地面預(yù)注漿工藝在南李莊鐵礦主井施工中的應(yīng)用

游紅江

(華北有色工程勘察院有限公司)

地面預(yù)注漿工藝在南李莊鐵礦主井施工中的應(yīng)用

游紅江

(華北有色工程勘察院有限公司)

隨著礦山開采深度的加大，新的注漿工藝、材料及設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用。針對南李莊鐵礦區(qū)地質(zhì)條件較復(fù)雜且富水性較強的特點，擬采用地表預(yù)注漿技術(shù)治理井筒掘進過程中的涌水，取得了較好的效果。

地表預(yù)注漿 蝕變破碎帶 黏土水泥漿 高角度裂隙

邯鄲縣南李莊鐵礦位于邯鄲市復(fù)興區(qū)和武安市交界處，為設(shè)計產(chǎn)量80萬t/a的大型礦山。由于該礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要含水層為奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水，含水層裂隙巖溶發(fā)育，且多高角度巖溶裂隙發(fā)育，富水性較強。同時礦區(qū)地層中普遍存在多層厚度較大、透水性弱、物理力學(xué)性質(zhì)差的蝕變破碎帶，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。為了保證主井的順利掘進，采用地表預(yù)注漿方案[1-2]治理井筒掘進過程中的涌水，主井井筒凈徑為4.5 m，開拓荒徑為5.1 m，地表高程為+253 m，井筒底板高程為-240 m，設(shè)計深度為493 m。

1 礦區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.1 地層概況

(1)第四系(Q)。場區(qū)均被第四系覆蓋，以黃褐色粉質(zhì)黏土為主，層厚埋深為2.95～5.10 m。

(2)奧陶系(O2)。奧陶系中統(tǒng)為場區(qū)地下水的主要賦存層位，全區(qū)皆有分布，主要為馬家溝組的石灰?guī)r，巖性由深灰色中厚層致密灰?guī)r、花斑灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、淺棕黃或肉紅色白云質(zhì)灰?guī)r、角礫巖、角礫狀灰?guī)r、條帶狀泥質(zhì)灰?guī)r及結(jié)晶灰?guī)r等組成，揭露石灰?guī)r總厚約393.45 m，層底標高為-145.00 m。受巖漿巖上侵的熱蝕作用，石灰?guī)r中廣泛分布有厚度不均的蝕變破碎帶。該層物理力學(xué)性質(zhì)差，遇水膨脹、崩解、易坍塌，巖芯顏色以灰白色、淺黃色居多。蝕變灰?guī)r破碎帶厚度較大，最小為4.02 m，最大為37.45 m。

(3)燕山期閃長玢巖(δμ)。場區(qū)埋深為 397.80～503.00 m，為燕山期閃長玢巖，顏色以灰白、灰綠色為主，主要成分以斜長石、角閃石為主，標高-145.00～-163.00 m處比較破碎，地層復(fù)雜，透水性強，巖層間夾雜有薄層石膏灰?guī)r及矽卡巖。

1.2 水文地質(zhì)條件

南李莊鐵礦位于邯邢地區(qū)鼓山斷層以東地下水強徑流帶，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要含水層為中奧陶系馬家溝組石灰?guī)r裂隙巖溶含水層組，該含水層組主要由灰?guī)r、花斑灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等組成。巖溶裂隙發(fā)育，裂隙率為0.67%～1.51%，巖溶率為0.5%～1%，其富水性變化較大，一般為1～20 L/(s·m)，個別可達512.4 L/(s·m)，礦區(qū)平均滲透系數(shù)為5.954 m/d。目前，礦區(qū)水位標高約+100 m(2013年10月)，水力性質(zhì)為潛水。

2 地面預(yù)注漿工藝

2.1 技術(shù)特點

立井地面預(yù)注漿[1]的基本思路是，當立井通過厚度較大或?qū)訑?shù)較多的基巖含水巖層時，在井筒開鑿前，利用鉆機從地面井筒周圍鉆進注漿孔，將制備好的漿液利用高壓注漿泵經(jīng)注漿孔壓送至基巖含水層中，隨著漿液的充填，凝固，在井筒周圍形成不透水的注漿帷幕，達到注漿堵水和加固底層的目的，在此基礎(chǔ)上開鑿井筒。其優(yōu)點主要有：①全部工作均在地面上進行，工作條件好、效率高、鉆進速度快；②可以根據(jù)裂隙方向布置鉆孔，鉆孔偏斜影響小，且鉆孔、注漿工程量較?。虎坫@孔和注漿工作可在井筒掘進前進行，不影響工程進度，可連續(xù)施工；④使用生產(chǎn)效率高的大型鉆機加大注漿孔徑，鉆孔可以交叉更多的含水層裂縫，提高充填效果；⑤無需修筑止水墊或預(yù)留保護巖柱，避免了注漿時止水墊跑漿等現(xiàn)象的發(fā)生；⑥注漿效果可以從后期注漿孔和檢查孔的涌水量直接觀察到。地面預(yù)注漿堵水主要適用于井筒穿過厚度較大的裂隙含水層，或含水層厚度不大但層數(shù)多并與不透水層互層，多層裂隙含水層，大的斷層構(gòu)造帶加固等。

