馬 銀 趙興東 姬 祥 徐繼濤 崔喜旺

(1.中國華冶科工集團有限公司;2.東北大學 井巷與地壓控制研究中心)

思山嶺鐵礦深井工作面預注漿技術*

馬 銀1趙興東2姬 祥2徐繼濤2崔喜旺1

(1.中國華冶科工集團有限公司;2.東北大學 井巷與地壓控制研究中心)

思山嶺鐵礦副井具有斷面大、井筒深、水文地質條件復雜等特點。當井筒開挖至第五含水層(-576.55～-602.55 m)時，通過對豎井水文地質條件分析，選取合理的注漿參數(shù)及注漿材料對含水層進行超前注漿堵水，取得了良好的效果。工作面預注漿保證了豎井順利通過含水層，加快了施工進度，同時也確保了施工的質量與安全，對相似水文地質條件的豎井開挖作業(yè)具有很好的參考價值。

深豎井 預注漿 注漿壓力 注漿擴散半徑 注漿量

立井工作面注漿是在豎井開鑿施工中遇到或將要遇到含水層涌水時，為了堵水和加固巖土而不影響施工進程，在施工工作面進行打鉆、注漿、封堵含水層涌水的注漿施工方法[1]。思山嶺鐵礦副井井口標高為+215.2 m，井底標高為-1 288.7 m (含600 mm厚封底)，井筒深1 503.9 m，凈直徑為10 m。井壁襯砌混凝土的強度等級：標高-585 m以上為C30，-585 m以下為C40。正常巖層段采用600 mm厚的素混凝土澆筑一次支護；-585～-665 m的不良巖層段采用錨網(wǎng)一次支護，并聯(lián)合600 mm厚的素混凝土二次支護。當SJ1副井工程掘進至井筒標高-553.5 m處時，工作面距第五含水層(-576.55～-602.55 m)23.05 m。在短探孔施工過程中出現(xiàn)了少量涌水且有不斷遞增的趨勢，與工勘報告的水文地質資料相差較大。另外，井筒標高-461.8 m以下井壁淋水較突出(已經(jīng)采用壁后注漿處理)。因此，若要強行穿過該含水層，施工難度太大且不安全。綜合考慮第五含水層和井壁淋水對豎井施工安全的影響，決定進行工作面長探預注漿。

1 地質概況

1.1 工程地質

SJ1豎井-563～-589.28 m段地層為石英砂巖,灰白色，砂狀結構，塊狀構造，主要礦物成分是石英，其RQD值為94%;巖體裂隙為3～5條/m，其中-586～-587.6 m段巖石破碎，呈碎塊狀-塊狀，裂面見碳酸鈣質礦物。-589.28～-612.55 m段地層是混合花崗巖,淺肉紅色～淺灰色，花崗變晶結構，塊狀構造，主要礦物成分是石英、長石、云母，長石以鉀長石為主，其次是綠泥石、黑云母等;巖石完整，呈柱狀和短柱狀，其RQD值為93%，巖體裂隙為3～5條/m;-600.58～-602.08 m段巖石破碎，呈碎塊狀-塊狀，裂面角度直立，見暗色礦物。

1.2 水文地質

區(qū)內地下水補給有2個方面:一是大氣降水的滲入補給，第四系松散層和基巖風化帶接受大氣降水的補給后，成為深部基巖裂隙水;二是礦區(qū)東北部地下基巖裂隙水的側向徑流補給，但受地層巖性的控制，破碎帶厚度較小,裂隙發(fā)育程度有限，側向滲入補給量較小。

雖然井筒-461.8 m以下井壁淋水情況比較嚴重(最高可達52.38 m3/h)，但是對-461.8～-550 m 成井段壁后注漿后，井壁淋水明顯減少。-553.5 m 水平(現(xiàn)在施工標高)井筒涌水量為4.95 m3/h，估計第五含水層的涌水量為17.23 m3/h。

2 工作面預注漿方案設計

2.1 注漿段高

工作面長探預注漿預計在井筒-563～-612.55 m，段高49.55 m。由于第五含水層標高為-576.55～-602.55 m，所以長探預注漿段將超過含水層10 m。

