1、注浆工艺及应用,一、 注浆设备,1）钻机 2）注浆机 3）搅拌机 4）止浆塞,二 注浆工艺,3注浆段高和注浆方式,4注浆孔的钻进,5注浆参数的确定,6. 注浆效果检查,2. 注浆方案设计,1注浆前的水文地质调查,1注浆前的水文地质调查,岩层的含水性、透水性，以及含水层的裂隙、岩溶发育程度等； 含水层的埋藏条件、厚度、位置及其相互联系； 地下水的静水压力、流向、流速、化学成分，不同含水层、不同深度的涌水量及渗透系数； 附近有无溶洞、断层、河流、湖泊及其与含水层的联系。,2注浆方案设计,设计内容一般包括： 确定堵水范围、注浆层段和部位注浆孔、观测孔的数目及布置方式，注浆深度确定，注浆段划分，注浆方
2、式确定，注浆材料选择和配方试验要求，注浆参数确定和检查评价方法，注浆设备选择及注浆站布置，材料消耗量估算，设备和资金概算，劳动组织和工期安排，以及主要安全技术措施和操作规程等。,3注浆段高和注浆方式,注浆段高指一次注浆的长度。注浆工作可分为分段注浆和全段注浆两种. 当注浆深度较大，穿过较多含水层，且裂隙大小不同，在一定的注浆压力下，浆液的流动和扩散在大裂隙内远些，在小裂隙近些。同时，静水压力随含水层埋藏深度增加而增加，在一定的注浆压力下，上部岩层的裂隙进浆多，扩散远，下部岩层的进浆少，扩散近，或几乎不扩散。 因此，为使浆液在各含水层扩散均匀，提高注浆质量，应分段注浆。,根据钻进与注浆的相互关系
3、，分段注浆又分为下行式和上行式注浆两种方式。 下行式注浆是指从地表钻进含水层，钻进一段注一段，反复交替直至终孔。其优点是上段注浆后下段高压注浆时不致跑浆而引起地面破坏，同时上段可得到复注，注浆效果好。其缺点是钻进与注浆交替进行，总钻进工作量大，工期长。 上行式注浆是指钻进一次到终孔，然后使用止浆塞自下而上逐段注浆。其优点是无须反复钻进，可加快注浆速度，缺点是需要性能良好、工作可靠的止浆塞。 在煤矿堵水中，由于裂隙，岩溶发育，一般采用下行注浆。,注浆段高与注浆目的与工程性质有关，不同的工程其注浆段高不同。一般510m，如受注层厚度小于10m，则不分段。,全段注浆是指注浆孔钻进至终深，一次注全段，
4、 优点是不需要反复交替钻进、注浆、减少安装及起拔止浆塞的工作量，从而缩短施工工期。 缺点是由于注浆段高且大，不易保证注浆质量，岩层吸浆量大时要求注浆设备能力大，所以一般只在含水层距地表近且厚度不大，裂隙较发育的岩层中采用全段注浆方式。,4注浆孔的钻进,1）注浆孔深度 2）注浆孔结构 3）注浆孔的钻进 4）注浆孔冲洗,5注浆参数的确定,1）扩散半径 2）注浆压力 3）浆液浓度 4）浆液注入量 5）注浆结束标准 。,1）扩散半径,浆液在岩石裂隙中的扩散范围，称为扩散半径。有效扩散范围内浆液充塞、水化后的结石体能有效地封堵涌水。由于岩石的渗透性和裂隙发育的不均匀，致使浆液的扩散半径极不规则，所以在注
5、浆前应进行试验，以取得布置注浆孔孔距的可靠依据。 浆液的扩散半径随岩层渗透系数、注浆压力、注入时间的增加而增加，随浆液浓度和粘度的增加而减小。在施工中可通过调节浆液浓度、注浆压力和注浆量等参数，取得即能满足工程需要又能降低浆液消耗量的合理扩散半径。,2）注浆压力,影响注浆压力的因素很多，既有地质条件方面的，又有注浆方法与浆液浓度方面的，目前还没有一套完整准确的方法计算注浆压力的大小。比较合理的方法是通过注浆现场试验来确定，也可用下列经验公式计算： P=(2-2.5)P1式中 P 最大允许注浆压力，Mpa；P1注浆段地下水静水压力，Mpa。,3）浆液浓度,采用水泥注浆时，所用的浆液浓度既取决于裂
