新城金礦立井含水層破碎帶綜合治理施工方法

周新勍

(華煤集團(tuán)有限公司)

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新城金礦立井含水層破碎帶綜合治理施工方法

周新勍

(華煤集團(tuán)有限公司)

立井井筒穿過(guò)含水層圍巖破碎帶施工時(shí)由于巖體穩(wěn)定性較差，在涌水的侵蝕下，采用爆破法施工時(shí)極易出現(xiàn)大面積片幫，嚴(yán)重影響了立井井筒的施工安全與質(zhì)量。為此，采用帷幕注漿封水的施工方法治理立井井筒涌水，采用工作面超前預(yù)注漿加固與后期掘進(jìn)時(shí)減少爆破擾動(dòng)的方法進(jìn)行破碎圍巖段施工。以新城金礦滕家副井穿過(guò)極破碎帶含水層施工工程為例，通過(guò)工作面超前預(yù)注漿的施工方法注漿封水與加固極破碎帶，在特殊地層中合理選擇注漿材料，注漿后下掘施工時(shí)加強(qiáng)探水力度、控制掘進(jìn)爆破振動(dòng)對(duì)圍巖擾動(dòng)與注漿帷幕的影響，使得立井井筒施工順利通過(guò)了極破碎帶含水層，成效顯著，可供類似礦山參考。

立井井筒破碎帶綜合治理帷幕注漿爆破振動(dòng)

立井穿過(guò)破碎帶施工時(shí)利用注漿技術(shù)對(duì)破碎圍巖進(jìn)行加固是最常用的施工方法，帷幕注漿技術(shù)已成為大水礦山治水的主要技術(shù)手段之一[1-2]。邵正民等[3]針對(duì)羅河鐵礦豎井井筒工作面注漿施工時(shí)前期注入普通水泥漿270d后注漿效果較差，施工進(jìn)度十分緩慢，經(jīng)分析后注入化學(xué)漿歷時(shí)60d取得了較好的封水效果；馮向東[4]提出采用高壓、大能量強(qiáng)制性注漿的施工方法對(duì)破碎圍巖進(jìn)行加固，取得了一定的成效。經(jīng)過(guò)對(duì)上述成果的分析，認(rèn)為對(duì)于立井井筒穿過(guò)破碎帶含水層施工時(shí)可采用工作面預(yù)注漿的施工方法治理涌水并加固圍巖，在注漿后通過(guò)控制爆破振動(dòng)減少對(duì)破碎帶與注漿帷幕的爆破擾動(dòng)，防止破碎圍巖片幫與井筒內(nèi)突發(fā)涌水相互影響，導(dǎo)致井筒掘砌施工難度增加，確保立井井筒施工順利通過(guò)復(fù)雜特殊地層。

1　工程概況

新城金礦位于山東省萊州市，瀕臨渤海，屬于巖溶環(huán)境相對(duì)發(fā)育的地區(qū)。工勘資料顯示礦區(qū)受焦家斷裂蝕變帶地質(zhì)構(gòu)造的影響，焦家斷裂蝕變帶不僅控制著礦體的分布與埋藏，而且控制著地下水的富集、運(yùn)移和水力特性，屬壓扭性斷裂帶，斷裂帶的中間部位是斷層泥，兩側(cè)為碎裂巖，巖石間細(xì)微導(dǎo)水裂隙密集，裂隙豎向傾角為45°～60°。新城金礦滕家副井井筒設(shè)計(jì)凈直徑7.5m，素混凝土支護(hù)厚度0.5m，井深1 170.88m。2015年5月29日施工至井深246m后出現(xiàn)涌水，經(jīng)過(guò)連續(xù)4次探注掘施工，2016年1月5日施工至井深386m，在井深388m探水施工時(shí)，當(dāng)井筒內(nèi)的涌水量達(dá)到60m3/h時(shí)開(kāi)始第五次工作面超前預(yù)注漿。在第一次注漿結(jié)束后施工至井深254m位置時(shí)井筒內(nèi)松軟破碎圍巖出現(xiàn)大面積片幫，致使注漿封水帷幕被破壞，井筒內(nèi)涌水量急劇上升。井筒內(nèi)涌水量的增加，導(dǎo)致破碎圍巖在涌水的沖刷下松軟垮塌，增加了施工難度并延長(zhǎng)了施工工期。工勘資料顯示在注漿段高內(nèi)巖石均為破碎、極破碎巖，井深416～424m段為極破碎巖且涌水量較大，工勘取樣時(shí)巖芯多呈碎塊狀，局部呈碎渣狀，RQD為0%，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。在注漿過(guò)程中打鉆至416m位置時(shí)單孔涌水量達(dá)到30m3/h，且涌水中噴出大量顆粒性巖石與淤泥狀泥巖。因此，在對(duì)該段特殊地層井筒注漿封水與加固破碎帶施工時(shí)應(yīng)引起高度重視，在后期掘進(jìn)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)探水與減少炮震對(duì)破碎圍巖的振動(dòng)影響，確保施工安全。

