王 玲,楊東升
(湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410007)
我國(guó)北方局部地區(qū)長(zhǎng)期處于干旱狀態(tài)。由于地質(zhì)歷史時(shí)期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及后期的人為活動(dòng),如地震、礦山開(kāi)挖爆破等原因,使得區(qū)域內(nèi)地表水沿裂隙滲入巖體深部,而在部分有開(kāi)挖的裂隙面和溶洞臨空時(shí)出現(xiàn)涌水。裂隙涌水一方面導(dǎo)致周圍地下水位的下降,引起地下水位下降和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害;另一方面,基坑內(nèi)的大量涌水嚴(yán)重阻礙了生產(chǎn),大量增加施工成本。帷幕堵水是解決地質(zhì)災(zāi)害和減少施工成本的有效辦法,常規(guī)的水泥灌漿,在大裂隙中水泥漿隨著水流帶走,不能對(duì)裂隙有效進(jìn)行封堵,材料耗量高,污染環(huán)境,效果不佳。采用膏漿堵水施工技術(shù)可較好地解決上述問(wèn)題。本文以煙臺(tái)棲霞水泥礦山堵水注漿施工為依據(jù),介紹在寬大裂隙中膏漿堵水施工技術(shù)。
礦區(qū)位于華北板塊膠遼隆起區(qū)膠北隆起區(qū)膠北斷隆棲霞-馬連莊凸起東北部。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為新元古代震旦-南華紀(jì)山口組、南莊組及香夼組,中生代白堊紀(jì)青山群八畝地組以及第四系。
1)震旦系香夼組(Z1x):巖性為薄層泥灰?guī)r夾灰?guī)r、灰白色及青灰色厚層灰?guī)r,在礦區(qū)內(nèi)大面積出露,厚度>100 m;已出露的灰?guī)r內(nèi),溶蝕裂隙發(fā)育。礦坑內(nèi)沿較大的裂隙出現(xiàn)大量涌水。
2)白堊系青山群八畝地組(K1b):巖性為凝灰質(zhì)角礫巖及凝灰?guī)r夾安山質(zhì)角礫巖及砂礫巖層。
3)第四系(Q):主要為殘坡積、坡洪積、沖洪積亞粘土、亞砂土、砂土及砂礫等,主要沿河床及溝谷分布。
4)巖漿巖:主要為閃長(zhǎng)玢巖巖脈,礦區(qū)內(nèi)規(guī)模較小,寬度一般20~30 m,長(zhǎng)度不超過(guò)500 m。
礦石開(kāi)采長(zhǎng)期采用爆破方式,隨著深度的增加,礦坑內(nèi)涌水量已達(dá)50 000 m3/d,較大地增加了生產(chǎn)成本,礦坑長(zhǎng)期排水導(dǎo)致礦坑周圍地下水位下降,引起一系列的地質(zhì)災(zāi)害?;诖?,堵水采用帷幕灌漿結(jié)合對(duì)大裂隙和溶洞進(jìn)行膏漿充填進(jìn)行綜合灌漿處理。
礦山堵水帷幕施工,施工前先進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn),確定施工參數(shù),如孔距,漿材配比,灌漿壓力等。灌漿試驗(yàn)選取較有代表性的地層,構(gòu)造裂隙發(fā)育地層灌漿孔按單排布置(圖1 所示),孔距按6 m、8 m、10 m 布置。試驗(yàn)設(shè)計(jì)7 孔,其中4 孔為灌漿孔,編號(hào)分別為K1、K2、K3、K4,施工完成后,內(nèi)插3 個(gè)加強(qiáng)孔,編號(hào)分別為J1、J2、J3,做灌漿孔并驗(yàn)證試驗(yàn)效果。另外設(shè)置1 孔,K0 號(hào)孔,作為漿材試驗(yàn)孔。
