地表注浆加固施工

第一节   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到岩土的孔隙、裂隙或空洞中，浆液经扩散、凝固、硬化以减小岩土的渗透性，增加其强度和稳定性，达到岩土加固和堵水的目的。

    注浆法的分类方法很多，可以按注浆时间、浆液注入形态、浆液材料类型、被注浆的岩土类别和注浆的目的进行分类。中国煤炭工业多采用按注浆工作与井巷掘砌工序的先后时间次序进行分类，即分为预注浆法和后注浆法。

预注浆法是在凿井前或在井筒掘进到含水层之前所进行的注浆工程。依其施工地点而异，预注浆法又可分为地面预注浆和工作面预注浆两种施工方案。

    后注浆法是在井巷掘砌之后所进行的注浆工作。它往往是为了减少井筒涌水，杜绝井壁和井帮的渗水和加强永久支护采取的治水措施。

    按浆液注入形态，注浆施工可分为：渗透注浆、割裂注浆、压密注浆和充填注浆。渗透注浆是将浆液均匀地注入岩石的裂隙或砂土孔隙，形成近似球状或柱状注浆体。该种注浆基本上不破坏受注岩土结构与颗粒排列。割裂注浆是将浆液注入岩土裂隙。为增大扩散范围、获得良好封堵效果，可用高压加宽裂隙、促进浆液压入。此种注浆改变了岩土结构，在砂土中浆液固结形成骨架。压密注浆被用以压实松散土及砂。常用高压力注入高固体含量的浆液，具有低注入速度的特点。充填注浆主要用以充填并稳定自然孔洞与废矿空间。

注浆技术在矿井建设中应用广泛。它既可用于为了减少井筒涌水，加快凿井速度、对井筒全深范围内的所有含水层(除表土外)进行预注浆的“打干井”施工，又可对裂隙含水岩层和松散砂土层进行堵水、加固。在大裂隙、破碎带和大溶洞等复杂地层均可采用注浆法。注浆技术的应用范围仍在扩大。可以认为对所有地下工程、它都是一种有效的施工技术，在国际上应用十分广泛。

注浆法的工艺特点

注浆法与其他特殊凿井法比较，主要工艺特点如下：

1.设备少，工艺简单；

2.能形成永久性封水帷幕，可改善支护工作条件；

3.在裂隙含水岩层及浅薄砂层中均可用来堵水与加固，并可用于处理断层破碎带；

4.可作为钻井法、沉井法施工时固结井壁和封堵刃脚的工艺措施。

第二节  注浆工艺

预注浆是中国煤矿通过含水层的一种凿井方法，它又是实现打干井、推进立井机械化和加快建井速度的重要措施。地面预注浆和工作面预注浆是两种技术雷同、又各具不同工艺特点的施工方案。

一、立井地面预注浆

井筒开凿之前，从地面钻孔到含水层，并利用设置在地面上的注浆设施，将浆液经注浆孔压注入含水层。浆液在岩土的裂隙或孔隙中，经渗透、扩散和凝固、充塞，在井筒四周形成具有一定强度的，基本不透水的注浆帷幕。

注浆工艺流程是指从浆液配制开始到浆液进入受注岩土为止的全部施工工艺过程。注浆工艺有单液注浆和双液注浆两种。可根据地质条件、注浆目的、要求和注浆材料性能来决定选用。水泥—水玻璃双液注浆工艺流程，比单液注浆多一套注浆设备和管路，较为复杂。但它具有可调节进浆比例和浆液凝胶时间及减少浆液流失等优点。