2.2 地面預(yù)注漿工藝

2.2.1 注漿孔布置形式及孔個數(shù)

地面預(yù)注漿孔數(shù)計算公式為

式中，N為注漿孔個數(shù)，注漿孔個數(shù)取偶數(shù)較好；D1為井筒荒徑，取5.10 m；A為井筒荒徑至帷幕圈的距離，取2.50 m；L為注漿孔間距，取4.00 m。

據(jù)式(1)計算可得，N=7.93，故注漿個數(shù)確定為8?？紤]到鉆孔沿著帷幕線均勻布置，故孔間距為3.87 m。主井結(jié)構(gòu)及鉆孔平面布置形式見圖1。

圖1 主井結(jié)構(gòu)及鉆孔平面布置示意

2.2.2 注漿孔序及注漿方式選擇

根據(jù)注漿鉆孔布置方式及施工場地布置，將注漿孔分為兩序施工，即Ⅰ序孔為Z1、Z3、Z5、Z7，Ⅱ序孔為Z2、Z4、Z6、Z8(圖1)。注漿方式指在垂直方向各注漿段注漿的先后施工關(guān)系，通常分為下行式、上行式和上下行混合的注漿方式[2]。礦山帷幕注漿一般分序施工：①第Ⅰ序注漿孔由于地質(zhì)資料缺失，且地層透水性較強，可注性較大，宜采取下行式注漿方式；②第Ⅱ序注漿孔施工時可根據(jù)鉆孔孔口返水情況和地層破碎程度，整個鉆孔或局部幾個滲透性較小的注漿段宜采取上行式或綜合分段的注漿形式。

2.2.3 注漿頂?shù)装?/p>

(1)注漿上限。主井井口標高為+253.0 m，地下水靜水位標高為+100.0 m(2014年10月)，考慮水位變幅和高角度巖溶裂隙的影響，主井注漿上限確定為+120.0 m標高，埋深為133.0 m。

(2)注漿下限。主井底板標高為-240 m，為了保證漿液有效封堵井壁周邊和底板含水層，注漿孔深度應(yīng)大于主井底板深度10 m，即孔底標高為 -250 m。

2.2.4 注漿參數(shù)

(1)注漿段高?？筛鶕?jù)鉆探?jīng)_洗液的漏失情況適當延長和縮短注漿段高，但不宜超過30 m。

(2)注漿孔結(jié)構(gòu)。注漿孔終孔一般不小于φ91 mm。

(3)注漿孔垂直度。為了防止由于注漿孔偏斜引起漿液搭接不良，依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，垂直注漿孔最大偏距不宜超過實際孔深的0.5%。

(4)注漿壓力?？紤]礦區(qū)-150 m水平以上地層為中奧陶系石灰?guī)r，為礦區(qū)主要含水層，且水文地質(zhì)條件復(fù)雜，豎向高角度巖溶裂隙及蝕變破碎帶地層發(fā)育等因素[3]，注漿壓力在2.5～3.0倍靜水壓力的基礎(chǔ)上進行了相應(yīng)提高。基本原則為：①地層巖溶裂隙發(fā)育、透水性強且吸漿量大時取小值；②地層透水性弱、吸漿量小時取大值。上述注漿壓力范圍及控制原則可根據(jù)實際情況調(diào)整。

2.2.5 注漿結(jié)束標準

在同時達到以下3個條件后可結(jié)束注漿：①注漿終壓達到注漿段設(shè)計值；②注漿終量在50 L/min及以下；③達到以上2個條件后穩(wěn)定時間不得低于20 min。

3 注漿材料選擇及漿液變換原則

3.1 相對完整地層漿液

注漿材料的選用應(yīng)根據(jù)工程需要，遵循因地制宜、經(jīng)濟合理的原則。本工程選用的漿液以改性黏土水泥漿液為主、單液水泥漿為輔。針對較完整的地層采用黏土水泥漿，其特點有：①漿液穩(wěn)定性好，在泵送及擴散過程中漿液不離析、不沉淀，凝固過程中析水少，結(jié)實率高，抗?jié)B性能好；②黏土顆粒較細，漿液流動性好，易于滲透到巖層的細小裂隙中；③漿液塑性強度可調(diào)范圍大，漿液凝結(jié)固化時間可以調(diào)節(jié)控制，適用于不同地層條件下的基巖裂隙注漿；④礦物成分具有良好的化學(xué)惰性，對地下水的抗侵蝕能力強，結(jié)石體的耐久性較好。

黏土水泥漿液材料技術(shù)參數(shù)為：①黏土塑性指數(shù)不小于10，黏粒(粒徑小于0.005 mm)含量不低于25%，含砂量不大于5%，有機物含量不大于3%；②采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥；③水玻璃密度為1.37～1.40 g/cm3，模數(shù)為2.6～3.4。