6、隙的大小，又取决于水泥浆及其附加剂的性质及注浆压力的高低。裂隙越大，采用的浆液越浓。 由于在一个注浆段中含有多种不同宽度的裂隙，所以注浆过程中浆液的浓度有变化，原则是先稀后浓，用不同浓度的浆液分别去适应各种不同宽度的裂隙。,起始浓度通常是按岩层的吸水率q确定的。 吸水率q为单位长度的注浆段在单位压力作用下单位时间的吸水量，可在注浆前通过钻孔压水试验求得。即q =Q / （Hh） 式中 Q单位时间内试验段在恒压下的吸水量，L/（min.m.m）；H压水试验段的水头，m；h压水试验段长度，m。 由上式计算出钻孔吸水率后，再参考下表选择浆液浓度。,（1）起始浓度确定,钻孔吸水率和浆液浓度关系表,注浆
7、开始，首先使用起始浓度，然后由稀逐级加浓。浓度变更的原则为： 采用某一浓度浆液注浆时，注浆压力保持不变，吸浆量随注浆过程的延续而逐渐变小；或吸浆量不变，压力逐渐升高，表明注浆过程正常，不需改变浆液浓度。 采用某一浓度注浆持续了一定时间（一般20min30min）或注入300L-600L浆液之后，注浆压力和吸浆量均无变化，或变化很小时，浆液应加浓一级。 改变浆液浓度后，若压力突然升高或注浆量突然减少，说明浆液浓度不合适，应变回到原来的浓度。 遇冒浆、大裂隙或大溶洞时，可越级加浓浆液，或在浆液中加掺合剂、速凝剂及采取间歇注浆等措施。,（2）浆液浓度的控制,4）浆液注入量,浆液注入量与岩层中孔隙、裂
8、隙或岩溶的发育程度有关，可根据扩散半径及裂隙率进行粗略计算，其公式为式中 Q浆液注入量，m；浆液扩散半径，m；注浆段长度，m；n 裂隙率（一般取n=1%-5%）；浆液在裂隙内的有效充填系数（一般取0.3-0.9，视岩性而定）,5）注浆结束标准,注浆结束标准一般是用最终吸浆量（即浆液注至最后的允许吸浆量）和达到设计压力（即终压）时的持续时间等两个指标来衡量。一般认为，注浆终压达到设计要求，吸浆量小于20L/min60L/min，稳定20min30min，即可认为达到结束标准。,6) 注 浆 效 果 检 查,分析法,分析法是通过对注浆施工中所收集的参数信息进行合理的整合，采取分析、比对等方式，对注
9、浆效果进行定性、定量化评价。分析法具有快速、直接的特点，通过分析法可以较为可靠地进行注浆效果评价。,(1) P-Q-t 曲线法,P-Q-t 曲线法是通过对注浆施工中所记录的注浆压力 P、注浆速度 Q 进行 P-t，Q-t 曲线绘制，根据地质特征、注浆机制、设备性能、注浆参数等对P-Q-t 曲线进行分析，从而对注浆效果进行评判。 对于一般注浆工程，不必采取钻孔取芯，基本上都可以采用 P-Q-t 曲线法对注浆效果进行十分有效的评判。,(2)注浆量分布特征法,注浆量分布特征法分为注浆量分布时间效应法和注浆量分布空间效应法两种。 注浆量分布时间效应法是通过将各注浆孔注浆量按注浆顺序进行排列，绘制注浆量
10、分布时间效应直方图，根据注浆量分布时间效应图，对注浆效果进行宏观评价。注浆量分布空间效应法是通过将各注浆孔注浆量按注浆孔位置绘制注浆量分布空间效应图，根据注浆量分布空间效应图，对注浆效果进行宏观评价。,(3) 涌水量对比法,(4) 浆液填充率反算法 通过统计总注浆量，可采用下式反算出浆液填充率，根据浆液填充率评定注浆效果，即式中：Q为总注浆量(m3)，V 为加固体体积(m3)，n 为地层孔隙率或裂隙度， 为浆液填充率， 为浆液损失率。,检查孔法,检查孔法是针对注浆要求较高的工程所采用的一种方法，该方法也是目前公认的最为可靠的方法。 检查孔法是在注浆结束后，根据注浆量分布特征，以及注浆过程中所揭