2.2 注漿孔布置

工作面長探預注漿孔布置在半徑為5.3 m的圓周上，距離豎井荒徑0.3 m左右。24個長探孔均勻布置，大部分鉆孔向外傾斜1°～3°，其中1#～6#孔的外傾角為15°～20°，這是為了加強對下部-600 m 水平馬頭門施工段的勘探和注漿堵水效果。另外，在井筒中間部位打4個垂直檢查孔，深50 m。工作面預注漿孔共計28個，初步設計總進尺為1 400 m 左右。副井工作面注漿孔布置見圖1。

圖1 副井工作面注漿孔布置

2.3 止?jié){墊設計和孔口管預埋

工作面接近第五含水層時，計劃在標高-563 m水平處(距含水層13.55 m)對含水層進行超前注漿加固、堵水。預留13.55 m厚的隔水層巖帽作為止?jié){墊。同時在-563 m水平工作面澆筑300 mm厚的混凝土墊層找平地面，以形成平坦的注漿工作面，便于固定鉆機和孔口管。

利用Q100型潛孔鉆機配套φ133 mm鉆頭，按設計位置和角度打4.5 m注漿孔。成孔后埋設孔口管，可以有效防止注漿孔口塌落和返漿，并承受注漿孔頂部的壓力以避免井壁表面劈裂。使用φ108 mm×6 mm無縫鋼管制作孔口管，長5 m，一端焊接高壓法蘭盤。在預制孔口管的馬牙扣處纏麻，麻要沾滿鉛油，并用大錘砸入注漿孔內，管子外露50～70 mm?？卓诠馨惭b好后，注入適量單液漿或雙液漿固定好孔口管，最后安裝盲板、悶蓋[2]。

2.4 注漿參數(shù)確定

2.4.1 注漿壓力

注漿壓力的大小不僅與裂隙寬度、地層的附加載荷等工程地質條件有關，而且還取決于注漿深度、注漿速度、注漿量等因素[3]。施工選定2～2.5倍靜水壓力作為注漿壓力，前期的大裂縫灌漿封堵取低值，后期的小裂縫灌漿密封取高值。注漿終壓最終確定為12～ 15 MPa。

2.4.2 注漿擴散半徑

現(xiàn)場施工時，為了保證注漿的實際有效擴散半徑不小于6 m，可以調整漿液的膠凝速度、滲透性和注漿終壓。

2.4.3 單孔注漿量

根據(jù)《簡明建井工程手冊》，單孔注漿量可按照下式計算：

Q=AπR2Hnβ/m ,

(1)

式中，Q為單孔注漿量,m3；A為漿液超擴散損失系數(shù)，基巖段取1.35；R為漿液有效擴散半徑6～8 m，取7 m；H為注漿段高,實際段高取50 m；m為漿液結實率，取0.85～0.95；β為漿液充填系數(shù)，取0.9；n為巖體平均裂隙率，根據(jù)實際，取3%。

通過實際資料統(tǒng)計和以往的經(jīng)驗計算,該預注漿段單孔注漿量Q=328.88 m3。

2.5 注漿材料

注漿材料選用新鮮無結塊的P.O42.5普通硅酸鹽水泥和水玻璃。工作面預注漿以單液水泥漿為主，固定孔口管、漏漿嚴重或裂隙跑漿時，采用水泥-水玻璃雙液注漿。

漿液濃度對工作面預注漿的效果影響很大。稀漿容易注入且擴散距離大，但結石率低，凝固時間長；濃漿則相反。所以注漿前要對漿液進行膠凝時間地面配置試驗，為井下注漿濃度的調控提供指導依據(jù)。

2.6 主要施工設備

為提高鑿孔作業(yè)效率，共投入4臺Q100型潛孔鉆機，3臺同時作業(yè)，1臺備用。采用3臺GPB-60/20型高壓大流量注漿泵(一臺備用)，在不串漿的情況下，2臺泵同時作業(yè)，吸漿量可達60 L/min，注漿壓力可達20 MPa。

2.7 注漿順序及施工

注漿孔分兩序間隔施工，單、雙數(shù)孔數(shù)目相同，交叉布置。鉆孔沿同一方向，先施工單數(shù)編號孔，雙數(shù)編號孔作為檢查孔。雙數(shù)孔若未探到水，注漿終止；若探到水，繼續(xù)注漿，中間的4個孔作為檢查孔。鉆一孔，注一孔。周邊的24個注漿孔均斜插鉆進，可以確保鉆孔穿過縱向裂隙。