地面预注浆凿井施工方案的主要工序包括：

1.注浆孔施工；

2.安装注浆设备；

3.压水试验、测定岩层的吸水率；

4.配制浆液、注浆施工及效果检查；

5.井筒掘砌。

地面预注浆施工的主要技术问题如下：

1．注浆孔布置与结构

1)注浆孔布置及其数目

注浆钻孔一般按同心圆等距离布置，分井外布孔和井内布孔两种情况。当裂隙大、连通性好、且井径较大时，用井内布孔可减少钻孔工作量。

注浆孔数目，可按下式计算：

N = π（D+2A）/ L

式中：N—注浆孔数；

      D—井外布孔时,为井筒荒径，m；

        井内布孔时,为井筒净径，m；

      A—井外布孔时,为注浆孔至井筒荒径距离，A＝0-1.5m；

        井内布孔时、为注浆孔至井筒净径的距离，

        在地面布置钻机时，A＝-0.25m，

        在井内布置钻机时, A＝-(0.3—0.6)m；

      L—注浆孔间距，以保证注浆帷幕有效厚度达到设计要求为准，通常可取L＝(1.3—1.5)R，其中R为浆液扩散半径，m。

地面预注浆的孔数，一般为6—9个。

 注浆孔的数目和注浆孔的布置，对注浆效果、注浆时间和注浆成本影响很大。在裂隙发育，断层区域或地下水流速很大的倾斜岩层，注浆孔应作不等距布置。布孔的原则要考虑地表孔口的间距，更应当注意受注层位形成的实际注浆帷幕厚度，故注浆孔的定位就需考虑钻孔倾斜大小和方向。先打的注浆孔可等距排列，后打的则应根据已打注浆孔偏斜情况作适当调整。   

注浆孔的深度是指注浆孔的终止深度。注浆深度根据含水层的埋藏深度确定，应保证井筒开凿时有效地封堵含水层。注浆孔深度应穿过含水层，深入不透水层10m。

2)钻孔作业及注浆孔结构

表土层钻注浆孔的技术如同冻结孔钻进。要求岩层内的注浆孔全部取芯钻进，以便查明岩层裂隙的发育及其分布状况。取芯率在坚硬的岩层中应达到80－90％，在破碎岩层中应为70％。岩层中钻孔的冲洗液以清水为主，如岩石破碎、塌孔严重，可酌情采用稀泥浆作循环液。

注浆孔钻进时，由于岩层倾角、岩性变化和操作因素等原因，钻孔产生偏斜。钻孔的允许偏斜率与注浆深度及受注岩层的裂隙状况有关。当岩层裂隙呈水平方向或倾角不大时，钻孔揭穿裂隙的机率大于纵向分市的裂隙岩层，偏斜率可以放大。对注浆孔垂直度的要求比对冻结孔的要求低。一般钻孔偏斜率控制在0.5％以内，当注桨深度超过500m，配合采取一些保证施工质量的其它措施，偏斜率可适当放宽到1％以内。

注浆孔在开口处一般安设6－10m长的孔口管，以防止通过厚度较大冲积层可能出现的塌孔。孔口管在钻孔时起导向作用，注浆时用以安设孔口封闭装置、防止跑桨。厚表土层以下的裂隙岩层注浆的注浆孔，通过表土之后，应安设注浆套管。套管与孔壁之间，充填速凝水泥固定。注浆孔的纵剖面，呈变径台阶状。注浆孔结构如图2—5所示。

2、安装工作及压水试验

在钻进注浆孔的同时，平行进行注浆站的建筑和注浆泵、搅拌机、浆液配制设施以及各种管路和仪表的安装工作。安装完毕，进行管路耐压试验和设备试运转。一般要求各种管路能承受1.2倍的注浆终压，而不破裂和漏损。

注浆孔钻进结束，安装并下放注浆管、止浆塞以及混合器等孔内设施。

止浆塞下孔前，应根据预先确定的止浆深度，配齐注浆管并依次下入孔内。采用单管止浆塞时，止浆塞连同注浆管一起下放。使用双管止浆塞时，止浆塞则同外管一起下放，待外管下完，再下内管。当止浆塞和注浆管都下放至预定位置以后，连接孔口管并实现止浆装置的配置。

压水试验是利用注浆泵向注浆区段压注清水。主要目的是：

1.检查止浆管头并着重检查止浆塞的止浆效果。

2.把末冲洗净，残留在孔底，或粘滞在孔壁的岩粉或杂物推挤到注浆范围以外，以提高浆液结石体与裂隙面的结合强度及抗渗能力。

3.根据测定钻孔的吸水量，核实岩层的透水性，为注浆设计与确定注浆泵的泵量、泵压并决定单液或双浆注浆浆液的起始浓度。

压水试验时，用注浆泵压注清水，其流量由小逐渐加大。注浆压力控制在比预计采取的注浆终压高0.5MPa。一般压水时间为10－20min，在破碎或大裂隙岩石中，可缩短压水时间。

根据压水资料，利用下式计算单位钻孔的吸水量：

q = Q / H

式中：q——单位钻孔吸水量，L／(min?m)；

      Q——压水最大压力时的流量，L／min；

      H——注浆段高，m。

通常认为注浆孔段的吸水量q小于7L／(min?m)时，用单液水泥浆或粘土水泥浆是经济的。如q大于该值，则应采用水泥—水玻璃双液注浆。

注浆孔注浆之后，可再作压水试验。注浆前后试验所得吸水量资料，是检验注浆效果的一个依据。

3．注浆方式及注浆作业

注浆孔的钻进工作与注浆工作，通常采取分组施工作业。如前图2—4所示的施工实例，就是先施工偶数号的3个孔，其中最先注的孔，可兼作注浆质量的中检和终捡孔。采取这样间隔孔交替施工，开展渐进检查的方法，能合理使用注浆设备并及时调整注浆参数。

