆液重量的4 3%左右,几个矿井均使用矿场附近的地下含水层洁净水。2浆液的性能粘土水泥浆是一种复杂的多相流体,其性能主要包括塑性强度、析水率、粘度、抗渗性、粘土水泥浆在立井地面预注浆 中的应用及效果耐久性等项指标。.21塑性强度粘土水泥浆的堵水作用是浆液高压注入到含水岩层裂隙中,凝结后产生一个不能被地下水压挤出裂隙的能力,从而封堵裂隙起到堵水的作用,其结石体的抗剪力学指标(即抗剪强度)称为粘土水泥浆的塑性强度。塑性强度与浆液 中的粘土、水泥、水玻璃的用量密切相关,其强度一般随粘土水泥浆的比重增大而增高;随水泥的用量增加而增高;随水玻璃 的用量增加而增高;此外随注浆压力的增加而增高,同时也与粘土中矿物成份、水泥标号、水玻璃模数以及受注岩层透水性有关。平十三矿用广2、广。号土在相对密度为1.259c/m,粘土原浆中加入0.1 5t的42 5号水泥 和20 t水玻璃配制粘土水泥浆,测得其塑性强度为:0一h 8时,塑性强度小,变化不大;8一2h 4时,塑性强度变化较 快,为7 9 3.76 X102Pa;24一48h时,塑性强度变化很快,为2024.85 丫102Pa;48一721飞时,塑性强度增加最快,为775 1.56X102Pa;3d以后,塑性强度增加微弱,曲线平缓。2.2析水率析水率是反映浆液稳定性和充填密实饱满程度的重要指标。当析水率低时不易脱水,抗渗性能好,因而注浆堵水性能转优,6个井筒粘土水泥浆的相对密度为1.2 4一1.3 3配制的粘土水泥浆,经测试其析水率为2%3写,与单一水泥浆的析水率相比低1 0%左右。实践证明,粘土水泥浆析水率低,有的接近不析水,稳定性能好,遇水不分散,浆液在裂隙中是沿整个裂隙断面推进扩散充填裂隙。2.3粘度粘度是粘土水泥浆的基本参数,它标志着粘土水泥浆的可泵性和可注性,即浆液的粘度大小直接影响浆液的扩散半径,同时为确定注浆压力、流量等参数提供依据。由于粘度与粘土中的矿物成份密切相关,并随着粘土用量以及水泥、水玻璃加入量增加而增加,因而粘土水泥浆具有良好的粘度可调性,可调范围大,适合各种宽度裂隙。当粘度越小,则扩散半径越大,有利于注浆,但为防止浆液扩散过远而浆液消耗过大,则需增加粘度,以控制扩散半径,所以粘度不宜过低。6个井筒注浆使用的粘度范围见表2。表2注浆粘度表井筒名称粘土水泥浆粘度/,加入水玻璃后粘度s/平十三矿主井平十三矿副井梁北矿主井梁北矿副并冷泉矿主井冷泉矿副井2 3.82423.8244444252 72 52 7474719291929可达1 95可达19 52.4抗渗性抗渗性是评价注浆质量内容之一,对注后井筒剩余涌水量有密切关系。据室内模拟和抗919 5.北京全国首届岩石锚固与注浆学术会议论文集渗试验,在裂隙宽度0.1 5一sm m的条件下,浆液凝固体具有(0 一14 7)Xl沪Pa抗渗能力,可见粘土水泥浆抗渗能力较强,能满足注浆堵水的技术要求。2.5耐久性粘土水泥浆充填在岩石 裂隙中随着时间的延长,其塑性强度并不降低。平十三矿主井注浆孔中取出粘土水泥浆结石体“岩心”在水中放置1年多,无任何松散、崩解和开裂现象,固结完好。3浆液配制与造桨工艺粘土水泥浆注浆前应对配方进行优化,优化的自变量是粘土、水泥、水玻璃和水的掺量,目标函数则是浆液堵水机理起主导作用的塑性强度。经试验得到优化配比为粘土:水泥二2.66:1;干料:水一1:0.7 5;水玻璃掺量:浆液2:10 0。粘土水泥浆的配制时间可划分为二个部 分,第一部分是 制造粘土原浆,由于注浆时粘土 原浆用量大,单靠注浆 过程中制造粘土原浆是不能满足用量要求的。