1、李家坝煤矿回风斜井井筒过垂深 17m 厚流砂层施工方案及施工方法总结摘 要：李家坝回风斜井工程流砂层垂直厚度 17.3m，斜长44m，注浆前砂层涌水为 31m?/h。施工中采用无颗粒化学注浆材料脲醛树脂能有效控制注浆量和注浆压力，保证注浆帷幕厚度和注浆帷幕整体强度，顺利通过流砂层。斜井过流砂层注化学浆技术工艺简单，效果明显，解决了斜井过流砂层施工困难的难题，为类似条件的流砂层施工提供了宝贵经验。并且在宁夏地区、内蒙地区基建矿井过流砂层施工方面得到了广泛应用，具有推广价值。关键词： 斜井 厚流砂层 超前管棚注浆 脲醛树脂化学浆液will: lijiaba return air slope eng
2、ineering sand layer thickness of vertical flow 17.3 m, the length 44 m, grouting sand layer before water gushing for 31 m 3 / h. used in construction without pellet chemical grouting material of urea-formaldehyde resin can effectively control the grouting quantity and grouting pressure, guarantee th
3、e curtain grouting curtain grouting thickness and overall strength, smoothly through the flow of sand layer. tilt the flow of sand layer note chemical pulp technology simple process, the effect is obvious, solve the slope the flow of sand layer construction difficult problem for similar conditions o
4、f the flow of sand layer construction to provide the precious experience. and in ningxia area, inner mongolia region infrastructure mine the flow of sand layer construction has been widely application has application value.1 工程概况宁夏李家坝煤矿位于宁夏回族自治区银川市东南约 120 km 处，行政区划属盐池县管辖，设计生产能力为 90 万吨/年。矿井采用斜井开拓方式，布
5、置主、副、风三条斜井，主、副斜井坡度 20，回风斜井古近系段坡度 24。李家坝煤矿的回风斜井穿越第四系表土层、古近系地层和侏罗系延安组地层等。其中第四系主要为风积砂；古近系地层主要由浅红色呈半固结状态细砂、粘土组成；侏罗系延安组地层主要由各粒级砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成，煤岩层的力学性能极软弱。且穿越地层存在三个主要含水层组，即第四系、古近系及基岩风化带孔隙裂隙含水层组（i） 、侏罗系中统延安组 12 煤以上砂岩裂隙孔隙承压含水层组（iii）及侏罗系中统延安组 1218煤砂岩裂隙孔隙承压含水层组（iv） ，特别是古近系地层主要是粘土与砂层互层组成，而砂层若含水则极易形成流砂层。在井筒掘进过程
