微裂隙化学灌浆治理的实践

1微裂隙化学灌浆治理的实践吴宏生、童世杰摘要：介绍复杂的地质环境和工程背景下，在短时间内选择合适的化学浆材，并对现场施工过程实行质量控制，注浆取得圆满成功的实践，为化学注浆技术在微孔隙（裂隙）渗漏治理中的应用积累了的经验，具有广阔的推广应用前景。关键词：微孔隙（裂隙）破壁注浆一、概况皖北煤电集团公司任楼煤矿风井直径5m，安全通道东西走向长17.2m，外宽2.3m，墙厚0.27m。2004年11月发现安全通道有4处断裂并漏水，淋水量达到5m3/h。裂缝的延伸较长，缝宽0.5~2cm，分别位于安全通道北墙距离井壁0.8m处、7m处及安全通道的南墙，距离内井壁1.2m处、7.2m处，在梯子间下部两道风门之间淤积的泥砂厚5cm左右，主要为粉细砂，颗粒细小均匀(见图1)。同时距离风井约10m处地面出现塌陷坑。如果不进行治理，将会继续发生更大规模和范围的非均匀沉降和断裂直接威胁着风井的安全，故对其进行及时的治理，是非常必要的风井邦北邦南板底图1任楼煤矿安全通道断裂及出水、漏砂位置图二、成因分析风井安全出口4个裂缝出水的水量在2m3/h左右，在梯子间下部两道风门之间淤积的泥砂厚5cm左右，所以说明是“一含”的水携带泥砂流进梯子间，导致“一含”水砂流失，形成安全通道断裂、地面出现塌陷漏斗。2三、方案选择针对任楼矿安全通道渗水、漏砂的实际情况，结合国内的类似工程经验，在对比了“地面帷幕注浆”、“通道内破壁注浆”和“通道内破壁注浆+井筒周围进行地面注浆”三个方案后，确定采用“通道内破壁注浆+井筒周围进行地面注浆”的方案并对矸石层进行水泥灌浆治理。（一）设计方案（1）地面矸石层水泥灌浆为减缓地表水雨水对通道及周围土层的冲刷和侵蚀作用，要对通道周围的矸石层进行水泥浆灌浆处理，灌浆范围1.5m，灌浆厚度1.5m。具体布孔方法按照现场实际情况确定（灌浆区域见图2）。混凝土换填区域安全通道风井风道图2地面矸石层灌浆区域示意图（2）安全通道破壁注浆可以针对通道的底板和两个帮布孔注浆，注浆孔布置如图3所示，1#、2#、6#、7#孔水平为钻孔，3#、4#、5#、8#、9#、10#钻孔向底板倾斜20°~30°。共布置注浆孔17个，单孔注浆量2~3吨。注浆压力1MPa，瞬间压力不超过2MPa。注浆孔结构是“孔口管（Φ42×600）+裸孔（Φ28）”。施工顺序先两帮（南、北帮），后底帮。两帮上采用下行式注浆，同水平从西头开始依次按顺序施工。3#################北邦邦南图3破壁注浆注浆孔布置展开示意图（3）井筒周围地面注浆在井筒周围进行地面注浆，通道注浆注浆孔布置（见图5）。井筒周围布置4个注浆孔，南北各2个，距离井筒1000mm。整个注浆采用上行式注浆，钻孔钻到第一层砂土时，继续钻进到第一层砂质粘土开始注浆，每500mm一个注浆小段高，每一个小段高注浆1吨，然后提升注浆管进行下一个注浆段高的注浆。整个注浆段高3.2~5.4m。注浆压力为3MPa，瞬间压力不超过5MPa。####安全通道风井风道图4地面注浆注浆孔布置示意图四、材料选择及配比选择性能优良的注浆材料和有效的注浆工艺是井下微孔隙（裂隙）防渗堵水取得成功的两个关键因素。微孔隙（裂隙）防渗堵水对注浆材料的要求比较严格，要求有良好的可灌性和较高的固结强度。注浆材料一般可分为悬浮液浆材和溶液型浆材。根据注浆的目的、岩土条件、工程性质、施工技术及造价高低等因素来选择适宜的浆材及合适的浆液配比。（一）材料选择国内外常用的注浆材料主要有水泥基浆注浆材料和化学注浆材料。A、水泥基浆注浆材料水泥浆材具有固结体强度高、耐久性好、材料来源丰富、工艺设备简单、成本较低等4优点，所以在各类工程中得以广泛应用。但这种浆液容易离析和沉淀、稳定性较差，而且，因固体颗粒较大，难以注入土层的细小裂隙或孔隙中。