3、水下浇注混凝土止浆垫 当工作面凿穿含水层亚博足彩APP下载网址

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  第二章: 浆法施工_建筑/土木_工程科技_专业资料。第二章: 注浆法施工 §1、概述 注浆技术是矿山建设中凿井、治水的主要方法之一,也是地下工程中地层改良的重 要手段。注浆法是将浆液注入刀岩土的空隙,裂隙或空洞中,浆液经扩散,凝固,硬化 以减少

  第二章: 注浆法施工 §1、概述 注浆技术是矿山建设中凿井、治水的主要方法之一,也是地下工程中地层改良的重 要手段。注浆法是将浆液注入刀岩土的空隙,裂隙或空洞中,浆液经扩散,凝固,硬化 以减少岩土的渗透性,增加其强度和稳定性,达到岩土加固和堵水的目的。 注浆法永久改变了岩土的性质,岩土强度提高,稳定性增强,而冻结法中的冻结壁 是临时改变岩土的性质,冻结解冻后岩土又恢复到原来的性能。 一、注浆分类 分类方法很多,可按注浆时间,浆液注入形态,将浆液材料类型,主将目的等进行 分类,矿山注浆通常按注浆工作与矿山掘砌工序的先后时间次序分类: 预注浆、后注浆 地面预注浆 改变围岩性质进行 预注浆 工作面预注浆 加固 注浆法 (施工地点不同) 后注浆 壁后注浆 治水措施 (注浆位置不同) 壁内注浆 (封水与加固) 二、注浆法在矿山中的应用 1、国外:1882 年南非首次应用工作面预注浆开凿井筒 1885 年德国又成功地采用地面预注浆开凿井筒 1925 年荷兰采用水玻璃浆液注浆,开始了化学注浆的历史。 注浆法在英、法、南非、美、加拿大、德国及苏联应用广泛。60~70 年代,英国有 80%煤矿井筒采用注浆技术,注深达 1657m,南非注浆深度达 1700m 多,苏联 78 年用 注浆法凿井占煤矿用特殊施工总进尺的 75%。 2、亚博足彩APP下载网址国内:我国 50 年代初期开始成功应用注浆法,60 年代开始应用水泥—水玻璃浆 液及其它化学浆液。 55 年代新汶张庄矿主井首次采用工作面注浆,58 年峰峰薛村矿主井副井采用地面 预注浆。 目前,注浆技术在矿山中应用及其广泛,注浆深度已达 900m,注浆技术即可用于 井筒工程,为了减少井筒涌水,加快凿井速度,对所有含水层进行预注浆施工,也可对 破碎地层,高应力大地压地层进行堵水加固,可以说,对所有地下工程都可采用注浆技 术。 §2、注浆材料 正确选择注浆材料是实现岩土改良、完成注浆工程的关键,因为它直接影响注浆工 艺过程,注浆效果及注浆工程的成本和工期。 一、注浆材料分类 1、对理想注浆材料的要求 ①粘度低,流动性好,可注性好。 ②具有可调节控制的凝固时间 ③结石率高,强度大,抗渗透性好。 ④稳定性好 ⑤价格低,来源丰富,不污染环境,对人体无害。 2、注浆材料分类: 单液水泥浆 水泥水玻璃双浆液 水泥浆液 无机类 水泥粘土浆 水玻璃类 丙烯酰胺类 有机类 铬木素类 化学浆液 聚氨脂类 脲醛树脂类 二、注浆材料的主要性能 粘度、渗透能力、凝固时间,渗透系数、抗压强度 1、粘度 浆液流动时,液体分子间相互作用而产生阻碍运动的内摩擦力,粘度大小影响浆液 扩散半径、注浆压力和浆液流量等。 ↑ R↓ ρ↑ Q↓ 要求:浆液粘度具有可调节性,通常有两种类型: 曲线s 常用浆液粘度: 水泥-水玻璃 15~140s 水玻璃类 (3~4)×10-3Pa·s 化学类 (1.2~几百)×10-3Pa·s 2、渗透性——注入岩层的难易程度的指标,通常用浆液可能注入砂层的最大粒径 来表示,mm。 