塞爾維亞項(xiàng)目注漿方法及結(jié)果論證

楊允濤

(金誠(chéng)信礦業(yè)管理股份有限公司， 北京 100070)

1 注漿技術(shù)及項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 注漿技術(shù)

注漿技術(shù)就是利用送壓設(shè)備將能夠固化的漿液材料通過(guò)鉆孔注入地層中顆粒的間隙、土層的界面或巖層裂隙內(nèi),使其擴(kuò)張、膠結(jié)、固化,以降低地層的滲透性,增強(qiáng)地層強(qiáng)度,防止地基沉降、變形的處理技術(shù)[1]。

1.2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

塞爾維亞RAKITA公司Timok銅金礦2#探礦豎井深度653.74 m，井筒直徑Φ6.5 m；2#探礦豎井井頸段高度13 m，井筒段高度640.74 m；2#探礦豎井井頸段主體為雙層筋混凝土支護(hù),支護(hù)厚度600 mm，混凝土等級(jí)C30；井筒段為全素砼澆筑,支護(hù)厚度400 mm，混凝土等級(jí)C25。

豎井于2019年9月20日正式開(kāi)工掘砌,注漿時(shí)已施工完成井頸段13 m、井筒段施工71 m，因豎井涌水量過(guò)大，沉淀池相對(duì)較小,豎井排水溢出沉淀池，對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境保護(hù)造成影響，2019年10月11日混凝土澆筑完成后暫時(shí)停止豎井掘砌，轉(zhuǎn)為工作面預(yù)注漿及壁后注漿的施工方法進(jìn)行注漿堵水。

2 施工分析

根據(jù)前期豎井施工地質(zhì)編錄及RAKITA公司提供《豎井工勘報(bào)告》,可知,2#探礦豎井前120 m圍巖主要以泥灰?guī)r為主,局部伴隨破裂的安山巖,圍巖節(jié)理裂隙相對(duì)較為發(fā)育。在深度60～65 m處有3.6～7.2 m3/h涌水,在深度85～95 m處有7.2～14.4 m3/h涌水。豎井掘砌過(guò)程中在20 m深度周邊圍巖開(kāi)始滲水,并有逐漸加大趨勢(shì),豎井掘砌到72 m深度時(shí),除井壁涌水外井筒中心探水孔開(kāi)始涌水,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后豎井涌水量為12 m3/h,豎井掘砌到76 m深度時(shí),探水孔及工作面涌水量預(yù)估為22 m3/h，澆筑后混凝土壁后涌水12 m3/h,井筒內(nèi)涌水總量約為34 m3/h。

注漿目的：首先封堵已澆筑段井筒壁后涌水，其次封堵井筒中心探水孔涌水，并治理井筒從85～120 m深度圍巖涌水,降低涌水對(duì)豎井施工作業(yè)面因涌水造成的施工困難,降低因井壁淋水對(duì)混凝土強(qiáng)度造成的影響,防止質(zhì)量事故的發(fā)生,通過(guò)水泥漿或者雙液漿充填圍巖裂隙、加固圍巖強(qiáng)度增加圍巖穩(wěn)定性,保障豎井掘砌安全及施工質(zhì)量。

注漿效果：已澆筑段井筒壁后基本無(wú)涌水，注漿后85～120 m井筒圍巖涌水量降低,后續(xù)混凝土接茬密實(shí)牢固,掘進(jìn)斷面控制良好,圍巖裂隙封堵率達(dá)到90%。

圖1 壁后注漿布孔及效果圖

圖2 工作面預(yù)注漿布孔及效果圖

3 注漿施工工藝及相關(guān)計(jì)算

為加強(qiáng)2#豎井掘砌工程的注漿效果,除選擇合適的注漿材料外,注漿方法選擇和注漿現(xiàn)場(chǎng)施工管理也是很重要的注漿效果保障措施。根據(jù)金塞項(xiàng)目公司現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,項(xiàng)目部現(xiàn)有的施工設(shè)備和技術(shù)能力,選用工作面高壓注漿,邊注漿邊探水,先注中間探孔55 m，周邊出水點(diǎn)鑿一個(gè)36 m深的探水孔,一個(gè)孔注漿一個(gè)孔觀察的注漿方案，直到注漿壓力到達(dá)設(shè)計(jì)值后分別對(duì)中間探孔及觀察孔進(jìn)行封堵。

