翟會超，南世卿，胡巍巍

(河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計有限公司，河北唐山063000)

田興鐵礦靜水止?jié){墊治水技術(shù)研究

翟會超，南世卿，胡巍巍

(河北鋼鐵集團(tuán)礦山設(shè)計有限公司，河北唐山063000)

針對田興鐵礦3#主井工作面出水實(shí)際狀況及巖性特征，對“拋渣注漿”和“靜水止?jié){墊”兩種深水下注漿治水方案進(jìn)行分析，研究得出“靜水止?jié){墊”方案具有注漿工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)施簡單、施工管理容易、勞動強(qiáng)度低的特點(diǎn)。同時，根據(jù)力學(xué)平衡原理計算素水泥止?jié){墊厚度，以及注漿水泥、早強(qiáng)劑材料的消耗量。通過“靜水止?jié){墊”方案的實(shí)施，使出水量得到顯著控制，為加強(qiáng)止?jié){墊、工作面鉆孔注漿施工作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

靜水止?jié){墊;拋渣注漿;防治水;力學(xué)平衡;豎井掘砌

田興鐵礦礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水劃分為第四系松散巖類孔隙水組和基巖裂隙含水層。井建工程中3#主井設(shè)計井深670 m，井筒直徑5.6 m，凈斷面24.62 m2，在向下爆破掘砌施工過程中，受爆破震動和復(fù)雜裂隙地質(zhì)條件影響，出現(xiàn)217 m3/h的涌水，井筒內(nèi)水面迅速上漲。為治理3#主井井筒工作面涌水，確保井下的施工人員安全和設(shè)備免受損失，研究采取科學(xué)、合理的深水下注漿治水方案進(jìn)行注漿治水［1－4］，取得良好效果。

1 注漿方案比選

受爆破不良震動作用，裂隙擴(kuò)展形成導(dǎo)水通路，根據(jù)工作面出水實(shí)際情況，提出拆排水管路，提升吊盤，待水面上漲至靜水壓力位置，以保障井下作業(yè)人員安全和保護(hù)吊盤。同時，研究采取深水下注漿治水方案，主要有“拋渣注漿”和“靜水止?jié){墊”兩套技術(shù)方案［5－6］。

方案一“拋渣注漿”治水方案，該工藝特點(diǎn)是:先在井筒斷面均勻安置4個注漿管，然后再投放渣料，最后在注漿管內(nèi)進(jìn)行注漿，以形成一定厚度的混凝土止?jié){墊，待止?jié){墊養(yǎng)護(hù)好后再進(jìn)行排水和后續(xù)工作面注漿(見圖1a)。

方案二“靜水止?jié){墊”治水方案，該工藝特點(diǎn)是:待井內(nèi)涌水上漲至靜水位，僅安置1個注漿管，然后在注漿管內(nèi)直接注入水泥漿液，一邊注漿一邊提管，最終在水下形成素水泥止?jié){墊。待將素水泥止?jié){墊養(yǎng)護(hù)好后，進(jìn)行井筒排水，然后再在素水泥止?jié){墊上打加強(qiáng)止?jié){墊進(jìn)行注漿(見圖1b)。

從上可知，“拋渣注漿”和“靜水止?jié){墊”兩種技術(shù)方案根本原理一致，均需要待水面上漲至靜水壓力，“拋渣注漿”比“靜水止?jié){墊”注漿管多，雖無需再次打加強(qiáng)止?jié){墊，但施工過程操作繁瑣，且要求管理縝密?！办o水止?jié){墊”相比“拋渣注漿”，則具有注漿工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)施簡單、施工管理容易、勞動強(qiáng)度低的特點(diǎn)，即“兩簡一易一低”。因此，選擇更為符合礦井建設(shè)施工要求的“靜水止?jié){墊”方案進(jìn)行深水下注漿治水［7－8］。

圖1 深水注漿治水方案比選示意圖Fig.1 The schematic diagram of deep water grouting

2 靜水止?jié){墊方案

采用單液水泥漿施工制作靜水止?jié){墊，利用井筒內(nèi)吊盤懸吊穩(wěn)繩懸吊一路Φ25 mm高壓膠管，將其下放至工作面作為輸漿管路，采用42.5R普通硅酸鹽水泥配制漿液，用注漿泵向井下500 m處注漿輸送漿液施工素水泥止?jié){墊。封堵工作面出水后，向下排水至素水泥止?jié){墊上表面處，再制作C40混凝土加強(qiáng)止?jié){墊進(jìn)行工作面預(yù)注漿施工。

