大水礦山地面預(yù)注漿孔兼作凍結(jié)孔的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

程中平 龐 博

(河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司)

隨著地表資源逐漸枯竭，新建地下礦山比重越來越大。目前，國內(nèi)存在多個(gè)超大規(guī)模低品位鐵礦床，賦存地質(zhì)條件多為埋藏較深、覆蓋較厚的飽和含水層，基建掘井過程受突水影響較大，井筒穿過第四系需凍結(jié)法鑿井，而基巖段掘進(jìn)與生產(chǎn)中又面臨涌水量大的問題，目前最有效措施為基巖段井筒采取地面預(yù)注漿法、第四系井筒采取凍結(jié)法的特殊工藝，該方法在煤系地層礦山建設(shè)過程中已應(yīng)用較為廣泛，但是金屬礦山較少，存在準(zhǔn)備工期長(zhǎng)、投資高的特點(diǎn)。大賈莊鐵礦地表覆蓋80～140 m厚的飽和含水第四系，豎井掘砌飽受突水影響，在本地區(qū)豎井掘砌過程中首次引入了地面預(yù)注漿技術(shù)鑿井后[1-2],發(fā)現(xiàn)完成地面預(yù)注漿治水后相關(guān)注漿孔報(bào)廢，凍結(jié)法鑿井需重新鉆進(jìn)凍結(jié)孔，前后工期較長(zhǎng)，鉆孔工程利用率低，不利于工程投資控制。為此，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)地面預(yù)注漿和凍結(jié)孔開展一系列研究，利用地面預(yù)注漿孔兼作凍結(jié)孔，從而提高鉆孔利用率，縮短工期，降低投資。

1 工程概況

大賈莊鐵礦地處冀東地區(qū)，屬于冶金礦床大水礦山。大賈莊礦區(qū)大部分區(qū)域被第四系地層所覆蓋，由于司家營(yíng)南區(qū)位于灤河超漫灘Ⅰ級(jí)階地，地形開闊，地勢(shì)較平坦；第四系地層為全新統(tǒng)和中更新統(tǒng)地層，地表巖性為粉砂、砂土、粉質(zhì)黏土。局部地下水埋深大于3.0 m外，大部分區(qū)域地下水埋深均大于6.0 m，含水層巖性為粉細(xì)砂、礫卵石，上部粉細(xì)砂存在地震液化現(xiàn)象。1#回風(fēng)井在礦床上部有厚度100～120 m的第四系覆蓋層，其中，相間有3個(gè)主要飽和含水層和4個(gè)隔水層?；鶐r段含水層分基巖風(fēng)化水、構(gòu)造水與破碎帶水，第四系勘探涌水量為101 875.58 m3/d，基巖段有9層破碎帶，含裂隙水共涌水30 926.18 m3/d，施工影響較大?？辈炜自敿?xì)情況見表1。

表1 1#回風(fēng)井勘察孔主要斷層及含水層

2 注漿孔兼作凍結(jié)孔設(shè)計(jì)

2.1 地面預(yù)注漿孔范圍

規(guī)范中漿液擴(kuò)散半徑為6～8 m，設(shè)計(jì)取6 m，實(shí)踐表明，漿液擴(kuò)散半徑在10 m左右，部分區(qū)域可擴(kuò)散至更遠(yuǎn)，因此，注漿孔底孔坐落荒徑內(nèi)外范圍由1.5 m 變?yōu)?.8 m，1#回風(fēng)井井筒凈直徑為6.5 m，第四系支護(hù)厚度為1 300 mm，保溫泡沫為75 mm，基巖段支護(hù)厚度為450 mm，即注漿孔終孔圈徑在3.8～12.85 m，地面預(yù)注漿孔孔底坐落范圍見圖1。

圖1 地面預(yù)注漿孔孔底坐落范圍

因此，只要注漿孔布設(shè)圈徑在此范圍，并保證孔底散落在荒徑內(nèi)外即可，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)凍結(jié)孔最合理范圍進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 地面注漿孔基本參數(shù)

2.2.1 孔數(shù)

按《煤礦井建手冊(cè)》應(yīng)取6～8個(gè)注漿孔，選取6個(gè)，則孔間距為

L=πD/N，

(1)