本研究注漿設(shè)計(jì)澆筑厚3.5m、C40混凝土止?jié){墊，段高50m，沿井筒周圈距井壁0.5m均勻布置16個(gè)φ108mm注漿孔，注漿孔傾角3°，注漿材料以單液水泥漿為主。注漿孔打鉆時(shí)的實(shí)測(cè)水壓為2.6MPa，在打鉆深度至30m后注漿孔在高注漿壓力(20MPa)下注入單液普通水泥漿，但注入量極少(單孔0.5～1t)，掃孔后注漿孔涌水量無(wú)明顯減少。主要原因是高壓水泥漿注過(guò)后仍存在眾多細(xì)微導(dǎo)水裂隙，因普通水泥漿顆粒較大無(wú)法進(jìn)入細(xì)微裂隙向外擴(kuò)散封水，但經(jīng)注水試驗(yàn)，注水壓力保持在2.5～3.5MPa仍可持續(xù)注入清水，通過(guò)壓水試驗(yàn)說(shuō)明非顆粒液體可實(shí)現(xiàn)在較小的壓力下進(jìn)入已注過(guò)的單液普通水泥漿的破碎帶含水層。

2　注漿優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工

2.1總體注漿方案

顧及到金屬礦山細(xì)微導(dǎo)水裂隙密集發(fā)育，普通水泥顆粒較大無(wú)法有效擴(kuò)散封堵，故選用化學(xué)漿與超細(xì)水泥漿進(jìn)行工作面注漿封水施工。原注漿孔經(jīng)高壓注入普通水泥漿已形成孔內(nèi)屏蔽，須新增注漿孔補(bǔ)注(在原注漿孔中間穿插新增16個(gè)注漿孔，注漿孔傾角5°，注漿段高50m)?；瘜W(xué)漿選用脲醛樹(shù)脂與草酸溶液，屬于非顆粒性液體，可有效充填巖石間細(xì)微裂隙，凝固后抗壓強(qiáng)度較低，作用在于封堵細(xì)微導(dǎo)水裂隙。超細(xì)水泥漿顆粒粒徑0.02μm，凝固后抗壓強(qiáng)度較高且耐久性良好，作用在于封堵大裂隙與加固破碎圍巖。注漿孔漿液選擇應(yīng)遵循的原則為：①打鉆時(shí)注漿孔內(nèi)出現(xiàn)顆粒狀巖石或出現(xiàn)夾孔卡鉆堵塞鉆機(jī)沖擊器現(xiàn)象時(shí)，須注入超細(xì)水泥漿；②單孔涌水量大于5m3/h時(shí)須注入超細(xì)水泥漿；③注漿孔涌水量小于5m3/h或掃孔時(shí)須注入化學(xué)漿。

