壁后注漿技術(shù)在思山嶺鐵礦副井施工中的應(yīng)用?

李明樓，趙興東，張連恒，姬 祥，徐繼濤

(1.中國華冶科工集團(tuán)有限公司, 北京 100176；2.東北大學(xué)井巷與地壓控制研究中心, 遼寧沈陽 110819)

壁后注漿技術(shù)在思山嶺鐵礦副井施工中的應(yīng)用?

李明樓1，趙興東2，張連恒1，姬 祥2，徐繼濤2

(1.中國華冶科工集團(tuán)有限公司, 北京 100176；2.東北大學(xué)井巷與地壓控制研究中心, 遼寧沈陽 110819)

鑒于思山嶺鐵礦副井穿過含水層，且施工過程中井壁淋水問題突出，為保證副井正常施工與安全，對(duì)淋水段進(jìn)行壁后注漿。根據(jù)思山嶺鐵礦副井巖層賦存特征及淋水現(xiàn)狀，確定采用深孔高壓注漿。對(duì)注漿材料、注漿配置、注漿壓力和注漿設(shè)備等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)注漿施工的注漿順序、注漿過程及注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討。實(shí)踐表明，采用壁后注漿能夠有效地封堵地下含水層的涌水，還可以起到加固豎井井壁的作用。

壁后注漿；堵水；井壁加固；注漿方案

1 工程概況

思山嶺鐵礦副井井口標(biāo)高+215.2 m,井底標(biāo)高1288.7 m(含封底600 mm厚),井筒深度1503.9 m,井筒凈直徑10.0 m。

目前工作面已掘進(jìn)至井筒標(biāo)高-553.5 m,成井深度766.7 m。在施工過程中,發(fā)現(xiàn)井筒標(biāo)高-461.8 m以下的井壁淋水情況比較嚴(yán)重,實(shí)測(cè)井筒總涌水量達(dá)到52.38 m3/h。井壁淋水對(duì)施工作業(yè)和安全造成很多不利的影響。經(jīng)施工單位和學(xué)校聯(lián)合研究決定,暫停井筒掘砌,對(duì)-461.8～-550 m的成井段進(jìn)行壁后注漿,以減少井壁淋水,保證施工作業(yè)的安全與高效。

2 壁后注漿機(jī)理

壁后注漿就是破壁鉆孔到設(shè)計(jì)深度,把漿液以一定壓力注入到井筒巖壁裂隙或孔隙中去,達(dá)到堵水和加固井筒的效果。漿液在注漿泵壓下沿井壁裂隙及軟弱破碎層擴(kuò)散,孔隙通道被堵塞而導(dǎo)致壓力上升,促使周圍圍巖裂隙擴(kuò)張,漿液順劈出的裂隙滲入巖體,形成劈裂注漿[1-2]。劈裂注漿圍著注漿孔形成垂直性脈狀注漿體,強(qiáng)化破碎圍巖。由于硬化物形狀各異且彼此交叉,可以提高抵抗巖體剪切破壞的能力。

3 壁后注漿方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿方案選擇

思山嶺鐵礦副井隨著掘進(jìn)深度的不斷加大,井壁淋水問題逐漸突出(最高涌水量曾達(dá)到50 m3/h)。若不采取堵水措施,將大大增加排水費(fèi)用,同時(shí)惡化掘進(jìn)作業(yè)條件,降低井筒壽命,還會(huì)給后續(xù)的采礦作業(yè)帶來隱患。為了封堵含水層以減少井筒涌水并加固井筒,礦山?jīng)Q定采用壁后注漿。

(1)如若采用淺孔注漿,深井井壁壓力大容易引起巖體局部破壞(破裂或炸裂),最終導(dǎo)致注漿堵水失敗。因此深井注漿宜采用深孔高壓注漿,使注漿深度超過井壁,并采用一孔多次掃孔復(fù)注的辦法。

(2)注漿方式:根據(jù)井筒揭露的圍巖特性和井壁淋水特點(diǎn),同時(shí)考慮到吊盤接近井底,壁后注漿采用上行式預(yù)注,下行式復(fù)注的方式。

3.2 注漿材料及漿液配制

(1)漿液材料。由于普通硅酸鹽水泥來源豐富、成本較低、工藝設(shè)備簡單且操作方便,所以本次注漿施工中,注漿材料以普通硅酸鹽水泥為主,并配以水玻璃漿液封堵注漿孔。在巖體破碎及漏水嚴(yán)重處考慮使用化學(xué)漿液,如該豎井涌水最嚴(yán)重處所用的凱蘇凝高分子注漿材料,以達(dá)到快速堵漏的目的,提高注漿堵水效果。