式中，L為注漿孔間距,m；D為注漿布孔圈徑，12.85 m；N為注漿孔數(shù)，6個(gè)。

計(jì)算得出L=6.7 m。

按漿液擴(kuò)散半徑10 m測(cè)算，6個(gè)注漿孔達(dá)到交圈要求，帷幕厚7.4 m，完全滿足要求；若按漿液擴(kuò)散6 m測(cè)算，尚未達(dá)到交圈要求。因此，可設(shè)置檢查孔，加強(qiáng)觀測(cè)和補(bǔ)充注漿。

2.2.2 孔 深

注漿帷幕要求將基巖段施工段井筒進(jìn)行交圈包圍，1#回風(fēng)井井筒深359.33 m，第四系深156.3 m，156.3～228.0 m屬于風(fēng)化裂隙含水層，注漿首段巖帽高于風(fēng)化層5～10 m，深度超出井筒10 m以上，本次設(shè)計(jì)取起始深度220 m，孔深375 m。

2.2.3 檢查孔

按設(shè)計(jì)要求需施工檢查孔，鑒于類似冶金礦床實(shí)施地面預(yù)注漿技術(shù)的研究和經(jīng)驗(yàn)較少，為防止出現(xiàn)漿液擴(kuò)散較小，無法形成帷幕交圈，本次增加6個(gè)檢查孔，間隔于注漿孔設(shè)置，作為檢查和彌補(bǔ)注漿。

2.3 凍結(jié)孔設(shè)計(jì)

2.3.1 凍結(jié)深度

1#回風(fēng)井第四系厚156.3 m，全風(fēng)化層厚39.9 m，強(qiáng)風(fēng)化層厚31.8 m，經(jīng)勘察孔可看出228～261.8 m存在破碎帶，同時(shí)按規(guī)范凍結(jié)孔應(yīng)深入不透水基巖10 m以上，因此，本次凍結(jié)將破碎帶包含進(jìn)去，深度取值276 m。

2.3.2 凍結(jié)厚度

根據(jù)地質(zhì)條件，為求得安全、合理的凍結(jié)壁，設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)本單位類似地質(zhì)條件下的施工經(jīng)驗(yàn)。采用有限長(zhǎng)塑性厚壁筒強(qiáng)度極限狀態(tài)下計(jì)算凍結(jié)壁厚度，即

(2)

式中，E為凍結(jié)壁厚度,m；P為鉆孔地壓，2.96 MPa；h為安全掘進(jìn)段高，3 m；k為安全系數(shù)，2.2；σ為動(dòng)土極限抗壓強(qiáng)度，12 MPa。

計(jì)算得出E=2.82 m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果并參考國內(nèi)類似條件下的凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，確定1#回風(fēng)井井筒凍結(jié)壁厚度為3.0 m。

2.3.3 凍結(jié)孔布置圈徑

按基巖段采用鉆爆法施工，凍結(jié)孔布置圈徑為[3]，

(3)

計(jì)算得出D0=13.63 m。

可看出，凍結(jié)孔按正常規(guī)范偏斜率精度設(shè)計(jì)，且已超出注漿孔終孔落孔范圍12.85 m，在綜合考慮當(dāng)前施工水平前提下，認(rèn)為可通過現(xiàn)場(chǎng)制定質(zhì)量保證措施，提高一定測(cè)斜精度，從而降低偏斜率，通過研討后決定修正偏斜率取值，位于沖積層的鉆孔偏斜率不宜大于2‰，位于風(fēng)化帶及含水基巖的鉆孔偏斜率不宜大于3‰ ，綜合平均為2.43‰。計(jì)算得出D0=12.84 m。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果可見，經(jīng)過精度控制后，凍結(jié)孔終孔基本坐落注漿孔終孔落孔范圍，考慮注漿孔徑較大，兩者兼作時(shí)凍結(jié)管可具有一定挪移空間，因此，凍結(jié)孔布置圈徑直徑取值為12.9 m。