2.2現(xiàn)場(chǎng)漿液配比試驗(yàn)2.2.1化學(xué)漿配比

采用脲醛樹(shù)脂與草酸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配比試驗(yàn)，主要通過(guò)控制草酸溶液濃度來(lái)控制化學(xué)漿初凝時(shí)間。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，化學(xué)漿中脲醛樹(shù)脂與草酸溶液體積比為3∶1時(shí)效果最佳。經(jīng)試驗(yàn)，草酸溶液濃度與化學(xué)漿凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1　草酸濃度與化學(xué)漿凝結(jié)時(shí)間曲線■—初凝時(shí)間；◆—終凝時(shí)間

2.2.2超細(xì)水泥漿水灰比配比

采用超細(xì)水泥漿進(jìn)行水灰比調(diào)配試驗(yàn)，具體配比與凝固時(shí)間見(jiàn)表1。

表1　超細(xì)水泥不同水灰比對(duì)應(yīng)的凝結(jié)時(shí)間

2.3具體施工方法

注漿孔打鉆完畢后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)水，根據(jù)涌水量大小與打鉆記錄情況選擇漿液，注超細(xì)水泥漿時(shí)漿液先稀后濃，以封堵裂隙水為主，若注漿壓力上升較慢應(yīng)逐漸增大漿液濃度，當(dāng)注漿壓力上升至10MPa以后集中注濃漿，此時(shí)注入濃漿以加固井筒附近破碎圍巖為主，直至注漿壓力上升至15MPa并穩(wěn)定15～20min后結(jié)束注漿。注入雙液化學(xué)漿時(shí)調(diào)節(jié)草酸濃度先稀后濃，漿液初凝時(shí)間控制在8～10min為宜，單孔漿液注入量可根據(jù)下式計(jì)算[5-6]：

式中，Q為單孔漿液注入量，m3；H為注漿段高，取50m；R為井筒荒半徑，取4.25m；L為漿液擴(kuò)散超出荒徑的安全保護(hù)距離，取3m；η為巖石間裂隙率，取2%；n為注漿孔數(shù)，取16個(gè)。

經(jīng)計(jì)算，Q=10.31m3，因此，在漿液注入量超過(guò)10m3后，若注漿壓力無(wú)較大變化時(shí)須提高草酸濃度使得漿液初凝時(shí)間控制在3～5min，直至注漿壓力達(dá)到15MPa并穩(wěn)定15～20min，方可結(jié)束注漿，注漿效果見(jiàn)圖2、圖3。

圖2　化學(xué)漿封堵細(xì)微縱向?qū)严稁?/p>

圖3　超細(xì)水泥充填加固圍巖破碎帶

2.4恢復(fù)下掘施工標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)所有新增孔打鉆注漿完畢后，在井筒內(nèi)出現(xiàn)噴孔位置與涌水量較大的注漿孔附近增加注漿孔，探明注漿封水與加固破碎圍巖效果，若探水孔涌水較大應(yīng)繼續(xù)補(bǔ)孔注漿，無(wú)需對(duì)原注漿孔掃孔，直至檢驗(yàn)孔不再出現(xiàn)噴孔且單孔涌水量低于1m3/h后，方可恢復(fù)下掘施工。

3　注漿后恢復(fù)下掘施工

3.1下掘施工總體施工方案

為確保安全下掘，采用分2次下掘的施工方案，首先施工井深386～410m段，掘砌段高24m，在掘砌至井深410m后停掘，預(yù)留厚6m已注安全巖帽對(duì)極破碎含水帶進(jìn)行進(jìn)一步探注，根據(jù)探水情況增孔對(duì)極破碎段補(bǔ)孔注漿封水與加固圍巖；然后施工井深410～426m段，掘砌段高16m，在掘進(jìn)至井深426m后停掘，預(yù)留厚10.0m已注巖帽，進(jìn)行下一含水層探水工作(圖4)。

圖4　分段下掘施工示意

3.2下掘施工爆破控制

恢復(fù)下掘施工時(shí)每次打眼施工前須先打探水孔，實(shí)行“有掘必探、探8掘3”的施工原則。根據(jù)打鉆注漿記錄找到原涌水較大位置并布置4～6個(gè) 8m深探水孔，探水孔傾角5°～8°，盡量向外傾斜探水，在確認(rèn)探水孔涌水量低于0.5m3/h后，打3m深前進(jìn)眼進(jìn)行下掘施工。打眼時(shí)周邊眼間距不宜超過(guò)500mm，爆破時(shí)減少裝藥量，選用藥卷直徑較小的火藥，以降低一次爆破沖擊能量對(duì)圍巖的破壞。

