超前管棚注浆加固技术在斜井穿过流砂层施工中的应用

夏法亮;李波

【摘 要】李家坝煤矿回风斜井采用超前管棚注浆加固技术,安全顺利地穿过了中厚流砂层。简要介绍了超前管棚注浆加固机理、施工方案、施工工艺和施工效果。 【期刊名称】《建井技术》 【年(卷),期】2012(000)004 【总页数】3页(P20-22)

【关键词】斜井;流砂层;超前管棚;注浆加固 【作 者】夏法亮;李波

【作者单位】国网能源宁夏煤电有限公司,宁夏盐池751507;国网能源宁夏煤电有限公司,宁夏盐池751507 【正文语种】中 文 【中图分类】TD262.12

国网能源宁夏煤电有限公司李家坝煤矿，位于银川市东南约120km处，设计生产能力0.9Mt/a。矿井采用斜井开拓方式，布置主、副、风3条斜井，均穿越第四系冲积层、古近系地层和侏罗系延安组地层等。斜井穿越的地层中，有3个主要含水层组。特别是古近系地层，主要由粘土与砂层互层组成；而砂层若含水，易形成流砂层。斜井掘进中，遇到较厚的含水砂层(流砂层)时，若处理不当，会使斜井围岩难于控制，极易出现冒顶、涌水、冒砂等事故[1]。

1 超前管棚注浆加固机理

管棚注浆是一种超前支护加固技术。即井巷(隧道)开挖前，在其荒断面外侧，沿开挖方向，按一定间距打入一定长度的钢管，起超前支护作用；并通过钢管，对地层进行注浆堵水加固[2]，保证掘砌施工安全顺利进行。

管棚注浆一方面进行钻孔，并在孔内安设钢管。当钢管穿过流砂层，深入到粘土层部位后，可起到骨架、格栅作用，有力地保障开挖工作面流砂层稳定。另一方面，在注浆压力作用下，浆液从钢花管孔中溢出，进入周围流砂层中，从而形成复合稳定的固结体，最终形成管棚注浆加固帷幕[3]，减小流砂层的渗透性，提高流砂层的物理力学强度，达到对流砂层加固和堵水的目的，使周围流砂层的物理力学性质得到改变，稳定性能得到加强。 2 超前管棚注浆加固方案

回风斜井设计为直墙半圆拱形断面，荒断面宽5.6m，高5.5m。在斜井过流砂层段，超前管棚分为2段施工。每段布置1排超前管棚，共25根管，2段共布置50根管。管棚拱顶间距0.5m，帮部间距0.6m。管棚长15m，直径45mm，外扎角2°。钻孔直径60mm。超前管棚布置如图1所示。

图1 回风斜井超前管棚纵向剖面布置1─超前管棚搭接部分；2─回风斜井；3─流砂层；4─管棚外露部分，长0.2m；5─1.5m厚止浆墙；6─超前管棚 3 超前管棚注浆加固设计 3.1 布 孔

在斜井过流砂层段，紧靠荒断面轮廓线，布置1排超前管棚，共25根管；拱顶间距0.5m，帮部间距0.6m，如图2所示。

图2 回风斜井超前管棚断面布置1─斜井荒断面轮廓线；2─两帮超前管棚；3─拱部超前管棚；4─50mm厚网喷层+29U型钢支架+现浇混凝土，总厚400mm；5─29U型钢支架+现浇混凝土反底拱；6─砂浆砌片石或碎石；7─混凝土底板；

8─300mm×200mm水沟 3.2 管棚参数的选取

(1)管棚直径。根据管棚注浆技术要求和施工现场情况，管棚直径确定为45mm。 (2)管棚长度。受到钻孔机具、钻进技术和钢管柔性弯曲等条件的，若管棚太长，方向难以控制，管棚容易下垂；若管棚太短，则每段需要增设管棚工作室，增加工作量。根据斜井过流砂层斜长、管棚深入下部稳定岩层斜长(1.5m)、混凝土止浆墙厚度(1.5m)和管棚外露长度(0.2m)，综合确定管棚长度为15m，如图3所示。

图3 超前管棚外形1─φ8mm钢筋箍；2─φ45mm管棚；3─φ8mm溢浆孔 (3)管棚外扎角。根据理论计算及U型钢支架排距，以便于施工和尽量保持斜井荒断面空间，而较少截断管棚为原则，管棚外扎角确定为2°。

(4)管棚间距。管棚间距主要取决于管棚间土体的稳定性、防水要求及施工精度。针对流砂层特殊地质条件，确定拱顶管棚间距为0.5m，两帮管棚间距为0.6m。 (5)加固范围。在斜井拱顶和两帮布置1排管棚，形成止水防砂注浆加固帷幕。在其保护下，进行斜井掘进与支护，保证施工安全。

(6)管棚搭接长度。前后相邻2段超前管棚搭接长度，原则上应能保证在搭接范围内，形成有效的注浆加固帷幕，防止斜井开挖时发生流砂层塌落。根据具体情况，确定前后相邻2段管棚间，应有不少于6.0m的搭接长度。 3.3 注浆材料

