陷落柱治理初步方案

山西柳林金家庄煤业有限公司岩溶陷落柱成因与注浆治理设计（初步方案）说明书天地科技股份有限公司开采设计事业部（煤炭科学研究总院开采研究分院）二○一七年三月2一、研究目的（1）明确矿区岩溶陷落柱成因及柱体周围构造发育特征；（2）探明岩溶陷落柱奥灰与太灰水力联系；（3）设计岩溶陷落柱注浆高效治理方案。二、研究内容（1）岩溶陷落柱成因分析（2）陷落柱围岩裂隙发育特征分析与工程特征（3）奥灰与太灰水力联系试验与分析（陷落柱突水水源分析）（4）岩溶陷落柱注浆治理方案设计（5）井上下水文动态监测系统三、实施方案（1）陷落柱成因分析分析明确陷落柱岩溶洞腔发育层位，陷落柱展布范围，分析陷落柱成因。（2）岩溶陷落柱围岩裂隙发育特征及其工程特征①岩溶陷落柱洞腔围岩构造及裂隙发育特征②陷落柱孔洞、裂隙的工程特征及其对注浆加固的影响（3）奥灰与太灰水力联系试验与分析为了有效治理岩溶陷落柱，需首先查明陷落柱突水水源，是治理陷落柱突水的基础。目前，矿方提供的含水层水质等水化学常规测试成果不能判明陷落柱水源层。方法：①地下水中的天然元素（化学成分及同位素成分）。3②人工投放示踪剂（化学和同位素示踪剂）工作内容：①太灰及奥灰水化学标型元素测试（常规含水层及陷落柱水背景值测试）。该项测试包括水质常规元素测试，如Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-，K+合并于Na+）、PH和TDS（总溶解固体）等指标；还有稀有元素钡、钴、铬、铜、钒、钪、锰、铷、钼、铀离子（取其中几种）以及δD和δ18O关系、NOM测试等手段进行水源判别。②4煤底板太原组薄层灰岩分层示踪试验测试，测试陷落柱与太灰连通性。③9煤顶板陷落柱发育层位钻探探测，探明陷落柱塌陷层位。（4）陷落柱注浆治理方案设计①钻孔位置A.首先建造底板“止水塞”，防范富水性较强的奥灰承压水通过陷落柱进入掘采空间；底板注浆加固宜采用“下行探测，分段注浆”的原则，保证止水塞厚度30m左右；B.陷落柱围岩裂隙注浆加固，防止在水压作用下出现裂隙扩大，出现底板涌突水；C.建造顶板“止水塞”，切断掘进巷道与顶板灰岩水力联系，消除主要涌水水源，保证掘进速度。②钻孔类型主要分为陷落柱边界控制探查孔、注浆孔、机动孔和注浆效果检查孔。施工顺序为探查孔、注浆孔、检查孔。4③钻孔结构、孔深、终孔层位、固管方案、总工程量设计④注浆材料A.水泥采用32.5#普通硅酸盐水泥，其质量应符合国家GB175-92标准，不得使用受潮结块的水泥或过期的水泥。若要加快进度可使用中国建筑材料研究院研发的高强型双快水泥。B.造浆用水水质须满足国家混凝土拌合用水质量标准，其SO4-2含量应1%，PH应4。C.根据注浆需要可采用C-S浆（水泥-水玻璃双液浆），水玻璃模数宜为2.4～3.0，浓度宜为30～45波美度，在施工现场进行浆液配比试验，确定不同配比的每方浆液中各种材料的掺入量及其浆液比重、凝胶时间（初、终凝时间）等性能指标。D.水泥单液浆中可加入0.03-0.05%三乙醇胺和0.3-0.5%食盐作为早强剂。E.砂为当地产中细沙，粒径不宜大于2mm。⑤浆液配比单液浆水灰质量比：2:1、1.5:1、1.25:1、1:1、0.8:1，初始注浆浓度根据钻孔吸水量确定，实际注浆时压力上升、吸浆量减少,逐级调低浆液浓度，吸浆量大、不升压、跑浆则应逐级调高浆液浓度。⑥注浆压力5一般取水压的2.5倍。⑦造浆系统与制浆(1)要求建立集中造浆站，日制浆能力不小于400m3。(2)用清水泵向高位水池（容积不小于30m3）供水，从高位水池安装输水管路接至注浆站一次搅拌池、水玻璃配制池，采用阀门装表计量供水。浆站一次搅拌池、水玻璃配制池，采用阀门装表计量供水。(3)造浆站内应修筑一个水玻璃原浆池、一个水玻璃配制池（稀释池），有效容积30m3、20m3。(4)水泥立式储灰仓，螺旋给进，定量供料，安装两台，每台储灰100t，共存储量200t。(5)搅拌机的转速和拌和能力应分别与所搅拌浆液类型和注浆泵的排浆量相适应，并应能保证均匀、连续地拌制浆液。