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煤炭科学研究总院北京建井研究所 郑军 刘敏 龙志阳
摘 要 介绍姚桥新副井利用现有冻结管射孔注浆新技术的工作原理、方法及有关技术的改进。
关键词 立井 冻结管射孔 注浆技术
射孔注浆是针对两淮、徐州及山东鲁南等地已建立井在第四系地层及基岩风化带接触部位多次发生井筒钢筋混凝土井壁破坏而开发研究的一项新的应用注浆技术。它利用已有冻结管, 先进行射孔, 然后注浆加固。该技术方法简单, 机具设备投入少, 不破坏井壁结构, 不影响井筒正常作业, 是其它注浆方法无法比拟的。射孔注浆已在姚桥新副井试验成功, 由于发生井壁破坏的井筒大多数采用冻结法施工, 所以该技术具有广泛的推广应用前景。
1新副井地质条件及其技术特征
姚桥新副井第四系地层厚 159165 m, 由粘土、砂质土和砂土组成, 副井底砾石厚2165 m, 含细砂二层, 覆盖于基岩之上, 含水丰富并与基岩地下水有水力联系。基岩 段自上而下依次穿过下白垩、上侏罗统、上 石盒子组、下石盒子组、山西组地层及太原 群部分地层。根据流量测井资料, 副井基岩段 19114~ 38017 m 共有 4 个含水层, 均属承压裂隙水, 最上部含水层 23317~ 27112 m 为砾石含水层, 注浆段主要由泥岩及粉砂层岩组成, 层理较发育。副井井口标高 3610 m, 净直径 618m。冻结管圈半径 7 m, 长腿深 345 m, 短腿深 190 m 。
1注浆方案
211注浆起止深度及孔数
注浆起止深度 170~ 190 m, 注浆长度20 m。由于冻结管圈径较大, 故选取 6 个长腿冻结管 ( 长 345 m) 为射孔注将管, 其冻结管顺序号为 4、10、16、22、28、34 号 6 个孔, 孔间距为 7 m , 如图 1 所示。
图 1 冻结管射孔注浆孔布置
211浆液注入量的计算
立井冻结管圈半径为 a = 7 m , 以冻结管为中心, 设计扩散半径 b = 6 m, 浆液总注入量按下式计算:
V = A P ( R 2 - r 2) ( h H ) Bn
式中 V ) ) ) 浆液总注入量, m3;
A ) ) ) 浆液损耗系数, A = 113;
R)))以井筒为中心的浆液扩散半
径R=a b=13m;
a)))冻结孔圈半径，7m;
b)))以冻结孔为中心浆液扩散半径，6m;
r)))井筒外半径，414m;
h)))在注浆段内浆液向上、向下扩散高度，向上315m,向下015
m,h=4m;
h ) ) ) 在注浆段内浆液向上、向下扩散高度, 向上315 m, 向下015 m, h = 4 m;
H ) ) ) 注浆段高, m;
n ) ) ) 注浆段平均裂隙率, n= 2%;
B ) ) ) 浆液充填系数, B= 0195。以上参数代入上式, 得 V = 27816
m3, , 按 1B1 水灰比和 20% 水泥损耗, 水泥
用量 252 t。食盐和三乙醇胺按水泥用的015% 和 0105% 计算, 食盐 1126 t, 三乙醇胺 01126 t 。
213 注浆压力