11、示的工程地质及水文地质特点，并结合对注浆 P-Q-t 曲线分析，对可能存在的注浆薄弱环节设置检查孔，通过对检查孔观察、取芯、注浆试验、渗透系数测定，从而对注浆效果进行评价。 一般来说，检查孔数量宜为钻孔数量的3%5%，且不少于 3 个。注浆要求越高，检查孔数量应越多。,开挖取样法,开挖取样法是在井巷开挖过程中，通过观察注浆加固效果、对注浆机制进行分析、测试浆液固结体力学指标，从而对注浆效果进行有效评定，同时，开挖取样法也为下一阶段注浆设计与施工提供重要的价值。,变位推测法,变位推测法是通过监测注浆前后，以及施工过程中地下水位变化、地表沉降量变化等，分析评判注浆效果。(1) 水位推测法： 通过监
12、测帷幕注浆圈外水位监测孔的水位变化，分析评判帷幕注浆效果。(2) 变形推测法：通过监测注浆前后，以及施工过程中被保护体的沉降变形，分析评判注浆加固效果。,物探法,黄宏伟利用200 MHz高频探地雷达对盾构隧道壁后注浆效果进行了研究 ，结果显示此种方法既可以满足探测深度的要求，又可以清晰地反映管片及其背后的注浆和土体的情况。 王水强等使用地质雷达法和瑞雷面波法准确找到了需要注浆的位置，并且对注浆后浆液的分布情况进行了检测。 陈军等使用地质雷达法对某基坑维护工程注浆效果进行了检测，对注浆后浆液的影响范围、固结程度进行了分析。 邓凯斌利用地质雷达、超声电视、视频电视和高密度弹性波CT等几种无损检测技
13、术，对两个国家重点水利工程的防渗墙进行了检测。,吴圣林和丁陈建将高密度电法应用于检测采空区注浆效果中，对饱水采空区注浆效果检测非常有效结果显示注浆达到了预期的效果。 胡鹏利用高密度电法对地下高喷注浆工程进行了动态监测研究。,使用地质雷达方法检测注浆效果的居多，电法应用较少。,应用局限于注浆效果的检测中，缺少对注浆过程的跟踪动态监测。,应用高密度电法检测注浆效果时，只使用视电阻率数据进行分析，缺少注浆过程中电位、电流等相关信息的分析。,（一）井筒巷道预注浆 （二）井筒壁后注浆及巷道淋（涌）水的封堵 （三）注浆恢复被淹矿井或采区 （四）注浆帷幕截流 （五）注浆改造薄层灰岩含水层，确保工作面安全 （
14、六）防渗墙堵水技术,注浆堵水技术在煤矿防治水工作中的应用,1井筒预注浆 井筒预注浆分为地面预注浆与工作面预注浆。前者是指在井筒开凿前，从地面施工钻孔，对含水层进行预先注浆；后者是当井筒掘进工作面接近含水层时，预留隔水岩柱（也可以在出水后打止水垫），向含水层施工钻孔，进行预注浆。 井筒工作面预注浆与井筒地面预注浆相比较，优点在于前者钻探工程量少，节省管材，而且可使用轻便钻机。由于钻孔浅，易控制方向；孔径小、孔数多，易与裂隙沟通，浆液易于控制，堵水效果好。缺点是工作面狭小，施工不便，且影响建井工期。地面预注浆的优点是既可在井筒开工前进行，也可与井筒掘进平行作业，不占用建井工期。,（一）井筒巷道预注
15、浆,井筒淋水或巷道淋水都采用壁后注浆，即用风锤打透井（巷）壁，下好注浆管，待其与井壁固定固牢后，接管向壁后压注浆液封水。若井筒、巷道有较大涌水时，宜用水泥、水玻璃双液浆临时止水，待水止住后再延伸注浆钻孔，进入含水层内一定深度，压入单液水泥浆，以保证长期使用中不致再度淋水。 如为个别较大的裂隙通道涌水，应向裂隙深部打钻，进行专门封堵。具体做法是用较深钻孔打透大的裂隙，插入注浆管进行引流疏水，用浅孔封好大裂隙口，并使注浆管固定，然后对引流孔加压注浆封堵。,二）井筒壁后注浆及巷道淋（涌）水的封堵,1) 当矿井或采区被淹后，注浆封闭突水点常是处理这类问题的有效措施。例如，淹没了40多年的山东淄博北大井