黏土水泥漿液配比要求為：① 黏土漿密度為(1.10～1.20)×103kg/m3，平均密度控制在1.15×103kg/m3以內(nèi)；②水泥加入量分別為200，300，400 kg/m3；③硅酸鈉加入量為10～40 L/m3，可根據(jù)漿液配制情況適量添加。由現(xiàn)場漿液試驗可知，以m(膨潤土)∶m(水)=1∶4，密度為1.13 kg/m3的黏土漿液為基漿，在此基礎(chǔ)上可分別添加200，300，400 kg/m3的水泥量。

3.2 蝕變破碎地層注漿材料

針對蝕變破碎地層，采用純水泥漿液，主要是為了堵水和加固破碎圍巖，改善圍巖的物理力學(xué)性能，為后期井筒開掘奠定基礎(chǔ)。

3.3 漿液變換

黏土水泥漿注漿起始漿液濃度及漿液變化應(yīng)遵循原則為：①根據(jù)注漿前簡易壓水試驗資料,判斷地層透水性，當?shù)貙訂挝煌杆市∮?0 Lu時，起始漿液采用1∶0.88∶4的黏土水泥漿液作為起始水固比，其他情況漿液起始濃度應(yīng)選用1∶1.32∶4；②當注漿壓力保持不變，單位注入量持續(xù)減少時，或單位注入量不變而壓力持續(xù)升高時，不得改變水固比；③當某級濃度漿液注漿量超過20 m3時，而注漿壓力和單位注入量均無改變或改變不顯著時，應(yīng)提高一級濃度；④當注漿量達到70 m3時，注漿壓力和單位注入量仍無變化或變化不顯著時，進行間歇，直至注漿達到結(jié)束標準為止。

純水泥漿注漿起始漿液濃度及漿液變化應(yīng)遵循的原則為：①根據(jù)注漿前簡易壓水試驗資料，判斷地層透水性，當?shù)貙訂挝煌杆市∮? Lu時，起始漿液采用3∶1水泥漿液作為起始水固比，其他情況漿液起始濃度應(yīng)選用2∶1水泥漿液；②當注漿壓力保持不變，單位注入量持續(xù)減少時，或單位注入量不變而壓力持續(xù)升高時，不得改變水固比；③當某級濃度漿液注漿量超過15 m3時，而注漿壓力和單位注入量均無改變或改變不顯著時，應(yīng)提高一級濃度；當注漿量達到70 m3時，注漿壓力和單位注入量仍無變化或變化不顯著時，進行間歇，直至注漿達到結(jié)束標準為止。

4 特殊地層處理措施

根據(jù)南李莊鐵礦主井工程地質(zhì)勘察資料，場區(qū)內(nèi)在標高+120.0～+10.0 m和-130.0～-145.0 m蝕變破碎帶內(nèi)的蝕變灰?guī)r巖性以石灰?guī)r角礫為主，粒徑大者達30～50 mm，小者呈粉砂狀，膠結(jié)物為鈣質(zhì)，顏色較雜，一般為灰綠色、灰白色，巖芯硬度極低，坍塌掉塊嚴重，遇水易縮徑、崩解，透水性極差，極易造成“塌孔”“抱鉆”等事故。透水部位主要為蝕變灰?guī)r與完整石灰?guī)r的交接帶，在地面預(yù)注漿施工過程中，為了確保該特殊地層的注漿施工效果，所采取的措施有：①針對該地層巖體破碎且透水性弱的特點，增大注漿壓力，給予漿液足夠的擴散動力；②采用較低濃度單液水泥漿進行注漿施工，保證漿液的擴散半徑和強滲透性，能夠在井筒邊界周圍形成厚度較大的注漿帷幕體，同時起到提高圍巖強度、穩(wěn)定性和堵水的雙重作用；③增大注漿孔口徑，設(shè)計注漿段口徑不小于φ91 mm，增加注漿段揭露裂隙的面積，保證漿液的擴散和搭接效果；④充分考慮鉆孔結(jié)構(gòu)，合理利用蝕變灰?guī)r中的夾層完整石灰?guī)r地層，下放地質(zhì)套管，由于蝕變灰?guī)r地層強度較低，在該層中下放止?jié){塞。

5 結(jié) 語

采用地面預(yù)注漿技術(shù)對較厚層蝕變破碎帶基巖進行處理，不僅能夠有效加固基巖破碎帶，基本消除掘進工作面突水、大涌水量等隱患，而且能夠提高井筒的堵水效果，從而達到降低施工風險，縮短建井工期，節(jié)約造價的目的，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

[1] 周興旺，高崗榮.注漿施工手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2013.

[2] 孫 釗.大壩基巖注漿[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

2015-01-29)

游紅江(1982—)，男，工程師，050021 河北省石家莊市匯通路39號。