我国常用的地面预注浆方案，沿地层深度分段施工的顺序有以下三种方式：

1)分段下行式

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，然后再由下而上进行复注。它的优点是由于上段先注好浆，有效地控制了下段注浆时的浆液上冒。缺点是钻孔工作量大、交替作业工期长。在岩石破碎、裂隙发育、孔壁不易设止浆塞的岩层和涌水大、厚度大于40m的含水层中施工，较为适用。

2)分段上行式

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。它的优点是无重复钻孔，能加快施工速度。实现这种方式注浆的基本要求是止浆塞工作可靠。该方式适用于注浆深度不大于200m，比较稳定的裂隙岩层。

3)一次全深注浆方式

注浆孔一次钻到注浆终深，然后对全深进行一次注浆。这种注浆方式施工简单、工期较短。但由于段高大，浆液扩散不均匀，并且要求供浆的能力较大。在埋藏较浅、裂隙比较均匀的含水层内，采用一次全段注浆为好。

止浆塞是封隔注浆钻孔，实现分段注浆的关键装置。良好的止浆塞应保证在10MPa以上的注浆压力作用下正常工作，并止浆可靠。    

我国目前使用的止浆塞，根据其结构及作用原理，有机械式和水力膨胀式两种。其中机械式的较为简单、可靠，为现场所用。

三爪式止浆塞下托盘的短管下端装有三个能作径向收拢和张开的爪块。张开后的三个爪块插入孔壁围岩，作为支点，如对注浆钻杆加压，即可实现胶塞的横向膨胀达到止浆目的。在某些情况下，如在完整、坚硬的岩石中，爪块不易插进孔壁，在软岩中，爪块又可能破坏孔壁，而影响注浆效果，这时可直接利用下托盘支撑在钻孔变径处的台阶上实现止浆，即成为异径式止浆塞。变径台阶应选在已注浆的段内，才能收到良好止浆效果。双管式止浆塞，其外管固定于孔口并撑住上托盘形成支架，用上提内管的办法挤压止浆胶塞，达到封隔钻孔的目的。内管和外管可用以输送不同的两种浆液。两液在止浆塞下口处混合，形成双液注浆。这种结构适用于速凝浆液的灌注，因为双液一经混合，即可进入岩体裂隙，发生凝胶作用。当然内、外管也可输送同一种浆液，进行单液注浆。

水泥单液和水泥—水玻璃双液注浆，为我国煤矿常用的注浆技术。水泥—水玻璃双液浆，具有可控制凝结时间、结石率高和早期强度增长快的特点。

水泥—水玻璃双液注浆，必须准确控制浆液浓度并保证两液按比例混合。注浆初期，孔的吸浆量大，应利用双液浆凝胶时间的可控制性和结石率高的特点，控制浆液的扩散范围，达到减少材科消耗和提高堵水效果的目的。随着注浆的进行，注浆孔的吸浆率下降。注浆后期，可采用单液水泥浆，以确保裂隙充堵的效果。

在裂隙岩层中先注浆孔段的吸浆量大，后注的较小。这是因为，先注孔的浆液扩散到了后注孔的渗透范围之内所造成的。这种现象在裂隙发育的岩层最为显著。

在注浆过程中要定时观测、记录注浆压力和注浆量，并绘制出T—P—Q(时间—压力—注入量)曲线。

4．适用条件    

地面预注浆的主要优点是：在地面制备和压注浆液，作业条件好；可采用大型钻机和注浆设备，可提高钻孔速度和注浆效率；注浆工作在准备期进行，有利于缩短建井工期。其缺点是钻孔工作量大，尤其是分段下行注浆更为突出。国外有些矿井分段下行注浆的重复钻进的时间，占总钻进时间的80％，导致成本提高。

一般认为，当裂隙含水层厚度较大，距地面的深度不超过500m，或层厚虽小、而层数较多，采用地面预注浆比较适宜。近年来，在浅表土的流砂层中，注入化学浆液进行渗透固结堵水的已有一些成功的工程。当表土层小于50m、流砂层厚度小于15m，用化学注浆是可行的。苏联有人认为，单从含水层赋存深度考虑，当埋深大于600m时，应采用工作面预注浆。当受注岩层既埋藏得深、又相距甚远，采用工作面预注浆方案更是可行而且合理的。