6、中若处理不当将使斜井井筒围岩难于控制，极易出现冒顶、涌水、冒砂等严重事故。因此，我们根据回风斜井井筒穿越地层的工程地质与水文条件，提出合理的斜井井筒穿越厚流砂层的成套施工技术方案，以实现斜井井筒施工高效、经济与安全的需要，并保证斜井井筒支护结构的长期稳定，取得了良好的经济效益。2 流砂层的特性及流砂层注浆加固机理2.1 地下水的作用（1）地下水的浮托作用地下水对水位以下的岩土体有静水压力的作用，并产生浮托力。这种浮托力比较明确地可以按阿基米得原理确定，即当岩土体的节理裂隙或孔隙中的水与岩土体外界的地下水相通，其浮托力应为岩土体的岩石体积部分或土颗粒体积部分的浮力。（2）地下水的潜蚀作用潜蚀作用
7、通常产生于细砂岩、粉砂岩、粉细砂岩及粉土地层中，即在施工降水等活动过程中产生水头压差，在动水压力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，使土体结构产生破坏。2. 2 流砂现象及形成条件流砂现象通常在细砂岩、粉砂岩、粉细砂岩及粉土地层中产生，即土被水饱和后产生流动的现象。易产生流砂的条件如下：（1）水力坡降大于临界水力坡降时，即动水压力超过土粒重量时易产生流砂；（2）细砂岩、粉砂岩、粉细砂岩及粉土的孔隙度愈大，愈易形成流砂；（3）细砂岩、粉砂岩、粉细砂岩及粉土的渗透系数愈小，排水性能愈差时，愈易形成流砂。2. 3 流砂层的特性流沙的最大特点是在一定压力条件下具有自流动性。因此，在开凿矿井井筒时，若
8、遇到流沙，流沙就会向开凿空间流动从而淹满开凿的空间。对于表土段特厚的冲积层，大量流沙涌入开凿的井筒空间，还容易引起地表大面积塌陷，甚至波及到地面建筑。流沙中含的粘土与水愈多，其颗粒质愈小，其中水的压力也愈大，这种流沙流动性愈强。流沙冲入开凿的井筒空间的根源在于水，流沙层中含水量愈大，压力愈高，则流沙溃决的危险愈大。如果能成功地将流沙层中的含水量降低到 15%或更低，同时又降低流沙层的压力，这时流沙就变成了普通湿沙子，也就具有了一定的自稳性。2.4 流砂层注浆加固技术机理注浆是指将具有填充胶结性能的材料配成浆液，以泵压力为动力源，用注浆设备通过注浆管将其注入到地层，浆液以渗透、充填、劈裂和挤密等
9、方式扩散，赶走土颗粒间或岩体裂隙中的水分和空气后占据其位置，由于浆液的凝结、硬化，将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大、防水抗渗性能高和化学稳定性良好的“结石体” ，达到对地层加固或堵水的目的，改善受注地层的水文地质和工程地质条件。在流砂层中进行注浆施工主要有两种方法，即通过高压喷射注浆技术或静压注浆技术，以期形成止水防砂注浆帷幕结构，在注浆帷幕的保护下，进行斜井井筒的掘进与支护，确保施工安全。3 回风斜井井筒过厚流砂层超前管棚注化学浆加固技术方案对回风斜井井筒过垂深 17m 的厚含水流砂层，采用超前管棚注化学浆浆加固技术方案。超前管棚注浆加固技术方案是在斜井井筒开挖前
10、，先在斜井井筒开挖面与一定范围内的井筒周边围岩做混凝土止浆墙，然后沿斜井井筒轮廓线向前方流砂层内打入带孔管棚，并通过管棚向流砂层内注入起充填胶结作用的脲醛树脂化学浆液，待浆液扩散、凝结、硬化后，减少流砂层孔隙率，增加流砂层的密实度，使浆液在流砂层中起骨架作用并使浆液与土体凝结成一个壳体，即在斜井井筒周边形成一定厚度的注浆加固帷幕，减小流砂层的渗透性，提高了流砂层的物理强度，达到流砂层加固和堵水的目的，起着止水防砂及承受地层荷载的作用。超前管棚注浆加固机理分析：主要是钢管与浆液固结体共同作用的结果，一方面进行钻孔并在孔内安设钢管，当钢管穿过流砂层后，伸入到粘土层部位时，有力地保障了开挖工作面流砂
