地面預(yù)帷幕注漿止水技術(shù)在新建回風(fēng)井中的應(yīng)用

馮 斌，熊朝輝，胡 飛

(湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì)，湖北黃石 435100)

立井井筒(又稱豎井)是礦井通達(dá)地面的主要進(jìn)出口，也是礦井生產(chǎn)期間提升礦石、升降人員、運(yùn)送材料設(shè)備以及通風(fēng)和排水的咽喉通道。立井井筒施工工程是礦井建設(shè)的關(guān)鍵工程，在井筒建設(shè)中，地下水往往帶來(lái)極大危害，如影響工程進(jìn)度和質(zhì)量，惡化建設(shè)條件，甚至淹沒(méi)礦井，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。目前，采取帷幕注漿止水技術(shù)，可大幅度減少地下水涌水量，既縮短了建設(shè)周期，又減少了井筒掘進(jìn)工程造價(jià)，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文重點(diǎn)介紹以某礦山公司新建回風(fēng)井井筒地面帷幕注漿止水的成功經(jīng)驗(yàn)。

1 地層及水文地質(zhì)概況

新建回風(fēng)井設(shè)計(jì)井筒凈直徑Φ4．0 m，井筒護(hù)壁厚0．25 m，井筒深980．64 m。根據(jù)地質(zhì)勘察得出的結(jié)論:7．10 ～57．60 m(標(biāo)高 -42．78 m)段為新建回風(fēng)井主要裂隙含水層，井筒涌水量建議值為336 m3/h，為中等富水性，具承壓性。井筒涌水量大是影響新建回風(fēng)井施工的主要不利因素，不進(jìn)行防水治理將嚴(yán)重影響回風(fēng)井的安全施工。

1．1 地層概況

勘察孔深度244．51 m，根據(jù)鉆孔揭露地層情況，擬建回風(fēng)井沿軸線依次穿越第四系湖積粘土、白堊系下統(tǒng)靈鄉(xiāng)組泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r，因勘察鉆孔深度所限，下伏侏羅系馬架山組地層未揭露，鉆孔穿過(guò)和揭露的地層自上而下有第四系、白堊系。

(1)第四系:厚度為7．10 m，主要巖性為粘土層。

(2)白堊系:厚度＞237．41 m，巖性以燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的火山噴出巖杏仁狀玄武巖、橄欖輝石玄武巖夾于白堊紀(jì)靈鄉(xiāng)組泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r中。

1．2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)勘察孔穿過(guò)的地層，劃分出1個(gè)隔水層、1個(gè)主要含水層、1個(gè)次要含水層和1個(gè)弱含水層。各含(隔)水層特征自上而下分述如下:

1．2．1 第四系湖積粘土隔水層(0．00 ～7．10 m)

灰褐色，軟塑，3．47 ～7．1 m 呈可塑狀，2．1 ～2．7 m夾薄層淺灰色淤泥質(zhì)粘土。含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，透水性差，為不含水隔水層。

1．2．2 玄武巖夾碎屑巖裂隙含水層(7．10～57．60 m)

該段巖性主要由青灰色杏仁狀玄武巖、紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、淺灰色橄欖輝石玄武巖組成，強(qiáng)—中風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，多呈微張開狀，滲透系數(shù)K=2．26 m/d，單位涌水量0．746 L/s·m，中等富水性，具承壓性，承壓水頭高度7．93 m，高出孔口 0．83 m，高程 15．65 m，孔口自流涌水量Q流=95 m3/d，為本孔主要含水層，估算涌水量336 m3/h。

1．2．3 玄武巖裂隙含水層(57．60 ～94．80 m)

該段巖性主要由青灰色杏仁狀玄武巖、淺灰色橄欖輝石玄武巖組成，中—微風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，滲透系數(shù) K=0．23 m/d，單位涌水量0．050 L/s·m，弱富水性，具承壓性，承壓水頭高度57．25 m，地下水位埋深0．35 m，高程14．47 m，為本孔次要含水層;本含水層是依據(jù)地層巖性和抽水試驗(yàn)取得的單位涌水量數(shù)據(jù)，與其上主要含水層之間的差異性劃分的，兩者之間無(wú)明顯分界線，該段弱含水層層厚37．20 m，估算涌水量38 m3/h，每延米涌水量為 1．02 m3。

1．2．4 玄武巖—碎屑巖、碳酸鹽巖裂隙弱含水層(94．80 ～244．51 m)

該段巖性主要由青灰色杏仁狀玄武巖、紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、淺灰、灰綠橄欖輝石玄武巖、紫紅色含礫砂巖、紫紅色凝灰質(zhì)砂巖、灰白色泥質(zhì)灰?guī)r組成，中—微風(fēng)化，節(jié)理裂隙不發(fā)育—較發(fā)育，裂隙多呈閉合狀，RQD=80% ～97%，巖芯完整，滲透系數(shù)K=0．02 m/d，單位涌水量0．041 L/s·m，弱富水性;該層水位埋深0．14 m，承壓水頭高度94．66 m，高程 14．68 m，為本孔弱含水層，與其上次要含水層亦無(wú)明顯分界線。該段弱含水層層厚149．71 m，估算涌水量41 m3/h，每延米涌水量為 0．27 m3。