二、井筒工作面预注浆

井筒工作面预注浆是在井筒掘至含水层之前，暂停掘进工作，利用含水层上部的不透水层作为防护“岩帽”，或修筑止浆垫，然后从工作面打钻、注浆、封堵含水层涌水，再继续进行井筒掘砌的施工方法。

井筒工作面预注浆的基本工艺过程和地面预注浆基本相同。不同的只是将注浆作业的主要程序由地面移至井下，并增加了止浆“岩帽”或止浆垫。

1、止浆“岩帽”

当含水层顶板具有足够厚度的致密不透水层，或有坚硬的预注浆带时，应尽量采用预留止浆“岩帽”的方案。因为止浆“岩帽”省工料，而且简单易行。我国注浆实际所采用的“岩帽”厚度，一般为2—7m。英国预留“岩帽”的厚度，为6—12m。

2、止浆垫

当无止浆“岩帽”可利用时，应修筑止浆垫。止浆垫的作用在于封闭含水层涌水，防止注浆时浆液从含水层涌入井内。止浆垫一般为整体浇筑的混凝土结构，其形式主要有单级球面型和单级平底型两种。

3、注浆孔布置与注浆段高

立井工作面预注浆的注浆孔的孔口布置在井筒净径以内。为了使注浆孔穿过更多的裂隙，以求在井筒以外形成一定厚度的注浆壁，注浆孔可以打成径向斜孔，或同时具有两个方向倾斜的双斜钻孔。

注浆段高应根据受注岩层产状及注浆孔状况等因素确定。斜孔注浆，一般段高为30—50m，直孔注浆可取大些。

三、隧道工作面预注浆

隧道施工的围岩封水的预注浆技术应用日渐广泛。日本联接本州与北海道的青函隧道穿越海底23.30km，涌水量很大，每分钟达16—19m3。采用超前工作面50—70m区段内施行预注浆，其注浆范围一般为断面轮廓大小的3倍，贯通点为5—6倍，如图2—17所示。注浆初期用水泥浆液，为了缩短凝胶时间加快掘进速度，后期改用水泥—水玻璃双液注浆。

对于小规模的巷道围岩注浆，其工艺一般分为钻孔，插进注入器和钻孔密封器，注入配料和固化粘合四个工序：

1．钻孔；2．插进注入器和钻孔密封器；3．注入浆液；4．固化粘合。

近年来有些国家应用了药卷法注浆技术。所谓药卷法注浆是把参加反应的浆液按一定配比分装在两个直径不同的塑料软管内，装入钻孔内，为使浆液充分混合，选用一种矩形断面的硬木棍，将其安在煤电钻上，插入钻孔后旋转，药卷破裂，浆液混合。孔口封闭后，浆液反应发泡膨胀，使浆液充满钻孔并挤入围岩裂隙内，产生粘结锚固作用。

四、注浆工艺革新与发展

 (一)预处理注浆技术

在吸浆量小的孔段(一般指钻孔吸水率＜3L／(min?m)，为了增加浆液注入量，近年来，一些矿山，如九龙口矿北风井，开滦钱家营矿副井和广东的黄槐立井，均应用预处理技术取得了良好的注浆效果。这种方法是在压水试验以后，正式注浆之前，先向孔内压注稀释的浆液，如稀释的水玻璃、铬木素、苛性钠或15—25％的稀盐酸溶液。稀释的水玻璃浓度应小于30 oBe(一般注浆用水玻璃浓度为30一45oBe)。

预处理注浆的作用是：

(1)、润滑裂隙面、减少浆液在裂隙中扩散的阻力；

(2)、冲开一些压水试验时所不能冲开的细小裂隙、以疏通浆液通道。

经预处理注浆后，正式注浆时的浆液注入量得到明显的增加。

预处理注浆技术应依照“压水—注入稀水玻璃—再压水—注浆”的作业程序进行。其中，压水是指压水试验，再压水是指注完稀水玻璃以后压入一定量的水的作业过程。其目的是防止由于水玻璃扩散距离小，改注水泥浆后两液在钻孔附近相遇，混合产生凝胶而达不到增加浆液注入量的效果。

(二)爆破注浆技术

爆破注浆是在注浆孔内，按一定方向装入带有凹槽的炸药卷，引爆后使岩层形成一定方向的网状裂隙，并与原有裂隙沟通，以增大浆液扩散半径、提高堵水效果，实现少孔注浆。它适用于裂隙不发育，而又有足够强度(>20MPa)的脆性岩石。采用爆破注浆技术，当井筒直径为3—4m时，可实现单孔注浆。当直径大于4m时，可采用3孔爆破注浆。

