姚韋靖, 龐建勇, 張金松, 徐 磊

(安徽理工大學土木建筑學院， 安徽 淮南 232001)

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地面預(yù)注漿施工技術(shù)在井筒涌水防治中的應(yīng)用

姚韋靖, 龐建勇*, 張金松, 徐 磊

(安徽理工大學土木建筑學院， 安徽 淮南 232001)

張集礦區(qū)地層位于裂隙破碎帶且含水量豐富，為解決第2副井井筒地面預(yù)注漿施工難度大的問題，基于工程地質(zhì)調(diào)研、技術(shù)設(shè)計和工業(yè)試驗的方法對地面預(yù)注漿施工技術(shù)進行了研究。通過在井筒開鑿前上部表土段采用凍結(jié)法施工、下部基巖段采用地面預(yù)注漿技術(shù)施工，并采用直孔和Y孔相結(jié)合的布置方式，實現(xiàn)了注漿、凍結(jié)和鑿井“三同時”施工的目的，有效節(jié)約了工期。在整個施工過程中，采用自主研發(fā)的監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)了實時控制并獲得了重要的注漿參數(shù)，同時采用壓水試驗的方法對注漿質(zhì)量進行了效果評價。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果： 1)各段終壓值和注漿量均達到了設(shè)計要求，總注漿量達16 286 m3； 2)壓水試驗測得的地層滲透系數(shù)明顯減小，井筒涌水量僅為2.27 m3/h，說明該施工方法起到了很好的加固和堵水作用。

井筒； 涌水； 地面預(yù)注漿； 三同時施工； 監(jiān)控技術(shù)

0 引言

立井井筒是聯(lián)系地面和地下巷道的關(guān)鍵部分[1]，目前通常采用注漿法對其涌水進行治理，注漿法技術(shù)成熟，能夠形成永久堵水帷幕，應(yīng)用最為廣泛[2]。地面預(yù)注漿技術(shù)是在井筒通過厚度大、水壓大、巖層極為破碎的基巖含水層時，在擬建井筒周圍采用鉆機鉆孔并采用地面注漿泵將漿液注入地層，漿液經(jīng)過滲透、擴散和凝固，在井筒尚未開挖前就形成具有一定強度、又不透水的止水帷幕以隔斷水層[3-4]。1958年，我國首次在峰峰礦區(qū)薛村煤礦豎井采用預(yù)注漿法治理涌水[5]； 20世紀80年代，隨著立井建設(shè)增多，注漿材料從傳統(tǒng)的水泥發(fā)展到水泥-水玻璃、化學漿液等； 到20世紀90年代初，步入了“黏土水泥注漿時代”。近年，隨著定向鉆進和陀螺測斜技術(shù)的引進，以及S孔、Y孔等定向分支鉆孔的應(yīng)用，大大減少了注漿工程量，提高了堵水效果，經(jīng)濟效益顯著[6]。石槽村煤礦副井[7]、楊村煤礦立井[8]、大賈莊鐵礦[9]及田興鐵礦[10]等均采用了S孔定向鉆井注漿技術(shù)治理井筒涌水。Y孔定向分支鉆孔是指在場地受限的情況下，為減少地面鉆孔布置而在固管段以下打分支孔，該方法增加了造孔的難度，在相關(guān)文獻中鮮有報道，同時注漿作為一種隱蔽工程，其質(zhì)量往往依靠技術(shù)的熟練程度，而效果評價借助于地質(zhì)勘探資料和分析施工過程中記錄的數(shù)據(jù)，人為影響很大，因此提出了采用監(jiān)控設(shè)備對施工過程和注漿參數(shù)進行實時記錄、控制和分析，避免人工記錄與觀察的不準確。

以淮南張集礦第2副井為例，采用地面預(yù)注漿施工技術(shù)治理井筒涌水，同時使用自主研發(fā)的監(jiān)控設(shè)備實施全過程的監(jiān)控。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