2 注漿堵水方案

2．1 設(shè)計(jì)意圖

7．10 ～57．60 m(高程 -42．78 m)是本回風(fēng)井的主要含水層，井筒分段掘進(jìn)估算涌水量＞40 m3/h，需注漿，采用從地表打垂直鉆孔至主要含水層(7．1～57．6 m)底板以下10～15 m，對(duì)新建回風(fēng)井上部圍巖進(jìn)行地面鉆孔預(yù)注漿，形成止水帷幕，達(dá)到大幅降低回風(fēng)井57．60 m以上井筒涌水量的目的。

2．2 注漿質(zhì)量要求

通過(guò)注漿在井筒荒徑外形成注漿隔水帷幕，將含水層的過(guò)水通道進(jìn)行封堵，使受注段的井筒剩余涌水量＜5 m3/h，滿足《礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的要求。

2．3 地面預(yù)注漿方案

2．3．1 注漿孔布置及施工順序

設(shè)計(jì)注漿孔2圈，孔位布置在回風(fēng)井井筒外3．55 m及4．05 m的圓周上，距井筒中心分別為5．80 m和6．30 m，每圈布置注漿孔8個(gè)，注漿孔間距為2．40 m。采用下行式注漿法灌漿，分段成孔，分段注漿。注漿結(jié)束后在井筒中心施工一個(gè)檢查孔JC1，通過(guò)抽水試驗(yàn)驗(yàn)證注漿效果。

16個(gè)注漿孔按序進(jìn)行施工，第Ⅰ序列注漿孔設(shè)計(jì)孔深75 m，作為先導(dǎo)孔;第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ序列注漿孔及檢查孔設(shè)計(jì)孔深67．00 m。注漿孔施工完成后，最后對(duì)檢查孔JC1進(jìn)行鉆探施工，并做水文試驗(yàn)檢驗(yàn)前期注漿止水效果。注漿孔施工順序如圖1所示。

2．3．2 注漿參數(shù)

注漿孔共16個(gè)，孔間距2．4 m;漿液有效擴(kuò)散半徑取8 m，注漿壓力3～6 MPa。

圖1 注漿孔布置圖Fig．1 Layout drawing of grouting hole

3 施工工藝與注漿方法

3．1 施工機(jī)具表

注漿投入的主要機(jī)械設(shè)備的型號(hào)規(guī)格如表1。

表1 主要施工設(shè)備表Table 1 Schedule of main coustruction equipment

3．2 注漿器結(jié)構(gòu)圖

注漿器結(jié)構(gòu)見圖2，壓水試驗(yàn)見圖3。

3．3 注漿孔的結(jié)構(gòu)圖

注漿孔結(jié)構(gòu)見圖4。

3．4 注漿施工工藝(見圖5)

(1)采用XY-1型液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔，第四系覆蓋層采用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，基巖采用金剛石鉆頭鉆進(jìn)，注漿孔開孔孔徑Φ110 mm，灌漿段孔徑應(yīng)≥91 mm。

(2)該井筒地質(zhì)情況較復(fù)雜，鉆孔穿越的巖層較多，軟硬不均，易產(chǎn)生孔斜，鉆孔偏斜率應(yīng)＜1%。測(cè)斜工作分別在30 m和終孔后各進(jìn)行一次。鉆進(jìn)施工中經(jīng)測(cè)斜發(fā)現(xiàn)鉆孔偏距迅速加大，有超偏趨勢(shì)或已超偏的，均應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，進(jìn)行定向糾偏。

圖2 注漿器結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure diagram of grouting hole

圖3 壓水試驗(yàn)示意圖Fig．3 Schematic diagram of water pressure test

(3)當(dāng)注漿孔按設(shè)計(jì)鉆至該注漿段深度，經(jīng)沖洗孔內(nèi)巖粉，測(cè)量孔斜合格并做完壓水試驗(yàn)后，即可進(jìn)行注漿作業(yè)。

3．5 注漿方法

采用下行式純壓注漿，自上而下下行式分段注漿法。

(1)注漿孔鉆穿第四系松散土層并進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層0．5 m后，下入止?jié){套管，并進(jìn)行注漿，采用間歇式注漿法，使止?jié){套管底部與土層結(jié)合穩(wěn)固，降低后續(xù)分段注漿時(shí)向上串漿的可能性。

(2)止?jié){套管注漿封固24 h后，掃孔鉆進(jìn)并穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化層，進(jìn)入中風(fēng)化層，采用純壓式注漿法對(duì)強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行注漿。