(三)综合注浆法和定向钻进技术

所谓综合注浆法是一种严格按一定顺序和作业程序完成以下从岩层地质调查、注浆工程设计、设备选择、确定浆液材料及施工和注浆效果监测等一整套工作内容的注浆技术。在注浆材料方面，如在裂隙含水岩层中注浆，则要求注入专门配制的高效粘土水泥浆。高效粘土水泥浆的成分为：高岭土23—26％，硅酸盐水泥10—12％，水玻璃1.2％及工业用水等。浆液中的粘土成分使注浆材料具有可塑性，凿井放炮受震时不开裂，而水泥则保证浆液的强度性能。该浆液具有较高的触变性，易于管路输送，并能渗入细小裂隙。

    综合注浆法的注浆工艺是通过倾斜定向钻孔，采用自上而下压入式注浆工艺。由于定向钻进，地面孔口的位置可以选择，从而使钻孔位置能避开立井施工的地面设备和建筑物。所以定向钻孔注浆可以与地面建筑物及井筒施工平行作业，由此可大量缩短建井工期。据对10个使用定向钻孔注浆井筒的统计，其井筒施工工期平均缩短20.5％，全矿井建设工期缩短9.9％。

    (四)高压喷射注浆技术

高压喷射注浆法首先由日本试验发展起来。目前出现多种工作原理基本相同的方法，有地层超级稳定控制法(SSS—MAN)、旋喷桩法(CCP)，和喷射注浆法(JG)。这些方法适于粘土和砂土层的条件下，改良地基，加固基础。目前加固体的直径可由0.3m扩至2—4m，深度达75m。

其原理是利用钻机在受注地层内钻孔，待钻至预定深度后，钻杆边提升，边旋转(或边下钻，边旋转)，通过钻杆端部特殊喷射装置喷出高压水(泵压30—60MPa)和压缩空气以切割地层。此时凭借气升作用和泥浆的循环作用将切削下的泥渣排出地面。然后再通过钻杆经喷嘴，将浆液喷射到切削出的地下空间，遂凝固形成圆柱状的桩体。或者将切割与喷浆结合起来，直接用高压浆液射流切割、搅拌地层以形成改良体。这种方法泥浆不需排出地面。

SSS—MAN法采用地下自动扫描系统，可在施工中测定、分析和监测地下切削形成空间的形状和尺寸，保证了结合体的质量。同时，它把切削距离扩大至2—4m。

高压射流注浆法具有施工速度快、成本低、使用范用广的特点。它已在日本、意大利、巴西、朝鲜及我国得到应用。

第三节   注浆材料

正确选择浆液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。

一种理想的注浆材料应该是：粘度低、流动性好；具有可调节控制的凝胶时间；结石率高、强度大、抗渗透性强；稳定性好；价格低廉、来源富足，并且是不污染环境、对人体无害的物质。

一、水泥浆液

注浆常用的水泥品种有普通硅酸盐水泥(普通水泥)和矿渣硅酸盐水泥。水泥为颗粒性材料，水泥浆属悬浊液。而近年来出现的细水泥浆，可在粒径为0.2mm的中砂和裂隙宽为0.1mm的岩层中使用。

(一)硬化原理

普通水泥的主要成分是约占40—60％的硅酸三钙3CaO·SiO2(C3S)，硅酸二钙2CaO·SiO2(C2S)，铝酸三钙3 CaO·Al2O3(C3A)，和铁铝酸四钙4CaO·Al2O3·Fe2O3(C4AF)。水泥中加入水后，形成塑性浆体，并渐稠且增长强度，最后形成坚实的结石体。硬化过程，水泥主要成分发生如下反应：

1)硅酸三钙和硅酸二钙与水作用，水解生成水化硅酸钙(或称雪硅钙石)凝胶和氢氧化钙。即是：

2(3CaO·SiO2)十6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O十3Ca(OH)2

                  水化硅酸钙(雪硅钙石)

2(2CaO·SiO2)十4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O十Ca(OH)2

                        水化硅酸钙(雪硅钙石)

