謙比希銅礦東南礦體主井工程防治水技術(shù)

劉 洋

(銅冠礦山建設(shè)有限責(zé)任公司)

謙比希銅礦東南礦體主井工程防治水技術(shù)

劉 洋

(銅冠礦山建設(shè)有限責(zé)任公司)

針對(duì)謙比希銅礦東南礦體主井工程下伏含水層賦存水量大、巖層破碎柔軟的情況，為確保井筒掘砌的安全和質(zhì)量，采用井筒工作面預(yù)注漿法，成功穿過含水層。實(shí)踐證明，井筒工作面預(yù)注漿法是治理井筒涌水行之有效的方法。

豎井 含水層 止?jié){墊 井筒工作面預(yù)注漿

東南礦體是謙比西銅礦的三大主礦體之一，位于礦區(qū)東南約7 km處。主井井筒位于謙比西礦區(qū)東南6 km的MUKULUMPE農(nóng)場內(nèi)，設(shè)計(jì)井深1 100 m，井筒凈直徑6.5 m，掘進(jìn)直徑7.3 m，支護(hù)形式為現(xiàn)澆混凝土。當(dāng)井筒施工至132.5 m時(shí)，根據(jù)鉆孔揭露的含水巖層情況、鉆孔編錄資料及相關(guān)的水文試驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)井筒施工至140 m時(shí)，井筒最大涌水量為80 m3/h。為確保井筒施工安全，采用井筒工作面預(yù)注漿法進(jìn)行處理[1-2]。根據(jù)井筒實(shí)際揭露的巖層情況及含水巖層特征，在井深132.5 m處采用石子鋪設(shè)濾水層并安裝濾水筒，在濾水層上人工澆筑混凝土止?jié){墊，在止?jié){墊上用MKQJ120/40型潛孔鉆施工探水注漿孔，在地表設(shè)攪拌站，利用下料管將攪拌后的水泥漿液輸送至吊盤上的儲(chǔ)漿桶內(nèi)，使用2TGZ-60/21X型注漿泵及高壓鋼絲軟管將攪拌后的水泥漿液通過探水注漿孔壓入含水巖層溶隙、裂隙中。

1 預(yù)注漿設(shè)計(jì)

1.1 注漿深度

注漿段含水層為薄層泥質(zhì)白云巖、白云巖溶蝕孔隙、溶蝕裂隙承壓水，埋深140～160 m，故在止?jié){墊即井深128 m處施工探水注漿孔，鉆孔穿過含水層并進(jìn)入隔水層5 m，即井深165 m，注漿總深度為37 m。

1.2 布孔方式及注漿段高

由于工作面預(yù)注漿的注漿孔布置圈徑小于井筒凈徑，為了能夠在井筒荒徑輪廓線之外形成一定厚度的注漿壁，結(jié)合該段含水巖層的裂隙特征，確定布孔方式為徑向斜孔。在施工探水注漿孔過程中，經(jīng)實(shí)測，個(gè)別鉆孔涌水量高達(dá)150 m3/h，綜合考慮該含水層的巖性特征、鉆孔涌水量及現(xiàn)場施工和排水設(shè)備能力，對(duì)注漿段高進(jìn)行劃分，結(jié)果見表1。

表1 注漿段高劃分

1.3 注漿參數(shù)

1.3.1 注漿孔數(shù)設(shè)計(jì)及布置

注漿孔數(shù)目計(jì)算公式為

N=π(D-2A)/L ，

(1)

式中，D為井筒凈徑，m；A為注漿孔與井壁距離，m；L為注漿孔間距,m。

若D=6.5 m,A=0.5 m，L=0.5 m，代入式(1)計(jì)算可得：N≈34.56。由于該段含水層賦存水量大，溶蝕孔隙、裂隙較發(fā)育且連通性一般，為將水泥漿液充分注入含水溶隙、裂隙，達(dá)到有效堵水的目的，故確定注漿孔數(shù)為36個(gè)。注漿孔均勻布置于工作面，分3組順序施工，第1組為1#～12#，第2組為13#～24#，第3組為25#～36#。各孔掃孔后以無出水或微出水為注漿結(jié)果的檢查依據(jù)，注漿孔全部施工結(jié)束后，另施工4～5個(gè)檢查孔以確定注漿效果。

1.3.2 注漿壓力

大量工程實(shí)踐表明，注漿壓力涉及注漿的漿液類型、含水層的可注性等因素。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，該段含水層的注漿壓力按照6倍靜水壓力確定，正常的注漿壓力為5～8 MPa，注漿過程中，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。

1.3.3 鉆孔角度

斜孔徑向傾角α計(jì)算公式為

α=arctan(S+A)/H ，

(2)