2.1 靜水止?jié){墊厚度計算

采用42.5R普通硅酸鹽水泥配制1∶1漿液注入井下形成素水泥止?jié){墊，該止?jié){墊的質(zhì)量直接影響治水效果。在水泥種類、井徑尺寸、注漿環(huán)境等一定條件下，止?jié){墊強(qiáng)度主要受厚度參數(shù)作用。素水泥止?jié){墊形成后，在井下主要受井筒內(nèi)水的浮力F、自重G、井壁摩擦力f和注漿壓力P綜合作用，若綜合作用能夠平衡，則止?jié){墊質(zhì)量可靠，否則不可靠［8－9］。

素水泥止?jié){墊受力平衡條件如下:

式中:G為素水泥止?jié){墊自重，G= γ水泥墊gπr2Bn;F為浮力，F(xiàn)=ρ水gπr2Bn;f為井壁摩擦力，f=2πrBnp0η;P為注漿壓力，P=p0πr2。

這里，γ水泥墊為水泥墊的體重，取1.5 t/m3;ρ水為水的密度，取1 t/m3;g取10 N/kg;r為井筒凈半徑，取2.8 m;p0為水壓，取5 MPa;η為摩擦系數(shù)，取0.443;Bn為素水泥止?jié){墊厚度，其值為:

將參數(shù)帶入式(2)計算得到素水泥止?jié){墊的厚度Bn為6.3 m，取安全系數(shù)為2，則止?jié){墊厚度Bn取值為13 m。

2.2 素水泥止?jié){墊施工技術(shù)

1)輸漿管路下放。用井筒內(nèi)吊盤懸吊穩(wěn)繩懸吊一路直徑Φ25 mm高壓膠管，并在輸漿管下端焊接一根6 m長的2寸花管，花管前端錐形，花眼直徑10 mm，眼距100 mm，長度0.3 m，每圈3個眼，并上下錯開。高壓膠管用管卡固定在大抓鋼絲繩上，固定管卡每10 m一個，每根高壓膠管連接處要留有余地(有0.2 m長彎曲度)，防止高壓膠管因自重下滑，使管路斷開。下放固定輸漿管路同時，在懸吊鋼絲繩上綁扎測繩測量下放深度?；ü芟路派疃瓤刂圃谇岸司喙ぷ髅婕s200 mm。

2)注漿泵站的設(shè)置。在地表井口附近搭建注漿棚，安設(shè)2臺天津聚能注漿泵，注漿泵最大壓力26 MPa，最大輸出流量300 L/min。同時，采用2臺1 m3的電動攪拌桶制備漿液，和設(shè)置3個1 m3容積的儲漿池。

3)制備漿液。本次靜水止?jié){墊施工采用水泥單液漿，漿液采用42.5R普通硅酸鹽水泥制作，水灰比為1∶1，同時加入早強(qiáng)劑，添加比例為水泥量的2%。制備漿液過程中，嚴(yán)禁使用失效結(jié)塊的水泥。

4)澆筑與排水。管子末端在澆筑前距工作面約200 mm，邊澆筑邊提升管子，并保持花管末端始終埋在水泥漿液中。水下澆筑必須連續(xù)施工，待止?jié){墊養(yǎng)護(hù)7 d，經(jīng)檢查止?jié){墊已凝固后，方可排出井內(nèi)積水(開始試排)，抽水期間每30 m進(jìn)行一次測水，如水位無變化便可正式排水。

5)施工工期。地表施工準(zhǔn)備及管路下放3 d，井內(nèi)灌注水泥漿1 d，養(yǎng)護(hù)7 d，排水5 d，合計工期16 d。

2.3 止?jié){墊水泥量

根據(jù)井筒斷面及澆注止?jié){墊厚度，約需灰漿量320 m3。依據(jù)試驗(yàn)漿液結(jié)石率計算，需水泥355 t，早強(qiáng)劑7.1 t。

