礦井注漿堵水技術

當涌水量很大，僅僅靠排水已不可能或有經濟時，注漿堵截水源通道，然后再進行排水。
注漿堵水是將水泥將或化學漿通過管道壓入井下巖層空隙、裂隙或巷道中，使其擴散、凝固和硬化，從而巖層具有較高的強度、密實性和不透水性，達到封堵截斷補給水源和加固地層的作用，是礦井防治水害的重要手段之一。目前，注漿堵水已廣泛用于礦井井筒注漿，封堵突水點，恢復被淹礦井，井巷堵水過含水層或導水斷層，帷幕注漿堵水截流，減少礦井涌水量、底板注漿加固防止突水等方面已取得良好的效果。
一、注漿堵水的適用條件
(1)當老窯或被淹井巷的積水與強大水源有密切聯系時，可先注漿堵截水源，然后排干積水。如山東肥城國莊礦、河南焦作演馬莊礦等，都是先堵截水源而后排干積水恢復生產的。
(2)當井巷工程必須穿過一個或幾個強含水層或充水斷層，如不堵截水源，將給礦井生產和建設帶來很大困難和危害，甚至無法施工，我國許多礦井穿過強含水層時，都是利用這一方法。
(3)當井筒或工作面發生嚴重淋水，為了加固井壁、改善勞動條件、減少排水費用，可以采取注漿措施。如鶴壁鹿樓主、副井，新汶協莊主、副井，采取掛漿措施后，取得了良好的效果。
(4)某些涌水量特大的礦井，為了減少礦井涌水量，降低常年排水費用，亦可采用注漿堵截水源。如焦作九里山礦，北部隱伏露頭區沖積層水補給八層石灰巖含水層涌人礦井，采取注漿措施后，礦井涌水量減少56 m3／'rain，lO年共節省排水電費近億元，取得了顯著的經濟效益，使一個嚴重虧損的礦井得以扭虧為盈。
二、注漿工作程序
(一)注漿材料
注漿材料的選擇應根據堵水的目的、地質條件、施工條件、注漿工藝和投資多少等因素決定。從水文地質條件考慮，選擇材料可參考表4—2。
在一般情況下，凡是水泥漿能解決問題的盡量不采用化學漿，化學漿主要用于彌補水泥漿的不足，解決一些水泥漿難以解決的問題。當地下水流速為25 m／h時，采用單液水泥漿；當大干25 m／h時，采用水泥一水玻璃雙液漿；用于底板巖溶、斷層破碎帶和動水注漿堵水及處理井下突水事故時，目前多采用先灌注惰性材料(如砂、爐渣、礫石、鋸末等)充填過水通道、縮小過水斷面、增加漿液流動阻力、減少跑漿，然后灌注快凝水泥一水玻璃漿液，再用強度較高的化學漿進一步封堵。

（二）具體注漿工作步驟
1. 注漿段高和漿方式
注漿段高是指一次注漿的長度，可分為全段一次注漿和分段注漿兩 種。前者是將注孔鉆至終孔后一次注漿，適用于含水層距地表近且厚度不大、裂隙發育較均勻的巖層。其優點是一次鉆進、一次完成注漿，縮短施工時間；缺點是段高大時不易保證質量。當巖層吸漿量大時要求注漿設備能力大，易出現不均勻擴散，影響注漿堵水效果。當注效果。當注漿深度較大，穿過裂隙大小不同的多個含水層時，在一定注漿壓力下，為防止漿液在大裂隙擴散遠、小裂隙擴散近，上部巖層的裂隙進漿多、下部巖層裂隙進漿少，應采用分段注漿。段高可按巖層破碎程度劃分。我國經驗數據是：極破碎巖層一般為5m~10m；破碎巖層為10m～15m；裂隙巖層為15m～30m；重復注漿可取30m～50m。
注漿方式是指注漿順序，分下行式和上行式兩種。自上而下依次注漿稱下行式注漿，即從地表鉆進含水層，鉆一段孔，注一段漿，反復交替，直至全深。其優點是：上段注漿后，下段高壓注漿時不跑漿，同時上段獲得復注，注漿堵水效果好。缺點是：鉆孔與注漿交替進行，工期長。該方式適用于巖層破碎或裂隙發育的地層。自下而上的注漿稱上行式注漿，即注漿孔一次鉆進到注漿終深，使用止漿塞，自下而上逐段注漿。上行注漿優點是無重復鉆進，能加快注漿速度。該方法適用于巖層較穩定、垂直節理不發育的地層。
2. 注漿前壓水
