直孔地面預(yù)注漿法在立井筒施工中的應(yīng)用

張 文 冬

(1.太原理工大學(xué),山西 太原 030024； 2.晉煤集團(tuán)基本建設(shè)局,山西 晉城 048000)

直孔地面預(yù)注漿法在立井筒施工中的應(yīng)用

張 文 冬1,2

(1.太原理工大學(xué),山西 太原 030024； 2.晉煤集團(tuán)基本建設(shè)局,山西 晉城 048000)

為保證新建礦井井筒施工安全，防止井筒掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生突水及井壁坍塌事故，采取直孔地面預(yù)注漿法,根據(jù)工程實(shí)例，闡述了直孔地面預(yù)注漿法在立井筒施工中的具體應(yīng)用情況，具有較強(qiáng)的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

立井筒,地面預(yù)注漿,工程施工

新建礦井的回風(fēng)立井井筒剖面基巖段穿越砂巖層位較多，且有多處基巖破碎帶，估算涌水量較大，因此，為防止井筒掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生突水及井壁坍塌事故，在井筒開(kāi)鑿前對(duì)基巖段進(jìn)行直孔地面預(yù)注漿施工，保證井筒施工安全[1]。

1 基本情況

某新建礦井位于山西晉城沁水境內(nèi)，井田走向長(zhǎng)9 km，傾斜寬13.3 km，井田面積117.97 km2，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5 Mt/年 ，主采3號(hào)煤層，煤層埋藏深度499.45 m～1 196.24 m，采用立井開(kāi)拓，水文地質(zhì)為二類二型，屬承壓開(kāi)采。

礦井回風(fēng)立井井筒設(shè)計(jì)深度583.25 m，凈徑8.5 m，表土段深度59.719 m，基巖段設(shè)計(jì)井壁結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土。為使礦井早日竣工投產(chǎn)，需合理安排工序，優(yōu)化施工組織，加快井筒建設(shè)進(jìn)度。

1.1 井筒水文地質(zhì)條件

回風(fēng)立井井筒檢查孔消耗量在孔深0.00 m～240.22 m時(shí)，變化范圍在0.15 m3/h～0.80 m3/h之間；在孔深240.22 m以后，變化范圍在0.40 m3/h～1.21 m3/h之間，一般在0.70 m3/h～0.90 m3/h之間；水位在孔深0.00 m～178.54 m時(shí)，水位變化在0.50 m～25.20 m之間；在孔深178.54 m以后，水位變化在26.80 m～43.55 m之間，一般在31.50 m～38.20 m之間。

回風(fēng)立井井筒檢查孔上部松散層厚度56.37 m～64.10 m，均位于地下水水位以上，一般不含水；基巖風(fēng)化帶存在弱含水層段，風(fēng)化帶發(fā)育深度一般在100 m～130 m左右，巖性主要為粉砂巖及中、細(xì)粒砂巖；含水空間以風(fēng)化裂隙及砂巖裂隙為主。中部上石盒子組地層局部存在弱含水層段，含水空間以砂巖裂隙為主。下部下石盒子組地層、山西組地層及太原組地層含水層段一般不明顯，但局部存在弱含水層段。通過(guò)井筒檢查鉆孔對(duì)上、中及下部含水層段均進(jìn)行了混合抽水試驗(yàn)，含水層段含水性一般較弱，局部含水性為中等。井筒含水層深度及厚度見(jiàn)表1。

表1 井筒含水層深度及厚度一覽表

1.2 井筒涌水量預(yù)計(jì)

對(duì)Q+風(fēng)化帶,P2s,P1x+P1s+C3t含水層分別進(jìn)行混合抽水試驗(yàn)，對(duì)回風(fēng)立井井筒進(jìn)行涌水量預(yù)算，采用地下水動(dòng)力法中承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井公式進(jìn)行計(jì)算，公式為：

(1)

(2)

其中，r0為井筒半徑;k為滲透系數(shù),m/d;H為靜止水位(取抽水試驗(yàn)恢復(fù)水位)至疏干含水層底板深度的距離,m;M為含水層厚度,m;S為水位降深，數(shù)據(jù)與H相同,m。

井筒涌水量預(yù)算：

1)對(duì)于上部Q+風(fēng)化帶(0.00 m～200.05 m)地層，相關(guān)參數(shù)均采用風(fēng)井檢孔平均值資料：k=0.089 4 m/d，H=200.05-63.30=136.75 m，M=35.56 m，S=H=136.75 m，r0=4.25 m。

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，式(2)中得：Q=508.24 m3/d(21.18 m3/h)。

考慮到洗孔、抽水井損等影響因素，計(jì)算結(jié)果擴(kuò)大1.3倍，井筒施工至200.05 m時(shí)，其最大涌水量為660.71 m3/d，即27.53 m3/h。

2)對(duì)于P2s地層(202.33 m～446.10 m)，相關(guān)參數(shù)均采用風(fēng)井檢孔平均值資料：k=0.032 8 m/d，H=446.10-74.40=371.10 m，M=22.61 m，S=H=371.10 m，r0=4.25 m。

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)中得：Q=330.52 m3/d(13.77 m3/h)。