帷幕設(shè)計(jì)深度以透水率小于5 Lu 為控制下限。先導(dǎo)孔壓水試驗(yàn)揭露,孔深80 m 以下其透水率已小于5 Lu,因此帷幕鉆孔深度按孔深80 m 實(shí)施。按照生產(chǎn)性試驗(yàn)成果,堵水帷幕設(shè)置單排,孔距6 m。
圖1 帷幕試驗(yàn)孔布置圖
礦坑堵水注漿巖體破碎,裂隙極度發(fā)育,鉆孔壓水試驗(yàn)時(shí)在60 m 以上無(wú)回水,漏失量大于泵量。對(duì)于裂隙連通性極好的透水巖體,堵水注漿材料十分關(guān)鍵,研究合適的漿材類型尤為重要。
針對(duì)裂隙連通性極好的透水巖體,選擇灌漿材料為水泥、粘土、石屑,外加劑等。
各種材料以適宜的比例拌和,再添加適量的外加劑,以提高膏漿的性能,降低漿材析水率,提高漿材的和易性,使膏漿在動(dòng)水條件下,漿液具有不分散、不易被水沖釋的性能。
灌漿試驗(yàn)開(kāi)始前,初擬灌漿漿液分別為純水泥漿,粘土水泥穩(wěn)定漿液,粘土水泥膏漿,粘土水泥砂漿。
考慮到施工線路的長(zhǎng)度以及夏季溫度的因素,預(yù)備灌注漿液的配比見(jiàn)表1,流動(dòng)度試驗(yàn)如圖2 所示。
灌漿前選取K0 號(hào)孔作為漿液試驗(yàn)孔,根據(jù)由稀變濃的基本原則,先灌注純水泥漿,灌注時(shí)1#,2#漿液灌注基本無(wú)壓力,灌注1 h 后,灌漿壓力及注入率均無(wú)明顯變化,停止灌漿,變漿至3#配比,其灌注情況與1#,2#配比基本一致,變漿至4#配比后灌注1 h 仍然不起壓及無(wú)流量變化,在基坑下部出現(xiàn)漏漿點(diǎn),更換至5#配比,管路出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,分析與高溫有關(guān),掃孔后采用7#配比灌漿,連續(xù)灌注4 h,灌漿壓力出現(xiàn)變化。遂本試驗(yàn)孔主要漿液配比選取7#配比。
表1 漿液配比和結(jié)石性能
圖2 流動(dòng)度試驗(yàn)測(cè)試
表2 試驗(yàn)最小灌漿壓力
鉆孔完成后,將特種注漿管下至孔內(nèi)并距離孔底50 cm,按照0.5~1.0 m 每段注漿上提灌漿管。該灌漿間隔提升段達(dá)到設(shè)計(jì)最小灌漿壓力時(shí),灌入率小于10 L/min 時(shí),上提灌注下一段灌漿段。
全孔充填灌注完畢后掃孔至孔底灌注粘土水泥穩(wěn)定漿液(4#配比),直至達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定漿液帷幕灌漿時(shí),灌漿段長(zhǎng)設(shè)定為10 m 一段,當(dāng)某段灌漿達(dá)到灌漿壓力,且灌入率小于1 L/min 時(shí),連續(xù)灌注30 min,可結(jié)束本段灌漿。
1)對(duì)于在動(dòng)水條件下,鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)溶洞、溶蝕裂隙、灌注材料大量流失的情況,進(jìn)行研究處理。
2)灌漿過(guò)程中,灌漿壓力或注入率突然改變較大時(shí),應(yīng)查明原因,采取相應(yīng)措施處理。
3)灌漿過(guò)程中,如發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿時(shí),根據(jù)具體情況采用嵌縫、表面封堵、摻外加劑、降壓、濃漿、限流、限量、間歇灌注等方法處理。
4)鉆灌過(guò)程中發(fā)生串通時(shí),如具備灌漿條件,串通孔同時(shí)進(jìn)行灌漿,灌漿時(shí)應(yīng)一泵灌一孔。否則應(yīng)將串通孔阻塞住,待灌漿結(jié)束后,再進(jìn)行串通孔的掃孔、沖洗和鉆進(jìn)。