单液水泥浆 1.1 mm 水泥——水玻璃 1.0 mm 化学类 0.01~0.1 mm 3、凝胶时间——参加反应的全部成分,从混合时起,直到凝胶发生,浆液不再流 动为止的一段时间。h .min 要求:能随意调节,并能准确控制。 单液水泥浆 6~15 h 水泥水玻璃 十几秒~几十分钟 化学类 瞬间~几十分钟 4、渗透系数——浆液固化后,结石体抗渗性强 弱的 指标,cm/s 单液水泥浆 10-1~10-3 cm/s 水泥水玻璃 10-2~10-3 cm/s 化学类 10-2~10-6 cm/s 5、抗压强度——浆液固化后,结石体的极限抗压强度,Mpa 单液水泥浆 10~25 Mpa 水泥水玻璃 5~20 Mpa 化学类 0.4~10 Mpa 三、几种主要浆液 1、单液水泥浆——以水泥为主要成分,添加一定量外加剂,用水调制而成,用单 液方式注入的浆液。 水泥——普通硅酸盐水泥,矿渣硅酸盐水泥,32.5 级、42.5 级 成分 水玻璃(Na2O·nSi2O)——可缩短浆液凝胶时间, 加入量 3%~4.5%。 外加剂 氯化钙(CaCl2)——加入量 5%。 减水剂——1~2%,减少水灰比,使浆液变稀。 硅粉 (SiO2)——颗粒细(水泥的 1/100),对水泥有活化 作用,和增强作用,可增加结石体密度, 抗渗性好,3~4%。 粉煤灰,煤渣,矸石粉——充填作用。 水灰比 0.5~2.0 常用 0.6~1.0 特点:结石体强度高,25Mpa,工艺简单,但结石率低 75%,凝固时间长 6~15h, 且难以控制。 2、水泥——水玻璃双液浆(CS 浆液) ——以水泥,水玻璃为主要成分,外加 Ca(OH)2、Na2HPO4 等外加剂配置而成。 ①特点——克服了水泥浆液凝固时间长,且凝固施工不易控制、结石率低等缺点, 又具备了水泥浆液强度高等优点,工艺相对复杂。 ②水泥——普通硅酸盐水泥,32.5 级、42.5 级,水灰比 0.5~2.0 ③水玻璃(Na2O·nSi2O)——泡化碱,常用模数与浓度表示水玻璃的参数模数 M =/Na2O,二氧化碳遇氧化钠的物质量之比。 模数大小对注浆影响较大,M 小,SiO2 含量低,凝胶物,且结石体强度低,注浆要 求模数 M=2.4~3.2 较为适宜。 浓度——通常用波差度 Bé表示,一般注浆用 30~45Bé,市场上 50~56 Bé。 ④配比 一般:水泥浆越浓,凝固越快(水灰比小) 水玻璃越稀,反应越快。 水泥与水玻璃的体积比 1:0.5~1:1 随水玻璃用量较少,凝固时间缩短。 3、化学浆液——P97~101 自学 特点:化学浆液,结石体强度低,成本昂贵,主要用于堵水,应用较少。 四、浆液材料的选择 根据地质条件和施工目的而定。 1、基岩裂隙含水层注浆——用量大,要求有较高的强度(堵水为主) 采用单液水泥浆或水泥水玻璃浆液。 2、松散冲击层泥浆(含水砂层)——主要堵水与加固 属于挤压注浆,较少孔隙率:粗砂层——水泥水玻璃浆液;其它——化学浆。 3、特殊地层(破碎带,断层)——裂隙空隙大,用量大,主要是充填加固。 粗骨料+水泥浆 粗骨料+水泥水玻璃浆 粗骨料——细砂、炉渣、粉煤灰、粘土等。 4、选择上优先考虑水泥浆 水泥水玻璃 化学浆 强度高,便宜,材料来源广,工艺简单。 §3、注浆设备 注浆泵,搅拌机,止浆塞,混合器等。 一、注浆泵——输送浆液的动力设备 要求:①有足够的压力,泵压1.2~1.3 倍最大注浆压力 ②有足够的流量,适应大流量注浆要求 ③双液注浆时,能保证两液的比例关系 ④流浪与压力相对稳定 常用注浆泵: 1、YSB——250/120 液力调力注浆泵 最大注浆压力 12Mpa,流量 250L/min,适用于地面预注浆。 