地面預(yù)注漿在魯西地區(qū)巖溶地層堵水中的應(yīng)用

王培培

(唐山開(kāi)灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000)

地面預(yù)注漿在魯西地區(qū)巖溶地層堵水中的應(yīng)用

王培培

(唐山開(kāi)灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000)

總結(jié)了地面預(yù)注漿技術(shù)在魯西地區(qū)奧陶系大理巖裂隙巖溶發(fā)育帶含水層中堵水的應(yīng)用，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)預(yù)注漿封堵奧陶系大理巖裂隙巖溶水的設(shè)計(jì)、施工過(guò)程、堵水效果等進(jìn)行了論述，為以后鐵礦巖溶地層的注漿堵水提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

地面預(yù)注漿；巖溶裂隙發(fā)育帶；、注漿堵水；有效帷幕

萊新鐵礦位于山東省萊蕪市牛泉鎮(zhèn)，采用立井開(kāi)拓方式。因先期建設(shè)的東回風(fēng)井和2#副井在鑿井時(shí)井筒涌水量偏大，為此，擬建西風(fēng)井在施工前需采用地面預(yù)注漿法對(duì)西回風(fēng)井筒灰?guī)r140-240m段強(qiáng)含水層進(jìn)行治理。

1.地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.1 地層

依據(jù)萊新鐵礦西回風(fēng)井檢查孔地質(zhì)資料，自上而下揭露的地層依次為新生界第四系松散層、第三紀(jì)半膠結(jié)泥巖、粉砂巖、奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r和蝕變大理巖、燕山期蝕變閃長(zhǎng)巖等。

表1 井筒檢查孔揭露地層一覽表

⑴粉質(zhì)粘土(Q4)：層底埋深9.50m。紅褐色、黃褐色，粘粒成分較高，含石英、長(zhǎng)石，粉細(xì)砂粒，上部0.60m為耕植土，含較多植物根系，可塑～硬塑，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核和條帶。

⑵粗砂(Q4)：黃褐色，稍密～中密，揭露厚度1.50m，成分以石英、長(zhǎng)石為主，磨圓度差，級(jí)配不良，粘土含量約占20%。

⑶粉砂巖(俗稱(chēng)紅砂巖)(E)：層底埋深157.1m，層厚146.1m。棕紅色、褐黃色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)機(jī)具蠟脂光澤，泥質(zhì)膠結(jié)。第三系在本區(qū)為紅色粘土質(zhì)粉砂巖和紅色砂巖成分成互層狀，成巖作用較差，易風(fēng)化，具遇水軟化，失水干裂特征。裂隙不發(fā)育，沖洗液無(wú)明顯消耗現(xiàn)象。

⑷大理巖(O2)：層底埋深198.5m，層厚41.4m。乳白色、灰白色，結(jié)晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，質(zhì)不純，裂隙較發(fā)育，方解石脈填充。在孔深176.5～180.7m處，巖芯破碎，呈碎塊狀，取芯率較低。孔深179.4～179.6m處有0.02m的溶洞，循環(huán)液全泵量漏水。靜水位下降至孔口下70m，孔口至終孔再?zèng)]有返水?？咨钤?80.7～198.5m處，水蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，局部呈蜂窩狀，巖石強(qiáng)度較低。

⑸石灰?guī)r(O2)：層底埋深224.3m，層厚25.8m。青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，裂隙不發(fā)育，巖芯呈長(zhǎng)柱狀，最大巖芯長(zhǎng)度大于2m。巖體較完整，基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，弱含水。

⑹閃長(zhǎng)巖(Art)：層底埋深650.6m，層厚426.4m，深灰綠色，結(jié)晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要成分為石英、長(zhǎng)石、普通角閃石等，在孔深228.3～229.5m和469.0～470.4m處為蝕變閃長(zhǎng)巖，綠泥石化現(xiàn)象明顯，巖芯呈碎塊狀，含磁鐵礦。

1.2 水文地質(zhì)

據(jù)檢查孔揭露，井筒上部第四系松散層地層薄，弱含水?；鶐r層段含水層巖性主要為大理巖、石灰?guī)r，含水空間以裂隙巖溶為主。另?yè)?jù)鉆孔抽水試驗(yàn)資料，孔深176.5～198.5m處含水層含水性均較強(qiáng)，其他各含水層含水性均較弱。井筒檢查孔揭露主要含水層為奧陶系大理巖裂隙巖溶發(fā)育帶，根據(jù)井筒檢查孔抽水試驗(yàn)取得的水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算，井筒最大涌水量107.41m3/h，含水豐富；實(shí)際揭露時(shí)，水量更大。

2.注漿堵水方案及設(shè)計(jì)

