礦井注漿堵水技術(shù)

礦井注漿堵水技術(shù)

當(dāng)涌水量很大，僅僅靠排水已不可能或有經(jīng)濟(jì)時(shí)，注漿堵截水源通道，然后再進(jìn)行排水。
注漿堵水是將水泥將或化學(xué)漿通過(guò)管道壓入井下巖層空隙、裂隙或巷道中，使其擴(kuò)散、凝固和硬化，從而巖層具有較高的強(qiáng)度、密實(shí)性和不透水性，達(dá)到封堵截?cái)嘌a(bǔ)給水源和加固地層的作用，是礦井防治水害的重要手段之一。目前，注漿堵水已廣泛用于礦井井筒注漿，封堵突水點(diǎn)，恢復(fù)被淹礦井，井巷堵水過(guò)含水層或?qū)當(dāng)鄬樱∧蛔{堵水截流，減少礦井涌水量、底板注漿加固防止突水等方面已取得良好的效果。
一、注漿堵水的適用條件
(1)當(dāng)老窯或被淹井巷的積水與強(qiáng)大水源有密切聯(lián)系時(shí)，可先注漿堵截水源，然后排干積水。如山東肥城國(guó)莊礦、河南焦作演馬莊礦等，都是先堵截水源而后排干積水恢復(fù)生產(chǎn)的。
(2)當(dāng)井巷工程必須穿過(guò)一個(gè)或幾個(gè)強(qiáng)含水層或充水?dāng)鄬?，如不堵截水源，將給礦井生產(chǎn)和建設(shè)帶來(lái)很大困難和危害，甚至無(wú)法施工，我國(guó)許多礦井穿過(guò)強(qiáng)含水層時(shí)，都是利用這一方法。
(3)當(dāng)井筒或工作面發(fā)生嚴(yán)重淋水，為了加固井壁、改善勞動(dòng)條件、減少排水費(fèi)用，可以采取注漿措施。如鶴壁鹿樓主、副井，新汶?yún)f(xié)莊主、副井，采取掛漿措施后，取得了良好的效果。
(4)某些涌水量特大的礦井，為了減少礦井涌水量，降低常年排水費(fèi)用，亦可采用注漿堵截水源。如焦作九里山礦，北部隱伏露頭區(qū)沖積層水補(bǔ)給八層石灰?guī)r含水層涌人礦井，采取注漿措施后，礦井涌水量減少56 m3／'rain，lO年共節(jié)省排水電費(fèi)近億元，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，使一個(gè)嚴(yán)重虧損的礦井得以扭虧為盈。
二、注漿工作程序
(一)注漿材料
注漿材料的選擇應(yīng)根據(jù)堵水的目的、地質(zhì)條件、施工條件、注漿工藝和投資多少等因素決定。從水文地質(zhì)條件考慮，選擇材料可參考表4—2。
在一般情況下，凡是水泥漿能解決問(wèn)題的盡量不采用化學(xué)漿，化學(xué)漿主要用于彌補(bǔ)水泥漿的不足，解決一些水泥漿難以解決的問(wèn)題。當(dāng)?shù)叵滤魉贋?5 m／h時(shí)，采用單液水泥漿；當(dāng)大干25 m／h時(shí)，采用水泥一水玻璃雙液漿；用于底板巖溶、斷層破碎帶和動(dòng)水注漿堵水及處理井下突水事故時(shí)，目前多采用先灌注惰性材料(如砂、爐渣、礫石、鋸末等)充填過(guò)水通道、縮小過(guò)水?dāng)嗝?、增加漿液流動(dòng)阻力、減少跑漿，然后灌注快凝水泥一水玻璃漿液，再用強(qiáng)度較高的化學(xué)漿進(jìn)一步封堵。

（二）具體注漿工作步驟
1. 注漿段高和漿方式
注漿段高是指一次注漿的長(zhǎng)度，可分為全段一次注漿和分段注漿兩 種。前者是將注孔鉆至終孔后一次注漿，適用于含水層距地表近且厚度不大、裂隙發(fā)育較均勻的巖層。其優(yōu)點(diǎn)是一次鉆進(jìn)、一次完成注漿，縮短施工時(shí)間；缺點(diǎn)是段高大時(shí)不易保證質(zhì)量。當(dāng)巖層吸漿量大時(shí)要求注漿設(shè)備能力大，易出現(xiàn)不均勻擴(kuò)散，影響注漿堵水效果。當(dāng)注效果。當(dāng)注漿深度較大，穿過(guò)裂隙大小不同的多個(gè)含水層時(shí)，在一定注漿壓力下，為防止?jié){液在大裂隙擴(kuò)散遠(yuǎn)、小裂隙擴(kuò)散近，上部巖層的裂隙進(jìn)漿多、下部巖層裂隙進(jìn)漿少，應(yīng)采用分段注漿。段高可按巖層破碎程度劃分。我國(guó)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是：極破碎巖層一般為5m~10m；破碎巖層為10m～15m；裂隙巖層為15m～30m；重復(fù)注漿可取30m～50m。