雙液漿是由水泥漿等攪拌成的A液與由水玻璃等組成的B液進(jìn)行混合而形成的一種漿液,根據(jù)其最初凝結(jié)的時(shí)間不同又可分為緩結(jié)型和快速瞬凝型。漿液在注漿中膠結(jié)凝固的時(shí)間越長(zhǎng),漿液更易泄露污染周邊地下水源，或擴(kuò)散到周邊圍巖內(nèi)流失；或與注漿方案中設(shè)定范圍內(nèi)已凝固雙液漿再次凝固后充填、加固裂隙效果不佳，從而影響注漿效果；而且在未初凝前,水泥漿液容易被圍巖地下水稀釋導(dǎo)致濃度不足而產(chǎn)生離析現(xiàn)象；因此本次注漿方案采用限定時(shí)間凝固的水泥、水玻璃作為注漿材料進(jìn)行注漿。

工作面預(yù)注漿參數(shù)：

(1)雙液漿：水泥、水玻璃雙液漿,即C- S漿液。

(2)水泥漿的水灰比：0.8∶1～1∶1之間。

(3)水玻璃濃度：35 Be′～40 Be′之間。

(4)水泥漿與水玻璃(雙液漿)體積比，水泥漿∶水玻璃=1∶0.6。

(5)漿液擴(kuò)散半徑：漿液整體擴(kuò)散后的半徑大小是一個(gè)重要計(jì)量參數(shù)，其平均值大小可用多種理論計(jì)算公式結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)圍巖類型和分部進(jìn)行估算。但漿液的實(shí)際測(cè)量擴(kuò)散輻射半徑一般會(huì)略小于各種漿液理論觀測(cè)值的平均大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及原因主要是各種水泥填料漿液在逐漸進(jìn)入細(xì)小多孔裂隙的流動(dòng)過(guò)程中，注漿時(shí)的壓力增大使水泥漿液中間的水分被逐漸滲濾出來(lái)，漿液由稀變稠，流動(dòng)的裂隙距離就可能逐漸變小，所以這個(gè)理論的數(shù)值一般只能適當(dāng)作為實(shí)驗(yàn)參考。其次，計(jì)算使用的某些注漿參數(shù)在基層注漿計(jì)算過(guò)程中為固定變量，直接導(dǎo)致注漿計(jì)算參數(shù)值與實(shí)際計(jì)算值的差別較大，當(dāng)?shù)叵聡鷰r水基條件復(fù)雜或注漿計(jì)算中的參數(shù)不易準(zhǔn)確進(jìn)行選定時(shí)，應(yīng)適當(dāng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)注漿時(shí)的試驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)行確定，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)圍巖的實(shí)際觀測(cè)和地質(zhì)編錄及實(shí)測(cè)圍巖裂隙率和爆破擾動(dòng)深度深度，取R=4 m。

(6)注漿壓力：注漿期間壓力大小是施加給料時(shí)漿液在混凝土層中不斷擴(kuò)散及連續(xù)劈斷壓裂、滲透、壓實(shí)的主要能量，注漿期間壓力值的大小對(duì)實(shí)際注漿施工中施加注漿壓力效果的穩(wěn)定好壞及注漿成本的比例高低等都有很大的直接影響。用較高的噴塑注漿機(jī)和壓力機(jī)可增加注塑漿液的均勻擴(kuò)散流動(dòng)能力,使?jié){液鉆孔的次數(shù)盡可能少,從而極大降低使用注塑灌漿機(jī)的成本。同時(shí),高壓可使軟弱砂質(zhì)地基的充填泥灰?guī)r強(qiáng)度和安山巖不透水性等缺點(diǎn)得到改善,還高壓可有效擠出砂質(zhì)漿液及殘留土中的多余砂質(zhì)水分,使砂質(zhì)結(jié)石體土的強(qiáng)度特性得以大大提高,圍巖的完整性系數(shù)得以增加。但是當(dāng)注漿時(shí)的壓力過(guò)大超過(guò)某一壓力界限時(shí),可能會(huì)造成對(duì)已澆筑的混凝土井壁剪切面方向的破壞。實(shí)際注漿壓力大小的確定與混凝土的骨料密度、強(qiáng)度、周邊圍巖裂隙率、滲透性,鉆孔的方向深度、位置、注漿劑的使用順序及注漿所用材料的化學(xué)特性等等有關(guān),因而難以準(zhǔn)確進(jìn)行制定,一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿壓力試驗(yàn)加以確定。