目的在于將裂隙中松軟的泥質充填物推送到注漿范圍以外，從而提高注漿質理和堵水效果。對于大裂隙，壓水時間為10min～20min；中小裂隙，則需15min~30min或列長一些。重復注漿鉆孔壓水時間適當延長30min~60min。壓水時壓力應由小增大，最大不得超過注漿終壓。
3. 下放止漿塞及注漿
止漿塞放至規定位置后，接好輸漿管，壓縮膠塞止漿并經壓水試驗檢查好，即可進行注漿。注漿過程中應特別注意堵漿、跑漿及冒漿，對待不同情況采取相應措施，以保證注漿工作正常進行。
（三）注漿參數
（1） 漿液擴散半徑。裂隙中漿液的擴散半徑隨巖石的滲透系數、注漿壓力、注入時間的增加而增大，隨漿液的濃度和黏度的增加而減少。據現場經驗，巖深地層注漿，漿液平均擴散半徑為10 m~15m，裂隙地層平均為4m~8m。
（2） 注漿壓力。注漿壓力對漿液的擴散影響很大，經驗表明，隨著注漿壓力的提高，充塞物質的強度急劇增加，這就保證了充塞物具有足夠強度和不透水性。在地下水流速大的情況下，應設法增加漿液的流動阻力，需降低注漿壓力，故合理運用注漿壓力是注漿的關鍵。不同地區因地質條件不同，注漿壓力也不盡一樣。有地區選用注漿壓力為靜水壓力的2～3倍，有的則根據巖石裂隙采用合適的壓力值。
（3） 漿液注入量。根據擴散半徑和巖裂隙率進行粗略計逄，公式為
Q=r2AHnβ　　　　　　　　　　　　　　　　（4－2）
式中Q―――漿液注入量，m3;
r-―――漿液擴散半徑，m;
n―――裂隙率，％
H―――注漿段高，m；
β―――漿液在裂隙內有效充填系數，0.9～0.95；
A――――漿液消耗系數，一般取1.2～1.3。
（4） 注漿結束標準。一般是用兩個指標表示；一是最終吸漿量，即注漿注至最后的允許吸漿量；另一個是達到設計壓力時（即終壓時）的持續時間。從理論上講，最終吸漿量是越小越好，最理想的情況是注至完全不吸漿，但難以做到，故結束標準是注漿壓力達到設計終壓，一般為受注含水層水壓的1.6～2.5倍，吸漿量小于80L/min，時間不少于30min即可。
三，突水點（口）注漿堵水
礦井因突水事故被淹沒后，可以采取適當方法與措施，使其恢復生產獲得新生，常用的方法有強排疏干法和注漿堵水法。強排疏干法，即利用大流量水泵（水泵排水量要大于礦井突水后的總水量）強行排水，追水至井底，然后采到相應措施恢復生產。它適用于突水點（口）動水量和含水層靜儲量均小，礦井排水設備及電力供應條件皆好，排水后對工農業和居民用水無影響等條件。注漿堵水法是指用各種方法和材料（水泥、水玻璃、化學材料等）堵塞井下突水點，增加突水點及其周圍巖層和隔水層的強度，切斷通道和水源，故又稱突水點（口）注漿堵水。此法適用于突水點動水量大、突水點距地面深，井巷斷面有限、不能安裝大型排水設備，突水點水源與工農業和居民供水屬同一水源，排水后會引起水源地枯竭或產生環境水文地質問題時。突水點（口）注漿堵水，按注漿孔的們位置可分為先后排法和先排后堵法，我國淹沒礦井恢復注漿堵水常用的是地面注漿先堵后排法。
（一）注漿堵水前的水文地質工作
注漿堵水時應解決的問題是：井下突水點的具體位置在哪里，在什么部位注漿效果最好，根據什么原則布置勘探注漿孔，突水點堵水效果如何判斷等問題。為了正確選擇堵水方案，確保注漿鉆孔能命中堵水的關鍵地點或部位和正確評價堵水效果，一般需進行下列水文地質工作：
（1）通過現有水文地質資料的整理分析、野外地質調查以及必在的突水點（口）注漿堵水補充勘探工作，查清突水點的位置，確定或判斷突水水源、突水點附近斷裂構造的確切位置和含水層間的對接關系、突水點地段內含水層的分布及它們之間的水力聯系、各含水層巖溶裂隙發育程度及巖溶裂隙發育的主要方向；
（2）因地制宜地進行連通試驗，測定地下水的流速、流向和地下水的水質與水溫；