选取浆液时，主要考虑浆液的可注性、浆液凝胶体强度、浆液凝胶时间和价格。针对流砂特殊地层条件，选用脲醛树脂类浆液，加浓度为2%的草酸溶液作固化剂。脲醛树脂溶液和草酸溶液配比为10∶2～10∶3(体积比)。 3.4 注浆压力

以不使地层结构破坏或仅发生局部和少量破坏，作为确定容许注浆压力的基本原则。

以水压为依据的经验公式，主要目的在于堵水和加固，适用于深埋地层，注浆时不受覆盖层厚度；以地层压力为计算依据，主要目的在于使浆液能够扩散。综合以上2种因素，确定注浆压力为0.5～1.0MPa，注浆终压为2.0～2.5MPa。 3.5 注浆量

渗透注浆的好坏取决于渗透半径内岩土体的孔隙充填程度，充填率越高，注浆效果越好。超前管棚注浆采用脲醛树脂类浆液；综合工程类比、理论计算，确定单孔注浆量为2.4t。 4 施工工艺

超前管棚注浆施工分为2段，依次进行；施工时，要保证前后2段管棚搭接长度为6.9m。

4.1 管棚的加工制作

管棚管身设若干溢浆孔，孔径φ8mm，孔距0.5m，梅花形排列。其前端0.2m范围内不设溢浆孔，加工成尖锥形，封焊严实；后端1.0m范围内不设溢浆孔，管尾加一箍环(采用φ8mm钢筋焊接)。为防止溢浆孔堵塞，可以在开口孔眼外包1圈橡皮环。 4.2 管棚施工

(1)止浆墙浇筑。在流砂层地段，打超前管棚前，首先要做止浆墙，防止流砂及浆液返流到斜井内。在斜井开挖揭露流砂层处，向井筒荒断面四周扩挖0.3m，采用C30混凝土浇筑1.5m厚的止浆墙。止浆墙浇筑好后，养护7d，才能施工管棚钻孔。

(2)布孔。根据管棚施工设计和斜井荒断面中线，以及拱顶外轮廓线中心高程和支距进行布孔放样；并以插钎作标记，控制管棚间距。

(3)钻孔。采用导轨式凿岩机或SH-30型钻机钻进成孔。钻进过程中，出现塌孔时，要立即停止钻进，将钻机退出，往钻孔内注水泥浆液；待浆液凝结硬化后，重新钻

进，保证钻至设计深度。钻孔施工顺序：先钻拱顶超前管棚孔；然后左右对称，钻两帮超前管棚孔。

(4)插管。每钻完1个孔，便顶进1根管棚。下管要及时、快速，以保证在钻孔稳定时，将管棚送到孔底。特殊情况下，跟管钻进至设计深度。管棚每节之间用丝扣连接。相邻2根管棚之间，接头要错开，错开长度不小于1.0m。管棚与导向管之间，用砂浆堵塞。为保证管棚内能充填饱满，在管棚内安设排气管，排气管近孔口处用阀门连接，将管棚内的气体排出。

(5)注浆。采用HGB型化学注浆计量泵注浆，钻一孔注一孔。注浆顺序：先注两帮超前管棚，左右对称施工；然后注拱顶超前管棚。

管棚注浆结束控制标准：一是定压控制法，注浆终压对加固效果起主要作用。经综合考虑，确定注浆终压为2.0～2.5MPa。二是浆液总量控制法，根据浆液扩散半径来确定注浆总量，设计单孔注浆量为2.4t。

(6)斜井开挖。超前管棚注浆完成后，即可进行斜井开挖。先挖拱顶及两帮处的土体，留出底板核心土不开挖，以保证斜井与底板稳定[4]。开挖后，及时架设拱顶和两帮的29U型钢支架，挂网喷射混凝土；然后将底板核心土挖掉，铺设底板29U型钢支架，并与两帮的29U型钢支架连接好；最后立模浇筑混凝土，形成全断面封闭结构。 5 结 语

回风斜井穿过中厚流砂层施工中，采用超前管棚注浆加固，在开挖区域外形成了有效的止水防砂注浆加固帷幕。通过开挖验证，此次注浆，堵水效果显著，涌水量明显减少，砂层胶结性和整体性显著提高，保证了斜井施工安全。该工程实践表明，超前管棚注浆加固技术可有效解决斜井穿过中厚流砂层施工难题。 [参考文献]

[1]崔增祁，赛云秀.我国斜井施工现状及存在问题[J].建井技术， 1997(1)：28-32.

[2]高信油，韩 雷，史学泽.斜井快速施工与防治水[J].山西冶金，2003(1)：62-63. [3]徐辉东，王敏建，刘 宁.大断面斜井基岩段快速施工技术[J].煤炭工程，2007(8)：36-38.

[4]范世兴.大同矿区的几种斜井施工方法[J].同煤科技，2001(2)：37-39.