鉴于粘土原浆不会凝固和易于储存,故在 注浆之前进行造浆和储甲医迁入孔内粘粘粘粘泥泥泥带带带级级级输输输级级级注注上上 浆浆浆泵泵泵搅搅搅浆 搅搅搅桨桨浆浆浆浆泵泵泵泵泵拌拌拌泵泵泵拌拌拌泵泵储储一一一一一一一一一一一一一一浆浆浆浆浆浆浆浆浆浆浆浆浆浆浆池池 国朴陌陌阔图1粘土水泥浆的造浆工艺流程存备用,其相对密度一般为1.39c/耐左右;第二部分是配制粘土水泥浆,其配制时间与孔内注浆在同一时间内采用平行流水作业法同步进行,即在粘土原浆中加入水泥、水玻璃经带泵和一、二级搅拌机进行均匀搅拌配制而成。由于储存在原浆池中的粘土原浆易沉淀,在配制粘土水泥浆时需经常用水枪对粘土原浆进行均匀搅拌,并将粘土原浆调整到所需浓度,其相对密度调整范围为1.1 8 一1.339c/m“,粘上原浆加水泥、水玻璃后配制的粘土水泥浆浓度,其相对密度调整范围为1.2 4一1.4 5官c/m“。其粘土水泥浆的造浆工艺流程如图1所示。4布孔与注浆注浆孔的布置系根据井筒的设计参数,以及受注含水层的特点,6个井筒的注浆孔实际布置如表3所示。其注浆工作的程序为:4.1岩帽与固管段加固注桨由于钻机设备不 同,个并筒固管段钻进,开孔直径必19 024 4m m多种规格,钻至注浆段顶端岩层较好位置下入必16 8一21 9套管,套管外用低压单一水泥浓浆全封闭到井口,以固定套管,防止注浆时浆液沿套管外向上流失窜浆,特别是平顶山砂岩埋藏较浅,其上覆第四系薄层黄土层直立节理裂隙发育,为防止注浆时大量 向地表窜浆,因此将上覆第四系黄土层列入自然注浆岩帽进行加固,其各井水泥用量如表4所示。4.2含水层注浆6个井筒均采用分段下行式注浆,其钻注 施工循环过程如图2所示。注浆段高根据各含214粘土水泥浆在立井地面预注浆中的应用及效果水层的连续性、富水性以及注浆重点段的划分,平顶山砂岩含水层分为5段,段高1 4一3 5m,注浆终压为静水压力的5一6倍;冷泉矿砂岩含水段分为9段,段高2 5 一7 5m,注浆终压为静水压力的22.5倍。冷泉矿选用注浆分段和 注浆压力如表5所示。表3注桨孔布置参数井筒 外径 内径注浆孔深度固管段深度注浆段高注浆孔数布圈直径孔距有效扩散受注含水名称/m/m/m/m/m/个m/m半径/m层门印了亡J亡口nUO11J.l一匕丹O主井副井主井副井主井副井5.8574 36.9675 423 85052315235.75132.819.811 37.73.8511410.54.02000n连月任8.57.51345.44.57.06.01 25.24125.478 5.247.44.3585.4 78.64.3砂岩裂隙砂岩裂隙平顶山砂岩平顶山砂岩平顶山砂岩平顶山砂岩矿井名称平十三矿井筒名称表4注桨水泥用 1岩帽固管段高/m加固水泥用量t/J任已J00O自O 4 4梁北矿冷泉矿主井副井主井副并主井副井254169.3表5冷泉矿主井注浆段高及终压值选用表段号注浆段起止深度段高注浆终压/m/m/mPa段号注浆段起止深度 段高注浆终压/mm/m/a P2452702703147.0一入58.09.09.01 1.510.513.012.015.050 057557 562513.516.014.017.03143893894 5562 56 9069074 115.018.016.519.0已J01J月卫丙了匕口月匕已尸、JJI J士一勺匕巴d白月伙八内 矛了月任455500199 5.