式中，S為終孔位置在徑向上超出井筒荒徑的距離,m；A為注漿孔與井壁距離,m；H為注漿深度,m。

若S=3 m，A=0.5 m，H=37 m，代入式(2)計(jì)算得：α=5.4°。

1.4 濾水層與混凝土止?jié){墊

(1)濾水層。為及時(shí)排出止?jié){墊施工和養(yǎng)護(hù)期間井壁淋幫水和工作面涌水，確保止?jié){墊的施工質(zhì)量，根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，在井底工作面用石子鋪設(shè)一層厚1.5 m的濾水層，并在其中安裝濾水筒。

(2)混凝土止?jié){墊結(jié)構(gòu)形式?；炷林?jié){墊結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為平底型，標(biāo)號(hào)為C40。

(3)混凝土止?jié){墊厚度設(shè)計(jì)。參照《建井工程手冊》的經(jīng)驗(yàn)值及以往的施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該段含水層的巖性特征，確定混凝土止?jié){墊厚度為3 m。

1.5 注漿漿液類型與配比

根據(jù)豎井工程地質(zhì)勘察報(bào)告提供的該段含水層主要裂隙開度(一般不小于1.0 mm)，確定注漿漿液類型為水泥漿液。水泥選用P.O 32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥或復(fù)合硅酸鹽水泥。水泥漿的水灰比分別為3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1，平均水灰比為1∶1。

1.6 設(shè)備選型

(1)鉆機(jī)。選用MKQJ120/40型煤礦井下架柱式潛孔鉆機(jī)，一次推進(jìn)長度1 000 mm，鉆孔深80 m，直徑90～120 mm，最大推進(jìn)力15.6 kN，鉆具旋轉(zhuǎn)速度0～70 r/min。

(2)注漿泵。選用2TGZ-60/21X型雙液注漿泵，該型注漿泵結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、最大注漿壓力達(dá)10 MPa。

2 預(yù)注漿施工工藝

(1)濾水層鋪設(shè)及濾水筒安裝。由于受井壁淋幫水和井底工作面涌水的影響，為保證混凝土止?jié){墊的強(qiáng)度和質(zhì)量，在井底工作面人工鋪設(shè)石子作為濾水層，鋪設(shè)濾水層之前在井底工作面打錨桿固定焊接1根長4 800 mm、直徑1 000 mm的鋼管作為濾水筒，在濾水筒下部1.5 m長范圍內(nèi)的管壁上鉆孔作為濾水孔，在濾水筒內(nèi)部放置1臺(tái)潛水泵，濾水筒上部高出止?jié){墊混凝土上表面300 mm，頂部安裝法蘭盤和2個(gè)閘閥。

(2)混凝土止?jié){墊澆筑。濾水層鋪設(shè)完畢后，在其上方平鋪一層隔水布。在井口攪拌站嚴(yán)格按混凝土配比進(jìn)行攪拌，攪拌后的混凝土用2 m3底卸式吊桶接料，提升下放至井底工作面，用風(fēng)動(dòng)振動(dòng)棒對(duì)混凝土進(jìn)行分層振搗。

(3)濾水層注漿。止?jié){墊混凝土養(yǎng)護(hù)5～7 d后，對(duì)濾水層進(jìn)行充填注漿加固。通過注漿泵和濾水筒將攪拌后的水泥漿液注入濾水層。注漿結(jié)束后，在止?jié){墊上施工2～3個(gè)鉆孔檢查濾水層的注漿效果，以無出水作為注漿效果的檢查依據(jù)，若出水則重新補(bǔ)注。

(4)注漿孔口管埋設(shè)。在混凝土止?jié){墊上首先用潛孔鉆機(jī)施工長4.0 m、直徑130 mm的鉆孔，施工完畢后用吹風(fēng)管清理孔內(nèi)巖粉；然后向孔內(nèi)灌入水泥漿并安裝1根長4.0 m、直徑108 mm的鋼管作為注漿管。為防止注漿管偏斜，在混凝土止?jié){墊上打錨桿焊接固定注漿管，注漿管上部焊接法蘭盤并安裝1個(gè)閘閥和1個(gè)球閥。待鉆孔內(nèi)水泥養(yǎng)護(hù)36 h后，使用潛孔鉆對(duì)注漿管進(jìn)行掃孔作業(yè)，掃孔結(jié)束后采用1.2倍注漿終壓向注漿管注水進(jìn)行耐壓抗?jié)B試驗(yàn)，以無水滲漏作為試驗(yàn)結(jié)果的檢查依據(jù)，否則需重新補(bǔ)注水泥，直至合格為止。