雪硅钙石呈针状，并逐渐增大形成凝胶及硬化。这是使水泥浆增长强度的主要反应。

2)铝酸三钙与水迅速反应，生成水化铝酸钙，并析出结晶。其反应如：

3CaO·Al2O3十6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O

生成结晶嵌入凝胶体，也使水泥产生结石强度。

3)铁铝酸四钙水化反应，生成水化铁酸钙。

水泥浆的硬化过程分为三个时期：溶解期、胶化期和结晶硬化期。在溶解期水泥颗粒遇水发生上述化学反应，开始在颗粒表面进行，逐渐溶入水中使周围水溶液很快达到饱和。胶化期或凝结期，凝胶体形成，使水泥浆具有良好塑性。此时化学反应继续进行，凝胶体逐渐变稠、凝结。结晶硬化期，由凝胶体脱水，而致密，水化铝酸钙和氢氧化钙结晶嵌入凝胶体，胶体状态遂变成稳定结晶状态。

(二)水泥浆液改性与添加剂

纯水泥浆是纯粹由水泥和水调制而成的浆液。作为注浆材料使用的水泥与其他施工用水泥，在性能要求及使用方法上不同。水泥浆的浓度通常用水灰比表示。注浆使用的水灰比变化范围为0.5—2.0，既要保证强度，又使注浆泵能方便压送。水灰比的变化，明显影响水泥浆的性能、指标。

水泥浆液的优点是结石体强度高、透水性低、材料源广价廉，以及注浆设备和工艺操作均较简单等。但其可注性和稳定性较差、凝固时间长、而且凝固时间难以控制等缺点，局限了它的使用范围。为此，通常在水泥浆中加入添加剂，以改善水泥浆的性能。

1．硅粉或其它燃料灰

硅粉是从生产硅铁或其他硅金属工厂排出的废气中，回收到的一种副产品，它是以无定形氧化硅SiO2为主要成分的超细颗粒组成。目前硅粉已添加于混凝土和水泥浆液，应用于建筑和注浆工程。

硅粉呈灰色，其松散密度为200—300kg/m3，只为普通硅酸盐水泥的1/6—1/4。硅粉呈球形颗粒，比表面积约为20m3/g，相当于普通硅酸盐水泥的50—70倍。颗粒平均粒径0.1μm，相当于硅酸盐水泥的1/100。

硅粉在水泥浆中的作用是：

1)硅粉有很高的细度，加入水泥浆中，可减少水泥颗粒之间的摩擦力，起到活化作用，利于浆液在岩层裂隙中扩散；

2)硅粉含有大量氧化硅SiO2，与水混合后，立即与水泥中硅酸三钙和硅酸钙水化产生的氢氧化钙进行“二次水化”反应，生成水化硅酸钙凝胶，使水泥浆得到早强和高强。反应式如：

3Ca(OH)2十2SiO2→2CaO·2SiO2·3H2O

3)硅粉的细微颗粒能很好地填充在水泥颗粒之间，使注浆结石体密实度大为提高，从而结石体的抗渗性得到加强。

其它类型的燃料灰(简称pfa)也已用于建筑及注浆施工，以减少水泥消耗、降低工程成本。

2．氯化钙、水玻璃

在水泥浆中加入氯化钙Cacl2或水玻璃Na2O·nSiO2，可以缩短水泥的凝固时间。施工中，常在单液水泥浆中加入占水泥重5％以下的氯化钙或3％以下的水玻璃作速凝剂。

3．三乙醇胺与氯化钠

水泥浆的速凝和早强性质对控制扩散范围、缩短工期、提高堵水效果起重要作用。三乙醇胺与氯化钠是一种良好的附加剂。三乙醇胺与氯化钠的最佳用量，分别为水泥重的0.05％和0.5％

4、膨润土、高塑粘土

为了避免水泥颗粒在停止搅拌后出现沉析现象和降低水泥浆粘度，增加流动性，通常在水泥浆中加入塑化、悬浮剂。悬浮剂有膨润土和高塑粘土，塑化剂常用的如硫酸盐纸浆废液等，可增加浆液的可注性。

根据施工的目的，有时在单液水泥浆中，加入一定量的粘土。当粘土用量占水泥量的10％以至50％时，该浆液称作水泥—粘土浆液。这种浆液成本低，流动性与稳定性好，结石率高。由于粘土的加入，浆液的强度下降。为此，水泥—粘土浆液较适用于孔洞充填注浆。

二、水泥—水玻璃浆液

(一)反应机理

水泥—水玻璃浆液或称CS(Cement—Sodium silicate)浆液。前已述及，水泥的凝结和硬化，主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的。在硅酸三钙水化过程中，产生氢氧化钙。加入水玻璃后，氢氧化钙与水玻璃反应生成具有一定强度的凝胶体——水化硅酸钙。其反应式如：