張集礦區(qū)位于淮南市鳳臺縣桂集鄉(xiāng)西約2 km處，地處平原地帶，北部、東北部與顧橋礦緊鄰，南部與新集一礦相鄰，西部與謝橋礦相鄰，地形呈扇形展布單斜構(gòu)造，地層呈不完整的弧形轉(zhuǎn)折走向。其中，西段地層走向在西北75°左右，中段急轉(zhuǎn)東西、北東方向，至北段大致向正北延伸。地層傾角平緩穩(wěn)定，中央石門以東為2°～5°，以西約為10°。工業(yè)場地以南至斜軸為15°，局部有30°，并伴有明顯的波狀起伏。礦井南北邊緣斷裂發(fā)育，井田內(nèi)部有較多但規(guī)模不大的斷裂。礦區(qū)內(nèi)揭露的地層自上而下依次為第四系、古近系、新近系、三疊系、二疊系、石炭系上統(tǒng)太原組和奧陶系中下統(tǒng)。

1.2 水文地質(zhì)概況

張集礦區(qū)主要的充水含水層由新生界松散砂層孔隙水、二疊系砂巖裂隙水及灰?guī)r巖溶裂隙水3部分組成。根據(jù)井筒檢查孔提供的資料顯示，基巖共分為8個水層，累計厚度為135.27 m，巖性以細砂巖和中砂巖為主，含水層及其涌水量統(tǒng)計見表1。

1.3 井筒概況

為滿足采掘接替規(guī)劃和礦井安全生產(chǎn)的需要，解決中央?yún)^(qū)長距離通風和下山開采等問題，新建了第2副井，井筒位于工業(yè)廣場內(nèi)，距主井210 m、副井340 m、風井182 m，井筒直徑為8.80 m，井口標高為+26.50 m，深度為876.50 m。井筒穿越破碎斷層，水文和工程地質(zhì)情況復(fù)雜多變，穿過含水層且含水量較大，若不提前采取治理措施，會有突水淹井的可能，因此在井筒的上部表土及部分基巖段采用凍結(jié)法施工，下部基巖則采用直孔和Y孔相結(jié)合的地面預(yù)注漿施工技術(shù)。

表1 含水層及其涌水量統(tǒng)計

2 注漿方案

2.1 總體設(shè)計

采用凍結(jié)、注漿、鑿井“三同時”的施工方法，即在上部地層采用凍結(jié)和鑿井法施工，同時在地面進行定向鉆井，并在表土層底部深入到基巖段以下采用地面預(yù)注漿，以實現(xiàn)上下部施工的同步進行。

井筒地面預(yù)注漿施工采用直孔和Y孔相結(jié)合的方法，整個注漿段分為上部直孔段與下部Y孔段。在上部直孔段注漿結(jié)束后，開始凍結(jié)造孔工程的施工；而外圍的Y孔則要在遠離井口、避開地面各類施工設(shè)備的位置布置鉆孔，在達到一定深度固管段以下打分支孔，進入基巖段設(shè)計注漿圈徑范圍后注漿堵水，其遠離井口的施工措施避免了凍結(jié)過程中造成的土體膨脹的干擾。該種工法實現(xiàn)了注漿、凍結(jié)、鑿井的“三同時”作業(yè)，與以往先進行地面預(yù)注漿、再進行凍結(jié)、然后進行鑿井的作業(yè)方法相比，大大縮短了施工工期[11]。

2.2 注漿起止深度

綜合考慮井筒所處地層的地質(zhì)及含水層涌水情況(見表1)，確定注漿起止深度為370～942 m，共572 m。為了保證下部Y型注漿鉆孔不影響凍結(jié)壁的形成、確保合理的鉆孔定向軌跡，確定凍結(jié)段深度為400 m，直孔注漿起止深度為370～620 m，注漿段長度為250 m，上部與凍結(jié)段重合長度為30 m，固管段深度為370 m； Y孔注漿段起止深度為610～942 m，注漿段長度為332 m，上部與直孔段重合長度為10 m，下部超過井筒深度為65.5 m，造斜段長度為405～610 m，固管段深度為610 m。施工時，采用JDT-6陀螺測斜儀進行監(jiān)測，要求每隔10 m布置1個測點，保證直孔段終孔偏斜率不大于0.5%，Y孔進入下部注漿段與設(shè)計圈徑的偏斜率不大于1%[12]。直孔段、Y孔段和凍結(jié)段的鉆孔軌跡及注漿起止深度如圖1所示。