3 注漿效果

通過“靜水止?jié){墊”方案的有效實(shí)施，素水泥漿液成功地在井筒深水內(nèi)凝結(jié)聚集，形成了強(qiáng)度可靠的素水泥止?jié){墊，將工作面涌水最大限度地封堵在外，同時在止?jié){墊厚度范圍內(nèi)有效地控制并維護(hù)井筒圍巖的穩(wěn)定性，最終治理了工作面的出水問題。

本項治理突水方案的順利實(shí)施表現(xiàn)在，首先使得工作面涌水量從217 m3/h降到了50 m3/h;其次，驗(yàn)證了力學(xué)平衡模型在此類涌水井筒的止?jié){墊厚度計算設(shè)計上的正確性;最后，為下一步施工加強(qiáng)止?jié){墊、開展工作面鉆孔注漿工作創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)論

1)田興鐵礦礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水劃分為第四系松散巖類孔隙水組和基巖裂隙含水層。在井筒掘砌施工中，受爆破震動影響裂隙擴(kuò)展形成引水通路，致使地下水上涌，給施工過程造成危害。

2)本文對比分析了“拋渣注漿”和“靜水止?jié){墊”兩種深水下注漿治水方案，研究得出“靜水止?jié){墊”方案相比之下具有“兩簡一易一低”的優(yōu)點(diǎn)，即注漿工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)施簡單、施工管理容易、勞動強(qiáng)度低。

3)根據(jù)力學(xué)平衡原理，計算得素水泥止?jié){墊厚度為13 m，并獲得注漿水泥、早強(qiáng)劑材料的消耗量。該止?jié){墊能夠安全、有效地抵制裂隙涌水。

4)通過“靜水止?jié){墊”方案的有效實(shí)施，井下涌水量由217 m3/h顯著降到50 m3/h，為后續(xù)加強(qiáng)止?jié){墊、工作面鉆孔注漿施工作業(yè)創(chuàng)造有利條件。

［1］Lisa Hernqvist，Christian Butrón，?sa Fransson，et al.A hard rock tunnel case study:Characterization of the water-bearing fracture system for tunnel grouting［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2012，30:132－144.

［2］Yang Chunlai，Wang Zongmin.Surface pre-grouting and freezing for shaft sinking in aquifer formations［J］.Mine Water and the Environment，2005，24(4):209－212.

［3］劉繼明.礦井涌水拋渣注漿封底治理技術(shù)［J］.金屬材料與冶金工程，2009，37(5):49－52.

［4］Ahn Sung Yul，Ahn Kyung-Chul，Kang SeGu.A study on the grouting design method in tunnel under ground water［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2006，24:400.

［5］劉朝峰，蔡振國，吳世波，等.豎井井筒深部工作面突水淹井注漿實(shí)踐［J］.中州煤炭，2008(4):64－65.

［6］王厚良，王松青.深立井井筒突水淹井事故處理［J］.建井技術(shù)，2007，28(4):3－5.

［7］郝哲，何修仁，劉 斌.基于巖體注漿理論的可靠性分析［J］.東北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1999，20(2):159－162.

［8］冷云.最新礦山井巷工程施工綜合技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范實(shí)用手冊［M］.長春:吉林電子出版社，2005.

［9］李海燕.立井工作面預(yù)注漿止?jié){墊的設(shè)計與施工技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(3):48－50.

Study on water treatment technologies of hydrostatic grouting pad in Tianxing Iron Mine

ZHAI Huichao，NAN Shiqing，HU Weiwei
(Hebei Iron Steel Group Mining Design Co.，Ltd.，Tangshan Hebei 063000，China)

According to the water situation and lithologic characteristic of 3#main shaft in Tianxing Iron Mine，this paper respectively analyses the schemes about throwing dregs grouting and hydrostatic grouting pad，and the result shows that the hydrostatic grouting pad scheme has the characteristics of simple process，easy management and low labor strength.At the same time，author calculates the thickness of cement grout pad according to principle of equilibrium and the cement consumption.Then，the water inflow has been controlled and the advantage has been produced for strengthening the hole grouting by using of the hydrostatic grouting pad scheme.

hydrostatic grouting pad;throwing dregs grouting;water prevention and control;mechanical equilibrium; shaft excavation

TD262.1;TD74

Α

1671-4172(2015)01-0092-03

翟會超(1981－)，男，工程師，博士，采礦工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)椴傻V方法、巖體冒落規(guī)律、空區(qū)治理、礦建工程。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.021