取PH=0.6～20 MPa。

注漿量測(cè)算：

(1)36 m深度注漿量

式中Q—每36 m深度注漿量,m3。

λ—注漿液損失系數(shù),λ=1.2～1.5,取1.5。

R—漿液擴(kuò)散形成的大圓半徑,R=5.25 m。

r—井筒半徑，r=3.25 m。

H1—注漿高度，H1=36 m。

η—巖石裂隙率，破碎帶取3%，即0.03。

β—充填系數(shù)，80%～90%,取90%。

m—漿液結(jié)石率,取0.8。

將上述參數(shù)代入公式得：

(2)總注漿量為：

Q1=N′×Q

式中N′—注漿孔個(gè)數(shù)，N′=2個(gè)。

Q1=97.28×2=194.56 m3

壁后注漿參數(shù)：(1)雙液漿：水泥、水玻璃雙液漿，即C- S漿液。(2)水泥漿的水灰比：0.8∶1～1∶1之間。(3)水玻璃濃度：35～40 Be′之間。(4)水泥漿與水玻璃(雙液漿)體積比，水泥漿∶水玻璃=1∶0.6。(5)漿液擴(kuò)散半徑：

R=103δ。

式中δ—裂隙寬度，取δ=4 mm。

R=103×4 mm=4 m

(6)注漿壓力：

式中H—受注點(diǎn)到靜水位的水柱高度，取150 m；

γ—水密度。

考慮到水泥漿擴(kuò)散克服摩擦力，取PH=1.5 MPa。

(7)注漿孔的間距：L=1.3～1.5R=(1.3～1.5)×4=5.2～6 m

注漿孔間距現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算后確定取4 m。

(8)在上述注漿參數(shù)下井壁安全度校核

式中 [σ]—C25混凝土允許抗壓強(qiáng)度，MPa；

R10～15—井壁混凝土10天極限抗壓強(qiáng)度，R10～15=12.5 MPa；

K—安全系數(shù)，K=2～3。

故井壁是安全的。

(9)注漿量的確定

每孔注漿量：

式中Q—每孔注漿量，m3。

λ—注漿液損失系數(shù)，λ=1.2～1.5，取1.3。

R—漿液擴(kuò)散半徑，R=4 m。

H1—注漿高度，H1=4 m。

η—巖石裂隙率破碎帶取η=4%=0.04。

β—充填系數(shù)80%～90%，取80%。

m—漿液結(jié)石率，取0.9。

每4 m段高注漿量：

Q1=N×Q=5×9.29=46.47 m3

(10)總注漿量為：

Q2=N′×Q1

式中N′—注漿段高數(shù)，N′=24/4=6，段高為6。

Q2=6×46.47=278 m3。

總計(jì)注漿量為194 m3+278 m3=472 m3。

注漿總量因施工中存在不確定因素，應(yīng)以注漿工作中實(shí)際統(tǒng)計(jì)記錄為準(zhǔn)，以上總計(jì)注漿量為理論測(cè)算結(jié)果。

工作面預(yù)注漿方法：用麻線將已經(jīng)加工好的尺寸為Φ108 mm×8 mm×4 000 mm的孔口管外層使用粗麻均勻包裹后，孔口管嵌入注漿孔，使用三根倒楔錨栓將孔口管固定在工作面。再安放Φ50 mm×2 mm×20 000 mm注漿管，注漿管與孔口通過(guò)法蘭盤管焊接在一起。注漿機(jī)用10 MPa的壓力將清水壓注到預(yù)先埋設(shè)完畢的注漿管和觀察管中，觀測(cè)記錄裂隙賦存和連通情況。觀察結(jié)束后，將各孔口管閘閥打開(kāi)卸壓，10 min后可進(jìn)行正式注漿施工。

制漿工作在工作面進(jìn)行，新鮮水泥用吊桶放到工作面后，人工開(kāi)包，首先在儲(chǔ)漿罐，放水120 kg，再依次放入150 kg水泥。充分?jǐn)嚢杷嗪退瞥伤酀{后，采用孔目為2 mm×2 mm的鋼絲篩放，同時(shí)為了保證水泥漿液不離析沉淀，應(yīng)持續(xù)攪拌儲(chǔ)漿罐中剩余的水泥漿。用吊桶將水玻璃下放到工作面的儲(chǔ)存罐中，并用波美比重計(jì)測(cè)量濃度，當(dāng)波美度超過(guò)規(guī)定時(shí)，需用水稀釋直至達(dá)到要求。施工用水由地面通過(guò)管路直接接到工作面?zhèn)溆谩?/p>