孔口管用漿液固定好后養(yǎng)護24 h，然后對其進行掃孔,并做壓水試驗，以檢查孔口管固結質量，符合要求后才能向下鉆進注漿孔。若壓水過程中出現(xiàn)問題，則重新用雙液漿固定孔口管，直至壓水不漏水為止。掃孔和向下鉆進時采用φ73 mm鉆頭，鉆進過程中若涌水量超過5 m3/h時，應立即停止鉆進而改為注漿；若出水量不大，則鉆孔一次達到設計深度，然后再對該孔注漿。另外，鉆孔時要在孔口管法蘭盤上安裝高壓球閥和防噴裝置，防止突然出大水,造成淹井事故。

2.8 注漿結束標準

(1)注漿壓力、注漿量達到設計要求。最終注入速度為35 L/min，注漿壓力和速度穩(wěn)定時間不小于20 min。

(2)每個長探孔孔深達到方案設計深度。

(3)井筒中間4個檢查孔無涌水或涌水量很小。

3 施工注意事項

3.1 注漿前后的壓水試驗

注漿前必須做壓水試驗。一是檢驗注漿設備和注漿管路是否處于良好工作狀態(tài)；二是根據(jù)壓水試驗合理調控注漿壓力。實際施工時，注漿泵向巖層裂隙注入清水，泵量由小到大，每檔注水6～10 min，注水時井下有專人觀察、記錄。

注漿結束后也應進行壓水試驗。一是將漿液從注漿設備和管路中推到鉆孔周邊巖石內，為復掃、復注提供條件；二是清洗注漿設備和管路(持續(xù)5～10 min)。

3.2 注漿濃度調控

施工時，注漿濃度本著先稀、后濃、再稀的原則進行調控注入。即注入一段時間后(約45 min)，若壓力不上升，吸漿量變化不大時，可逐漸加大漿液配比濃度；若壓力升高較快，吸漿量減小，可適當減小注漿濃度，以保證有足夠的注入量；若壓力下降，吸漿量增大時，要增加漿液濃度?？爝_到終壓時，適當調稀濃度。

3.3 其他方面

(1)根據(jù)注漿壓力及漿液注入量的情況，采用間隙式或復掃、復注的注漿方式。

(2)為了防止上部井壁淋水流入工作面而影響施工進程和質量，預先在井壁施工截水槽，將淋水引至吊盤水箱中，然后用水泵排至地面。

(3)孔口管要安裝注漿高壓球閥、四通和注漿悶蓋。中間的4個檢查孔上安裝泄壓高壓球閥和高壓壓力表，其余孔均用盲板密閉。

4 注漿效果

注漿施工43 d后，鉆鑿短探孔時出水量不再增加，甚至有逐漸減少的趨勢。在接下來的鑿井施工過程中也沒有出現(xiàn)大量涌水和突水，最終順利通過了第五含水層。同時工作面預注漿也使-600 m水平馬頭門的施工更加安全高效。

5 結 語

(1)注漿過程中根據(jù)水文地質條件、注漿量及注漿壓力等參數(shù)隨時調整漿液配比及注漿材料，可以很好地控制注漿過程，獲得預期的注漿質量。

(2)注漿施工中，若發(fā)現(xiàn)壓力驟然上升或吸漿量突然增大，應立即停止注漿；待查明原因并采取處理措施后，再恢復注漿。

(3)由于豎井地質條件存在不可預見性，且現(xiàn)場施工操作過程中存在一定的誤差，所以在實際施工中應根據(jù)現(xiàn)場情況及時調整工藝，經(jīng)驗和理論計算的數(shù)據(jù)僅作參考。

(4)總體來看，工作面預注漿仍是解決豎井開鑿通過基巖段含水層最合理有效、安全可靠的施工方式。

[1] 張永成,董書寧,盧相忠,等.礦井注漿施工手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2013.

[2] 梁祖軍.千米立井井筒工作面預注漿施工[J].建井技術，20009，30(4)：16-18.

[3] 張首明.最新建井工程技術操作標準規(guī)范實務全書[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

*國家自然科學基金資助項目(編號：51174044，51474052)；國家高技術研究發(fā)展計劃(863)項目(編號：2011AA060400)；2013年財政部施工新技術研究與開發(fā)資金項目(編號：2013[235]號)；2014年北京市科技計劃重大科技成果轉化落地培育項目(編號：Z141100003514012)；遼寧省教育廳人才項目(編號：LJQ2012024)；遼寧省人事廳人才項目(編號：2013921070)。

2015-07-06)

馬 銀(1965—)，男，教授級高級工程師，100176 北京市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)康定街1號。