2.3.4 凍結(jié)孔數(shù)及間距

凍結(jié)孔布孔圈定后，則綜合確定凍結(jié)孔數(shù)和孔間距。設(shè)計(jì)凍結(jié)孔數(shù)計(jì)算公式為

(4)

式中，N′為凍結(jié)孔數(shù)，個(gè);Ls為凍結(jié)孔開孔間距，當(dāng)凍結(jié)深度小于300 m時(shí)，采用1～1.3 m，取1.3 m；D0為布孔圈徑，12.9 m。

計(jì)算得出N′=31.158個(gè)，取32個(gè)，則反推凍結(jié)孔開孔合理間距為1.266 m。

2.4 注漿孔調(diào)整

2.4.1 注漿孔位置

注漿孔與注漿檢查孔共12個(gè)，各孔位置應(yīng)與凍結(jié)孔重合，經(jīng)測(cè)算，0°、56.25°、123.75°、180°、236.25°、303.75°為6個(gè)注漿孔，33.75°、90°、146.25°、213.75°、270°、326.25°為檢查孔。鉆孔布置見圖2。

圖2 鉆孔布置示意

2.4.2 注漿孔偏斜校驗(yàn)

注漿孔最大偏斜距離為1.166 7 m((156.3×0.2%)+(119.7×0.3%)+99×0.5%)<2.5 m。當(dāng)兩注漿孔相對(duì)偏斜時(shí)，也能滿足注漿要求，不會(huì)出現(xiàn)交叉孔現(xiàn)象。

3 實(shí)施難點(diǎn)及解決辦法

3.1 凍結(jié)管能量擴(kuò)散不均及充填介質(zhì)凍脹性處理

地面預(yù)注漿孔兼作凍結(jié)孔和普通凍結(jié)孔不同之處在于，普通凍結(jié)孔僅一條凍結(jié)鋼管，而注漿孔兼作凍結(jié)孔有2條鋼管，若不下放凍結(jié)管直接在注漿管內(nèi)下放供液管，注漿管下部采取水泥漿封堵，極易出現(xiàn)注漿管低溫收縮，形成封堵裂隙，造成漿液流失和進(jìn)入井筒掘砌范圍的風(fēng)險(xiǎn)，為確保安全，將繼續(xù)采用內(nèi)套凍結(jié)管，在井筒掘砌完成后拔管回收。但是注漿管內(nèi)下放凍結(jié)管，則需要在兩管之間填充介質(zhì)，填充介質(zhì)后，需要消除不同凍結(jié)孔的凍結(jié)能量擴(kuò)散不均現(xiàn)象，解決介質(zhì)在低溫下在注漿管與凍結(jié)管之間發(fā)生橫向切力而降低凍脹性，以保護(hù)凍結(jié)管不受影響的問題。

經(jīng)過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和相關(guān)資料調(diào)查[4-6]，采用以下措施解決上述問題：

(1)由于巖土中存在著強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水、毛細(xì)水和重力水4種。其冰點(diǎn)各不相同，所以凍土中始終存在著未凍水的成分，其含量與凍土溫度、凍土類型有關(guān)。當(dāng)黏土和砂土處于相同的凍結(jié)溫度時(shí)，黏土中未凍結(jié)水含量較砂土中多。砂土中的重力水幾乎全部?jī)鼋Y(jié)成為冰晶體，而黏土中的結(jié)合水仍然未凍結(jié)。由于黏土中未凍水的存在，大大影響凍土的物理力學(xué)性質(zhì)，凍土中未凍水含量越高，顆粒間的黏結(jié)力也就越低，相應(yīng)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性也越差。在熱傳遞過程相同情況下，黏土含量越高，凍土黏結(jié)性越低，越不易對(duì)凍結(jié)管產(chǎn)生破壞。因此，在注漿孔兼作凍結(jié)孔內(nèi)，在注漿管與凍結(jié)管間可充填一定濃度黏土漿(密度1.5 g/m3左右)來代替純水，可避免在凍結(jié)過程中充填介質(zhì)結(jié)冰對(duì)凍結(jié)管造成危害。