首先對(duì)井筒中心探孔進(jìn)行注漿，在孔口管上安裝注漿閥、混合器及卸壓閥，用高壓膠管將注漿機(jī)和混合器接通，將注漿泵的兩個(gè)吸漿龍頭分別放入水玻璃的儲(chǔ)存罐和水泥漿儲(chǔ)存罐中。慢擋開(kāi)起注漿泵進(jìn)行注漿，先將孔口管與圍巖預(yù)注在一起(壓力最大為0.5 MPa)孔口管有兩個(gè)閥門，一個(gè)注漿，一個(gè)觀察。然后再注孔口管內(nèi)的注漿管，壓力表無(wú)異常顯示后逐漸加大水泥漿進(jìn)漿量；當(dāng)壓力接近注漿終壓時(shí)，加大水玻璃的注入量按照設(shè)計(jì)比例進(jìn)行封孔作業(yè)，按此方式依次將工作面內(nèi)已布置好的注漿孔進(jìn)行注漿。注漿工作結(jié)束后，注意要將注漿機(jī)、混合器、管路及工作面等處殘留的漿液用清水沖洗干凈。

壁后注漿方法：

加工好116根注漿孔口管：Φ40 mm×4 mm長(zhǎng)2 000 mm，備用。準(zhǔn)備好其他注漿輔助材料：如不銹鋼球閥、壓力表、麻、棉絮、木楔、干海帶等。

(1)注漿設(shè)備及布置

在吊盤的下層盤布置一臺(tái)最大流量為60 L/min，最大壓力為6 MPa的2ZBQ型系列煤礦用氣動(dòng)注漿泵及兩臺(tái)YT28型氣腿式鑿巖機(jī)、并安裝固定水玻璃、水泥漿及水儲(chǔ)存罐。水泥漿采用吊籃運(yùn)送袋裝水泥到吊盤后現(xiàn)場(chǎng)攪拌使用。

(2)注漿施工總程序

吊盤下降至上部涌水壁后注漿位置，鑿孔、在接茬距離500 mm埋設(shè)注漿管，注隔水層(上下封層)；吊盤由上部向下，每4 m模板澆筑混凝土高度。當(dāng)?shù)醣P接近中間位置時(shí)，中間埋設(shè)出水管周圍暫時(shí)不注漿，由底部自下而上注漿；排水管周邊施工一圈泄壓孔，然后封堵排水管，最后注泄壓空，完成本次注漿工作；自上而下落下吊盤，重點(diǎn)拆除超出井壁部分的孔口管，檢驗(yàn)注漿效果并同時(shí)清理井壁雜物。結(jié)束注漿。

(3)注漿工藝流程：

布孔→埋孔口管→壓水試驗(yàn)→制漿→注漿

布孔方法：采用28式氣腿式鑿巖機(jī)打孔，將孔深控制在比注漿管長(zhǎng)200 mm，在井壁接茬處下1 m的位置布置每段高的5孔。

埋孔口管：用麻線將已經(jīng)加工好的尺寸為Φ108 mm×8 mm×4 m的孔口管外層包裹后，拆除YT28式氣腿鑿巖機(jī)的棘輪，將孔口管打入鉆孔內(nèi)。

壓水試驗(yàn)：將每層5個(gè)注漿管埋設(shè)完畢后，注漿機(jī)將壓力控制在1.2～1.5 MPa范圍內(nèi)，將清水壓注到預(yù)先埋設(shè)完畢的注漿管和觀察管中，觀察記錄連通和裂隙賦存情況。觀察結(jié)束后，將各孔口管閘閥打開(kāi)卸壓，10 min后可進(jìn)行正式注漿施工。

制漿：制漿工作在吊盤進(jìn)行，將水泥由專門吊籃運(yùn)送到吊盤，在吊盤現(xiàn)場(chǎng)制作水泥漿按兩袋水泥(100 kg)，充分?jǐn)嚢杷嗪退笫褂?，?yīng)使用壓風(fēng)持續(xù)攪拌儲(chǔ)漿罐中剩余的水泥漿，防止水泥漿因不使用而分解離析。水玻璃用吊桶下到吊盤上的儲(chǔ)存罐內(nèi)，超過(guò)規(guī)定時(shí)用水稀釋，直到達(dá)到要求。施工用水由地面通過(guò)井壁固定的Ф50管路進(jìn)入吊盤儲(chǔ)水桶內(nèi)。

