1、浅析注浆堵水及冻结施工技术在矿井的应用摘要：通过对水文地质复杂类型采煤工作面透水点的原因分析，制定了底板加固注浆堵水方案，实施了底板加固注浆堵水技术以及冻结施工技术，取得了明显效果。 关键词：注浆堵水;冻结施工;井筒;溶洞裂隙发育区 中图分类号：TE42 文献标识码：A 一、概况 某矿井，采面标高段为-205-234m 之间，地面标高+195m，本工作面走向长 730m（不含保护煤柱） ，倾斜长度平均 119m，面积 86870m2。工作面东界为 11 采区轨道下山，西界 11 采区边界煤柱，北邻矿井北部边界，南邻采空区。 井筒冻结深度范围内揭露地层为第四系、三叠系大冶组、二叠系长兴组等。其中
2、第四系(Q),埋深 0m3.4m,为残坡积层,岩性为黄褐色及紫红色粉质粘土;三叠系大冶组(T1d),埋深 3.4m35.2m,岩性为灰白色杂土黄色全风化灰岩;底部夹少量长兴灰岩碎块。二叠系长兴组(P2c),埋深35.20m290.93m,其中顶部(35.20m37.22m)风化强烈,呈浅灰色及灰褐色,钻进过程中冲洗液全漏失;中部岩性以灰色带肉红色灰岩为主,中厚层状,裂隙极为发育,但多被方解石充填,以斜交裂隙为主,多见晶洞,41.3m41.71m 和 52.02m53.42m 见未充填溶洞,钻进过程中冲洗液全漏失,64m65m 裂隙极其发育,90m 以下未见裂隙,岩芯完整,冲洗液无漏失现象,岩粉
3、返浆正常。 在施工冻结孔期间发生抱钻、掉钻,进尺困难,钻头跑偏、漏浆、串浆,岩粉不能返浆,钻孔缩径,塌孔现象。针对上述情况,经多方论证,决定采用注浆堵水、冻结技术施工。 二、粉煤灰及稻壳注浆堵水 （一） 、应用机理 采用当地丰富廉价的稻壳及粉煤灰材料,其化学性能稳定,疏松多孔,吸附性强,与各种成份浆液兼容性好。取粉煤灰稻壳 40kg 用 3mm3mm 网筛全部过筛,观察长度大于 1mm 颗粒占 60%左右,充分湿润后取一半与聚丙烯酰胺 1.5kg,腐植酸钾 0.5kg,火碱 2kg 置 1m3 罐内充分揽拌后,以透明玻璃杯量取一杯,静止 5min 后观察,发现粉煤灰碎屑上浮加下沉量小于 20%
4、,证明粉煤灰稻壳与泥浆的兼容性较好,适合钻孔内堵漏。另取过筛后的粉煤灰 2kg,水玻璃 1kg,水泥 20kg 加水配置好的浆液,揽动观测其凝固时间,30min 后已经难以揽动,已经达到了凝固的强度。说明此浆液输入到孔内在一定时间内可以快速渗透到裂隙及溶洞中,并进行固结。 （二） 、注浆堵水具体措施 下钻到漏浆处,以 1M3 泵量将泥浆注入孔内,此时泥浆消耗量相当大,然后按比例 2(粉煤灰)1(水玻璃)20(水泥)配方配好的浆液注入孔内,随着钻具的转动,消耗量迅速减少,岩屑大量排出。经过近 4h 连续观察其消耗量稳定在 0.09m3Mh 左右,堵漏取得显著效果。自 2010 年 6 月 21
5、日开始之后,每钻进一个冻结孔,在漏浆处均采用此方法,至 2011 年 3 月 20日共完成 29 个冻结孔,2 个测量孔,1 个水文孔,进尺 3400 余米,取得较好的堵漏效果(见图 1)。 图 1 冻结布置 三、冻结施工技术 （一） 、概述 在开凿的立井井筒周围布置密集地面垂直钻孔,埋入钢管,首先通过注浆堵漏,然后在钢管中加入盐水,通过盐水制冷循环,使井筒周围岩层制冷、冻结,形成封闭型保护帷幕(冻结壁交圈),保证岩层稳定,防止水、砂等涌入井筒,确保立井井筒在保护层中顺利施工。 （二） 、冻结技术参数及设备型号 根据风井井筒检验孔水文地质资料,井筒冻结深度确定为 110m,采用单圈孔齐腿冻结布
6、置孔方式。冻结壁平均温度为-5。冻结壁厚度为1.3m,考虑井筒开拓时放炮安全距离,冻结布置圈直径为 9.9m,为了加快冻结,布孔间距为 1.027m 均匀布置,冻结孔数为 29 个(见图 1),冻结孔钻孔偏斜控制在 5,允许内偏差值为 0.2m,最大终孔间距控制在 1.7m 以内。盐水温度控制在-22-28,单孔盐水流量 10m3Mh。冻结壁平均温度控制为-5.5。设 2 个测温孔,其中 1 个布置在冻结壁外侧，深度为 110m,1个布置在冻结壁内侧,深度为 40m。在井筒内布置 1 个水文观测孔,深度65m。水文观测孔冒水时间为 40d,内侧冻土扩至井帮时间为 47d,维护冻结 45d,安装