2.1 質(zhì)量要求

地面預(yù)注漿后，注漿段井筒剩余水量不超過(guò)6m3/h，并且在鑿井爆破影響圈以外形成有效帷幕，帷幕厚度不小于9m。

2.2 注漿技術(shù)參數(shù)

⑴孔位布置及孔數(shù)：地面預(yù)注漿鉆孔布置圈徑為8.0m，均勻布置6個(gè)注漿孔。

⑵注漿深度及段高：地面預(yù)注漿的重點(diǎn)是對(duì)井筒穿過(guò)的大理巖及奧陶紀(jì)灰?guī)r進(jìn)行注漿堵水，其以上地層均進(jìn)行輔助注漿。故確定主要地面注漿段上限深度為140.00m，下限深度為240.00m，注漿段長(zhǎng)100m。劃分為三段，即巖帽注漿1段140m～160m；粘土水泥漿2段160m～200m；粘土水泥漿3段200m～240m；

表2 注漿段劃分一覽表

⑶注漿材料：巖帽段采用水泥單液漿，注漿段采用粘土水泥綜合漿，添加劑為水玻璃。

⑷注漿方式：總體上采用分段下行的注漿方式，條件適宜時(shí)，可采用上行或上、下行結(jié)合的注漿方式，以保證孔內(nèi)安全，加快施工進(jìn)度。

⑸注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：巖帽注漿段注漿終壓為靜水壓力的1.5～2.0倍，泵量不大于100L/min，穩(wěn)定時(shí)間不少于20min；粘土水泥漿注漿段注漿終壓為靜水壓力的2.0～3.0倍，泵量不大于250L/min，穩(wěn)定時(shí)間不少于30min，重點(diǎn)注漿段有較充足的注入量。

2.3 井筒結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

整個(gè)井筒注漿結(jié)束后，選作最后一個(gè)孔兼做檢查孔，對(duì)整個(gè)井筒注漿效果做壓水試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)，注漿段單位吸水率不超過(guò)0.005L/min.m.m2即視為掘砌前注漿段堵水質(zhì)量合格。實(shí)測(cè)掘進(jìn)后單位涌水量為零，說(shuō)明地面預(yù)注漿技術(shù)在魯西巖溶礦區(qū)取得了非常顯著的堵水效果。

3.注漿施工情況

針對(duì)該井筒穿過(guò)的大理巖及奧陶紀(jì)灰?guī)r進(jìn)行注漿堵水，根據(jù)井筒參數(shù)設(shè)計(jì)6個(gè)，布置3臺(tái)鉆機(jī)，1#、3#、5#孔作為第一組孔先施工，2#、4#、6#孔作為第二組孔施工，且最后完工的一孔兼做注漿質(zhì)量檢查孔如圖1。

圖1 注漿鉆孔布置圖

共施工造孔工程量1441.16m，注入漿液總量4470m3。注漿方式采用分段下行式的注漿方法，可以可靠控制井筒注漿質(zhì)量，如表3。

表3 注漿量與使用材料一覽表

⑴鉆探技術(shù)要求

注漿鉆孔開(kāi)孔孔徑為Φ190mm牙輪鉆頭鉆至140m，下入Φ159*6mm護(hù)壁套管，并水泥固管。注漿段孔徑Φ118mm。鉆孔孔斜要求鉆孔偏斜率固管段、注漿段均不大于5%，并且鉆孔軌跡在注漿圈徑(φ=8.0m)上分布大體均勻(表4)。

表4 鉆孔偏斜一覽表

⑵注漿壓力控制

巖帽注漿段注漿終壓為靜水壓力的1.5～2.0倍；粘土水泥漿注漿段注漿終壓為靜水壓力的2.0～3.0倍。漿液配比：?jiǎn)我核酀{以水灰比0.75：1、1：1的為主，輔之以0.6：1的較濃的漿液，漿液中加入千分之5的食鹽和萬(wàn)分之5的三乙醇胺。粘土原漿比重1.18～1.26kg/cm3，粘度17～19s，粘土水泥漿比重1.32～1.43kg/cm3，綜合漿粘度19～滴流，水泥加入量250kg/m3，水玻璃加入量30L/m3。注漿結(jié)束后使用0.6：1單液水泥漿進(jìn)行封孔。

4.分析注漿量超量原因

巖帽段注入漿液1434m3，超設(shè)計(jì)659m3，粘土綜合漿達(dá)到設(shè)計(jì)注入量的98%。其中巖帽段共注39次，均采用間歇定量多次注漿的方式，有效的控制巖帽段漿液有效擴(kuò)散半徑。