B、化学注浆材料化学浆液是一种溶液型介质，与水泥浆液比，具有粘度低、可注性好，能注入岩土层中的细小裂隙或孔隙并形成良好的扩散充填，浆液初凝和固化时间具有较大的调节幅度。其缺点是结石体强度较低、对周围环境和地下水源有一定的污染、价格较贵。因此，以加固为目的的工程一般较少采用化学浆材。化学浆液的工程性能主要由主剂决定，虽然辅助剂、催化剂也有一定的影响，但影响程度不大。根据任楼煤矿风井安全通道断裂段土层以为松散砂层和粘性土。含水岩土层出水在壁后汇集并在断裂处渗出。根据国内类似工程施工经验，采用水泥类悬液型注浆材料（包括水泥、超细水泥或者粉煤灰等）难以在粉细砂层中形成均匀帷幕并达到封水堵漏的预期效果。因此选择了可灌性好的化学浆材作为壁后灌浆堵水的材料，选择水泥作为矸石层灌浆材料。（二）化学注浆材料的配比本次选用脲铵浆液，该浆液由十余种化学材料配制而成。脲醛树脂添加专用高效添加剂和辅助剂为甲液。一定浓度的草酸溶液为乙液。经过实际工程检验，这种化学浆液在物理性能（粘度、胶凝时间、聚合特点等）、强度性能（粘结强度、固砂强度）及高渗透性等方面可以满足固砂防渗的要求。浆液稳定性较好、挥发性低、析水程度小，在煤矿井下可以安全使用。通过试验：（1）初凝时间与甲液、乙液体积之比大体上呈指数关系。随着V甲液/V乙液值的增大，初凝时间变长，且增长幅度变大。（2）草酸的浓度对初凝时间起着重要的作用，草酸的浓度减小，初凝时间变长。（3）初凝时间对甲液、乙液体积之比的变化敏感程度不同。草酸浓度越小，初凝时间5对甲液和乙液体积比的变化越敏感。四、施工情况任楼煤矿风井安全通道渗水、漏砂注浆治理工程，施工过程中根据现场情况的变化对原设计进行了适当修改，增加了注浆孔的数量，减少了单孔注浆量，共完成钻孔注浆孔49个，总共灌注水泥23吨（水灰比1：0.5-1：0.8）；化学浆液55吨（以脲醛树脂重量计算），与乙液（草酸）以10：5左右比例灌注，使用添加剂2.2吨，实际注入化学浆液约85吨，平均单孔注浆量约2.4吨。此次注浆化学浆液已经扩散到第四系浅部砂层、通道断裂裂隙、通道壁后和土层之间的空隙中，治理前两处明显的发生断裂漏水的部位封堵成功，对防止进一步水砂流失造成的不均匀沉陷起到了一定的抑制作用，并且由于化学浆液的柔韧性比较好，可以适应地层的进一步变形。原涌水量为5m3/h左右，注浆后已经经过了几场大暴雨考验，没有明显反渗，取得了满意的效果。五、总结（1）注浆材料和注浆工艺的选择必须和现场的水文地质和工程地质条件相适应。任楼煤矿风井安全通道断裂段土层以为松散砂层和粘性土。含水岩土层出水在壁后汇集并在断裂处渗出。根据以往经验，采用水泥类悬液型注浆材料（包括水泥、超细水泥或者粉煤灰等）难以在粉细砂层中形成均匀帷幕并达到封水堵漏的预期效果。因此选择了可灌性好的化学浆材作为壁后灌浆堵水的材料。选择水泥作为矸石层灌浆材料。（2）在广泛调研和收集国内外研究成果基础上，本次选择注浆材料以脲醛树脂添加专用添加剂为甲液，一定浓度的草酸溶液为乙液。通过数据分析和整理，确定了本次化学注浆的浆液配比，通过实际材料的性能达到标的技术要求。（3）探讨选择了注浆技术方案，对注浆参数和工艺进行了设计，采用多打孔少注浆、间歇式注浆的方法，减少了扩散半径、总浆液量，从而降低了成本。6（4）经过综合评判，此次注浆化学浆液已经扩散到第四系浅部砂层、通道断裂裂隙、通道壁后和土层之间的空隙中，治理前两处明显的发生断裂漏水的部位封堵成功，注浆后已经经过了几场大暴雨考验，没有明显反渗，取得了满意的效果。（5）本项目在较为复杂的地质环境和工程背景下，在短时间内选择了合适的化学浆材，并对现场施工过程控制，注浆治理取得圆满成功，为化学注浆技术在微孔隙（裂隙）渗漏治理中的应用积累了的经验，具有广阔的推广应用前景。作者简介：吴宏生（1973-），男，助理工程师，1995年毕业于山西大同煤炭工业学校，现在任楼煤矿地测科从事技术工作。