考慮到洗孔、抽水井損等影響因素，計(jì)算結(jié)果擴(kuò)大1.5倍，井筒施工至446.10 m時(shí)，其最大涌水量為495.78 m3/d，即20.66 m3/h。

3)對(duì)于P1x+P1s+C3t地層(446.25 m～607.25 m)，相關(guān)參數(shù)均采用風(fēng)井檢孔平均值資料：k=0.093 2 m/d，H=607.25-64.80=542.45 m，M=34.70 m，S=H=542.45 m，r0=4.25 m。

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)中得：Q=1 787.03 m3/d(74.46 m3/h)。

考慮到洗孔、抽水井損等影響因素，計(jì)算結(jié)果擴(kuò)大1.1倍，井筒施工至607.25 m時(shí)，其最大涌水量為1 965.73 m3/d，即81.91 m3/h。

井筒最大涌水量采用成果見(jiàn)表2。

表2 井筒涌水量采用成果表

2 注漿工程設(shè)計(jì)方案

綜合井筒檢查孔資料、井筒規(guī)格、巖層裂隙發(fā)育形態(tài)、漿液品種等參數(shù)，確定采用8個(gè)直型孔運(yùn)用造孔技術(shù)完成59 m～603.25 m巖體的注漿工作，注漿結(jié)束后封閉鉆孔。

2.1 注漿材料的選擇

巖帽段注漿采用單液水泥漿，如果漿液流失過(guò)量可配雙液漿或粘土水泥漿；基巖注漿段采用粘土水泥漿，在特殊地段可采用超細(xì)水泥、化學(xué)漿、雙液漿等來(lái)保證注漿質(zhì)量[2]。

1)單液水泥漿是將水泥加水配制而成的懸浮液，可加入適量的早強(qiáng)劑提高早期強(qiáng)度、縮短養(yǎng)護(hù)時(shí)間、提高注漿效率。水灰比(W∶C) 0.5∶1～1.25∶1。

2)粘土水泥漿是綜合注漿技術(shù)所采用的新型廉價(jià)注漿材料，是主要由粘土、水泥、水玻璃組成的漿液，主要成分為粘土。正常情況下粘土水泥漿水泥加入量為100 kg/m3～300 kg/m3,水玻璃加入量10 L/m3～40 L/ m3，加入水泥用量5%的BR型增強(qiáng)防水劑。粘土水泥漿比重1.15～1.35。特殊情況下，水玻璃及其他添加類型和數(shù)量視地層的實(shí)際情況而定。

2.2 注漿壓力的確定

依據(jù)巖石性質(zhì)、水文特征及本地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)值，確定巖帽段(59 m～79 m) 注漿終壓為1.5倍～2.0倍的靜水壓，注漿段(79 m～400 m)注漿終壓為2.5倍～3.0倍靜水壓力；注漿段(400 m～603.25 m)注漿終壓為2.0倍～2.5倍靜水壓力。

3 注漿效果

預(yù)注漿鉆孔平面布置圖見(jiàn)圖1。本回風(fēng)立井地面預(yù)注漿最終總注漿量為31 358 m3，其中，固管段注入單液水泥漿40 m3，巖帽注漿段(20 m)注入單液水泥漿1 147 m3，封孔消耗單液水泥漿107 m3，基巖段注漿段注入粘土水泥漿30 064 m3。注漿后，井筒施工過(guò)程中實(shí)測(cè)涌水量為3 m3/h～3.5 m3/h，達(dá)到了預(yù)期效果。

直孔注漿技術(shù)特征圖見(jiàn)圖2。采用直孔地面預(yù)注漿法施工，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，風(fēng)險(xiǎn)較小，安全可靠，同時(shí)沒(méi)有交叉作業(yè)，可以集中力量突擊。井筒地面預(yù)注漿后，基本可保證井筒連續(xù)施工，提高了井筒施工效率。

但是，直孔地面預(yù)注漿在施工期間會(huì)占用井口位置，只能等注漿結(jié)束后才能進(jìn)行井筒井架的安裝等后序施工，井筒不能注、鑿平行作業(yè)，這是直孔地面預(yù)注漿的一個(gè)顯著缺點(diǎn)。

[1] 岳鵬超，王 虎.注漿堵水技術(shù)在石槽村煤礦副立井施工中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011(5)：37-38.

[2] 閆紅新.礦井井筒安全快速施工方法[J].煤礦安全,2000(8)：61-62.

Application of straight hole pre-grouting method in vertical shaft construction

ZHANG Wen-dong1,2

(1.TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China;2.JinchengCoalGroupFacilityConstructionBureau,Jincheng048000,China)

In order to guarantee the vertical shaft construction safety of the new coal mine, to prevent water bursting in vertical shaft excavation process, to prevent well wall collapse accident, the paper applies straight hole ground pre-grouting method, according to engineering examples, the paper describes the application of of straight hole pre-grouting method in vertical shaft construction, which has great theoretical meaning and practical value.

vertical shaft, ground pre-grouting, engineering construction

1009-6825(2014)22-0084-03

2014-05-08

張文冬(1982- )，男，在讀工程碩士，工程師

TD262

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