工作面預(yù)注漿在豎井井筒施工中的應(yīng)用

熊木輝

(1.大冶有色金屬有限責(zé)任公司銅綠山銅鐵礦， 湖北 大冶市 435101； 2.湖北省有色金屬資源開發(fā)與綜合利用工程技術(shù)研究中心， 湖北 黃石市 435000)

工作面預(yù)注漿在豎井井筒施工中的應(yīng)用

熊木輝1,2

(1.大冶有色金屬有限責(zé)任公司銅綠山銅鐵礦， 湖北 大冶市 435101； 2.湖北省有色金屬資源開發(fā)與綜合利用工程技術(shù)研究中心， 湖北 黃石市 435000)

通過(guò)銅山口銅礦主井井筒施工中防治水的實(shí)踐，闡述了工作面預(yù)注漿在井筒工程施工中的選擇與應(yīng)用。實(shí)踐表明，采用工作面預(yù)注漿，使主井井筒工作面涌水由81 m3/h左右控制在3 m3/h左右，大大改善了施工環(huán)境，保證了施工安全和進(jìn)度。

主井掘進(jìn)；巖溶水；工作面預(yù)注漿

銅山口銅礦深部開采主井工程，包括井頸段、井筒正常段、不良巖層段以及-160 m、-280 m、-400 m、-440 m中段馬頭門、-480 m皮帶道馬頭門、箕斗計(jì)量硐室、-540 m粉礦回收馬頭門等掘砌工程。井筒凈直徑為4.5 m，井口標(biāo)高為+59.2 m，井底標(biāo)高為-539.32 m，井筒井頸段高58 m。

前期水文地質(zhì)勘察測(cè)得主井最大涌水量為1950 m3/d、81 m3/h。巖溶水主要位于井筒-158～-215 m之間，含水層段高約57 m。由于含水量大，施工條件差，此段井筒施工既是工程進(jìn)度的關(guān)鍵，也是安全工作的主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)，所以在井筒施工中必須采取切實(shí)可行的方法，在保證質(zhì)量和安全前提下快速穿過(guò)含水層。根據(jù)該含水層在井筒的位置、含水量的大小、施工的難度，經(jīng)綜合分析，決定采用井筒工作面預(yù)注漿治理涌水，為實(shí)施打“干井”創(chuàng)造條件。

1 注漿設(shè)計(jì)

1.1 注漿位置及注漿形式

按照井筒水文資料，在井筒施工中注意觀測(cè)水文變化情況，在快接近含水層時(shí)，施工超前探水鉆孔，探孔深度≥10 m，當(dāng)預(yù)計(jì)井筒涌水量達(dá)到10 m3/h時(shí)停止井筒掘砌，進(jìn)行工作面預(yù)注漿，即從-153 m開始施工注漿鉆孔(具體位置根據(jù)實(shí)際施工情況適當(dāng)調(diào)整)，鉆孔深度60 m。采用孔口封閉，孔內(nèi)循環(huán)，自上而下分段注漿的施工方式。

1.2 注漿鉆孔布置

注漿鉆孔以井筒中心為圓心，沿井筒周圍均勻布置。鉆孔數(shù)量按下式計(jì)算：

式中，M為注漿孔數(shù)量；C為井筒半徑，2.6 m；B為注漿鉆孔中心到井筒掘進(jìn)外輪廓距離，1.5 m；b為注漿鉆孔間距，3 m。

經(jīng)測(cè)算，布置6個(gè)注漿鉆孔可滿足井筒施工要求。

1.3 注漿材料及漿液注入量

根據(jù)水文地質(zhì)資料，為降低施工成本，加快施工進(jìn)度，注漿材料選用水泥-水玻璃漿液，同時(shí)為調(diào)節(jié)漿液初凝和終凝時(shí)間，添加一定比例的石灰作為調(diào)凝材料，即選用水泥、水玻璃和生石灰為注漿材料。注漿水泥為P.O 32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度要求為通過(guò)80 μm方孔篩篩余量不大于5%，所用水泥必須新鮮無(wú)結(jié)塊，不合格水泥嚴(yán)禁使用。必要時(shí)可選用水玻璃摻合料或水泥尾砂漿-水玻璃雙液注漿。水玻璃選用模數(shù)為2.4～3.0，濃度為30～45波美度。石灰選用當(dāng)?shù)厥覐S生產(chǎn)石灰或采用工業(yè)氫氧化鈣。

按鉆孔布置經(jīng)計(jì)算注漿最小有效影響半徑為5.5 m，注漿量用下式估算：

Q=λπ·R2·H·N/γ

式中，Q為單孔注漿量，m3；λ為漿液損失系數(shù)，約為1；R為漿液擴(kuò)散半徑，5.5 m；H為漿液注入高度，60 m；N為巖石空隙率，3%；γ為漿液結(jié)石率，約為1。

計(jì)算得每孔注入漿液約為171 m3，6個(gè)鉆孔注漿量合計(jì)約1026 m3。共需要水泥913 t ，水玻璃約0.48 t。材料消耗量以施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際消耗記錄為準(zhǔn)。

1.4 混凝土止?jié){墊

當(dāng)井筒掘進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)探水測(cè)得井筒涌水量達(dá)到10 m3/h以上時(shí)，停止掘砌施工，將井底碴石清理干凈，進(jìn)行混凝土止?jié){墊施工，止?jié){墊采用強(qiáng)度為C35混凝土，厚度按下式計(jì)算：