要求安装两台一次搅拌机、两台二次搅拌机，一次搅拌机有效容积不小于1.5m3。(6)注浆泵性能应与浆液类型、浓度相适应，容许工作压力应大于最大灌浆压力的1.5倍，并应有足够的排浆量和稳定的工作性能。本工程要求采用可换挡的变量泵，以便调节泵量，额定最大压力6-8MPa，最大排量200-250l/min，最6小排量50-90l/min。要求至少安装两台注浆泵、一台水玻璃泵，另外，备用一台注浆泵。(7)集中制浆站的制浆能力应满足灌浆高峰期所有机组用浆需要。制浆站应配备除尘设备，当浆液需掺入掺合料或加入外加剂时，应增设相应的设备。(8)所有灌浆设备应注意维护保养，保证其正常工作状态，并应有备用量。(9)工地安装两趟Ф50输浆管路（水泥浆、水玻璃各一趟），应保证浆液流动畅通，并应能承受1.5倍的最大灌浆压力。(10)灌浆泵和灌浆孔口处均应安设压力表。使用压力宜在压力表最大标值的1/4～3/4之间。压力表应经常进行检定，不合格的和已损坏的压力表严禁使用。应采用带有隔浆装置的抗震压力表。(11)应配备孔口封闭器或专用高压灌浆塞混合器。要求在混合器的水泥与水玻璃入口处安设逆止阀，防止孔内浆液回流或拆卸管路时喷浆伤人。(12)制浆材料必须称量，称量误差应小于5%。袋装水泥可按袋计量，散装水泥等固相材料宜采用重量称量法。7(13)注浆站应配有波美度计、比重称、量筒等常用仪器，以便配制水玻璃、测定浆液比重、精确称量添加剂的掺入量。(14)无论是射流、风动还是机械搅拌系统，均应采用两次搅拌。一次搅拌的浆液经筛网过滤后，方可放入二次搅拌池。注浆期间，二次搅拌机应保持持续运转，保证浆液均匀、不沉淀。(15)纯水泥浆液的搅拌时间，使用普通搅拌机时，应不少于3min；使用高速搅拌机时，宜不少于30s。浆液在使用前应过筛，自制备至用完的时间宜小于4h。(16)寒冷季节施工应做好机房和灌浆管路的防寒保暖工作。炎热季节施工应采取防热和防晒措施。浆液温度应保持在5～40℃之间。若用热水制浆，水温不得超过40℃。⑧注浆工艺流程A.水泥单液浆：适用于裂隙、小型岩溶及孔隙型受注层段，特别是在注浆堵水后期钻孔升压后，为注浆改造含水层、加固1煤底板隔水层，巩固前期注浆效果，主要以水泥单液浆为主。其工艺流程如下：水水泥一次搅拌二次搅拌注浆孔注浆泵三乙醇胺食盐8B.C-S双液浆：随着水玻璃掺入量的不同，C-S液浆的凝胶时间可控制在几秒-几十分钟之间。一旦形成凝胶状态，浆液就失去了自流性，须在外力作用下才能流动，且不易被水冲散，从而达到快速封堵裂隙通道之目的。一般情况下，当受注层段的单位吸水量q值大于0.5l/min.m.m，水泥单液浆跑浆严重难以奏效时，可考虑采用C-S双液浆。其工艺流程如下：C.注砂：当受注层段单位吸水率q值大于1/min.m.m，且发育有大裂隙或溶洞时，可考虑注砂。为防止堵孔，砂粒直径不得大于2mm，每次注入量不得超过3m3，可采用水或稀浆携砂灌注。每次注砂结束后要采用钻具进行透孔，以防堵孔。⑨注浆施工A.每次注浆前，均要进行压水。主要目的是疏通注浆管路及孔内岩石裂隙、测定单位受注层段吸水率。压水试验成果以吸水率q表示。q=Q/P•L式中q——透水率，l/min.m.m；水水泥一次搅拌二次搅拌注浆孔泥浆泵水玻璃池水玻璃泵9Q——压入流量，l/min；P——作用于试段内的全压力，m；L——试段长度，m。B.根据压水试验结果，确定浆液类型及其浓度。一般来讲，须先用稀浆进行试注，了解该孔吃浆量大小；同时，井下观察是否跑浆及跑浆时间或其他异常情况，观测临孔是否串浆，奥灰、太灰孔水位变化等情况。根据以上情况分析，再决定调整浆液浓度。C.每次注浆结束后，均要向孔内压水，压水量为管路与孔内体积之和的两倍，之后及时下钻具扫孔至孔底。D.要对压水试验及注浆过程进行详细记录。按照注浆班报记录表的格式如实测定并记录每罐浆液的比重、泵量、泵压、孔口压力等参数；及时汇总注浆量资料、注浆前后压水试验资料，绘制太灰水位、奥灰水位、井下涌水量及注浆量历史曲线，分析注浆效果。为下一步施工提供依据。⑩现场组织施工设计（5）井上下水文动态观测系统该项为保障措施，特别是井下施工钻孔并安装水文动态观测系统。