注漿方式是指注漿順序，分下行式和上行式兩種。自上而下依次注漿稱(chēng)下行式注漿，即從地表鉆進(jìn)含水層，鉆一段孔，注一段漿，反復(fù)交替，直至全深。其優(yōu)點(diǎn)是：上段注漿后，下段高壓注漿時(shí)不跑漿，同時(shí)上段獲得復(fù)注，注漿堵水效果好。缺點(diǎn)是：鉆孔與注漿交替進(jìn)行，工期長(zhǎng)。該方式適用于巖層破碎或裂隙發(fā)育的地層。自下而上的注漿稱(chēng)上行式注漿，即注漿孔一次鉆進(jìn)到注漿終深，使用止?jié){塞，自下而上逐段注漿。上行注漿優(yōu)點(diǎn)是無(wú)重復(fù)鉆進(jìn)，能加快注漿速度。該方法適用于巖層較穩(wěn)定、垂直節(jié)理不發(fā)育的地層。
2. 注漿前壓水
目的在于將裂隙中松軟的泥質(zhì)充填物推送到注漿范圍以外，從而提高注漿質(zhì)理和堵水效果。對(duì)于大裂隙，壓水時(shí)間為10min～20min；中小裂隙，則需15min~30min或列長(zhǎng)一些。重復(fù)注漿鉆孔壓水時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)30min~60min。壓水時(shí)壓力應(yīng)由小增大，最大不得超過(guò)注漿終壓。
3. 下放止?jié){塞及注漿
止?jié){塞放至規(guī)定位置后，接好輸漿管，壓縮膠塞止?jié){并經(jīng)壓水試驗(yàn)檢查好，即可進(jìn)行注漿。注漿過(guò)程中應(yīng)特別注意堵漿、跑漿及冒漿，對(duì)待不同情況采取相應(yīng)措施，以保證注漿工作正常進(jìn)行。
（三）注漿參數(shù)
（1） 漿液擴(kuò)散半徑。裂隙中漿液的擴(kuò)散半徑隨巖石的滲透系數(shù)、注漿壓力、注入時(shí)間的增加而增大，隨漿液的濃度和黏度的增加而減少。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，巖深地層注漿，漿液平均擴(kuò)散半徑為10 m~15m，裂隙地層平均為4m~8m。
（2） 注漿壓力。注漿壓力對(duì)漿液的擴(kuò)散影響很大，經(jīng)驗(yàn)表明，隨著注漿壓力的提高，充塞物質(zhì)的強(qiáng)度急劇增加，這就保證了充塞物具有足夠強(qiáng)度和不透水性。在地下水流速大的情況下，應(yīng)設(shè)法增加漿液的流動(dòng)阻力，需降低注漿壓力，故合理運(yùn)用注漿壓力是注漿的關(guān)鍵。不同地區(qū)因地質(zhì)條件不同，注漿壓力也不盡一樣。有地區(qū)選用注漿壓力為靜水壓力的2～3倍，有的則根據(jù)巖石裂隙采用合適的壓力值。
（3） 漿液注入量。根據(jù)擴(kuò)散半徑和巖裂隙率進(jìn)行粗略計(jì)逄，公式為
Q=r2AHnβ　　　　　　　　　　　　　　　　（4－2）
式中Q―――漿液注入量，m3;
r-―――漿液擴(kuò)散半徑，m;
n―――裂隙率，％
H―――注漿段高，m；
β―――漿液在裂隙內(nèi)有效充填系數(shù)，0.9～0.95；
A――――漿液消耗系數(shù)，一般取1.2～1.3。
（4） 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。一般是用兩個(gè)指標(biāo)表示；一是最終吸漿量，即注漿注至最后的允許吸漿量；另一個(gè)是達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)（即終壓時(shí)）的持續(xù)時(shí)間。從理論上講，最終吸漿量是越小越好，最理想的情況是注至完全不吸漿，但難以做到，故結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，一般為受注含水層水壓的1.6～2.5倍，吸漿量小于80L/min，時(shí)間不少于30min即可。
三，突水點(diǎn)（口）注漿堵水