2、2MJ——3/40 型隔膜计量注浆泵 压力 4Mpa,流量 3m3/h。双液注浆用,适用于工作面预注浆。 3、其它注浆泵 TBW—50/15 泥浆泵 压力 15Mpa ,50L/min TBW—150/30 泥浆泵 压力 3Mpa ,150L/min KOBJ—1.8 矿用防爆砂浆泵 压力 1.5Mpa,1.8 m3/h HB50/15 活塞式灌浆泵 1.5Mpa ,50L/min 二、搅拌机——拌浆设备 要求:①浆液搅拌均匀,保证连续供浆 ②搅拌能力与注浆能力相适应。 三、止浆塞 四、混合器 §4、地面预注浆 井筒开凿之前或地下工程开凿之前,从地面钻孔到含水层,利用地面的注浆设备将 浆液压送到注浆孔含水层中,以封堵裂隙,隔断水力联系的一种注浆方式。 适用于裂隙含水层厚度较大,距地面深度较浅,或层厚不大,但层数较多的情况下。 一、注浆工程设计 (一)注浆深度及段高划分 1、注浆深度——注浆孔的终孔深度,根据含水层的埋藏深度确定。应穿过注浆范 围的含水层全厚伸入不透水层 10m 以上。 2、注浆段高——一次注浆深度,段高大,钻孔与注浆工序重复次数少,工期短, 但注浆效果差。 根据岩层裂隙性及含水量大小,一般按裂隙特性划分: 宽度(mm) 初注(m) 复注(m) 细裂隙 0.3~3 30~40 50~100 中裂隙 3~6 20~30 40~50 大裂隙 6~13 10~20 30 破碎地层 13 4~10 10 (二)注浆参数——注浆压力,浆液注入量,浆液扩散半径,注浆孔个数。 1、注浆压力——是浆液克服流动阻力,进行扩散,充塞和压实的能量。 注浆泵压: PB =(0.02~0.025)H——受注点到静水位的水扬高度,通常用注浆深 度代替。 注浆应选泵压力 P=1.3 PB ,地面预注浆主要控制泵压。 2、单孔浆液注入量——指一个注浆孔的受注段注入的浆液量。 裂隙注浆单孔注入量 q q R 2 H m m3/孔 式中: ——岩层裂隙率, =0.5~3%。 ——浆液在裂隙内的有效充填系数, =0.8~0.9 ——浆液损失系数, =1.2~1.5 m——结石率,m=0.56~0.99 R——浆液有效扩散半径, H——注浆段高 总注入量 Q=nq m3 实际上先注入孔量大,后注孔量小,并非均匀。 对于含水砂层,q=R2 Hnc 其中:n——砂层孔隙率,30~40% c——修正系数,c=1.1~1.3% 3、注浆孔个数(同心圆等距离布置在井径内外) ①井内布孔 N D 2 L ②井内布孔 N D1 2A1 L D——井筒净径,A——孔距井径间距,A=0.25m D1——井筒荒井,A1——孔径距荒井的间距,A1=0~1.5m 一般布置 6~9 个孔, L=(1.3~1.5)R 裂隙连通性差,井径小,采用井外布孔。 裂隙连通性好,裂隙发育,井径大,采用井内布孔。 4、浆液扩散半径——有效扩散半径 浆液扩散(流失)的范围——扩散半径 浆液充填堵水的扩散范围——有效扩散半径 R R 与注浆压力、裂隙大小、注浆材料有关。 对于单液水泥浆而言: 注浆压力(MPa) 2~7.0 7~10 裂隙宽度(mm) 5.0 5~30 扩散半径 R(m) 2~6 6~25 10 30 25 (三)注浆方式——分段注浆 1、分段下行式——(自上而下注浆式) 从地面开始,自上而下钻一段孔,注一段浆,在同一段内先钻孔后注浆,每注一段 浆,后继续下延钻孔与注浆如此交替进行,直到设计的最终注浆深度,然后再从下向上 复注。 特点:①上段已注浆,下段注浆时不跑浆。 ②注下段时,上段已复注,效果好。 ③钻注交替,工期长。 