利用凍結管射孔地面注漿加固實踐研究

趙文舉

（山西焦煤霍州譚坪煤電有限責任公司工程技術科，山西 霍州 042100）

1 工程概況

譚坪礦新副井全深714.6m，凈直徑為6.8m，井筒采用凍結法施工，凍結管布置情況見圖1所示。工程中凍結管布置數量為36根，18根深孔345m，布置方式為深、淺管間隔布置，圈徑為14m，凍結管孔徑為121mm，沖積層段厚160m，井壁結構為鋼筋混凝土復合井壁，其底部礫石層厚2.65m。基巖強風化裂隙帶深度為175m，風化帶深190m，該風化基巖段即為凍結管射孔注漿加固段。注漿段井壁厚度為1150 mm、1350mm，其中內壁厚650mm，外壁厚500～700mm。混凝土C38井壁承受最大水平側壓力為4.4MPa。

2 射孔彈射孔原理及射孔凍結管的選擇

（1）導爆索起爆后產生的爆轟波通過傳爆孔中心起爆身射孔彈中的炸藥，在爆炸時有聚能效應，聚能裝藥破甲效果非常好。導爆索時產生的金屬射流溫度能達1100℃，30℃錐角紫銅射流頭部速度達7800m/s。根據該情況進行注漿通道的設計，能滿足注漿的需求。

（2）凍結管射孔工藝及射孔引爆系統如圖2所示。射孔彈裝槍密封后，在井口將射孔槍和單芯鎧裝電纜連接好，操作絞車通過井口滑輪下放到預定深度并進行核對確定。起爆儀引爆射孔彈射透凍結管，進入圍巖一定深度，從而完成一次射孔。將槍體提到地面，檢查射孔效果。其注漿工藝流程如圖3所示。

圖2 凍結管射孔工藝及射孔引爆系統示意圖

圖3 注漿工藝流程

根據該煤礦地質及水文資料破凍結管注漿段高為井深170～190m。設計在36個凍結管中，按均勻間隔選取6個深管，管距為7m，但因封口盤梁影響，實際選取4號、10號、16號、22號、34號深管和29號淺管。凍結管規格為Ф133mm×6.3mm，6個凍結管破管方案相同。確定射孔槍型號為：73型和102型；射孔彈型號：YD-89B型；射孔角度：相位為90°；孔密度：10孔/m。

3 注漿加固工藝方案

3.1 注漿材料

本次地面加固注漿工藝材料為水泥單液漿，水灰比為0.6:1～1:l，加入一定量的添加劑增加注漿的強度，實現凝結時間的控制。添加劑加入量，食鹽∶水泥=5‰:1（質量比）；三乙醇胺:水泥=5‰:1（質量比）。在注漿時，遇到特難層段，可以提前注入一定量的水玻璃，然后再進行注漿作業。

3.2 注漿段高劃分與施工順序

根據譚坪礦新副井的施工實況，管孔的段高從上而下分成設計為2m、7m、11m。第一段高（170～172m）：主要是對管外巖土體空隙部分進行充填，一方面起到加固地層的作用，另一方面防止注漿液流到第四系松散層。第二段高（172～179m）：粉砂巖注漿。第三段高（179～190m）：泥巖層注漿。

2m、7m、11m三個段高射孔注漿自上而下逐段進行，在各自的段高內，6個注漿管射孔注漿順序是：每對稱兩孔為一組，共分三組，按組分別進行。在第三段高內，每個管孔射孔注漿完成時，注漿封閉全孔。

4 注漿參數的設計

4.1 注漿壓力

井壁承受側壓力能力為4.4MPa，因此可設計注漿壓力最大值為4.2MPa，孔口最大壓力由下列公式（1）確定：

式中：

p-孔口壓力表讀數，MPa；

γ-水泥單液漿密度；

Δp-水泥單液漿壓力損失，通過施工現場試驗確定，MPa。

已知水泥單液漿的密度1.57，則上式可寫為：p=1.4+Δp。根據安全原則，注漿孔口壓力應保持在3MPa以下。

4.2 漿液擴散半徑

單孔漿液有效擴散半徑為13m。查閱相關資料，根據集團公司相關經驗數據分析，漿液向上、向下擴散分別為3.5m、0.5m，因此確定豎向擴散總高度為4.0m。

4.3 注漿量

注漿量由公式（2）確定：

式中：

V-總注漿量，m3；

A-漿液耗散系數，取1.3；

R-漿液距井筒中心的有效擴散半徑，m；

R1-漿液有擴散半徑，取6m；

Rd-凍結管圈半徑，取7m；

r-井筒掘進半徑，4.4m；

H-注漿段高，20m；

h-上下擴散高度，取4.0m；

β-漿液充填系數，0.95；

n-注漿段平均裂隙率，取2%；

m-漿液結石率，取0.85。

經計算得，V=327.9m3。根據配比，設計總注入水泥量為296t。另外，還要考慮管外充填需一定量水泥。

5 注漿施工步驟方案

注漿施工作業的詳細步驟：（1）掃孔；（2）第一段高破管；（3）第一段高管外充填注漿前的壓水處理；（4）第一段高管外充填注漿；（5）第二段高破管；（6）第二段高注漿前壓水；（7）第二段高注漿；（8）第三段破管；（9）第三段高注漿前壓水；（10）第三段高注漿及封孔。注漿工程量見表1所示。

表1 注漿工程量表

6 工程質量檢測

凍結管射孔地面注漿施工作業后，對注漿工程質量進行檢測。物探檢測原理：震源產生的高頻應力波在注漿后的井壁、圍巖、灰漿帷幕三者間有著明顯波抗差異界面，通過對折射、反射信號的綜合處理，可以判定注漿效果。如圖5灰漿分布斷面圖與縱向剖面圖所示，在168.3～190m的注漿段取168.8m、173.8m、178.8m、183.8m、188.8m五個水平斷面進行實測，同時再在正東、西北、西南實測三條縱向剖面。檢測結果表明：注入灰漿已交圈封閉，砂巖段的漿液分布較大，帷幕厚度4.3～5.2m，泥巖段為3.3～4.4m，注漿密實度較好的達76%，相應數據表明達到了加固底層的預期效果。

圖4 灰漿分布斷面圖與縱向剖面圖

對于凍結井流砂層破壁注漿是嚴格限制采用，但凍結管射孔地面注漿加固技術可以在不穿透井壁的狀態下完成對井筒預定地層的注漿施工作業，成功的解決了凍結井井筒壁后注漿安全問題，同時凍結法鑿井井筒的圍巖注漿作業可以地面化，這種工藝在一定條件下是可以采用的，同時產生了較好的經濟效益。