思山嶺鐵礦1#回風(fēng)井掘進(jìn)工作面預(yù)注漿實(shí)踐

張洪海, 王宏勛, 朱月飛

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.本溪龍新礦業(yè)有限公司， 遼寧 本溪 117000)

1 前言

井筒(巷道)掘進(jìn)通過含水層，裸露井筒預(yù)測(cè)涌水量大于20m3/h或井、巷穿過導(dǎo)水?dāng)嗔哑扑閹В瑖鷰r穩(wěn)定性較差或涌水量大于基建期的排水能力時(shí)，應(yīng)注漿堵水加固后再掘進(jìn)，以保證安全。若受注巖層埋藏深，含水層之間間隔較遠(yuǎn)時(shí)宜采用工作面預(yù)注漿[1]。

思山嶺鐵礦1#回風(fēng)井由中國恩菲工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì),它主要承擔(dān)回風(fēng)任務(wù)，井筒內(nèi)裝備有梯子間，作為礦山的一個(gè)安全出口。井筒凈直徑7.5m，井口標(biāo)高+265m，井底標(biāo)高-1 053.5m，井深1 318.5m。鎖口段采用厚800mm的雙層鋼筋混凝土支護(hù)；井頸段以下至-895m正常段采用厚500mm的混凝土支護(hù)，較破碎巖層段采用錨網(wǎng)一次支護(hù)+厚500mm的混凝土支護(hù)，破碎巖層段采用錨網(wǎng)一次支護(hù)+厚500mm的雙層鋼筋混凝土支護(hù)；-895m至井底井筒段采用錨網(wǎng)一次支護(hù)+厚500mm的混凝土支護(hù)。

1#回風(fēng)井井筒掘進(jìn)至井深197.1m時(shí)，工作面出現(xiàn)涌水，涌水量為76.22m3/h。為了改善井筒施工條件，保證混凝土施工質(zhì)量，降低排水費(fèi)用，決定進(jìn)行工作面預(yù)注漿。

2 工程、水文地質(zhì)概況

1#回風(fēng)井巖土工程勘察報(bào)告顯示，137.15～203.45m段為千枚巖，巖心較完整，呈柱狀-短柱狀，個(gè)別塊狀，RQD值為87%；層理較發(fā)育，巖心軸與層理夾角10°。203.45～217.65m段為構(gòu)造角礫巖，原巖為千枚巖，巖心破碎，呈碎塊狀和塊狀，個(gè)別短柱狀，RQD值為11%；裂隙發(fā)育，裂面粗糙，充填泥質(zhì)礦物，有地下水活動(dòng)跡象。217.65～247.35m段為泥灰?guī)r，主要礦物成分為黏土礦物，層狀構(gòu)造，巖石較完整，呈短柱狀-柱狀，個(gè)別塊狀，RQD值為61%；裂隙較發(fā)育，裂面傾角45°；其中221.85～223.55m、224.00～225.05m、231.95～232.85m巖石破碎，裂隙發(fā)育，裂面粗糙，裂面傾角50°，有地下水活動(dòng)跡象。247.35～260.30m段為構(gòu)造角礫巖，原巖為泥灰?guī)r，構(gòu)造角礫明顯，膠結(jié)差，巖心較完整，呈短柱狀-塊狀，巖石蝕變強(qiáng)烈，巖心采取率100%，RQD值為64%；構(gòu)造裂隙發(fā)育，被泥質(zhì)充填。

根據(jù)工作面預(yù)注漿鉆孔施工情況進(jìn)行綜合分析，受巖石產(chǎn)狀等因素影響各鉆孔揭露情況略有差異，施工情況如下：井深200.6～212.6m段鉆進(jìn)速度較慢，部分鉆孔出現(xiàn)不沖擊現(xiàn)象，結(jié)合巖粉判斷該段巖性破碎，充填有泥質(zhì)礦物，地下水活動(dòng)頻繁；212.6～234.6m段巖性與上一段相比相對(duì)較完整，但局部破碎，富水程度差異較大；234.6～242.6m段巖性破碎，充填泥質(zhì)礦物，膠結(jié)較差，遇水軟化影響鉆進(jìn)，有明顯地下水活動(dòng)。從檢查孔施工情況來看井深242.60m以下巖性仍破碎，充填泥質(zhì)礦物，遇水軟化，有地下水活動(dòng)跡象。