礦井因突水事故被淹沒(méi)后，可以采取適當(dāng)方法與措施，使其恢復(fù)生產(chǎn)獲得新生，常用的方法有強(qiáng)排疏干法和注漿堵水法。強(qiáng)排疏干法，即利用大流量水泵（水泵排水量要大于礦井突水后的總水量）強(qiáng)行排水，追水至井底，然后采到相應(yīng)措施恢復(fù)生產(chǎn)。它適用于突水點(diǎn)（口）動(dòng)水量和含水層靜儲(chǔ)量均小，礦井排水設(shè)備及電力供應(yīng)條件皆好，排水后對(duì)工農(nóng)業(yè)和居民用水無(wú)影響等條件。注漿堵水法是指用各種方法和材料（水泥、水玻璃、化學(xué)材料等）堵塞井下突水點(diǎn)，增加突水點(diǎn)及其周?chē)鷰r層和隔水層的強(qiáng)度，切斷通道和水源，故又稱(chēng)突水點(diǎn)（口）注漿堵水。此法適用于突水點(diǎn)動(dòng)水量大、突水點(diǎn)距地面深，井巷斷面有限、不能安裝大型排水設(shè)備，突水點(diǎn)水源與工農(nóng)業(yè)和居民供水屬同一水源，排水后會(huì)引起水源地枯竭或產(chǎn)生環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題時(shí)。突水點(diǎn)（口）注漿堵水，按注漿孔的們位置可分為先后排法和先排后堵法，我國(guó)淹沒(méi)礦井恢復(fù)注漿堵水常用的是地面注漿先堵后排法。
（一）注漿堵水前的水文地質(zhì)工作
注漿堵水時(shí)應(yīng)解決的問(wèn)題是：井下突水點(diǎn)的具體位置在哪里，在什么部位注漿效果最好，根據(jù)什么原則布置勘探注漿孔，突水點(diǎn)堵水效果如何判斷等問(wèn)題。為了正確選擇堵水方案，確保注漿鉆孔能命中堵水的關(guān)鍵地點(diǎn)或部位和正確評(píng)價(jià)堵水效果，一般需進(jìn)行下列水文地質(zhì)工作：
（1）通過(guò)現(xiàn)有水文地質(zhì)資料的整理分析、野外地質(zhì)調(diào)查以及必在的突水點(diǎn)（口）注漿堵水補(bǔ)充勘探工作，查清突水點(diǎn)的位置，確定或判斷突水水源、突水點(diǎn)附近斷裂構(gòu)造的確切位置和含水層間的對(duì)接關(guān)系、突水點(diǎn)地段內(nèi)含水層的分布及它們之間的水力聯(lián)系、各含水層巖溶裂隙發(fā)育程度及巖溶裂隙發(fā)育的主要方向；
（2）因地制宜地進(jìn)行連通試驗(yàn)，測(cè)定地下水的流速、流向和地下水的水質(zhì)與水溫；
（3）布設(shè)地下水動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行堵水前、堵水后和堵水過(guò)程中的動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)，并編制注漿觀(guān)測(cè)孔歷時(shí)曲線(xiàn)和等水位（壓）線(xiàn)圖，以指導(dǎo)注漿工程和注漿效果評(píng)價(jià)；
（4）用鉆孔和被淹礦井進(jìn)行抽（放）水試驗(yàn)，了解各含水層與突水點(diǎn)（口）的水力聯(lián)系情況；與注漿工程前后放水資料對(duì)比，評(píng)價(jià)堵水效果；
（5）注漿前每孔都要進(jìn)行沖洗鉆孔及壓水試驗(yàn)，目的是沖洗巖層中空隙通道，利于漿液擴(kuò)散并與圍巖膠結(jié)提高堵水效果；通過(guò)壓水試驗(yàn)計(jì)算巖層單位吸水量，了解巖層的滲透性，以選擇漿液材料及其濃度與壓力。
（二）突水點(diǎn)注漿堵水方案的制定
制定方案時(shí)應(yīng)反復(fù)分析研究，在弄清水文地質(zhì)條件等情況的基礎(chǔ)上，對(duì)堵水工程作出正確布置，對(duì)堵水方法提出明確要求。
方案設(shè)計(jì)應(yīng)包括如下內(nèi)容；
（1）確定堵水范圍、注漿層位和部位，注漿孔、觀(guān)測(cè)孔檢查孔數(shù)及其布置方式；
（2）確定注漿材料、注漿深度，劃分注漿段、選　擇注漿方式和止?jié){方法；　
（3）確定注漿參數(shù)及質(zhì)量檢查和評(píng)價(jià)方法；　