7、 3 台 YSKF220 型(1 台备用)和 1 台 TSBJ045-1 型氟利昂盐水螺杆冷冻机组进行制冷冻结,总制冷量为 67.72+36=1.71Mj/h,冷冻机组的工况为冷却水温度 28,盐水温度-29。安装 2 台 DBNL3-300 型冷却塔及 2 台 IS200-150-250 冷却水循环泵(其中 1 台备用)用于冻结站冷却水降温。盐水比重为 1.260,冻结壁交圈前单孔盐水流量大于 10m3/h,盐水循环泵选用 2 台 105H-9A 型,其中 1 台备用。 （三） 、冻结施工流程 冻结施工流程:施工准备、灰土盘施工冻结孔钻进、冻结器安装,施工临时建筑、设备基础冻结站制冷系统安装
8、盐水系统安装,保温,检测系统安装制冷机充氟,化(盐)CaCl2,试运转积极冻结、设备保养,监测试挖维护冻结、立井井筒掘砌施工灌浆封孔停止冻结撤场。（四） 、冻结孔钻进及冻结器安装 根据施工基准点,按冻结施工图布置冻结孔、测温孔和水文孔。按设计方位要求固定钻机,找平、找正塔基和钻机,提升器中心对准钻孔位置。钻进过程中要严格按照规范要求测斜,确保钻孔偏斜精度不大于设计规定。在相邻孔施工完成后,根据测斜成果绘出不同水平的偏斜图,再找出大于设计要求的孔间距,进行纠偏,如不能纠偏应补打钻孔,确保冻结孔间距不超过设计规定。钻进到设计钻孔深度后逐节下放冻结管,冻结管下放长度和偏斜合格后进行打压试漏,冻结孔试
9、漏压力控制在 4.0MPa 之内,稳定30min 压力无变化者为试压合格,在冻结管内下放供液管。水文管在含水砂层位置连接滤水管,下好水文管后进行提水试验或压水试验,确保水文管畅通。 （五） 、冻结制冷系统安装 冻结站设在井口附近,冻结站设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵,冷却塔和清水池等,同时设立冻结站专用变电所为冻结施工提供电力。冻结站外管路视现场情况埋入地沟或砌沟槽,集配液圈应低于冻结站的盐水出口管路。盐水管路要避免浸水和高低起伏,回路盐水干管的高处和集配液圈端部要设放空阀。盐水管路经试漏、清洗后用泡沫塑料保温,保温厚度为 100mm,保温层外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冻结管的
10、连接用高压胶管。 图 2 冷冻机组的蒸发器及低温管路保温用软质泡沫塑料。盐水箱、盐水干管用 100mm 厚的聚苯乙烯泡沫板保温。在清水池中融化氯化钙。然后泵入盐水箱中,并开盐水泵不断循环,直至盐水浓度达到设计要求。溶解氯化钙时要除去杂质。进行制冷机的检漏和氮气冲洗,在确保系统无渗漏后,再充氟加油。 （六） 、积极冻结 冻结系统安装完毕后进行设备调试和试运行。在试运行时,注意随时调节压力、温度等各状态参数,使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中,定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况,必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极性冻结。要求 12d 内盐
11、水温度降至-20以下。 （七） 、开挖与维护冻结 当积极冻结时间达到设计要求;水文孔持续稳定冒水不少于 7d,冒水量在设计允许值以内;测温孔温度检测无影响冻结壁安全的异常情况,冻结壁形成满足设计要求;冻结站运转正常,设备无安全隐患;开挖准备就绪,准备好防片帮和灌水等应急措施。满足以上条件后即可开挖。掘进过程中对冻结壁状况进行及时检测、评估,如实测井帮温度达到-1,可将盐水温度适当升高进行维护冻结。 总之，稻壳及粉煤灰材料当地丰富廉价,化学性能稳定,疏松多孔,吸附性强,与泥浆的兼容性较好;稻壳及粉煤灰与水玻璃、水泥按一定比例配置成浆液进行钻孔内堵漏,既降低成本、又低碳环保。溶洞裂隙发育区冻结施工关键在于加强冻结孔施工质量管理,加大制冷量,缩小布孔直径,确保设备在短期内达到最佳运转工况,短期内达到积极冻结温度和制冷量,积极冻结,以及设备保养,控制与监测。丰龙矿井北翼风井复杂灰岩溶洞水文地质条件下注浆堵水及冻结施工技术取得成功,对在同类地层的立井井筒冻结施工,加快矿井建设速度具有借鉴意义。 参考文献 1赵峰.壁后注浆堵水技术在大佛寺煤矿主斜井中的应用A.陕西省煤炭学会.高产高效煤矿建设的地质保障技术陕西省煤炭学会学术年会论文集2009C.陕西省煤炭学会:,2009:7. 2刘会勇,陆风国.浅谈隧道超前注浆堵水施工技术J.华章,2011,23:344.