2.3 注漿鉆孔布置

注漿孔數(shù)不宜過少，孔距也不宜太小，應(yīng)控制在5 m左右，布孔圈徑原則上控制在50 m范圍內(nèi)。依據(jù)上述原則，綜合考慮現(xiàn)場施工和設(shè)備情況，參考文獻[3]的經(jīng)驗公式

N=π(D+2A)/L。

其中：N為注漿孔數(shù)量；D為井筒掘進直徑，m；A為注漿孔至井筒荒徑的距離，一般取0～1.5 m；L為注漿孔間距，一般取3～5 m。

經(jīng)計算，需設(shè)計布置8個直孔，布孔圈徑為15 m，鉆孔均勻布置，孔間距為5.89 m； 鉆孔分2級結(jié)構(gòu)，開口采用φ190 mm的牙輪鉆頭，鉆進至370 m時，下入φ168 mm的套管，370～620 m段采用φ130 mm的鉆頭鉆進至終孔。在外圍地面井架基礎(chǔ)附近布置4個Y孔，距井中距離20～22 m，地面落點大致均勻分布，在鉆進405 m時進入造斜段，在610 m進入設(shè)計靶域，共布置8個分支孔，靶心圈徑為13 m； 610 m以下為直孔，鉆孔同樣分2級結(jié)構(gòu)，0～405 m段采用開口直徑為215 mm的鉆頭鉆進，下入φ178 mm的套管，405～942 m段采用φ130 mm的鉆頭鉆進至終孔。直型和Y型鉆孔的平面布置見圖2。施工時，將直孔和Y孔分為2組，先施工奇數(shù)號孔，再施工偶數(shù)號孔，并分別留1個孔作為檢查孔。

1—直型鉆孔套管段； 2—Y型鉆孔套管段； 3—凍結(jié)鉆孔； 4—凍結(jié)鉆孔凍結(jié)段； 5—直型鉆孔注漿段； 6—Y型鉆孔注漿段。

圖1 鉆孔軌跡及注漿起止深度(單位： m)

Fig. 1 Drilling trajectory and start-stop depth of grouting (m)

2.4 注漿段高度的劃分與材料配比

注漿固管和巖帽段作為施工的基礎(chǔ)，是限制漿液上竄的屏障，且工期要求緊?；诰哺髯{段地層的特點，以及單液水泥漿相對于黏土水泥漿終凝時間較長、但最終強度較高的特點，采用單液水泥漿進行注漿固管和巖帽段的注漿，若施工中漿液出現(xiàn)較大的流失，可適當注入黏土水泥漿。巖帽段注漿起止深度為370～380 m，其余基巖段注漿，主要起堵水的作用。因為黏土水泥漿具有滲透流動性好、懸浮穩(wěn)定性佳、輸送性能優(yōu)和塑性強度高的特點，且可就地取材、價格低廉，與水泥漿相比可使水泥用量減少60%以上，是一種適宜高效的注漿材料，因此選用黏性水泥漿對其余基巖段進行注漿。在施工中必要時可在黏性水泥漿中注入速凝劑和早強劑，以提高漿體凝結(jié)硬化的速度和強度。基巖段共劃分為9個注漿段，其中4個直孔段、5個Y孔段。

Z1—Z8為直型鉆孔； Y1—Y8為Y型鉆孔。

圖2 井筒地面預(yù)注漿孔平面布置圖

Fig. 2 Plan of layout of ground surface pre-grouting holes

根據(jù)水灰質(zhì)量比調(diào)整單液水泥漿漿液，依據(jù)先稀后濃的原則將其注入到巖石裂隙破碎帶中，以達到封堵的效果。另外，研究表明，在水泥漿液中加入水泥含量0.5%的食鹽和0.05%的三乙醇胺，可有效縮短初凝和終凝時間，并可提高早期強度[13]。配制1 m3單液水泥漿的主要成分配比見表2。