注浆压力是使浆液运动的动力, 在注浆压力作用下, 浆液通过管道系统, 进入注浆地层中充填岩层裂隙。注浆压力不仅与注浆段的深度及裂隙发育程度有关, 而且还应考虑注浆段对应井壁所承受的最大压力。根据井筒井壁结构, 计算注浆段井壁承受最大压力为 414 M Pa。冻结管距井筒外壁约 216 m, 为防止浆液在压力作用下通过裂隙直接作用在井壁上, 设计注浆段中部最大压力为412 MPa。为保证井下最大压力不超过 412 M Pa, 在孔口安装压力表, 监控注浆压力, 注浆过程中孔口压力表的读数最大不超过115~ 1168 M Pa 。
冻结管射孔工艺
311 射孔破管原理
冻结管射孔采用聚能式射孔枪, 射孔枪有关技术参数见表 1。
射孔枪的射孔原理为: 药柱在凹穴形状顶端起爆时, 在凹穴底面的爆炸生成物将会沿其法线方向飞出, 并在轴线方向聚合此产物挤压金属药形罩, 形成高温高压高速聚能流, 此喷流挤压冻结管形成锥形孔眼, 即达到射穿冻结管的目的。
312 射孔施工步骤
( 1) 装枪。枪体打开后, 先将一定数目的射孔弹固定在弹夹上, 并使各射孔弹和导爆索相连。然后固定雷管于导爆索上, 留出引爆线, 依次装弹于弹夹上, 固定枪尾, 最后上枪头。
( 2) 装雷管。用 8 号铁丝做一约 3 /4 圆弧的圆形 ( 直径约为枪内径) 。用绝缘胶布将一发安全电雷管与导爆索可靠固定住。用砂布擦去雷管两引线上的绝缘层, 其中的一根引线待与导线连接, 另一根引线与 8 号铁丝中所做的铁环可靠连接, 以接地。将铁环小心放入枪中, 并卡紧在枪身退刀槽处, 使铁环与枪射可靠接触。
( 3) 绞车电缆与枪的连接。对一根适当长度的导线通过橡胶塞直接与雷管的引线连接, 保证绝缘良好。旋紧枪头, 并露出一定长度的导线; 适当调节引线上胶皮塞的位置, 将其塞入枪头中心孔中, 串入铁垫圈及接头, 适当旋紧。
( 4) 枪体下放。将枪身挂钩及钢丝绳鼻子相连接, 开动绞车, 将枪吊放至顶射孔口, 刚好露出枪头, 定好深度起始标记; 开动绞车, 下放枪体至预定深度。
( 5) 起爆射孔。按下电源指示开关, 电容器开始充电。起爆仪上的充电电压为 220V 时, 按下准备开关。按下起爆开关,完成射孔。开动绞车, 提出枪体, 并检查射孔效果, 至此, 射孔工作全部完成。
4 射孔注浆工艺
411 射孔注浆工艺流程
姚桥新副井射孔注浆段 170~ 190 m, 共分两个段高, 170~ 172 m, 172~ 190 m, 其中 170~ 172 m 为岩帽注浆。射孔注浆与普通注浆相比有两大不同点: 一是在密闭的冻结管内注浆, 而不是在基岩裸孔中; 二是注浆浆液通过弹射孔以点的形式充填裂隙, 不象一般注浆那样以线的形式充填裂隙。射 孔注浆的特殊性构成其特殊的射孔注浆流程: 装枪下放y 射孔破管y下注浆管y 孔口密封y压水y注浆y 定量压水y孔口解封y 提注浆管。
412 射孔注浆孔口密封技术
由于井架已经建成, 活动空间小, 井架内无法安装钻机, 而一般注浆必须用止浆塞, 煤矿注浆常用 KWS 提拉式止浆塞, 止浆塞的提拉靠钻机来实现, 这样射孔注浆的止浆成为一大难题。姚桥新副井射孔注浆, 针对现场实际情况, 大胆提出孔口直接密封方案, 既解决了场地小的矛盾又解决了止浆问题。
孔口密封主要依靠法兰盘。下法兰盘固定在冻结管上, 其下方在冻结管侧壁安装一泄水阀门, 并装压力表, 上法兰盘接与注浆管相同规格的短节注浆管。该管下端与注浆 管相连, 上端与注浆管浆液输送管相接。孔口密封装置如图 2 所示。
1 )) 注浆管路; 2 ) 孔口压力表; 3 ) 液压阀门;4 ) 上法兰盘; 5 ) 下法兰盘;