3 注漿方案及設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 注漿段高

由于井筒197.1m工作面涌水較大，不具備直接進(jìn)行工作面預(yù)注漿施工條件。故采用敷設(shè)濾水層、澆筑止?jié){墊進(jìn)行工作面預(yù)注漿的治水方案。

3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

鉆孔參數(shù)：段高控制在50m，鉆孔數(shù)量28個(gè)，其中24個(gè)鉆孔為切向斜孔，鉆孔切向角為149°52′8″、鉆孔頂角為3°26′23″；4個(gè)為垂直檢查孔，孔深為55m。注漿孔布置如圖1所示。

圖1 1#回風(fēng)井工作面注漿孔布置

漿液類型與注漿參數(shù)：漿液類型選用單液水泥漿和水泥-水玻璃漿。水灰比為4∶1～1∶1，水泥-水玻璃漿體積比為1∶0.5～1∶0.2，注漿終壓控制在8 MPa。

4 施工主要情況

4.1 濾水層、止?jié){墊施工

1)濾水層施工

首先安裝2只高度分別為4.7m和4.85m的φ600mm濾水管，然后進(jìn)行裸井段導(dǎo)水措施，之后向井底拋碎石子(20～40mm)敷設(shè)濾水層，濾水層敷設(shè)高度為1.7m。

2)止?jié){墊施工

為防止井壁上部淋水影響止?jié){墊的質(zhì)量，澆筑止?jié){墊前通過截水槽將井壁淋水導(dǎo)入吊盤臨時(shí)水箱。在確保井底排水、供電、下料等設(shè)施均能正常運(yùn)行后，采用C30商品混凝土澆筑止?jié){墊，澆筑厚度為2.8m。

4.2 主要施工設(shè)備

采用MKQJ120/40潛孔鉆機(jī)鑿孔，設(shè)備數(shù)量3臺(tái)，兩用一備；注漿選用2TGZ-60/210 X型雙液注漿泵2臺(tái)，一用一備。

4.3 孔口管及其埋設(shè)

按設(shè)計(jì)位置采用潛孔鉆機(jī)開孔5.0m，鉆孔孔徑130mm，鉆孔壓漿預(yù)埋孔口管?？卓诠懿捎忙?08mm無縫鋼管加工而成，孔口管上部焊接法蘭盤，管體部焊接防拔筋?？卓诠馨惭b好后，注入適量單液漿或雙液漿固定好孔口管[2]。養(yǎng)護(hù)至6h后，壓水進(jìn)行耐壓抗?jié)B試驗(yàn)。

4.4 鉆孔及掃孔復(fù)鉆

注漿孔分兩序間隔施工，單、雙數(shù)編號(hào)孔數(shù)目相同，交叉布置。鉆孔沿同一方向，先施工單數(shù)編號(hào)孔，雙數(shù)編號(hào)孔作為檢查孔。雙數(shù)編號(hào)孔若未探到水，注漿終止；若探到水，繼續(xù)注漿，中間的4個(gè)孔作為檢查孔。周邊的24個(gè)注漿孔均斜插鉆進(jìn)，可以確保鉆孔穿過縱向裂隙。

掃孔和向下鉆進(jìn)時(shí)采用φ90mm鉆頭，鉆進(jìn)過程中若涌水量超過5m3/h時(shí)，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)而改為注漿；若出水量不大，則鉆孔一次達(dá)到設(shè)計(jì)深度，然后再對(duì)該孔注漿。另外，鉆孔時(shí)要在孔口管法蘭盤上安裝高壓球閥和防噴裝置，防止突然出大水，造成淹井事故。