表2 配制1 m3單液水泥漿的主要成分配比

黏土水泥漿主要由黏土、水泥、水玻璃和水構(gòu)成，先將黏土攪拌成泥漿，再加水泥、水和水玻璃，施工過程中仍按照先稀后濃的原則調(diào)整黏土水泥質(zhì)量之比，然后進行注漿，可起到良好的堵水作用。其主要成分配比見表3。

表3 配制1 m3黏土水泥漿的主要成分配比

2.5 注漿壓力控制

注漿壓力的計算主要遵循隨深度增大而增加的原則。一般，滲透系數(shù)小的比滲透系數(shù)大的地層注漿壓力大，深部注漿比淺部注漿壓力大，注水泥漿液比注化學漿液注漿壓力大[14]。根據(jù)經(jīng)驗和現(xiàn)場設(shè)備情況，最終確定巖帽段注漿終壓為靜水壓力的1.5～1.8倍，直孔段終壓為靜水壓力的2.0～2.5倍，Y孔段終壓為靜水壓力的2.0～2.2倍。

3 鉆孔注漿工藝與施工

3.1 鉆孔及注漿方式

鉆孔工藝流程： 鉆機安裝—鉆機就位—開孔—固管段鉆進—下套管及固管—注漿段鉆進—注漿—掃孔—鉆進—終孔—封孔—撤場。其中的關(guān)鍵為Y型孔的定向鉆進、分段注漿及止?jié){的方法。

在注漿前一般要進行壓水試驗，以檢驗注漿系統(tǒng)的封閉性、判斷巖層的透水性，以及將裂隙中的充填物推到注漿范圍外，保證漿液充填的密實性。整個施工過程中采用鉆桿注漿、下行注漿的方式，即下行注漿、上行復(fù)注。采用KWS系列止?jié){塞進行止?jié){，其安設(shè)位置選擇在巖石堅硬、孔形規(guī)整、已注漿與未注漿段相互重疊的地方，以防止?jié){液沿縱向裂隙上竄，另外將止?jié){塞固結(jié)在孔內(nèi)，下入止?jié){塞時應(yīng)均勻慢速，如有卡阻現(xiàn)象，應(yīng)緩慢正向轉(zhuǎn)動鉆桿兩三次再繼續(xù)下放。

3.2 注漿工藝

注漿工藝流程是從攪拌漿液開始，到漿液進入受注巖層的整個過程，施工中主要注入黏土水泥漿，其流程如圖3所示。

圖3 注漿工藝流程

3.3 注漿施工

注漿壓力、注漿量及養(yǎng)護是注漿施工質(zhì)量的保證，是形成隔水帷幕的基礎(chǔ)。井筒各注漿段注漿情況見表4。由表4可知，注漿段的終壓值均超過了設(shè)計值，且在含水較為豐富的地層中加大了注漿壓力，使得漿液能夠很好地擴散，保證了注漿質(zhì)量。

表4 井筒各注漿段注漿情況

整個注漿施工以黏土水泥漿為主，在需要加固的地層段，如巖帽段，仍采用單液水泥漿。根據(jù)統(tǒng)計，巖帽段注入單液水泥漿共510 m3； 直孔段注入黏土水泥漿共5 996 m3，平均注入量為24.98 m3/m； Y孔段注入黏土水泥漿共10 290 m3，平均注入量為30.99 m3/m。整個注漿施工，遵循“先稀后濃”的原則，采用間歇式注漿策略，對某些較為復(fù)雜的地層，采取“小段高，多注次，少注量，逐步增壓”的方法，以充填裂隙，保證注漿質(zhì)量。