16、，通过从地面施工钻孔，注浆封闭了原先的突水点，后排水恢复，使矿井又获得了新生；河南焦作冯营主井，当井筒掘至-120m时发生突然漏水，水量达210m3/h,井筒被淹后用注浆方法封闭了突水点，保证了井筒的顺利施工。,（三）注浆恢复被淹矿井或采区,2) 矿井因突水被淹后，矿井水位与突水源天然水位相当时的注浆，称为静水注浆，如前述淄博北大井和焦作冯营主井的注浆。若突水后矿井局部淹没，突水口处地下水位低于突水水源的天然水位时的注浆，称为动水注浆，如开滦范各庄特大型突水灾害的注堵工程。动水注浆时，为增加水的流动阻力，减缓地下水流速，需先投入骨料（砂、砾石、压缩木或其它特制品），然后注入速凝浆液，使之快速凝
17、固，以避免浆流被高速水流稀释或冲跑，达不到堵水效果。现结合开滦范各庄矿注浆抢险实例加以说明。,对具有充沛补给水源的大水矿区，为减少矿井涌水量，可在矿区主要进水边界或浅部垂直补给带施工一定间距的钻孔排，向孔内注浆，形成连续的隔水帷幕，阻截或减少地下水对矿区的影响，提高露天边坡的稳定性，防止矿井疏降排水引起的地面沉降或岩溶塌陷等环境问题，保护地下水资源。,（四）注浆帷幕截流,从理论上说，注浆帷幕在任何情况下都能采用，但从技术济济原则出发，帷幕线的选定应考虑： 线的走向应与地下水流向垂直，线址应选择在进水口宽度狭小、含水层结构简单、地形平坦的地段； 帷幕线应尽可能设置在含水层埋藏浅、厚度薄、底板隔水
18、层帷幕线两端隔水边界稳定的地段； 帷幕注浆段岩层的裂隙、岩溶发育且连通性好，以保证注浆时具有较好的可灌性和浆液结石后能与围岩结成一整体，帷幕线应选定在矿区开采影响范围或露天开采场最终境界线以外。,注浆帷幕在国外矿山防治水工作中应用较广，我国也在应用，并取得一定效果。 如河南焦作演马庄矿为减少上覆冲积层水对C3灰岩（矿井主要充水岩层）的补给，在浅部冲积层与C3露头相交处进行截流堵水，共施工钻孔84个，孔距30m50m，截流帷幕全长500m，注入黄土20519m3，石子114m3，水泥1103t。帷幕形成后，井下水量减少79%，每年可节省排水费用56万元。,（五）注浆改造薄层灰岩含水层， 确保工作
19、面安全,华北开采下组煤时，受奥陶纪灰岩含水层的威胁。如肥城矿区主要含水层有7层，由于第四系底部有一层隔水性能良好的粘土层，故第四系含水层基本不与基岩含水层发生水力联系，山西组砂岩、太原组一灰、二灰及大部分四灰含水层都可以直接疏干。肥城矿区从20多年的防治水生产实践中得到如下认识：五灰水是直接威胁安全开采九、十煤层的主要含水层，但其厚度仅10m左右，可以直接治理。奥灰水是间接威胁矿井安全的水源层，厚度大，富水性强，难以直接治理。,因此，防治水的原则是：奥灰水以防为主，五灰水以治为主。对五灰水治理的方法是“疏堵结合，综合治理”。具体地说，若五灰富水性较弱，但水压高，采用疏水降压的方法；若五灰富水性
20、强，水压高或底板存在变薄带、构造破碎带、导水裂隙带，疏水降压采煤费用高，经济上不合理，浪费地下水资源时就对五灰进行注浆改造。,注浆改造的目的：变强含水层为弱含水层或隔水层，增加隔水层的厚度；堵截奥灰水补给五灰的垂直通道；堵塞底板的导水裂隙，消除导高，强化底板。 注浆改造的方法是在工作面的轨中巷打注浆孔，然后通过注浆孔向五灰灌注水泥浆或其它浆液。据统计，从1986年到1991年，肥城矿区注浆改造九、十煤层工作面23个，安全采出煤炭152.32万t。此种方法在类似条件的矿区防治水工作中也有应用，具有推广意义。,（六）防渗墙堵水技术,防渗墙是上世纪50年代开始兴起的一种防水技术。它是用特殊的施工机具，沿工程线边挖掘沟槽，边在槽内填入防渗材料，逐渐形成连续的防渗墙。在国外，德国和波兰应用较为广泛；国内主要用于水利水电工程，在矿区防治水工作中应用还不多见。防渗墙堵水技术自上世纪60年代开始用于矿山防水，它主要用于露天矿，我国内蒙平庄元宝山露天矿正计划采用防渗墙技术堵截流向露天采矿场的特大涌水量。,