5)對(duì)孔口有涌水的孔段,灌漿前應(yīng)測(cè)記涌水壓力和涌水量,根據(jù)涌水情況,采用下述方法處理:
①縮短段長(zhǎng),對(duì)涌水段單獨(dú)灌漿;
②相應(yīng)提高灌漿壓力;
③灌漿結(jié)束后采取屏漿措施,屏漿時(shí)間不少于1 h;
④閉漿;
⑤閉漿結(jié)束后待凝48 h;
⑥必要時(shí),可在漿液中摻加適量速凝劑。
表3 試驗(yàn)孔施工情況說(shuō)明
從表3 可以看出,當(dāng)孔距為6 m 時(shí),兩孔平均灌漿量為124.85 m3,孔距為8 m 時(shí),兩孔平均灌漿量為166.5 m3,當(dāng)孔距為10 m 時(shí),兩孔平均灌漿量為395.9 m3。從上述數(shù)據(jù)可以看出,灌漿量與孔距有直接關(guān)系,孔距越大,耗漿量越大。內(nèi)插孔的灌漿量相對(duì)來(lái)說(shuō)非常小,不足試驗(yàn)孔的1%,從反渣情況來(lái)看,孔距8 m 內(nèi)帷幕能夠搭接,兩孔間大的空洞或者裂隙已經(jīng)基本被漿液充填。
試驗(yàn)孔施工完成后,中間分別鉆孔灌漿施工,鉆孔過(guò)程中鉆進(jìn)平穩(wěn),回水正常,無(wú)卡鉆現(xiàn)象發(fā)生,并有灌漿材料結(jié)石體,初步判斷試驗(yàn)孔灌漿效果較好,帷幕能夠形成有效搭接,從內(nèi)插孔灌漿情況來(lái)看,內(nèi)插孔較試驗(yàn)孔灌漿量大大減小,說(shuō)明試驗(yàn)孔灌漿形成帷幕搭接,在兩孔之間已經(jīng)不存在大的空洞或裂隙。
由于孔距與耗漿量之間存在關(guān)系,并且孔距越大,灌漿量越大,采用內(nèi)插孔驗(yàn)證效果。本試驗(yàn)通過(guò)檢查孔簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn),6 m 和8 m 兩種孔距,灌漿后試段透水率最大值均在5 Lu 以下,而當(dāng)孔距為10 m 時(shí),其部分巖層試段透水率達(dá)到7 Lu?;究梢钥闯觯捎猛环N灌漿參數(shù),孔距不同,其效果不同,孔距小的灌漿孔,施工效果好于孔距大的。
礦坑內(nèi)按生產(chǎn)性試驗(yàn)成果選擇單排6 m 帷幕進(jìn)行堵水施工,堵水效果良好,達(dá)到業(yè)主的堵水要求。事實(shí)表明,膏漿對(duì)于裂隙發(fā)育巖體具有良好的堵水效果。
1)成果分析表明,裂隙透水巖體注漿孔距越小,堵水效果越好。
2)大裂隙發(fā)育但巖溶不明顯的巖體,采用不限量注漿的方式灌注是一種可行的方法,漿液能對(duì)裂隙空間進(jìn)行足量填充,取得較好的堵水效果。
3)對(duì)于裂隙連通性好的巖體,先用膏漿充填,后采用穩(wěn)定漿液進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌注,能夠有效防止無(wú)效灌注,節(jié)省灌漿材料,降低工程造價(jià)。
4)對(duì)于裂隙型巖基灌漿,地層差異性大,施工前應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn),確定適合的材料及參數(shù)尤為重要。
5)大范圍灌漿時(shí),實(shí)際孔距可根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果以及設(shè)計(jì)要求配合漿材的特性進(jìn)行布置,盡量考慮漿液的影響范圍,節(jié)省工程造價(jià)。