對于注漿養(yǎng)護，單液水泥漿養(yǎng)護4～8 h，每間隔20～24 h進行1次復(fù)注； 對于黏土水泥漿，養(yǎng)護6～12 h后掃孔復(fù)注。整個施工過程實現(xiàn)了實時控制，在達到設(shè)計注漿終壓值、單液水泥漿終量50～60 L/min、黏土水泥漿不大于250 L/min時[15]，繼續(xù)保持壓力，并注入較稀的漿液20～30 min，方停止注漿，然后進行封口。

4 注漿效果與評價

此次注漿工程時間跨度大，工期長達1年，注漿時間不確定，注漿次數(shù)多(一個段高平均注漿次數(shù)為3次，總次數(shù)達200多次)，注漿總量超過16 000 m3，且對此類隱蔽工程，過程控制的重要性遠大于對結(jié)果的檢測。該工程首次采用了安徽理工大學與杭州某公司聯(lián)合研發(fā)的注漿監(jiān)控設(shè)備，克服了以往現(xiàn)場管理、數(shù)據(jù)采集以及注漿過程中突發(fā)情況難以發(fā)現(xiàn)的困難。此次施工效果以過程控制和施工后壓水試驗2方面來評價。

4.1 過程控制

研發(fā)的注漿監(jiān)控設(shè)備由流量計、壓力傳感器和CJ-G3注漿自動記錄儀組成，流量計、壓力傳感器與自動記錄儀連接，其工作原理示意如圖4所示。其中，流量計能夠?qū)崿F(xiàn)對流量的瞬時顯示、記錄、積算和調(diào)節(jié)，量程為0～250 L/min，分辨率為0.01 L/min，精度為0.5%； 壓力傳感器可準確測量漿泵輸出水泥漿的壓力，測量范圍為0～50 MPa，精度為0.5%； 自動記錄儀主要進行數(shù)據(jù)的采集、分析、儲存、顯示，包括漿液的水灰質(zhì)量比、流量、壓力、時間、注漿量等施工信息，實現(xiàn)對整個注漿過程的實時監(jiān)控，并以數(shù)據(jù)的形式顯示，同時生成流量-時間、壓力-時間波形圖呈現(xiàn)給操作者，若在施工過程中出現(xiàn)跑漿、竄漿和管路堵塞等情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像會出現(xiàn)較大幅度的變化，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像可以對施工進行實時分析和調(diào)整，保證注漿過程的安全和質(zhì)量，減少材料浪費。監(jiān)控設(shè)備實拍如圖5所示。

另外，監(jiān)控設(shè)備還可設(shè)置預(yù)警系統(tǒng)，例如，當注入量未達到設(shè)計值或超過設(shè)計值的1.5倍、注漿壓力未達到設(shè)計值的50%或超過設(shè)計值時，系統(tǒng)會自動報警，此時技術(shù)人員根據(jù)當前的注漿狀態(tài)，分析查明原因，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

選取Z3孔第4注漿段和Y6孔第7注漿段施工時生成的部分流量-時間和壓力-時間曲線，分別如圖6和7所示。

圖4 注漿監(jiān)控示意圖

(a) 壓力傳感器和流量計

(b) 注漿自動記錄儀

(a) Z3孔第4注漿段

(b) Y6孔第7注漿段

從圖6可以看出，Z3孔注漿量隨時間的變化幅度不大，平穩(wěn)在215 L/min左右，整個過程較為平緩，這表明注漿速度趨于穩(wěn)定、注漿的填充效果較好； Y6孔注漿量隨時間的變化幅度較Z3孔大，位于205～220 L/min，但仍在施工允許的范圍內(nèi)。

(a) Z3孔第4注漿段

(b) Y6孔第7注漿段

由圖7可看出，Z3孔和Y6孔的注漿壓力隨時間的變化幅度均較小，整個過程未出現(xiàn)明顯的變化和拐點。結(jié)合表4中的注漿終壓值可知，Z3孔和Y6孔均在可靠壓力范圍內(nèi)施工，說明施工時注漿壓力得到了有效控制。