     Ca(OH)2十Na2O·nSiO2十mH2O→CaO·nSiO2·mH2O↓十2NaOH

随着氢氧化钙的逐渐生成，氢氧化钙与水玻璃之间的反应连续进行。胶质体越来越多，强度亦随之增高。CS浆液的初期强度为水玻璃与氢氧化钙反应起主要作用，后期为水泥本身的水化作用。

（二）浆液组成

    CS浆液主要由水泥与水玻璃组成。但为了适应不同地质条件，有时加入其他添加剂。

    模数和浓度是控制水玻璃浆液的两个重要参数。模数M定义为二氧化硅和氧化钠的物质量之比，即：

M =  SiO2 mol / Na2O mol

    模数大小对注浆影响很大，模数小，二氧化硅含量低，凝胶慢并且结石体强度低，而模数大则反之。一般注浆要求的模数M = 2.4—3.4较为适宜。

    在工业应用上水玻璃的浓度，通常用波美度oBe表示。一般注浆用30—45oBe。

    CS双液注浆中，水泥一般用425号或525号普通硅酸盐水泥或矿渣水泥。水泥浆的水灰比为0.5—2.0。水玻璃与水泥浆的体积比为0.5：l到1：1。

三、水玻璃类浆液

水玻璃是水溶性的碱金属硅酸盐。以水玻璃为主剂的注浆法，国际上也称为LW法。在水玻璃中加入酸、酸性盐及一些有机化合物，均能在体系中产生硅酸。硅酸成胶体状态，其硅—氧键形成稳定的三元网状结构，这是水玻璃凝胶的基本原理之一。这条原理的化学反应式，可归纳为：

Na2O·nSiO2十2H+→2Na+十nSiO2十H2O

即是，凡酸性物质都可将硅酸SiO2从水玻璃中分离出来。例如酸性磷酸钠和水玻璃的反应作用：

Na2O·nSiO2十2NaH2PO4→2SiO2十2Na2HPO4十H2O

此外，多价金属离子的凝集作用，也是水玻璃类浆液起凝胶、固结作用的另一原理。

由于水玻璃来源丰富、价格低廉，所以该浆液是一种品种多，有实用价值的注浆材料。其突出优点是不污染环境。日本为了保护环境曾规定，在采用化学注浆时，只能使用水玻璃系浆液。

水玻璃类浆液凝胶时间短，结石体强度高，因此应用十分广泛。

四、丙烯酰胺系

此系浆液是以有机化合物丙烯酰胺为主剂的化学浆液。此类浆液粘度小，近似于水，并可准确地调节凝胶时间。浆液以丙烯酰胺为主剂，配合其他药剂，以水溶液状态注入地层后，发生聚合反应，形成具有弹性的、不溶于水的聚合体。

五、聚氨酯类浆液

聚氨酯是一种用途广泛的塑料，它既可作成发泡材料使用，又可形成坚硬且具有弹性的材料。聚氨酯是由多异氰酸酯和多元醇聚合生成的。如果加入一定量的水，则可制成发泡聚氨酯。

我国生产的聚氨酯类浆液分为非水溶性聚氨酯浆液(PM型)和水溶性浆液(WPU型)．两种浆液的主要区别是选用的聚醚不同。非水溶性聚氨酯遇水开始反应，并发泡膨胀，发生2次渗透，扩散均匀。固砂体的抗压强度，可达6—10MPa，采用单液系统注浆。水溶性聚氨酯以环氧乙烷为开始剂。浆液能均匀地分散或溶解在大量水中，凝胶后形成包有大量水的弹性体。包水凝胶体的含水量，可多至浆液自重的20倍。WPU浆液和水反应迅速，不加催化剂在几十秒至几分钟内就能全部凝胶。凝胶时间和它的浓度、温度和催化剂、缓凝剂、pH值等有关。在堵大涌水或制止严重跑浆时，需要加速凝胶；而当进行基础加固注浆，需延长凝胶时间，增大扩散范围时，应加缓凝剂。

WPU浆液具有丙烯酰胺浆液的特点，可加入大量的水，浆液粘度低，渗透力和生成的包水体抗渗性强。WPU凝胶比丙烯酰胺凝胶更强韧，且富弹性，施工更简便，但价格昂贵。

六、铬木素类浆液

该类浆液以亚硫酸盐纸浆废液为主剂，以重铬酸盐，如重铬酸钠Na2Cr2O7为硬化剂，配以少量促凝剂组成。这种浆液粘度低，注入性好，可控制凝胶时间，凝胶体稳定、抗渗性能强。浆材来源丰富，价格低廉。但重铬酸钠是一种毒品，存在6价铬离子污染地下水问题。另外，其结石体强度较低，因而它的应用受到一定的限制。

