超前預(yù)注漿堵水在斜井施工中的應(yīng)用

黃祥寬,黃玉生,潘承武

(廣西錫山礦業(yè)有限公司,廣西南寧 530022)

在斜井掘進過程中經(jīng)常會遭遇到各種地下水,給施工造成了很大的困難,嚴重影響到施工安全、施工質(zhì)量和施工進度。單靠抽排水,很難徹底解決問題；長期的、大量的抽排地下水,不但會浪費能源、資源,還會打破自然地下水流場的平衡,進而引起環(huán)境問題。中信大錳礦業(yè)有限責任公司大新分公司(以下簡稱為：大新分公司)地采工程膠帶斜井施工中應(yīng)用了注漿堵水技術(shù),取得了良好效果。

1 工程概況

膠帶斜井工程是大新分公司60萬t/a碳酸錳地下開采開拓工程的主井,掘進斷面15.2 m2,凈斷面 11.2 m2,坡度 11(°),總長度約 850 m。

1.1 工程地質(zhì)

從工程鉆探資料和井筒掘進中實際揭露的地質(zhì)情況,可以看出斜井井筒230～500 m,圍巖主要為黑色硅質(zhì)灰?guī)r,中厚～厚層狀結(jié)構(gòu),巖層穩(wěn)定性比較好。但是在這一層中廣泛存在溶洞、巖溶通道、溶蝕裂隙、等巖溶地質(zhì)現(xiàn)象。當斜井掘進至330 m時,揭穿一處巖溶通道。根據(jù)超前鉆探預(yù)測預(yù)報資料,有的溶洞底板距離井筒頂板很近,且存在風化現(xiàn)象,圍巖穩(wěn)定性比較差。如圖1所示。

1.2 水文地質(zhì)

斜井所穿越的230～500 m地段地下水類型有巖溶裂隙水、基巖裂隙水兩種類型。

巖溶裂隙水：主要賦存于泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)硅質(zhì)灰?guī)r溶蝕裂隙中。該含水層所在的巖層中,覆蓋層厚度較小,硅質(zhì)灰?guī)r中發(fā)育有大小溶洞,溶蝕裂隙。據(jù)抽水試驗資料,硅質(zhì)灰?guī)r中的滲透系數(shù)為k=16.51 m/d,單位涌水量q=7.479 L/s·m。地下水位5.2～6.5 m。該類地下水分布在斜井中段的圍巖中,直接對斜井充水。

圖1 超前預(yù)測地質(zhì)剖面

基巖裂隙水：主要賦存于泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)硅質(zhì)巖裂隙中。硅質(zhì)巖節(jié)理裂隙發(fā)育,其滲透系數(shù)為 k=2.53 m/d。該類地下水分布在斜井兩端段的圍巖中,具有一定的承壓性,直接對斜井充水。

掘進過程中斜井井筒實測涌水量200 m3/h左右,最大單點涌水量60 m3/h。巖溶裂隙水、基巖裂隙水主要接受來自上層松散巖層孔隙水的補給,以泉和向相鄰含水層側(cè)向補給的形式排泄,上層松散巖層孔隙水的補給主要來自大氣降水和布康溪。

1.3 引發(fā)的施工問題

1)涌水量大,排水比較困難,作業(yè)環(huán)境惡劣；

2)溶洞、裂隙的存在影響圍巖的穩(wěn)定性,易塌方、冒頂；

3)有可能揭穿溶洞,存在突水、突泥重大隱患。

2 注漿堵水方案

斜井掘進至330 m時,揭穿巖溶通道,揭穿處單點涌水達60 m3/h,井筒涌水量超過200 m3/h。強排水已無法滿足施工的需要,并且經(jīng)過超前地質(zhì)鉆探預(yù)測,井筒前方存在不良巖溶地質(zhì)體。為了安全通過該段,根據(jù)國內(nèi)外治理大水礦山的經(jīng)驗,結(jié)合本斜井的工程及水文地質(zhì)條件和礦山的實際情況,井筒開挖過程中宜采用注漿堵水為主、排水為輔的防治水方案。注漿漿液在井下的導(dǎo)水裂隙巖層中形成隔水體,使井筒與地下水隔離,達到施工順利進行和保護地質(zhì)環(huán)境的目的[1]。如圖2所示。

圖2 注漿堵水效果示意

2.1 注漿方式

針對不同的工程及水文地質(zhì)條件采取不同的注漿方式[2],根據(jù)實際情況,該工程主要采用局部注漿和超前預(yù)注漿。

2.1.1 局部注漿

針對井筒開挖后已發(fā)生涌水的地方,采取局部注漿堵水。對涌水量比較大的已揭穿的巖溶通道,先構(gòu)筑止?jié){墻,封住通道涌水口,再行注漿作業(yè)。通過注漿巖溶通道揭穿處,涌水量由60 m3/h減小至3 m3/h,大大改善了該處的作業(yè)環(huán)境。

2.1.2 深孔超前環(huán)向帷幕注漿

深孔超前環(huán)向帷幕注漿是在全面掌握作業(yè)面前方巷道圍巖的工程水文地質(zhì)條件后實施,對于穿過大斷層、破碎帶、巖溶溶洞帶等不良地質(zhì)條件地段,宜采用該方案。其實質(zhì)是沿巷道周邊以一定間距布設(shè)一圈環(huán)向深孔,漿液通過泵壓以滲透、擠壓、劈裂的型式楔入導(dǎo)水巖層的裂隙。漿液凝固后充填于斷層或裂隙中,封堵地下水的過水通道、膠結(jié)破碎的圍巖,從而在巷道外圍的一定范圍內(nèi),形成一個較長的注漿帷幕隔離保護體,以達到堵水和加固圍巖的目的,使巷道能在無水或小水的狀態(tài)下施工[2]。