(3)自中風(fēng)化巖層開始，每5～10 m為一個(gè)注漿段，自上而下分段注漿。注漿前用注漿泵大泵量送清水洗孔，洗孔至水清砂凈后進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)成果，確定開灌濃度。注漿過(guò)程中，如果發(fā)生串漿，則串漿孔同時(shí)進(jìn)行壓力注漿，漿液終凝后方可掃孔鉆進(jìn)。

(4)簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)可在裂隙沖洗后進(jìn)行，最大壓力為1 MPa，采用單點(diǎn)法試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)每5 min測(cè)讀一次壓入流量。

3．6 注漿水灰比

采用純水泥漿灌注，水灰比 3∶1、2∶1、1∶1、0．75∶1、0．5∶1五級(jí)，開灌水灰比為 3∶1。當(dāng)每段吸漿量 ＞100 L/min時(shí)采用水玻璃—水泥漿液。

3．7 注漿壓力

設(shè)計(jì)終灌壓力應(yīng)為靜水壓力的5～10倍，工程最大靜水壓力為 0．6 MPa，設(shè)計(jì)終灌壓力為 3．0～6．0 MPa

3．8 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

(1)當(dāng)基巖段注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，漿液難以注入時(shí)。

(2)在最大設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率≤1 L/min后，繼續(xù)灌注30 min，可結(jié)束灌漿。

4 注漿堵水成果分析

注漿工程竣工后，對(duì)各序注漿孔壓水試驗(yàn)呂榮值及注漿量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，前期注漿孔各孔段呂榮值及注漿量大，后期注漿孔各孔段呂榮值及注漿量明顯減少，而各序注漿孔的開灌壓力逐漸提高，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ序注漿孔巖芯節(jié)理裂隙、溶蝕空隙中均發(fā)現(xiàn)有已固結(jié)的水泥，亦說(shuō)明巖層含水裂隙逐漸被漿液充填，達(dá)到止水效果。

(1)各序注漿孔呂榮值、注灰量統(tǒng)計(jì)(見表2)。

(2)各序注漿孔平均呂榮值統(tǒng)計(jì)(見圖6)。

(3)各序注漿孔平均開灌壓力統(tǒng)計(jì)(見圖7)。

5 檢查孔抽水試驗(yàn)成果

5．1 檢查孔與勘察孔抽水試驗(yàn)成果對(duì)比

抽水試驗(yàn)共做了2次降深，分別為35．75 m和50．6 m。檢查孔JC1及勘察孔K2抽水試驗(yàn)成果對(duì)比見表3。

5．2 注漿前后井筒涌水量估算對(duì)比(見表4)

圖4 注漿孔結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Structure diagram of grouting hole

圖5 注漿施工工藝流程圖Fig．5 Process flow diagram of grouting construction

表2 各序注漿孔呂榮值、注灰量Table 2 Lugeon value and capacity of injecting grout of grouting holes

根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，估算井筒涌水量為2．02 m3/h，相比注漿前下降了99%，目前新建回風(fēng)井已竣工驗(yàn)收，帷幕注漿段實(shí)際涌水量＜2 m3/h，確保了新建回風(fēng)井安全順利施工。

圖6 各序注漿孔平均呂榮值Fig．6 Average Lugeon value of grouting holes

圖7 各序注漿孔平均開灌壓力Fig．7 Average opening pressure of grouting holes

表3 檢查孔JC1與勘察孔K2抽水試驗(yàn)成果對(duì)比表Table 3 Correlation table of pumping test results of inspection opening JC1 and exploration hole K2

表4 注漿前后井筒涌水量估算對(duì)比表Table 4 Correlation table estimation of water yield of shaft

5．3 注漿后效果圖(見圖8、圖9)

圖8 檢查孔玄武巖節(jié)理面水泥漿充填固結(jié)良好Fig．8 Good filling consolidation of grout of joint plane

圖9 回風(fēng)井施工現(xiàn)場(chǎng)(止水效果良好)Fig．9 Job location of return-air well

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)水文地質(zhì)勘察，精確劃分出對(duì)工程影響較大的主要含水層。合理、經(jīng)濟(jì)地布置注漿孔間距、深度，優(yōu)化注漿施工工藝，現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)注漿質(zhì)量管理，根據(jù)各注漿段注漿前、后巖芯裂隙充填情況、壓水試驗(yàn)呂榮值、洗孔涌水量等分析對(duì)比，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。工程實(shí)踐表明，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜情況下，井筒開挖施工采用“下行式純壓注漿”地面預(yù)注漿技術(shù)，可有效隔斷井筒與地下含水層之間的水力聯(lián)系，為井筒開挖施工創(chuàng)造良好的條件，為井筒安全、高效、快速地施工奠定基礎(chǔ)，取得了良好的堵水效果和經(jīng)濟(jì)效益。

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