北京全国首届岩石锚 固与注浆学术会议论 文集表6裂隙率及注浆材料一览表矿井名称井筒裂隙率名称/%浆液总量/m,注浆材料用量水玻璃t/冷泉矿098 16375.8 2683 5.701 66.364 80 1.6 64 576平十三矿梁北矿主井副井主井副井主井副井506 7.41584 3.6057 73.274807.24水泥 t/1153.501196.5 9926.851058.1599.19103.8011 95102.27总计34703.04粘土t/2004.4 12 16 1.592 393.5 12685.1 82 81 2.202193.1014249.99102665 5 6.0985.13712.75表7堵水效果矿井名称井筒名称注前注浆段总水量/m3h一1注后检查孔总水量/m3l飞一凿井实际水量/m3h一1堵水率/%平十三矿主井副井梁北矿主井副井冷泉矿主井副井3.055.691.6 94.5898.995,170 75.95.87.9 74.382.55.94待开挖待开挖待开挖待开挖9 7.998.396.998.4自QU0 0O曰神alb月了O Q 曰Q 自O 其注浆工作的程序为:从地面向地下岩体裂隙内压入浆液,是注浆作业中一道关键工序在用粘土水泥浆时,几个井筒均采用控制注浆量措施。首先是根据受注含水层的埋藏条件和静水压力选择泵量和泵压,同时根据注浆前压水试验求出单位吸水量大小及注浆过程中泵量、泵压的变化,调整和配制所求的浆液浓度。一般注浆初期原始裂隙较多,且较通畅,注浆采取大相对密度、低泵压、定量注浆。第二组孔注浆时,井筒周 围裂隙已有部分被浆液充填,为了保证足够的注量,多使用较小相对密度、小泵量使浆液向细小裂隙均匀扩散,当注入量达到该段设计注人量 8 0%后,才逐渐提高相对密度,加快凝结速度,尽量均匀增压,使较大范围内都达到和超过注浆终压值,同时采用注浆结束后的压水或抽水试验资料来检验井筒预注浆效果,以确保井筒注浆质量6个井筒的实测裂隙和注浆材料如表6所示。采用粘土水泥浆工艺堵水的6个井筒,计钻注浆孔4 1个,钻孔总长度12602m,最大注浆深度7 54m,最浅124m。其经济技术效果如下。5经济技术效果通过6个井筒粘土水泥浆应用实践证明,粘土水泥浆的可注性好、析水率低、稳定性高、凝胶时间和粘度可调,具有较好的技术经济价值,满足了地面预注浆堵水的要求,是一种有推广使用价值的新型注浆堵水材料。粘 土水泥浆在立井地面预注浆中的应用及效果.15堵水率堵水效果是井筒注浆堵水的一项最重要指标,6个井筒平均堵水率为9 7.5%,最好堵水率为9 8.9%,井筒开挖涌水量最小为2.sm”h/,基本上实现了干打井,为凿井施工及今后安全生产带来了极好效益,其各井堵水效果如表7。5.2注浆工期地面预注浆虽不占用井筒工期,但对矿井准备工期有着重要 作用,6个井筒注浆工期平均 为234 d,其情况如表8所示。表8注桨施工工期矿井名称井筒名称计划工期/月实际工期d/注注桨孔、(注桨段钻进进进制制桨桨桨桨桨桨桨桨桨桨桨桨桨桨桨压压水试验验验验转转入下一循环环八60口八4 0 01 舟卜 UQJt 矛,上QO U99曰n乙n,土ROL J00乃已内匕月匕冷泉矿平十三矿梁北矿主井副井主井副井主井副井5.3材料消耗与成本6个井筒注浆材料消耗如表6所示,其中水泥消耗“5 6t,注浆总米数为201 4.sm,平均水泥消耗量为图2钻注施工循环图3.3 t/m,6个井筒注浆总费用为1377万元,每米总费用6830万元,较之单一水泥浆水泥消耗降低6 0%左右,注浆费用降低5 0%左右。5.4施工速度平十三矿主、副井由于实现了干打井,全面改善了作业环境,井筒开挖速度加快,工程成本显著降低,注浆段平均月进尺达 4 0m,最高月进尺达 8 0m,找到 了为攻克平顶山巨厚硬砂岩(f一11.1)大含水层施工好方法。