毛坪鉛鋅礦盲豎井井筒預(yù)注漿技術(shù)

賀 文 周高明 向俊興 孫幫濤 王 勇 楊紅軍

（1.天地科技股份有限公司，北京，100013；2.彝良馳宏礦業(yè)有限公司，云南昭通，6576002；3.北京中煤礦山工程有限公司北京100013；4.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院北京100013）

立井井筒是我國礦井的關(guān)鍵部位，為聯(lián)系礦山地表與地下的核心通道，是礦井建設(shè)的“咽喉”工程，立井井筒建設(shè)具有單位造價高、施工工期長、施工條件錯綜復(fù)雜的特征［1-3］。預(yù)注漿技術(shù)因具有技術(shù)成熟、施工較為簡便、能形成永久帷幕等優(yōu)點，近年來已成為立井井筒快速通過含水層應(yīng)用最為廣泛的工法［4-5］。

預(yù)注漿工法是我國在總結(jié)多年來井筒注漿技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進而研究開發(fā)的一套新的綜合注漿技術(shù)［6］。自20世紀(jì)90年代起，我國的地面預(yù)注漿技術(shù)得到了重要突破，由“水泥注漿時代”步入“綜合黏土水泥注漿時代”。同時通過近些年的發(fā)展，涌現(xiàn)了新型注漿材料及注漿設(shè)備［7-8］。預(yù)注漿工藝在我國豎井井筒水害治理方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。

由于空間條件、運輸條件等的限制，在我國乃至世界盲豎井井筒尚未有過預(yù)注漿工程案例，因此毛坪鉛鋅礦112線盲豎井井筒預(yù)注漿的設(shè)計與施工對我國西南礦區(qū)井筒預(yù)注漿工藝的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 工程概況

彝良馳宏礦業(yè)有限公司毛坪鉛鋅礦位于云南省東北部昭通市彝良縣境內(nèi)，為一儲量大、品位高的大型鉛鋅礦山。毛坪鉛鋅礦地處洛澤河大峽谷，洛澤河從礦區(qū)地表穿流而過，河兩岸山高坡陡，兩岸山頂標(biāo)高約+1 700 m。該礦目前主要的開采中段有+910 m中段、+760 m中段、+670 m中段，只有1條豎井，擬建112線豎井采用圓形盲混合井，井筒凈徑5.7 m，荒徑6.5 m。井口設(shè)于現(xiàn)910 m水平巷道內(nèi)，設(shè)計井筒深度960 m，設(shè)計井口標(biāo)高+910 m，落底標(biāo)高-50 m。該豎井將作為采礦人員、設(shè)備、材料及礦石等運輸?shù)闹饕ǖ馈?12線盲豎井井筒的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

2 井筒工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

在112線盲豎井井筒施工之前，在井筒中央位置曾施工一勘察鉆孔，豎井勘察鉆探結(jié)果顯示，鉆孔深度范圍內(nèi)擬建豎井均為泥盆系宰格組上統(tǒng)微風(fēng)化白云巖地層，構(gòu)造裂隙及破碎帶較為發(fā)育。同時勘察鉆孔鉆探至標(biāo)高-50.27 m時，遇到大的構(gòu)造裂隙水，涌水量達(dá)123.3 m3/h，孔口水壓達(dá)1.93 MPa，鉆探無法繼續(xù)進行，勘察鉆孔被迫在此位置終孔，勘察鉆孔預(yù)測井筒涌水量高達(dá)314.8 m3/h。

井筒掘砌至+481 m標(biāo)高位置，井筒涌水量已高達(dá)50 m3/h，為保障深部豎井井筒安全快速掘進，防止淹井等極端現(xiàn)象的發(fā)生，彝良馳宏礦業(yè)有限公司決定暫停該豎井井筒掘砌施工，對該井筒先行實施預(yù)注漿治水，待預(yù)注漿工作完成后，再恢復(fù)掘砌作業(yè)。

3 注漿設(shè)計方案

3.1 總體設(shè)計

由于井筒的井口設(shè)在+910 m中段的巷道內(nèi)，且已掘砌施工至+481 m標(biāo)高，為減少無效鉆探工作量，且便于觀察鉆孔涌水情況，設(shè)計在井下+670 m中段井筒周圍布置鉆窩及注漿站，作為鉆孔和注漿的施工平臺。地表+900 m平面布置制漿車間，作為黏土原漿制造和存儲的場地，地表制漿站和井下注漿站之間安裝輸漿管線。為防止爆破鉆窩施工對既有井筒造成破壞，設(shè)計鉆窩距離井筒位置較遠(yuǎn)，因此設(shè)計注漿鉆孔采用全S孔方案，在距離井筒較遠(yuǎn)位置設(shè)置鉆窩，通過定向技術(shù)將鉆孔引入靶域。

鉆孔上部為套管段，下部為注漿段。鉆孔形成后，采用分段下行式預(yù)注漿的方法對井筒周邊含水層進行治理，形成注漿帷幕，達(dá)到止水的目的。

3.2 注漿起止深度

為防止預(yù)注漿施工對既有井筒造成破壞，并留出足夠的止?jié){墊厚度，結(jié)合各地層地質(zhì)條件，設(shè)計鉆孔套管段長度254 m（標(biāo)高+670～+416 m），注漿段長度496 m，起止深度為254～780 m（標(biāo)高+416～-80 m），注漿終止深度超過井筒深度30 m。鉆孔布孔圈徑28 m，落點圈徑9.5 m，注漿鉆孔的設(shè)計軌跡如圖1所示。