3.3極破碎段施工

極破碎段巖性呈粉狀結(jié)構(gòu)，掘進(jìn)時(shí)使用中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)、挖掘機(jī)配合人工風(fēng)鎬掘進(jìn)。對(duì)相對(duì)較好的圍巖井幫采取打注漿管與掛金屬網(wǎng)臨時(shí)支護(hù)，注漿管采用0.6m長(zhǎng)一寸無(wú)縫鋼管(若打眼出水，可直接注雙液漿封堵)，金屬網(wǎng)規(guī)格1.2m×2.0m。對(duì)于破碎帶的粉狀結(jié)構(gòu)采用裝配式小模板先施工一層臨時(shí)外壁，將圍巖盡快封閉。施工時(shí)先小段高掘支外壁，掘支段高1m，壁厚0.3m，滿足大模板4m段高時(shí)進(jìn)行內(nèi)壁永久混凝土支護(hù)。

3.4防外壁混凝土脫落施工

為防止小段高支護(hù)混凝土脫落，可采取布置掛鉤鋼筋加固的施工方法，用長(zhǎng)1.5m、φ20mm鋼筋制作長(zhǎng)1m的長(zhǎng)鋼筋掛鉤，鋼筋鉤間距500mm，布置于井筒荒徑周圈，將掛鉤預(yù)埋至井底浮矸內(nèi)，在下一循環(huán)出渣后進(jìn)行搭接，上部直接與井筒外壁澆筑成整體。

4　結(jié)　論

(1)在復(fù)雜地層中采取注漿治水與加固破碎圍巖的施工方法，實(shí)踐表明，采用超細(xì)水泥漿注漿不僅能擴(kuò)散封堵巖石間導(dǎo)水裂隙而且可有效充填破碎巖石間隙加固破碎圍巖，井筒揭露時(shí)未出現(xiàn)大面積片幫現(xiàn)象，有效確保了施工安全。

(2)對(duì)于富水金屬礦山密集裂隙帶立井施工可采用化學(xué)漿注漿封水，在普通水泥漿難以注入封堵涌水的條件下注入非顆粒性化學(xué)漿可有效封堵巖石間裂隙水。

(3)注漿后下掘施工時(shí)采取長(zhǎng)探短掘的施工方法，嚴(yán)格控制打眼裝藥施工，減少爆破擾動(dòng)對(duì)圍巖與注漿帷幕的破壞，對(duì)極破碎帶采取小段高風(fēng)鎬掘進(jìn)、提前支模等方法，縮短圍巖暴露時(shí)間，確保井筒施工順利通過(guò)特殊地層。

[1]李廷春，張仕林，王群，等.立井破碎基巖段圍巖強(qiáng)度等級(jí)及支護(hù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29(1)：1-7.

[2]盧萍，侯克鵬.帷幕注漿技術(shù)在礦山治水中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2010(3)：21-24.

[3]邵正民，陳佩富.羅河鐵礦豎井井筒工作面預(yù)注化學(xué)漿止水施工技術(shù)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2009(8)：113-115.

[4]馮向東.立井穿過(guò)斷層破碎帶預(yù)注漿[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1997(5)：41-42.

[5]楊曉成，尚立斌，王玉祿，等.立井極破碎巖層掘進(jìn)爆破技術(shù)[J].建井技術(shù)，2014，35(6)：19-22.

[6]楊星林，趙建希.井筒工作面預(yù)注化學(xué)漿施工[J].煤，2008，17(8)：58-60.

2016-06-14)

周新勍(1990—)，男，助理工程師，碩士，130000 吉林省長(zhǎng)春市高新區(qū)創(chuàng)譽(yù)街213號(hào)。