凱蘇凝高分子注漿材料較水泥漿等粒狀漿材不易出現(xiàn)顆粒的離析,且一般粘度較低,流動(dòng)性好,可注性好。容易進(jìn)入巖體的細(xì)小裂隙或孔隙中,即使是極細(xì)微(如0.1 mm以下)的縫隙也能注入。凱蘇凝高分子注漿材料分為KSN-1F型主劑和固化劑,膨脹系數(shù)為1.5倍,抗壓強(qiáng)度為42MPa,抗拉強(qiáng)度為16 MPa。隨著豎井掘進(jìn)深度的增加,逐步使用凱蘇凝高分子化學(xué)注漿材料代替普通水泥進(jìn)行注漿堵水。

(2)漿液的配制。配制水泥漿液時(shí),力求以正確的順序,嚴(yán)格、準(zhǔn)確的加料。首先往攪拌機(jī)中加入一定量的水,在不斷攪拌的情況下加入水泥,避免攪拌機(jī)卡住,待攪拌均勻后,再加入附加劑。水玻璃漿液一般濃度較高,在使用前需要加水稀釋。依據(jù)井壁淋水情況和壁后注漿要求,本次注漿的配比參數(shù)為:水泥漿的水灰比控制在0.65～1∶1；水玻璃濃度為30～40°Be'；水泥漿與水玻璃之比控制在1∶0.5 ～0.8。凱蘇凝高分子注漿材料分為KSN-1F型主劑和固化劑,需要事先根據(jù)井壁破碎程度和滲水情況進(jìn)行漿液配比試驗(yàn),同時(shí)調(diào)整催化劑的添加量以準(zhǔn)確控制凝膠時(shí)間。

3.3 注漿參數(shù)選擇

(1)注漿壓力。注漿壓力是促使?jié){液克服各種流動(dòng)阻力,使?jié){液擴(kuò)散、充填密實(shí)的動(dòng)力,是注漿作業(yè)的一個(gè)重要參數(shù)。注漿壓力的大小不僅與裂隙寬度、地層的附加載荷等工程地質(zhì)條件有關(guān),而且還取決于注漿深度、注漿速度、注漿量等因素。壁后注漿的壓力應(yīng)該比靜水壓力適當(dāng)大0.5～1.5 MPa,當(dāng)巖體裂隙比較發(fā)育時(shí),可適當(dāng)提高注漿壓力。

井壁強(qiáng)度校核公式為:

式中:p——井壁在注漿部位所能承受的壓力, MPa；

E——井壁厚度,取0.6 m；

R0——豎井的凈直徑,取10.0 m；

K——襯砌材料的允許抗壓強(qiáng)度,混凝土井壁的強(qiáng)度為C45,故取K＝45 MPa；

η——安全系數(shù),可取2；

pc——注漿終壓,MPa。

由式(1)計(jì)算得井壁強(qiáng)度p＝6.13 MPa,因此壁后注漿全過程壓力不能超過6.13 MPa。

(2)注漿擴(kuò)散半徑。

式中:g——重力加速度；

h——注漿壓力；

a——巖層間隙的等值半徑；

γ——水的容重；

s——漿液剪切強(qiáng)度；

β——時(shí)間系數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可通過調(diào)整漿液的滲透性、膠凝速度以及注漿終壓來使壁后注漿的有效擴(kuò)散半徑大于2.5 m。

3.4 注漿孔布置及單孔吸漿量

(1)注漿孔布置。本次壁后注漿的范圍為井筒標(biāo)高-461.8～-550 m,井壁注漿高度共計(jì)88.2 m。為了實(shí)現(xiàn)注漿封堵井壁含水層的目的,每2 m布置一排注漿孔,合計(jì)44排,各排交錯(cuò)布置；每排16個(gè)孔,注漿孔深度為4 m,共計(jì)704個(gè)孔(預(yù)計(jì)有效注漿孔為:704/3＝234個(gè)),如圖1所示。

圖1 注漿鉆孔布置示意

(2)單孔吸漿量。單孔吸漿量可按下式計(jì)算:

式中:A——漿液消耗系數(shù),此處取1.35；

R——有效擴(kuò)散半徑,取2.5 m；

L——鉆孔有效長度(非井筒注漿段長度),取3.2 m；

n——為壁后孔隙率,取0.03；

B——為漿液充填系數(shù),取0.88。

計(jì)算單孔吸漿量為2.24 m3/孔。

3.5 機(jī)械設(shè)備

(1)鉆孔設(shè)備。采用YT-28氣腿式鑿巖機(jī)鉆鑿孔深為4m的注漿孔。使用無縫鋼管制作的注漿孔口管的直徑為38mm,長度為1.2m。一端套扣焊擋環(huán),另一端的100 mm范圍內(nèi)均勻布置直徑為10 mm的花眼,數(shù)量為20個(gè)。擋環(huán)的主要作用是限位,防止孔口管完全打入鉆孔。

(2)注漿設(shè)備。采用ZBQ—15/5氣動(dòng)高壓注漿泵注漿,自制風(fēng)動(dòng)攪拌器配制漿液。

4 現(xiàn)場(chǎng)注漿施工

(1)成孔和孔口管埋設(shè)。鑿巖工人按照事先確定好的孔位,利用YT-28氣腿式鑿巖機(jī)打注漿孔。成孔后埋設(shè)孔口管,可以有效防止注漿孔口塌落和返漿,并承擔(dān)注漿孔頂部的壓力以避免井壁表面劈裂。在預(yù)制孔口管的馬牙扣處纏上沾滿鉛油的麻,用大錘將孔口管砸入注漿孔,外露的管子長50～70 mm。然后將球形閥擰到注漿孔的絲頭上。使用水泥-水玻璃膠泥密封孔口,其凝固后方可注漿。

(2)注水洗孔。為了獲得較好的注漿質(zhì)量,注漿前注水洗孔是一項(xiàng)必不可少的工作。目的一是清除壁后裂隙中的巖粉、碎屑等雜質(zhì),避免堵塞注漿通道而影響漿液的灌注。二是依據(jù)注水狀況,估計(jì)注漿泵的初始排量和漿液參數(shù)的調(diào)整范圍。注水量根據(jù)巖體加固范圍和裂隙發(fā)育情況而定。當(dāng)注水壓力不大于3 MPa時(shí),即認(rèn)為該注漿孔可以注漿。

(3)壓注漿液。將水泥漿經(jīng)過兩級(jí)過濾后由注漿泵壓入注漿孔。注漿濃度為先稀漿后濃漿,單液注漿壓力不超過5 MPa,雙液注漿壓力不超過6 MPa。時(shí)刻注意漿液的注入率與注漿壓力,防止高壓大注入率情況的出現(xiàn)。若壓力不升,則單孔注漿量不宜超過2 t。最后用按要求稀釋且過濾后的水玻璃漿液密封注漿孔。注漿完成后,割除孔口管的外露部分。

當(dāng)注漿壓力達(dá)到終壓,準(zhǔn)備封堵的涌水點(diǎn)不再漏水,周圍沒有跑漿現(xiàn)象,且10 min后打開放漿閥門不漏水,即可結(jié)束該孔注漿；當(dāng)集中出水點(diǎn)涌水量不大于0.5 m3/h,即表示該注漿段達(dá)到了工程要求,可以停止注漿。

5 結(jié)束語

總體來看,在治理井壁淋水、涌水的問題上,壁后注漿仍然是最合理有效的治理方式。在本次施工中,總結(jié)出以下幾條經(jīng)驗(yàn):無論所打鉆孔有無出水情況,均要注漿,以防止其它孔注漿時(shí)水受到擠壓后涌出?？刂谱{終壓時(shí),避免在一個(gè)位置反復(fù)破壁注漿,盡量一次注漿到位。注漿結(jié)束后,應(yīng)繼續(xù)往注漿管路中注入適量的清水,從而使注漿設(shè)備內(nèi)的殘余漿液進(jìn)入到廢液池中(廢液池位于吊盤上),然后提至地面處理掉。每次注漿結(jié)束后,都要清洗和檢修注漿設(shè)備及管路,以便為下次注漿施工作好準(zhǔn)備。

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2015-05-04)

李明樓(1966-)，男，高級(jí)工程師，從事建井工程技術(shù)管理工作，Email:liml＠ncmcc.com.cn。

2014年北京市科技計(jì)劃重大科技成果轉(zhuǎn)化落地培育項(xiàng)目(Z141100003514012)；2013年財(cái)政部施工新技術(shù)研究與開發(fā)資金項(xiàng)目(2013[235]號(hào))；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174044,51474052)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2011AA060400)；遼寧省教育廳人才項(xiàng)目(LJQ2012024)；遼寧省人事廳人才項(xiàng)目(2013921070).