(2)導(dǎo)溫系數(shù)是傳熱過程中的熱慣性指標(biāo)[3]，反映不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程中溫度變化速度。通過大量室內(nèi)試驗(yàn)和查閱資料發(fā)現(xiàn),凍土的導(dǎo)溫系數(shù)隨含水量的增加而增加，但達(dá)到一定含水量以后趨于平穩(wěn)。因此,現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)第四系含水量確定充填介質(zhì)的含水量為2%左右，從而確保注漿管內(nèi)外導(dǎo)溫系數(shù)相近，使各凍結(jié)孔導(dǎo)溫系數(shù)相近，確保各孔交圈統(tǒng)一性。

3.2 造孔偏斜率控制

(1)鉆機(jī)平臺(tái)的水平是決定后續(xù)鉆塔整體穩(wěn)定性和精度要求關(guān)鍵，現(xiàn)場(chǎng)加大混凝土灰土盤承載面積，設(shè)計(jì)采用C30混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，鉆場(chǎng)水平誤差不超過±5.0 mm。開孔前，對(duì)鉆機(jī)認(rèn)真找正，使轉(zhuǎn)盤中心、鉆孔中心和鉆塔提升中心重合，鉆機(jī)底盤和基礎(chǔ)間隙要墊實(shí)，確保開孔垂直度；開孔誤差不得超過±10 mm；鉆進(jìn)時(shí)定時(shí)檢測(cè)并調(diào)整。

(2)規(guī)范測(cè)斜頻率為第四系50 m一測(cè)、基巖段30 m一測(cè)，為控制偏斜率，改為第四系30 m一測(cè)，基巖段20 m一測(cè)，增大觀測(cè)頻率。

(3)增加鉆鋌長(zhǎng)度和數(shù)量，鉆鋌作為加重設(shè)備具有不易變形特點(diǎn)，幾條連接情況下，可確保10～15 m的鉆孔直線段，從而減少鉆偏概率。

(4)注漿孔固管前采用φ220mm以上鉆頭對(duì)第四系和風(fēng)化巖段擴(kuò)孔，擴(kuò)孔后，在大孔內(nèi)設(shè)計(jì)點(diǎn)下放注漿管，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該措施可以控制偏斜率在0.5%以下，效果極為顯著。在凍結(jié)孔下管前進(jìn)行擴(kuò)孔，然后下放焊接凍結(jié)管，管內(nèi)注水達(dá)到超過平衡狀態(tài)即可停止，利用鉆機(jī)進(jìn)行起吊，調(diào)整位置，直至達(dá)到設(shè)計(jì)位置后方可下放并再次注水，并在地表孔口進(jìn)行固定措施，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該措施可使凍結(jié)管偏斜率達(dá)到0.4%以下。

3.3 片幫控制

在1#回風(fēng)井實(shí)施地面預(yù)注漿孔兼作凍結(jié)孔后，效果顯著，但因凍結(jié)孔間距縮小后，凍結(jié)交圈時(shí)間提前，凍土尚未擴(kuò)散至掘進(jìn)荒徑范圍，開挖時(shí)極易發(fā)生片幫塌落。為此，在其他井口實(shí)施該技術(shù)時(shí)，在凍結(jié)孔圈徑內(nèi)打幾個(gè)凍結(jié)加強(qiáng)孔，孔深60 m左右，加強(qiáng)井口范圍凍結(jié)，擴(kuò)大凍土范圍，從而減少初期掘砌期間的片幫塌落。

4 結(jié) 語

通過在大賈莊鐵礦1#回風(fēng)井設(shè)計(jì)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，在確保注漿帷幕厚度滿足豎井治水要求前提下，利用地面預(yù)注漿孔兼作凍結(jié)孔，通過調(diào)整優(yōu)化注漿孔和凍結(jié)孔參數(shù)，平衡凍結(jié)效果和注漿效果，克服一系列難題，取得成功，效果顯著。同時(shí)，該技術(shù)在大賈莊鐵礦其他4個(gè)井筒推廣應(yīng)用，28個(gè)注漿孔兼作凍結(jié)孔，節(jié)省凍結(jié)孔鉆進(jìn)和回收凍結(jié)管6 356 m，縮短井建準(zhǔn)備工期，節(jié)省工程投資，具有很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，該技術(shù)具有廣闊良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。