（4）選擇鉆探設(shè)備，確定鉆孔結(jié)構(gòu)與施工方法，確定主要安全技術(shù)措施（包括注漿操作規(guī)程）。
（三）施工注漿孔及注漿
1．勘探注漿孔及注漿
（1）應(yīng)布置在井下突水點(diǎn)附近，圍繞著突水點(diǎn)由內(nèi)往外和由稀至密分批布置。其目的是根據(jù)探資料及時(shí)修改補(bǔ)充原設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高堵水和加固底板的效果；
（2）根據(jù)地下水的流速、流量和流向，注漿孔應(yīng)布置在來(lái)水方向上，在突水點(diǎn)或斷層帶附近應(yīng)適當(dāng)加密堵水鉆孔，以便切斷突水點(diǎn)補(bǔ)給來(lái)源，減少注漿堵水孔數(shù)；
（3）布置鉆孔盡可能一孔多用，使之既是地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探孔，又是試驗(yàn)孔、觀(guān)測(cè)孔，同時(shí)還可作為注漿堵水孔；
（4）注漿間距應(yīng)按當(dāng)?shù)氐木唧w地質(zhì)、水文地質(zhì)條件與實(shí)際擴(kuò)散半徑（R）等因素確定。
2．注漿過(guò)程中的若干問(wèn)題
（1）注漿層或段裂隙細(xì)小，鉆孔單位吸水量小到中等的鉆孔，一般耗漿量不大時(shí)，可采用連續(xù)注漿法，即自始至終連續(xù)不斷地注漿，直到達(dá)到注漿設(shè)計(jì)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。
（2）巖溶通道大、鉆孔單位耗漿量大時(shí)，可采用間歇時(shí)間長(zhǎng)短，主要依漿液達(dá)到初凝所需時(shí)間而定。間歇的次數(shù)以孔口壓力上升快慢而定。當(dāng)注漿孔口壓力上升較快時(shí)，可改為連續(xù)注漿。每次停注后需沖入一定量清 水，以保持通道井口有致被堵塞。
（3）若發(fā)現(xiàn)鄰孔有竄漿現(xiàn)象，應(yīng)串連兩孔同時(shí)注漿；若設(shè)備不足，依鉆孔水位高低，可在下游注漿孔壓入清水保持通道能暢、上游注漿孔注漿的辦法處理。
（4）注漿時(shí)，若通道中地下水流量汪、流速大時(shí)，只要漿液性能（水灰比）適宜，吸漿量大于通道中地下水流量1.5倍，注漿也可以成功；若通道流量大、流速小時(shí)，可用不易被水稀釋的漿液，使用間歇注漿法注漿；若通道中流量和流速皆大，則可在注漿前設(shè)置比重較大固料，先將通道充填，然后注入速凝漿液。
3．注漿堵水效果的判斷
當(dāng)注入突水點(diǎn)及其周?chē)亩滤牧瞎探Y(jié)封住突水通道后，則淹沒(méi)礦蟛的水位將發(fā)生顯著變化，地下水流的流動(dòng)方向和水化學(xué)成分也相應(yīng)發(fā)生變化，這些均可看成判斷堵水效果的定性指標(biāo)；定量指標(biāo)是通過(guò)注漿前后的排水試驗(yàn)取得水量與降深關(guān)系的數(shù)據(jù)后，即可識(shí)別。
四、井下注漿堵水
井下注漿封堵突水點(diǎn)，主要是處理某些生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生和規(guī)模小的突水或恢復(fù)某個(gè)采區(qū)、工作面的生產(chǎn)工作。它的注漿堵水工作在井下進(jìn)行，而且主要是對(duì)斷層突水處理，主要方法是：
（1）用水閘墻擋水。當(dāng)水突入巷道后，若水量較大，應(yīng)采取緊急措施，在所掘巷道突水點(diǎn)以處地段，將水堵在巷道內(nèi)；若水量不大時(shí)，可用水管將水導(dǎo)出，然后先擇巖層比較完整處修筑水閘墻，待水閘墻修好后將管子的水門(mén)關(guān)閉，造成靜水條件。
（2）待封堵于巷道內(nèi)的水停止流動(dòng)后，在接近水閘墻的正常巷道內(nèi)向斷層出水點(diǎn)和和其接近的含水層打注漿孔，然后用高壓注漿泵往鉆孔里注漿，以封堵和加固突水點(diǎn)及其周?chē)貙?，同時(shí)切斷補(bǔ)給水源。