4.5 漿液類型

注漿材料選用新鮮無結(jié)塊的P.O42.5普通硅酸鹽水泥和水玻璃。工作面預(yù)注漿以單液水泥漿為主，固定孔口管、漏漿嚴(yán)重或裂隙跑漿時(shí)，采用水泥-水玻璃雙液注漿。水灰比為4∶1～1∶1，水泥-水玻璃漿體積比為1∶0.5～1∶0.2。

止?jié){墊接縫及濾水層段注漿時(shí)采用單液水泥漿和水泥-水玻璃雙液漿。水灰比為1∶1，水泥-水玻璃漿體積比為1∶0.5。

4.6 注漿終壓

設(shè)計(jì)規(guī)定注漿終壓原則上按照2～4倍靜水壓力確定，本次注漿段設(shè)計(jì)注漿終壓為8MPa。實(shí)際施工過程中，根據(jù)漿液類型及各孔段的具體受注條件進(jìn)行了必要的調(diào)整。實(shí)際注漿終壓一般控制在10～12MPa，個(gè)別鉆孔注漿終壓為15MPa。

4.7 完成的主要工作量

從開始預(yù)埋第一序孔口管到28個(gè)鉆孔全部終孔，施工工期21d。完成的主要工程量為：鉆孔總進(jìn)尺1 434m，總掃孔1 502.5m，消耗水泥136.45t，水玻璃7.2t，耐壓抗?jié)B28次，壓水74次。其中11#鉆孔注漿成果見表1。

表1 11#鉆孔注漿堵水成果表

5 本次注漿段存在問題分析

1)注漿參數(shù)與含水構(gòu)造之間存在明顯的不適應(yīng)性

1#回風(fēng)井雖然進(jìn)行了工程地質(zhì)勘察，但由于地質(zhì)條件的特殊性加上工勘孔的深度大，工程勘察對(duì)井筒地下水的富水性特征認(rèn)識(shí)片面。本次工作面預(yù)注漿鉆孔揭露情況說明實(shí)際水文地質(zhì)條件(含水層富水性、含水構(gòu)造特征、涌水量及其變化)復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)測(cè)。因此，設(shè)計(jì)階段很難做到設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際地質(zhì)條件應(yīng)滿足的參數(shù)相適應(yīng)。

2)設(shè)計(jì)終壓不能滿足本次注漿要求

設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)計(jì)該注漿段注漿終壓8MPa，且達(dá)到設(shè)計(jì)終壓穩(wěn)定15～30min、注入量小于10～15L/min時(shí)，結(jié)束注漿。但在實(shí)際注漿過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注漿壓力高于8MPa時(shí)，漿液的注入量仍較大，結(jié)合工程實(shí)際本次注漿的注漿終壓最終控制在10～15MPa。

3)受注段地層水泥漿可注性較差、擴(kuò)散半徑偏小

結(jié)合工勘資料及實(shí)際鉆孔揭露情況來看，本次注漿段內(nèi)巖石透水性弱、裂隙寬度小、部分段泥化嚴(yán)重、富水性差異大給注漿帶來一定困難。本次注漿過程中水泥漿對(duì)于受注段地層來講可注性較差，因而影響漿液的擴(kuò)散半徑。

6 結(jié)論

(1)因受注段地層水泥漿可注性較差，可能造成部分裂隙未被完全充填密實(shí)，故在井筒下掘過程中應(yīng)采取淺孔探水措施，若發(fā)現(xiàn)探水孔有涌水，必須及時(shí)采取工作面堵漏注漿，保證達(dá)到預(yù)期的注漿效果。

(2)通過施工注漿孔發(fā)現(xiàn)本次注漿段內(nèi)存在兩段明顯的破碎帶，破碎程度高、泥化嚴(yán)重、遇水易軟化。因此，在通過這兩段破碎帶時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的井壁支護(hù)措施。

(3)根據(jù)工勘報(bào)告所提供的資料并結(jié)合井筒下掘工作面的實(shí)際情況，總結(jié)本次工作面注漿經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)根據(jù)工作面巖性情況在合適的位置預(yù)留下一含水層注漿段巖帽，避免施工止?jié){墊。