2、分段上行式——(自下而上注浆方式) 注浆孔一次钻到注浆终深,使用止浆塞进行自下而上的分段注浆。 止浆塞——橡胶止浆塞,靠机械压力使止浆塞产生横向变形,与孔壁挤紧,使孔内 注浆段与未注浆段分开。 特点 ①钻孔一次到底,施工速度快。 ②需用止浆塞,且对地层条件要求严格,局限性大。 适用条件:岩层坚硬,孔壁完整的稳定岩层中,且竖向裂隙不发育。 3、一次注全深——注浆孔一次钻到注浆终深,然后对全深进行一次注浆。 施工简单,工期较短,但段高大,效果差。 二、注浆钻进 ①注浆孔允许偏斜率0.5%,注浆深度大于 500m 时,e1%。 ②取芯钻进,以判明岩层裂隙发育与分布状况,确定注浆参数, 取芯率:坚硬岩层 80~90%;破碎岩层 70%。 三、注浆施工 (一)注浆前的准备工作 1、设备安装——钻孔同时进行地面预注浆,搅拌机、地面管路等安装,调试并进 行管路耐压试验,要求管路耐压为注浆终压的 1.2 倍,钻孔后下放注浆管,止浆塞和混 合器等。 2、压水试验——在注浆前向孔内压注清水,时间 10~20min,压力比注浆终压高 0.5Mpa。 压水实验目的:①检查止浆塞的止浆效果。 ②测定钻孔吸水率,核实岩层的透水性,选择注浆参数。 ③把留在孔底、孔壁上的杂物推到注浆范围以外,以提高 浆液结石体与裂隙面的结合强度及抗渗能力。 (二)注浆作业 1、规律:①先注孔吸浆量大,后注孔吸浆量小 ②同一孔中,注浆压力不变时,浆流量减少,浆液量不变时,压力逐渐 增加。 2、故障 ①泵压突然下降,吸浆量减少,或不吸浆,——吸浆笼头堵塞。 ②泵压上升,孔口压力不上升——地面管理堵塞。 ③泵压孔口压力均上升,吸浆量下降或不吸浆——混合器或注浆管堵塞。 ④注浆压力下降,增大流量也不回升——跑浆:间隙注浆,浓度变稀。 (三)注浆结束标准 由注浆终压和注浆终量而定: 注浆压力上升,注浆量下降 当①主机那个压力达到设计的泵压,P=(0.02~0.025)H ②注浆量:单液 50~60L/min;双液 100~120 L/min 时,稳定 20~30,即可认为 达到注浆结束标准,可以停止注浆工作。 §5、工作面预注浆 在井筒施工到含水层之前,暂停掘砌工作,利用含水层上部的不透水层作为防护岩 帽或修筑混凝土止浆垫,然后在工作面打钻,注浆,封堵含水层涌水后,再进行井筒掘 砌的施工方法。 适用于①含水层厚度不大,而埋深较深或②含水层间距较大,中间又有良好的隔水 层的裂隙含水层中。 工作面预注浆在井筒内进行,占建井工期,且在工作面上钻孔,注浆空间受限,只 能用小型钻机等设备。 工作面预注浆工艺过程,浆液材料与地面预注浆相同,所不同的是注浆作业由地面 转入工作面,并增加了岩帽或止浆垫而已。 一、注浆工程设计 5 个(注浆方案、布孔方式与段高、注浆参数、止浆塞与止浆岩帽) (一)注浆施工方案选择 两种:单水平注浆;多水平注浆 1、单水平注浆——由单一水平工作面打钻注浆的施工 适用于含水层埋深大,层数多且层间距小的岩层,需用大能 机。 方案, 力钻 2、多水平注浆——由不同水平工作面打钻注浆的施工方案。 适用于含水层埋深大,层间距较大,需用小型钻机即可。 (二)布置孔方式与段高 根据裂隙产状而定,分为 3 种方式 1、直孔注浆——裂隙发育,连通性好的水平或缓倾斜裂隙含水层中。 2、径向斜孔注浆——裂隙发育,连通性一般,径向垂直裂隙发育较差的含水层。 α——径向角 3、径向切向斜孔注浆——裂隙发育不均,连通性差,有径向垂直裂隙分岩层。 β——切向角 4、注浆段高——与布孔方式与钻机能力有关。 