整個監(jiān)測過程中，設(shè)備每隔50 s自動記錄流量和壓力1次，并以數(shù)據(jù)和變化曲線圖的形式顯示，有效細化了施工過程中，流量和壓力的整個變化過程，防止了人為偷工減料等不確定因素，既獲得了重要的施工參數(shù)，也實現(xiàn)了對全過程的實時控制。

4.2 效果評價

采用壓水試驗的方法評價注漿質(zhì)量，注漿孔壓水深度與注漿段一致，分別為試驗段1(Z7孔327～387 m)、試驗段2(Z7孔382～500 m)、試驗段3(Y4孔497～753 m)、試驗段4(Y1孔747～942 m)。測得的滲透系數(shù)分別為1.77×10-4m/d、2.11×10-4m/d、4.16×10-5m/d、7.28×10-6m/d，滲透系數(shù)均較小，說明注漿有效封堵了裂隙中的含水層，切斷了巖層中的水流通道，水文地質(zhì)條件得到了明顯改善。同時，計算注漿后累計井筒剩余通水量僅2.27 m3/h，與類似工程相比，小于4 m3/h的質(zhì)量標準[12]，堵水效果明顯。

5 結(jié)論與討論

根據(jù)張集礦區(qū)的水文地質(zhì)條件和井筒的建設(shè)要求，制定了直孔和Y孔共同布設(shè)的注漿方案，實現(xiàn)了“凍、注、鑿”的三同時施工，既縮短了工期，增加了堵水效果，又消除了開鑿過程中遇到的突水、涌水等隱患。在淺部需凍結(jié)、深部基巖含水量豐富的情況下，直孔和Y孔共同布設(shè)的注漿方案是一種較好可行的技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)快速建井。施工中成功對整個注漿過程實施了動態(tài)監(jiān)控，在出現(xiàn)異常情況時及時進行了必要的調(diào)整，并對各項施工參數(shù)進行了統(tǒng)計，為建立注漿過程參數(shù)變化數(shù)據(jù)庫提供了有效的資料，并為相似條件下進行注漿施工提供了參考。

注漿施工的設(shè)計方案要和注漿設(shè)備、注漿質(zhì)量效果監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，利用電子信息技術(shù)和遠程操控技術(shù)，研究開發(fā)機械化、智能化、數(shù)字化程度高的注漿技術(shù)，提高注漿施工的可操作性。

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Application of Ground Surface Pre-grouting to Water Inrush Prevention and Control for Shafts

YAO Weijing, PANG Jianyong*, ZHANG Jinsong, XU Lei

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001,Anhui,China)

The Zhangji Mining Area is located in the crack fractured zone and with rich water. The ground surface pre-grouting of auxiliary shaft No. 2 is difficult. Hence, the construction technology of ground surface pre-grouting is studied based on engineering geological investigation, technical design and industrial experiment. A series of technologies, i.e., freezing construction of upper strata, pre-grouting of lower bedrock, and vertical boreholes and Y-shaped boreholes combined layout method, are adopted, which leads to simultaneous construction of grouting, freezing and shaft sinking and shortening of construction period. Meanwhile, real-time monitoring has been realized and key grouting parameters have been obtained by using self-developed monitoring device. The construction effect is estimated by pressurized water test. The monitoring results show that: 1) The final grouting pressure value and grouting quantity can meet the design standards, and the total grouting quantity was 16 286 m3. 2) The permeability coefficient of formation decreased obviously and the residual water inflow of the mine shaft is 2.27 m3/h obtained from the pressurized water test, which proves the rationality and efficiency of the above-mentioned method in terms of reinforcement and water stopping.

shaft; water inrush; ground surface pre-grouting; triple simultaneous construction; monitoring technology

2016-08-15;

2016-11-16

安徽省高校自然科學研究重大項目(KJ2015ZD20)； 礦山地下工程教育部工程研究中心開放課題(2015KF05)

姚韋靖(1990—)，男，安徽蕪湖人，安徽理工大學土木建筑學院在讀博士，研究方向為巖土工程。E-mail： yaoweijing0713@163.com。*通訊作者： 龐建勇， E-mail： pangjyong@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.016

U 455

B

1672-741X(2017)05-0630-07