11、层的稳定，起到骨架、格栅作用；另一方面通过注浆使浆液从钢花管孔中溢出，并在一定的注浆压力作用下注入到钢管周围流砂层中，从而形成复合稳定的固结体，最终形成管棚注浆加固帷幕，使周围流砂层的力学性质得到改变，稳定性能得到加强，可以防止流砂层塌落和地表下沉，保证斜井井筒工作面的稳定与安全。3.1 回风斜井超前管棚注浆加固技术设计方案回风斜井井筒设计开挖荒断面宽高为 5600 mm5500 mm，在回风斜井井筒过流砂层段超前管棚注浆加固分为三段施工，每段布置 1 排超前管棚共 32 个，三段共布置 75 个；管棚注浆管拱顶间距 0.5 m，帮部间距 0.6 m；管棚长度为 24.0 m，直径为 45 m
12、m，外插角为 2，钻孔直径为 60 mm，管棚布置断面图及布置详图如图 3-13-3 所示。3.2 超前管棚注浆加固技术设计参数（1）布孔在回风斜井井筒过流砂层段紧靠开挖荒断面轮廓线布置 1 排超前管棚共 32 个，拱顶间距 0.5 m，帮部及底板间距 0.6 m；对管棚进行标号为 132 号，如图 3-4 所示。图 3-4 回风斜井静压注浆孔布置标号（2）管棚参数的选取管棚的直径：选取管棚直径为 45 mm。管棚的长度：管棚长度是根据斜井井筒过流砂层斜长、深入下部稳定岩层斜长 1.5 m，选取管棚长度为 24.0 m管棚的外插角：选取管棚的外插角为 2。管棚的间距：拱顶管棚间距为 0.5 m
13、，帮部及底板管棚间距0.6 m。搭接长度：每段超前管棚之间搭接长度 5m。（3）注浆材料针对流砂层特殊地层条件，本方案采用脲醛树脂类浆液，加浓度为 2 %的草酸溶液作为固化剂，脲醛树脂溶液和草酸溶液配比为（体积比） 。（4）注浆压力综合以水压为依据的经验公式及以地层压力为计算根据等两种因素，确定注浆压力应为 0.51.0 mpa；注浆终压为 2.02.5 mpa。（5）注浆量在计算注浆量时应考虑注浆类型、岩土体的孔隙率和裂隙度、浆液充填情况等等，渗透注浆的好坏取决于渗透半径内岩土体的孔隙充填程度，充填率越高，注浆效果越好。综合工程类比、理论计算，确定单孔注浆量为 4.0 t。4 施工工艺超前管
14、棚施工时分为三段依次进行，施工时保证前后两段管棚搭接长度为 5m。（1）管棚的加工制作管棚管身设若干溢浆孔，孔径为 8 mm；孔距为 0.5 m，按梅花形排列；前端 0.2 m 范围不设溢浆孔，并加工成尖锥形并予以封焊严实；后端 1.0 m 范围不设溢浆孔，管棚加工示意图如图 4-5所示；并要求管身顺直；为防止溢浆孔堵塞，并在开口孔眼外包一圈橡皮环。（2）管棚施工工艺 止浆墙。在流砂层地段打超前管棚前首先做止浆墙，浇筑止浆墙时预埋直径 108mm 孔口管，孔口管位置及角度按照超前管棚位置角度埋设，防止流砂及浆液返流到斜井井筒内。在斜井井筒开挖揭露流砂层处向井筒掘进荒断面四周扩挖 0.3 m，采
15、用 c30 混凝土浇筑厚度为 1500 mm 的止浆墙。止浆墙如图 4-6 所示。（1）止浆墙横断面（2）止浆墙剖断面图 4-6 止浆墙结构示意图钻孔:搭设钻机平台，钻机平台用木枕搭设，并一次性搭好；平台支撑要着实地，连接要牢固、稳定，防止在施钻孔时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等，影响钻孔质量；移动钻机到钻孔部位，调节钻机高度，要求钻机与已设定好的孔口管方向一致，精确核定钻机位置，确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合，在钻杆方向和角度满足设计要求后方可开钻。钻孔开始时选用低档，待钻到 1.0 m 左右时，具体来说，首先架设方向架，确定打孔方向、位置，管棚的外插角为 2；针对流砂层特殊地层条件，