直孔——50~70m 钻机能力大 斜孔——30~50m 小型钻机 (三)注浆参数(注浆压力,浆液注入量,注浆孔径,浆液扩散半径,斜孔径向倾 角,切向布孔的切线、注浆终压——结束注浆时孔口最大压力, P Pb 0.01 c H 式中: Pb ——注浆结束时,注浆泵表的压力。 c ——浆液容重。T/m3 H——孔口以上液柱高度,m 2、浆液注入量 Q=Nq=Nλ R 2 H1 m 式中: ——岩层裂隙率, =0.5~3%。 ——浆液在裂隙内的有效充填系数, =0.8~0.9 ——浆液损失系数, =1.2~1.5 m——结石率,m=0.56~0.99 R——浆液有效扩散半径, H——注浆段高 N——孔个数。 3、注浆孔个数 N N D 2A l 式中:A——孔径与井筒净径间距,A=0.3~0.6m l =(1.3~1.5)R 大裂隙 l =2~3m 小列席 l =1~1.5m 4、浆液扩散半径 R——与注浆压力,裂隙状况有关(同地面预注浆) 5、斜孔径向倾角 α arctan S A H 式中:A——注孔与井壁间距,A=0.3~0.6m H ——注浆段高 S——终孔位置超出井筒净直径的距离,S=E+m 6、切向布孔的切线° (四)止浆岩帽——不透水岩层 为保证浆液在注浆压力作用下沿裂隙有效扩散,并防止从工作面跑浆,一般在含水 层上部预留止浆岩帽,当含水层上方具有足够厚度的不透水层时(隔水层),其厚度取 决于岩层性质和强度,通常按岩石允许抗剪强度条件计算,即工作面承受最大压力≤止 浆岩帽 的允许抗剪强度。 D 2 4 P0 DB P0——最大注浆压力 B P0 D 4 [τ]——岩石允许抗剪强度 一般取 2——7m。 (五)止浆垫——含水层上方无良好隔水层时,即不具备预留岩帽时,需人工砌筑 止浆垫,C25 混凝土。 形式:单级平底型——结构简单,施工方便,受力差; 单级球面型——受力状态好,结构复杂,施工困难。 平底型 球面型 按混凝土允许抗压强度与注浆净压力确定,其厚度为: B P0 r h=0.3r B P0 r 2 h2 4r 2h 2 Bn P0 r 0.3r 式中:R——球面内半径,[σ]——混凝土允许抗压强度, h——球面矢高, r——井筒掘进半径 B——垫厚 α——内锥角一半 P0 ——注浆终压, 通常取α=33°,R=1.8r,h=0.3r。 井壁强度验算: 当止浆垫在已砌壁的井筒内构筑,止浆垫是以井壁为支承,呈圆柱状,结构在此情 况下,应对井壁进行验算: P0 D0 2E2 4h2 4ED0 E fc rk 式中: P0 ——注浆终压 D0 ——井筒净直径 E——井壁厚度 h——球面矢高 f c ——止浆垫材料的抗压强度 rk ——混凝土结构的强度系数, rk =1.6~2.5 1、无水条件下浇注止浆垫 止浆垫底成型后,按布孔要求(位置,数量,角度),安设孔口管(注浆导管),随 后浇注止浆垫。 无水 涌水 2、有涌水条件下浇注止浆垫 为防止被水淹侵,止浆垫成型后,先布设孔口管,并在底部 铺一层碎石滤水层(设 水泵排水),最后浇混凝土。 3、水下浇注混凝土止浆垫 当工作面凿穿含水层,井筒被淹时,待水位达 静水位后,在水下浇注混凝土, 悬吊直管法 在井内悬吊直径φ 150~200mm 管子下放混凝土,边下混凝土边提管子, 但要求管子下端始终在混凝土中,为保质量应连续 浇注。 (二)注浆作业——钻入井下,注浆设备在地面,需加强信号联系。 (三)注浆结束标准——同地面:①注浆压力达到设计的泵压。 ②注浆量:单液 50~60L/min,双液 100~120 L/min,稳定 20~30min。

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