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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。6070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粘度低，流动性好，可注性好。具有可调节控制的凝固时间结石率高，强度大，抗渗透性好。稳定性好价格低，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 Q要求：浆液粘度具有可调节性，通常有两种类型：曲线 ，曲线 单液水泥浆 15140s常用浆液粘度： 水泥水玻璃 15140s 水玻璃类 （34）103Pas 化学类 （1.2几百）103Pas2、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0.010.1 mm3、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 615 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 101103 cm/s水泥水玻璃 102103 cm/s化学类 102106 cm/s5、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 1025 Mpa水泥水玻璃 520 Mpa化学类 0.410 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（Na2OnSi2O）可缩短浆液凝胶时间， 加入量34.5。外加剂 氯化钙（CaCl2）加入量5。 减水剂12，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，34。 粉煤灰，煤渣，矸石粉充填作用。水灰比 0.52.0 常用0.61.0特点：结石体强度高，25Mpa，工艺简单，但结石率低75，凝固时间长615h，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。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。水泥普通硅酸盐水泥，32.5级、42.5级，水灰比0.52.0水玻璃（Na2OnSi2O）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M2.43.2较为适宜。浓度通常用波差度B表示，一般注浆用3045B，市场上5056 B。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1：0.51：1随水玻璃用量较少，凝固时间缩短。3、化学浆液P97101 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：有足够的压力，泵压1.21.3倍最大注浆压力 有足够的流量，适应大流量注浆要求 双液注浆时，能保证两液的比例关系 流浪与压力相对稳定常用注浆泵：1、YSB250/120 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、2MJ3/40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TBW50/15 泥浆泵 压力15Mpa ,50L/minTBW150/30 泥浆泵 压力3Mpa ,150L/minKOBJ1.8 矿用防爆砂浆泵 压力1.5Mpa，1.8 m3/hHB50/15 活塞式灌浆泵 1.5Mpa ,50L/min二、搅拌机拌浆设备要求：浆液搅拌均匀，保证连续供浆 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0.33304050100中裂隙3620304050大裂隙613102030破碎地层1341010（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：（0.020.025）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 P1.3，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，0.53。 浆液在裂隙内的有效充填系数，0.80.9 浆液损失系数，1.21.5 m结石率，m0.560.99 R浆液有效扩散半径， H注浆段高总注入量 Qnq 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，3040 c修正系数，c1.11.33、注浆孔个数（同心圆等距离布置在井径内外）井内布孔 井内布孔 D井筒净径，A孔距井径间距，A0.25mD1井筒荒井，A1孔径距荒井的间距，A101.5m一般布置69个孔，L（1.31.5）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RR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）27.0103025（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：上段已注浆，下段注浆时不跑浆。 注下段时，上段已复注，效果好。 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 钻孔一次到底，施工速度快。 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、注浆钻进注浆孔允许偏斜率0.5，注浆深度大于500m时，e1。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8090；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1020min，压力比注浆终压高0.5Mpa。压水实验目的：检查止浆塞的止浆效果。 测定钻孔吸水率，核实岩层的透水性，选择注浆参数。 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：先注孔吸浆量大，后注孔吸浆量小 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、故障泵压突然下降，吸浆量减少，或不吸浆，吸浆笼头堵塞。泵压上升，孔口压力不上升地面管理堵塞。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。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，注浆量下降当主机那个压力达到设计的泵压，P（0.020.025）H 注浆量：单液5060L/min；双液100120 L/min时，稳定2030,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。适用于含水层厚度不大，而埋深较深或含水层间距较大，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。 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。 切向角4、注浆段高与布孔方式与钻机能力有关。直孔5070m 钻机能力大斜孔3050m 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/m3H孔口以上液柱高度，m2、浆液注入量QNq=N式中： 岩层裂隙率，0.53。 浆液在裂隙内的有效充填系数，0.80.9 浆液损失系数，1.21.5 m结石率，m0.560.99 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，A0.30.6m （1.31.5）R大裂隙 23m小列席 11.5m4、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 式中：A注孔与井壁间距，A0.30.6m H 注浆段高 S终孔位置超出井筒净直径的距离，SEm6、切向布孔的切线角，110130（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 岩石允许抗剪强度一般取27m。（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，混凝土允许抗压强度， h球面矢高， r井筒掘进半径 B垫厚 内锥角一半 注浆终压，通常取33，R1.8r，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，1.62.51、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150200mm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：注浆压力达到设计的泵压。 注浆量：单液5060L/min，双液100120 L/min，稳定2030min。10