6 ) 冻结管; 7) 水体; 8 ) 冻结管弹射孔
孔口密封的工作原理: 射孔完毕后, 将注浆管通过孔口下法兰盘下放至预定深度, 然后连接上法兰盘下端丝扣, 最后将上下法兰盘拧紧。所有管路接好后, 压水, 待泄水阀门返水, 再关闭阀门。这样, 冻结管内自法兰盘至注浆管出口处均充满了水, 由于水是不可压缩液体, 所以注浆时浆液只沿射孔外流, 这就是孔口密封的原理。
413 射孔注浆工艺
6 个注浆孔分成 3 组, 每组 2 个孔对称布置, 第一组注完后注第二组。
按设计段高采用下行式注浆。
每一段注浆采用 2 台注浆泵同时注浆, 即大泵量 ( 2 台 2Z TG-210 / 60 型注浆泵) 同时注浆, 最大流量可达 100 ~ 120 L /min, 达到设计注入量的 50% ~ 60% 时, 改用一个注浆泵。为控制浆液扩散太远或通过裂隙浆液持续作用井壁, 采用间歇式注浆及高低压轮换注浆法。
所谓间歇式注浆法, 就是注注停停, 但同时考虑孔内水泥沉淀, 停留时间很短, 一般只有几秒至十几秒。采用间歇式注浆法,可使浆液在裂隙运动中产生前后压力差, 有利于浆液的凝结。高低压轮换注浆就是一会 采用高压一会低压的注浆方法, 其本质与间歇式注浆法相同。
5射孔注浆成果及效果检查
姚桥新副井射孔注浆自 1994 年 8 月 20
日至 9 月 21 日共施工 33 天, 其射孔及注浆成果见表 2。
效果检查包括射孔效果检查及注浆效果检查。6 个冻结管共用射孔枪 34 支, 射孔弹 358 个, 射成孔 348 个, 未爆率 217%, 射穿率9713% 。JDC-102 型枪的射孔平均直径 11 mm, 73 型枪的射孔直径 1215 mm。
注浆效果由 KDX-1 型矿井地震仪检测。在注浆段 20 m 范围内, 实测 16818、
17318、17818、18318 和 18818 m 等水平断
面, 3 条纵向剖面 ( 东、西北、西南 3 个方向) , 其检测结论为:
浆液在注浆深度范围内已基本达到交圈封闭, 浆液分布密度在砂岩段相对较大, 帷幕厚度 4~ 515 m , 泥岩段 315~ 415 m。注浆密实较好的占 75% , 较差的占 25%。图 3 是井深 17318 m 注浆充填分布断面图。
图 3 井深 1731 8 m 段注浆充填分布
1 ) 注浆不均匀区; 2 ) 注浆密实区;3 ) 无浆液充填区; 4 ) 井壁
6.射孔注浆经济效益分析
6.1.1 射孔注浆直接经济效益
直接经济效益共 5 项, 合计 78158 万元, 见表 3。
612 技术及社会效益
姚桥新副井射孔注浆成功, 标志着针对华东地区存在的井壁破坏现象, 将冻结管射孔及注浆两种成熟的技术结合起来是可行的。射孔注浆作为一种新的注浆方法, 它既减少了地面预注液浆设备机具的复杂性, 又减小了工作面注浆的困难及危险性。目前, 山东鲍店、兴隆庄等矿均拟采用该项技术, 这有力地证明了射孔注浆技术有较好的技术及社会效益, 推广前景广阔。
作者简介 郑 军 1 964 年生, 硕士, 工程师。1 985 年毕业于中国矿业大学, 现在煤炭科学研究总院北京建井研究所注浆室工作。其科研成果获部级科技进步二等奖、三等奖各一项, 发表论文多篇。地址: 北京和平里, 邮码 1 0001 3。
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