七、脲醛树脂类浆液

脲醛树脂是甲醛和脲素的凝结物。因其来源于工业生产，价格低，而且固结体强度较高，近年来使用量增加，在前苏联与美国得以应用。研究认为，脲醛树脂凝固成为不熔化也不溶解的物质，其过程分为三个阶段。第一阶段，树脂溶于水，呈粘液体。第二阶段变为松软岩性体时，含水40—50％。在这种状态下树脂部分溶于水、乙醇、甲醇或甘油中。第三阶段，树脂变成坚硬的、不熔化和不溶解物质，同时析出20—25％的水。脲醛树脂已成为重要的高分子注浆材料之一。

八、浆液材料的改性与创新

注浆材料从19世纪初的原始材料到当今的有机高分子化合物浆液，前后经历了180多年的历史，发展了近百种浆液材料。各种浆液在砂土层中有其各自的适用范围。虽然化学浆液较之水泥浆液更理想，并扩大了注浆法的应用范围。但无论国内或国外，化学浆液都比水泥浆液成本高、货源少。而且水泥浆液无污染、强度高。煤矿建设的注浆工程，大多数为基岩裂隙注浆，所以水泥仍然是注浆工程的主要材料。因此，研究并改善单液水泥浆，其中包括水泥粘土浆性能是发展注浆材料的重要课题。

水泥浆主要缺点之一是颗粒问题，因为颗粒大，难以注入细小裂隙和孔隙。针对此问题，应研究超细水泥和寻找新的水泥添加剂，以增加水泥浆的可注性。水泥浆的另一缺点是凝固时间长、凝固时间难以准确控制。目前，控制凝固时间，探求不析水、不沉淀、结石率高的水泥浆正取得进展。

化学浆液方面，目前世界各国正在大力研究可注性好、强度大、价廉源广、不污染环境的注浆材料。水玻璃系是没有污染的浆液，是配制新浆液的方向。

改善已有化学浆液性能是不可忽视的研究工作。如聚氨酯浆液配制，应克服异氰酸酯蒸汽或其气溶胶，引起人们类似哮喘、呼吸困难的症状。铬木素浆液的消铬研究，寻求新的无毒固化剂代替重铬酸钠。消除脲醛树脂中甲醛的刺激性气味等研究，都是十分有意义的研究课题。

注浆工程的工期及成本与注浆施工方法、选用的浆液材料、岩层状况、注浆深度、以及施工人员的技术熟练程度均有关系。考察注浆效果不仅要从岩土层堵水、加固结果检查，而工期及成本也是注浆效果优劣的重要衡量标准。

第四节   注浆工期与成本分析

一、注浆工期

工作面预注浆的工期主要包括钻孔、注浆和辅助作业三个工期。注浆时间只占总工期的8—14％，打钻与其他辅助作业两者占总工期80％以上。因此缩短钻孔和辅助作业时间是提高工作面预注浆工程速度的主要方面。可见，由于钻注速度快，整个注浆工期就短。

二、成本分析

注浆工程成本主要包括钻注浆孔费用和注浆费用。这两部分费用都与注浆孔的间距密切相关。

钻孔的成本是随着孔间距的加大而降低，注浆费用则随着孔距的加大而提高。因此，必须计算出最合适的注浆孔间距使总成本达到最低。

目前浆液的种类很多，对于同一地层，不同品种浆液应有不同值的最佳钻孔距离。树脂浆液比水泥浆贵，用树脂浆液，工程的主要费用是注浆成本。在这种情况下，如果采取大的钻孔间距，势必要求增大浆液扩散半径，将导致工程成本的急剧增加。为此，一般说用化学浆液改良岩土时，采用减少注浆孔数目，增大钻孔间距的办法是不恰当的。而用水泥浆、水泥—粘土浆液或水泥—水玻璃浆液，在较大的裂隙中注浆，则有减少钻孔数目的趋势。说明由于浆液材料价格的差别，选用浆材的不同，可能导致施工方案的改变。工程技术人员了解浆材价格，对正确选择方案，精确设计和掌握施工都是十分有帮助的。

从浆液材料的比价状况看，水泥浆液是目前注浆的基础材料，当大空洞需要充填时，应采用水泥—膨润土浆液。昂贵的化学浆液，只有在水泥浆不能使用的细裂隙才好使用。国内、外由于化学工业发展程度的差别，国外化学浆液与水泥浆的比价要比国内小的多。