16、采用导轨式凿岩机钻进成孔；若在钻进过程中出现塌孔，此时要停止钻进将钻机退出，往钻孔内注水泥浆液，待浆液凝结固化后重新进行钻孔，保证钻孔钻至设计深度。钻孔顺序为先钻拱顶超前管棚孔，然后按左右对称施工钻帮部超前管棚孔，最后施工底板超前管棚孔。插管。安设管棚时应对准管孔的方向和角度，使用液压推进器将导管推入，下管前，要预先按设计对每个钻孔的管棚进行配管和编号；下管要及时、快速，以保证在钻孔稳定时将管棚送到孔底，每钻完一孔便顶进一根管棚。管棚每节之间采用丝扣连接，相邻两节之间节头要错开，其错接长度不小于 1.0 m；管棚与导向管之间用砂浆堵塞密实。注浆。采用 hgb 化学注浆计量泵进行注浆作业。为确保
17、注浆质量、防止串浆，在施工过程中采取钻一孔注一孔的施工方法。注浆顺序为先注拱顶超前管棚（按左右对称施工） ，然后注帮部超前管棚，最后再注底板超前管棚，按从上向下、先两边后中间对称施工顺序进行施工。注浆结束控制标准：一是定压控制法，岩土体注浆加固，一方面靠注进岩土体的浆液起作用，另一方面靠浆体对岩土体的挤压作用使得岩土体的力学指标提高，反过来岩土体的密实度增加又使浆体的强度充分发挥，形成共同承载体。因此，注浆终压对加固效果起主要作用，设计注浆终压为 2.02.5 mpa；二是浆液总量控制法，当注浆扩散半径确定后，注浆总量就确定了。在地层均匀无空洞的条件下，调整注浆压力，使得总注浆量达到设计值，设
18、计单孔注浆量为 4 t。斜井井筒开挖在超前管棚注浆完成后，在靠近底板位置施工一注浆检查孔，检查钻孔的出水量及沙层固化效果，如检查钻孔无水并钻孔成孔效果好，即可进行斜井井筒的掘进与支护。在斜井井筒开挖时为保证及时架设 u29 型钢支护和防止全断面开挖造成流砂层从井筒底板向上流动（即保证斜井井筒与底板的稳定） ，在斜井井筒开挖时，先挖拱顶及帮部处的土体而留出底板核心土不开挖（如图 7-7所示） ，及时架设拱顶和帮部的 u29 型钢支护并挂网喷射混凝土；然后将底板核心土挖掉，铺设底板 u29 型钢支架，并与帮部 u29型钢支架连接，最后挂网喷射混凝土形成全断面封闭结构。（3）管棚施工工艺流程图5 结
19、语李家坝回风斜井工程流砂层垂直厚度 17.3m，斜长 44m，注浆前砂层涌水为 31m?/h。回风斜井井筒过流砂层 3 个段高：累计钻孔深度 2394m，超前管棚打钻注浆累计施工 34 天（不包含掘进施工时间，3 段超前管棚注浆掘进累计施工 27 天） ，累计使用脲醛树脂溶液和草酸溶液总计 363t。根据实际掘进过程中揭露砂层来看，整个流砂层涌水量小于 1m?/h，流砂层固化效果好整体强度高。顺利通过回风斜井井筒 17.3m 厚度流砂层。通过对李家坝回风斜井过 17.3m 厚流砂层超前管棚注浆封水加固来看，施工方案是科学的，各项技术参数是准确的，实行的技术措施经实践证明是安全可靠的。1) 实践
20、证明；斜井通过含水流砂层时，采用无颗粒化学注浆材料脲醛树脂可有效控制注浆量和注浆压力，能保证注浆帷幕厚度和注浆帷幕整体强度，顺利通过流砂层。2) 斜井掘进在通过含水流砂层时，当普通水泥浆难以注入时，超细水泥也难以注入，此时应直接采用脲醛树脂进行化学注浆，不再使用超细水泥以减少钻进量，缩短注浆时间。3) 斜井过流砂层注化学浆技术工艺简单，效果明显，解决了斜井过流砂层施工困难的难题，为类似条件的流砂层施工提供了宝贵经验。并且在宁夏地区、内蒙地区基建矿井过流砂层施工方面得到了广泛应用，具有推广价值。作者简介：陈立新（1983-） ，男 安徽宿州人，矿建工程师，安徽理工大学毕业，历任中煤 71 处项目部技术负责人，项目部经理，长期从事煤矿建井工作。