（3）布設地下水動態觀測網，進行堵水前、堵水后和堵水過程中的動態觀測，并編制注漿觀測孔歷時曲線和等水位（壓）線圖，以指導注漿工程和注漿效果評價；
（4）用鉆孔和被淹礦井進行抽（放）水試驗，了解各含水層與突水點（口）的水力聯系情況；與注漿工程前后放水資料對比，評價堵水效果；
（5）注漿前每孔都要進行沖洗鉆孔及壓水試驗，目的是沖洗巖層中空隙通道，利于漿液擴散并與圍巖膠結提高堵水效果；通過壓水試驗計算巖層單位吸水量，了解巖層的滲透性，以選擇漿液材料及其濃度與壓力。
（二）突水點注漿堵水方案的制定
制定方案時應反復分析研究，在弄清水文地質條件等情況的基礎上，對堵水工程作出正確布置，對堵水方法提出明確要求。
方案設計應包括如下內容；
（1）確定堵水范圍、注漿層位和部位，注漿孔、觀測孔檢查孔數及其布置方式；
（2）確定注漿材料、注漿深度，劃分注漿段、選　擇注漿方式和止漿方法；　
（3）確定注漿參數及質量檢查和評價方法；　
（4）選擇鉆探設備，確定鉆孔結構與施工方法，確定主要安全技術措施（包括注漿操作規程）。
（三）施工注漿孔及注漿
1．勘探注漿孔及注漿
（1）應布置在井下突水點附近，圍繞著突水點由內往外和由稀至密分批布置。其目的是根據探資料及時修改補充原設計，以達到提高堵水和加固底板的效果；
（2）根據地下水的流速、流量和流向，注漿孔應布置在來水方向上，在突水點或斷層帶附近應適當加密堵水鉆孔，以便切斷突水點補給來源，減少注漿堵水孔數；
（3）布置鉆孔盡可能一孔多用，使之既是地質、水文地質勘探孔，又是試驗孔、觀測孔，同時還可作為注漿堵水孔；
（4）注漿間距應按當地的具體地質、水文地質條件與實際擴散半徑（R）等因素確定。
2．注漿過程中的若干問題
（1）注漿層或段裂隙細小，鉆孔單位吸水量小到中等的鉆孔，一般耗漿量不大時，可采用連續注漿法，即自始至終連續不斷地注漿，直到達到注漿設計結束標準。
（2）巖溶通道大、鉆孔單位耗漿量大時，可采用間歇時間長短，主要依漿液達到初凝所需時間而定。間歇的次數以孔口壓力上升快慢而定。當注漿孔口壓力上升較快時，可改為連續注漿。每次停注后需沖入一定量清 水，以保持通道井口有致被堵塞。
（3）若發現鄰孔有竄漿現象，應串連兩孔同時注漿；若設備不足，依鉆孔水位高低，可在下游注漿孔壓入清水保持通道能暢、上游注漿孔注漿的辦法處理。
（4）注漿時，若通道中地下水流量汪、流速大時，只要漿液性能（水灰比）適宜，吸漿量大于通道中地下水流量1.5倍，注漿也可以成功；若通道流量大、流速小時，可用不易被水稀釋的漿液，使用間歇注漿法注漿；若通道中流量和流速皆大，則可在注漿前設置比重較大固料，先將通道充填，然后注入速凝漿液。
3．注漿堵水效果的判斷
當注入突水點及其周圍的堵水材料固結封住突水通道后，則淹沒礦蟛的水位將發生顯著變化，地下水流的流動方向和水化學成分也相應發生變化，這些均可看成判斷堵水效果的定性指標；定量指標是通過注漿前后的排水試驗取得水量與降深關系的數據后，即可識別。
四、井下注漿堵水
井下注漿封堵突水點，主要是處理某些生產過程中發生和規模小的突水或恢復某個采區、工作面的生產工作。它的注漿堵水工作在井下進行，而且主要是對斷層突水處理，主要方法是：
（1）用水閘墻擋水。當水突入巷道后，若水量較大，應采取緊急措施，在所掘巷道突水點以處地段，將水堵在巷道內；若水量不大時，可用水管將水導出，然后先擇巖層比較完整處修筑水閘墻，待水閘墻修好后將管子的水門關閉，造成靜水條件。
（2）待封堵于巷道內的水停止流動后，在接近水閘墻的正常巷道內向斷層出水點和和其接近的含水層打注漿孔，然后用高壓注漿泵往鉆孔里注漿，以封堵和加固突水點及其周圍地層，同時切斷補給水源。