Bn=(KPoRO)/(R3-7)+0.3RO

式中，Bn為止?jié){墊厚度，m；K為 安全系數(shù)，取3；PO為注漿終壓，15 MPa；RO為井筒荒半徑取3 m；R3-7為混凝土3～7 d的極限抗壓強(qiáng)度，取33.3 MPa。

計(jì)算得Bn=1.57 m。

1.5 孔口管埋設(shè)

孔口管選用Ф108×5無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)3.0 m，孔口上部焊接法蘭，以便于高壓注漿閥連接，孔口管的下置深度必須透過(guò)混凝土止?jié){墊進(jìn)入完整基巖，并用水泥漿封堵，確保穩(wěn)固可靠。

2 注漿施工

2.1 注漿孔施工

注漿孔采用MZ120-Ⅱ型潛孔鉆機(jī)施工，鉆頭直徑Ф90 mm。鉆機(jī)安裝必須平穩(wěn)、牢固。

根據(jù)設(shè)計(jì)6個(gè)注漿鉆孔交錯(cuò)施工，先施工1，3，5號(hào)鉆孔，后施工2，4，6號(hào)鉆孔。鉆孔施工中根據(jù)孔深、巖層變化采用硬質(zhì)合金或金剛石鉆頭。堅(jiān)持測(cè)斜，確保偏斜率小于1%。為了獲得鉆孔巖石的透水性資料，所有鉆孔均需自上而下分段做壓水試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)段長(zhǎng)暫定30 m一段，根據(jù)鉆探實(shí)際情況可適當(dāng)調(diào)整。壓水試驗(yàn)采用10 m3/h、20 m3/h、30 m3/h 3個(gè)流量級(jí)灌注，穩(wěn)定時(shí)間大于30 min。同時(shí)做好巖層和水文變化記錄。

2.2 注漿作業(yè)

為了保證注漿質(zhì)量和效果，漿液配制、注漿須采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)記錄注漿壓力、流漿量、漿液密度和濃度等關(guān)鍵參數(shù)。漿液使用的材料應(yīng)以施工現(xiàn)場(chǎng)所能提供材料為基礎(chǔ)，漿液材料選用、配比及濃度根據(jù)地質(zhì)條件等變化情況，經(jīng)試驗(yàn)后確定。選用3SNS200/10注漿泵，集中造漿站造漿，拌制好的漿液通過(guò)管道送至各注漿孔進(jìn)行注漿。注漿孔施工到設(shè)計(jì)深度準(zhǔn)備注漿前，必須先沖洗鉆孔，清除鉆孔中的殘留巖粉和巖石裂隙中所充填的粘土雜質(zhì)等物質(zhì)。然后進(jìn)行壓力試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)確定漿液配比，選擇初始注漿濃度。注漿應(yīng)采用先稀漿后濃漿逐級(jí)加濃的原則進(jìn)行漿液濃度的變換。注漿時(shí)若注入漿液達(dá)到5.0 m3左右還未起壓或壓力很小時(shí)，可以加大漿液濃度。如果漿液濃度加大后，壓力急劇上升，或耗漿量減少較大，則應(yīng)及時(shí)減小漿液濃度。

2.3 注漿壓力調(diào)整

注漿壓力采用靜水壓力的1.5～2.0倍。初始灌漿壓力在注漿過(guò)程中應(yīng)根據(jù)漿液的消耗量及是否有串漿、冒漿等情況靈活掌握。注漿過(guò)程中應(yīng)采取必要的措施保證孔內(nèi)漿液往返暢通，井口壓力過(guò)大時(shí)應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行回漿，根據(jù)壓力情況，及時(shí)控制注漿量，直至達(dá)到終壓終量，并穩(wěn)定30 min以上。

2.4 結(jié)束注漿

注漿時(shí)壓力均勻持續(xù)上升達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，同時(shí)鉆孔吸漿量小于10 L/min時(shí)，穩(wěn)定20～30 min，即可停止注漿。為節(jié)約施工成本，注漿孔兼做抽水檢查孔。在各孔注漿完成后，分別在1號(hào)孔和3號(hào)孔進(jìn)行掃孔作業(yè)，并隨時(shí)觀測(cè)掃孔過(guò)程中孔內(nèi)水量變化情況。當(dāng)孔內(nèi)有明顯出水時(shí)，應(yīng)在該孔重新注漿，直至掃孔到設(shè)計(jì)注漿深度無(wú)涌水，才能結(jié)束注漿。注漿孔最后一段達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，采用“全孔灌漿封閉法”進(jìn)行封孔。封孔壓力使用最大灌漿壓力，封孔注漿持續(xù)時(shí)間不小于30 min。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)銅山口銅礦深部開采主井工程工作面預(yù)注漿施工，使主井井筒作業(yè)面81 m3/h左右的涌水量控制在3 m3/h左右，取得較好效果，主井井筒得以正常施工，為工程按期完工創(chuàng)造了條件。實(shí)踐證明，在井巷施工中，遇到涌水量較大的巖層時(shí)，采取工作面超前預(yù)注漿是順利通過(guò)含水層的安全可靠施工措施，可以改善井筒施工環(huán)境，保證施工安全和質(zhì)量，為施工創(chuàng)造有利條件。

[1]中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司.大冶有色金屬有限責(zé)任公司銅山口銅礦深部開采初步設(shè)計(jì)[R].北京：中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，2006.

[2]《采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).采礦設(shè)計(jì)手冊(cè)(井巷工程卷)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1987.

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熊木輝(1978-)，男，湖北黃石人，助理工程師，主要從事采礦工程技術(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工作，Email：727860988@qq.com。