3.3 注漿鉆孔設(shè)計

在本工程實施過程中，設(shè)計注漿鉆孔的數(shù)目，根據(jù)巖石裂隙的發(fā)育情況、井筒斷面、注漿泵的注漿能力及井下施工場地條件等因素，最終依照下列公式進行確定。

式中，N為注漿孔數(shù)，個；d為井筒荒徑，m；a為注漿孔至井筒荒徑的距離，m；一般取a值為0±1.5 m；L為注漿孔間距，m；一般選擇為3～5 m。

通過計算，最終設(shè)計注漿鉆孔6個，注漿段按同心圓等間距排列，同心圓直徑9.5 m，孔間距4.75 m。綜合考慮鉆機尺寸決定的鉆窩大小、井筒荒徑、爆破鉆窩施工與井筒的安全距離、鉆孔開孔位置與注漿段靶域的水平距離等因素，設(shè)計注漿鉆孔布孔圈徑為Φ28 m。為了減少和控制開鑿鉆窩的工程費用，針對6個鉆孔設(shè)計建設(shè)3個鉆窩，3個鉆窩圍繞井筒呈大致等間距分布，每個鉆窩內(nèi)布置2個鉆孔。

注漿鉆孔平面布置如圖2所示，其中S1、S2、S3、S4、S5、S6分別為鉆窩內(nèi)鉆孔布孔位置，通過定向鉆進技術(shù)將注漿鉆孔引入S1′、S2′、S3′、S4′、S5′、S6′位置。

6個鉆孔分兩序施工，其中S1、S3、S5為一序孔，先行施工，S2、S4、S6為二序孔，待一序孔施工完成后再進行施工。

3.4 注漿材料選擇及段高劃分

3.4.1 巖帽段注漿材料的選擇及段高的設(shè)計

巖帽是整個注漿施工的基礎(chǔ)，是限制漿液上竄的屏障，且施工工期短，必須選擇強度高、終凝時間短的漿液，才能符合施工的要求，故此本工程巖帽段注漿采用單液水泥漿。巖帽段的起止深度為254～274 m（標(biāo)高+416～+396 m）。

3.4.2 基巖段注漿材料的選擇及段高的設(shè)計

基巖注漿段采用成本低、適宜高效注漿的綜合型黏土水泥漿。

黏土水泥漿是由黏土、水泥、添加劑等組成的懸濁液。其來源廣、造價低、操作簡易，能滿足本盲豎井井筒預(yù)注漿的需要。

基巖注漿段274～750 m（標(biāo)高+396～-80 m）共劃分為7個注漿段高，詳見表2。

4 注漿施工

4.1 注漿孔造孔施工

本工程共建設(shè)了3個鉆窩，每個鉆窩內(nèi)布置1臺鉆機，鉆機施工完一序孔后挪位繼續(xù)施工本鉆窩內(nèi)的二序孔。設(shè)計鉆孔注漿段偏斜率不大于3‰，且每個層面落點大體均布。實際的偏斜率均符合設(shè)計要求，并且鉆孔在注漿圈徑上分布大體均勻，在不同深度的落點也大體均布，從而保證了注漿工程的質(zhì)量。

4.2 漿液注入量分析

漿液注入量是井筒地面預(yù)注漿形成隔水帷幕的物質(zhì)保證，是決定注漿堵水質(zhì)量的基礎(chǔ)，各注漿段注漿情況匯總?cè)绫?所示。

由表2可知全井筒共注漿112次，注漿15 314.246 m3，注漿段平均注入量為每米井筒注入30.88 m3，充足的注漿量是保障注漿堵水質(zhì)量的基礎(chǔ)。

4.3 注漿壓力

注漿壓力是克服漿液流動阻力、驅(qū)使?jié){液在巖層裂隙（以及層界面、破碎帶）中流動、擴散、充填、壓密的動力，是最重要的注漿參數(shù)之一。注漿過程中巖帽段設(shè)計注漿終壓為靜水壓力1.5～2.0倍；其它注漿段設(shè)計注漿終壓為靜水壓力的2.0～2.5倍。各注漿段注漿終壓與設(shè)計終壓值對比如表3所示，各孔各段注漿終壓值均達(dá)到或超過了設(shè)計要求。

5 注漿效果

本工程注漿鉆孔設(shè)計合理，造孔質(zhì)量合格。注漿參數(shù)選取合理，漿液注入量和結(jié)束壓力符合要求。通過二序孔復(fù)注時進行的壓水試驗，測算注漿后井筒剩余涌水量約4.83 m3/h，原勘察孔預(yù)測井筒涌水量為314.8 m3/h，堵水率達(dá)到98.5%，堵水效果優(yōu)異。

6 結(jié)語

（1）根據(jù)井筒技術(shù)特征及快速建井的要求，應(yīng)認(rèn)真分析立井井筒工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，同時制定切實可行的注漿施工技術(shù)方案。

（2）采用S孔施工，在井下設(shè)置鉆窩作為鉆孔注漿工作面，地表進行制漿，通過輸漿管路輸送至井下注漿站，此種盲豎井井筒預(yù)注漿施工技術(shù)方案，可以保證盲豎井預(yù)注漿的順利實施。

（3）盲豎井井筒采用預(yù)注漿工藝可以避免井筒淹井的風(fēng)險，進而保障井筒掘進過程中的人員及設(shè)備安全。

（3）彝良馳宏礦業(yè)有限公司毛坪鉛鋅礦112線盲豎井井筒采用預(yù)注漿的方案切實可行，該工程的順利完成對我國西南地區(qū)豎井井筒的建設(shè)有著重要的應(yīng)用意義。