(5)注漿孔施工。采用MKQJ120/40型潛孔鉆機(jī)配備直徑90 mm鉆頭通過安裝于孔口的高壓閘閥的閥腔施工注漿孔。鉆進(jìn)過程中須定時(shí)觀測鉆孔涌水量，如遇較大涌水則立即停止鉆進(jìn)，提出鉆桿并關(guān)閉閘閥進(jìn)行注漿，注漿結(jié)束4～6 h后，進(jìn)行掃孔復(fù)鉆作業(yè)，直至終孔深度滿足要求為止。

3 注漿作業(yè)及效果檢查

3.1 注漿作業(yè)

備足新鮮水泥，并將水泥運(yùn)至井口1 m3攪拌桶旁堆放整齊。注漿機(jī)具及管路系統(tǒng)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)的最大注漿壓力和流量要求，故注漿設(shè)備及管路系統(tǒng)安裝完畢后有必要進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)試運(yùn)轉(zhuǎn)及耐壓試驗(yàn)，設(shè)備無異常響聲方可投入使用，若發(fā)現(xiàn)故障應(yīng)及時(shí)排除。輸漿管路連接處以不漏漿、在設(shè)計(jì)最大壓力條件下維持5 min不泄壓為合格條件。注漿作業(yè)前，應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，用注漿泵壓清水，沖洗含水巖層裂隙中的泥漿及充填物，以提高漿液結(jié)石體與巖石裂隙面的黏結(jié)強(qiáng)度及抗?jié)B能力。壓水試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能采用大泵量，壓力值控制在該注漿段注漿終壓之內(nèi)，一般壓水時(shí)間為10～20 min。壓水試驗(yàn)結(jié)束并符合要求后，應(yīng)立即注漿。使用2TGZ-60/21X型注漿泵及高壓鋼絲軟管將攪拌后的水泥漿液通過注漿孔壓入含水巖層溶隙、裂隙中，水泥漿液的灌注須遵循先稀后濃、逐級(jí)變化的原則。起始水灰比應(yīng)依據(jù)裂隙的開度及單位涌水量確定，原則上起始水灰比為2∶1～1.5∶1。當(dāng)采用某一配比的漿液連續(xù)灌注30 min且壓力不升高、進(jìn)漿量不減少時(shí)應(yīng)逐級(jí)加大漿液濃度，反之則依次降低漿液濃度。掃孔后復(fù)注時(shí)，須使用低濃度的水泥漿液，水泥漿的水灰比應(yīng)為2∶1～3∶1，嚴(yán)禁使用高濃度漿液及水泥-水玻璃雙液漿。

鉆孔揭露的含水層巖性為泥質(zhì)白云巖、白云巖互層，根據(jù)工程地質(zhì)鉆孔資料，該段巖層溶蝕孔隙、裂隙發(fā)育，透水性好，易碎為粉塊狀，吸水、浸水后手可捏碎，局部崩解呈粉砂狀，RQD值為60%，為極軟巖。為有效達(dá)到封堵裂隙、隔絕水源和加固下伏巖層的目的，對(duì)鉆孔實(shí)施孔內(nèi)爆破。爆破后觀測孔內(nèi)涌水量的變化，對(duì)涌水量增大的鉆孔先排水再進(jìn)行注漿作業(yè)，若涌水量無變化則直接注漿。注漿結(jié)束后應(yīng)及時(shí)定量壓清水沖洗輸漿管路，清洗注漿泵，便于后續(xù)注漿使用。

3.2 注漿效果檢查

采取鉆孔檢查的方式檢查注漿效果，檢查孔的數(shù)量為4～5個(gè)。鉆孔原則上布置于井筒東、西、南、北及中心，但在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)根據(jù)各鉆孔的注漿情況進(jìn)行綜合分析。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一部位的注漿效果存在問題時(shí)，應(yīng)在注漿效果最不利的部位增加檢查孔。檢查孔施工結(jié)束后有必要進(jìn)行全孔壓水試驗(yàn)，計(jì)算單位吸水量，當(dāng)單位吸水量不高于0.05 L/m時(shí)，判定注漿合格。

4 結(jié) 語

為確保謙比希銅礦東南礦體主井掘砌的安全，詳細(xì)介紹了井筒工作面預(yù)注漿法的施工流程，在井筒幫壁上肉眼可見水泥呈塊狀、條帶狀分布，掘進(jìn)時(shí)幫壁涌水量小于10 m3/h，順利通過了含水層。實(shí)踐證明，在豎井掘砌工程中，采用工作面預(yù)注漿法可順利通過含水層，對(duì)于確保井筒施工的安全和質(zhì)量有一定的幫助。

[1] 王保東.皮帶斜井工作面注漿施工技術(shù)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012(4)：106-109.

[2] 崔云龍.簡明建井工程手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

2015-08-04)

劉 洋(1990—)，男，助理工程師，244031 安徽省銅陵銅官山區(qū)。