2.2 注漿堵水的基本參數(shù)

2.2.1 漿液擴散半徑

由于巖層裂隙的各向異性,漿液在巖層裂隙中的擴散是極不規(guī)則的,實際上漿液擴散半徑是不存在的。漿液擴散范圍與巖石裂隙的大小和分布、漿液的粘度、凝結(jié)時間、注漿速度和壓力、注漿量等諸多參數(shù)有關(guān)[3]。漿液擴散范圍見表1。

表1 漿液擴散范圍設(shè)計值

根據(jù)本工程的地質(zhì)情況,經(jīng)計算及工程類比確定漿液擴散半徑R=3 m。

圖3 注漿孔布置

2.2.2 注漿孔施工參數(shù)設(shè)定

每循環(huán)注漿長度15m。先施工單號孔,后施工雙號孔,雙號既作復(fù)注孔,也作檢查孔,同時檢驗漿液的擴散半徑。布孔：在井筒開挖輪廓線內(nèi)均勻布置,注漿孔數(shù)量10個,終孔在掘進斷面外3 m處,施工角度為向外11(°),孔深15 m。在工作面中間施工檢查孔1個,孔深15m。如圖3所示。注漿孔孔徑：采用QZJ-100B-J立柱式潛孔鉆機施工,開孔直徑110mm,終孔直徑75mm。

2.2.3 注漿壓力

1)注漿壓力的大小根據(jù)巷道受注地段的靜水壓、突水的動壓力、裂隙大小、漿液的性能及擴散距離、止?jié){墻(或止水巖帽)的抗壓能力等參數(shù)確定[2]。一般注漿壓力越高,漿液充填越飽滿,抗?jié)B性越好,堵水和加固的范圍也越大；但過高的注漿壓力會造成漿液的無效流失和作業(yè)面產(chǎn)生冒漿等。

注漿壓力 PC由式(1)計算：

式中P0——注漿點靜水壓力,取10 kg/cm2；

5～8 ——富余壓力 ,取 8 kg/cm2。

經(jīng)計算,PC=P0+(5～8)=18 kg/cm2。

2)止?jié){巖盤的厚度及防漏漿處理

止?jié){巖盤的作用是防止富水地段地下水涌向工作面及注漿過程中工作面跑漿,在隔水性能較好的巖層條件下,止?jié){巖帽留3 m,反之預(yù)留5 m。

2.2.4 漿液配合比

注漿材料：注漿采用水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥,水玻璃為40(°)Bé堿性水玻璃。漿液制作：注漿液采用水泥單漿液、水泥—水玻璃雙漿液,采用機械攪拌機井下現(xiàn)場作業(yè)。漿液配比：單漿液漿液的水灰比為0.8～1.2。雙漿液漿液的水灰比為1∶1,水泥漿∶水玻璃漿=1∶0.5(體積比)。

2.2.5 漿液注入量

漿液注入量Q根據(jù)巖層的裂隙率、儲水空間的大小、漿液的擴散范圍、注漿段長度、結(jié)石率等參數(shù)計算確定,按式(2)[3]計算：

式中K——注漿損耗系數(shù),取1.2；

L——富水段沿巷道輪廓的弧長(m)；

D——漿液擴散距離的平均值(m)；

h——受注段的厚度(m)；

η——巖層裂隙率；

β——漿液的結(jié)石率。

2.3 注漿結(jié)束標準

2.3.1 單孔結(jié)束標準

1)注漿壓力逐步升高至設(shè)計終壓,并保持穩(wěn)定10 min以上[4]；

2)進漿量小于20 L/min；

3)檢查孔涌水量小于0.2 L/min；

4)檢查孔鉆取巖芯,漿液充填飽滿。

2.3.2 全段結(jié)束標準

1)所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件,無漏注現(xiàn)象；

2)注漿后全段剩余涌水量小于1 m3/h；

3)漿液有效注入范圍滿足設(shè)計要求；

4)經(jīng)過注漿,井筒圍巖在開挖后能夠保持穩(wěn)定。

全部注漿孔注漿完成后,在主要出水點附近設(shè)至少5個檢查孔,測孔內(nèi)涌水量或進行壓水實驗,若滿足設(shè)計要求,則可以開挖,否則應(yīng)進行補注漿。

3 結(jié)語

膠帶斜井施工過程中通過采用預(yù)注漿堵水技術(shù),大大降低了井筒的涌水量,取得了良好的效果,使工程施工得以順利、安全展開,表明該技術(shù)在井巷施工中的應(yīng)用具有效性和可行性。

[1]黃德發(fā),王綜敏.地層注漿堵水與加固施工技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]郝哲.巖體注漿理論與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社,2006.

[3]杜嘉洪,張崇瑞.地下建筑注漿工程簡明手冊[M].北京：科學(xué)出版社,1992.

[4]張省軍,袁瑞甫.礦山注漿堵水帷幕穩(wěn)定性及監(jiān)測方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2009.