分析造成注漿量超注的原因?yàn)椋簱?jù)鉆進(jìn)情況和綜合注漿過(guò)程來(lái)看，巖帽段注漿量超設(shè)計(jì)而注漿段未達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量，井檢孔資料顯示與施工所見(jiàn)地質(zhì)構(gòu)造相差較大，按照西風(fēng)井井筒檢查孔資料顯示上部的棕紅色粉砂巖裂隙不發(fā)育，但經(jīng)5#鉆孔146m～151m取芯驗(yàn)證垂直開(kāi)裂隙發(fā)育，巖石破碎；在孔深157.10m石灰?guī)r界面風(fēng)化嚴(yán)重，巖石破碎，高角度裂隙發(fā)育。均導(dǎo)致巖帽段地層吃漿量加大，注漿量提高。

5.注漿質(zhì)量檢驗(yàn)

5.1 注漿過(guò)程質(zhì)量分析

注漿過(guò)程質(zhì)量分析主要包括：鉆孔軌跡是否均勻布置；注漿段落起止深度是否合理劃分所注含水層且注漿設(shè)備滿足受注段技術(shù)要求；注漿材料的選取是否符合規(guī)范要求；注漿起始濃度是否結(jié)合受注地層地質(zhì)情況詳細(xì)分析；注漿期間壓力變化異常及跑漿、串漿等異常情況是否正確處理；利用注漿量柱狀圖，分析各段吃漿量是否有薄弱帶需要加強(qiáng)處理等。

在施工西回風(fēng)井中，各施工工序均滿足設(shè)計(jì)要求，各孔注漿終壓均大于設(shè)計(jì)值，實(shí)際注漿量4470m3，超出設(shè)計(jì)15.41%。

結(jié)合巖層裂隙率，計(jì)算出井筒各段注漿漿液擴(kuò)散半徑，在根據(jù)各段鉆孔偏斜平面圖繪制了漿液擴(kuò)散交圈圖(以200m漿液擴(kuò)散效果為例，實(shí)際漿液有限擴(kuò)散距離為9.65～12.84m，滿足設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范、規(guī)程要求，質(zhì)量合格，如圖2。

圖2 漿液擴(kuò)散交圈圖

5.2 井筒剩余涌水量檢查

注漿是隱蔽性工程，對(duì)注漿質(zhì)量的檢查和鑒定，目前煤炭井巷工程中依據(jù)打檢查孔壓(抽)水試驗(yàn)結(jié)果論證根據(jù)受注巖層吸水率反推井筒最終涌水量，本工程通過(guò)3號(hào)孔進(jìn)行簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)段為孔深140～240m段，壓水試驗(yàn)得出壓水吸水率小于0.0030L/min.m，經(jīng)計(jì)算井筒剩余涌水量為0.037m3/h，達(dá)到了很好的注漿堵水效果，滿足施工設(shè)計(jì)要求。經(jīng)后期中煤五建三處萊新項(xiàng)目部掘砌施工得知整個(gè)注漿段涌水量為零，保證井筒的順利開(kāi)挖為我單位在山東區(qū)域磁鐵礦巖溶地層注漿奠定了基礎(chǔ)。

6.結(jié)語(yǔ)

采用地面預(yù)注漿技術(shù)在魯西地區(qū)巖溶區(qū)治理井筒涌水，可以形成良好的堵水帷幕，有效的封堵了地下含水層和井筒之間的水力聯(lián)系，為井筒施工開(kāi)挖，取得了良好的條件，對(duì)井筒安全、高效、快速的掘砌形成良好質(zhì)量效果奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。整個(gè)注漿工程施工工期89d，工程造價(jià)430.37萬(wàn)元，不僅提前工期16d，工程造價(jià)還增加了83萬(wàn)元，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]唐山開(kāi)灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司.萊新鐵礦西回風(fēng)井井筒地面預(yù)注漿工程技術(shù)報(bào)告[R].唐山唐山開(kāi)灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司.2012.

[2]周興旺，薄志豐等.注漿施工手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社.2012.

[3]崔云龍等.簡(jiǎn)明建井工程手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社.2008.

[4]武強(qiáng)，董書(shū)寧等.煤礦防治水手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社.2013.

Application of Ground Pre - Grouting in Water Shutoff of Karst Stratum in the Western Shandong Area

WANG Pei-pei

(Tangshan Kailuan Construction (Group) Co., Ltd. Tangshan 063000, China)

This paper summarizes the application of ground pre-grouting technology to water shutoff in the aquifer of the Ordovician marble fractured karst development zone in the western Shandong area. Combining with the engineering example, the design of the water of the Ordovician marble fissures, construction process, water shutoff effect were discussed, providing valuable experience for karst stratum grouting water shutoff of iron mine in the future.

ground pre-grouting; karst fissure zone; grouting water shutoff; effective curtain

2017-03-02

王培培(1986-)，男，唐山開(kāi)灤建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司助理工程師，從事地質(zhì)勘探工作。

TD745

A

1671-3974(2017)02-0071-03