注漿：首先對(duì)同一圈內(nèi)出水量較小的探孔進(jìn)行注漿，在孔口管上安裝注漿閥、混合器及卸壓閥，用高壓膠管將注漿機(jī)和混合器接通，將注漿泵的兩個(gè)吸漿龍頭分別放入水玻璃的儲(chǔ)存罐和水泥漿儲(chǔ)存罐中。慢擋開(kāi)起注漿泵進(jìn)行注漿，觀測(cè)壓力表無(wú)異常后逐步加大注漿量。當(dāng)壓力接近注漿終壓時(shí)，加大水玻璃的注入量直至到達(dá)設(shè)計(jì)值進(jìn)行封孔作業(yè)，按此方式依次將同圈內(nèi)各孔進(jìn)行注漿。注漿工作結(jié)束后，注意要將注漿機(jī)、混合器、管路及工作面等處殘留的漿液用清水沖洗干凈。

4 注漿效果檢測(cè)

注漿效果檢測(cè)是注漿技術(shù)中最重要的環(huán)節(jié)之一，注漿效果的好壞直接影響2#豎井下一步的掘砌和整個(gè)礦山建設(shè)速度。

注漿效果：經(jīng)過(guò)10天緊張的施工，2#探礦豎井工作面預(yù)注漿深度55 m，共使用水泥26 t、水玻璃3 t及其他附屬物若干。壁后注漿高度24 m，共使用水泥30 t、水玻璃5 t及其他附屬物若干。注漿后井筒內(nèi)總涌水經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算僅剩3.8 m3/h。極大地減小了因涌水對(duì)豎井掘砌帶來(lái)的安全、質(zhì)量等不利影響，保障2#探礦豎井掘砌進(jìn)度。

注漿方法的優(yōu)點(diǎn)：

(1)加快注漿速度，節(jié)省大量材料(不需要施工4～6 m止?jié){墊，且止?jié){墊凝固需4～6天)。

(2)注漿效果顯著，很大程度上降低井筒涌水量(從34 m3/h降至3.8 m3/h)。

(3)注漿速度加快，方法和注漿工藝易掌控。

(4)工作面預(yù)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值20 MPa。壁后注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值1.5 MPa。

(5)有效節(jié)省材料。

(6)后續(xù)豎井掘砌在注漿范圍內(nèi)涌水量減少88%左右，并增加圍巖的穩(wěn)定性，保障后續(xù)施工的安全和質(zhì)量。證明注漿效果行之有效，為豎井后續(xù)防治水打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5 注漿技術(shù)發(fā)展及后續(xù)在應(yīng)用前景

現(xiàn)階段后續(xù)注漿已基本取得諸多預(yù)期施工成果，但由于Timok銅金礦內(nèi)分部南- 北、西- 南、東- 北三條斷層，且深部圍巖大部分為泥灰?guī)r侵入安山巖交錯(cuò)發(fā)育，圍巖分部錯(cuò)綜復(fù)雜，各類裂隙及小斷層犬牙交錯(cuò)，項(xiàng)目后續(xù)開(kāi)拓施工難度相對(duì)較大，且由于直接掏槽爆破過(guò)程造成的外力擾動(dòng)及地應(yīng)力二次穩(wěn)定過(guò)程等諸多因素尚以最終估算結(jié)果為主，且同時(shí)受制于注漿漿介質(zhì)使用條件的復(fù)雜及后續(xù)注漿實(shí)施工程的一定隱蔽性、復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)研究及注漿方案最終確定較為困難。由于目前現(xiàn)代礦山注漿工程技術(shù)涉及許多主要科學(xué)及研究技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，且各個(gè)主要科學(xué)研究技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域又互相交叉滲透，因此礦山注漿工程技術(shù)解決方案設(shè)計(jì)要充分適應(yīng)現(xiàn)代工程學(xué)的發(fā)展，就必須與其他的注漿材料工程技術(shù)相緊密結(jié)合。如何合理的選用注漿材料、合理的使用各類注漿材料，科學(xué)高效的確定注漿方法等問(wèn)題也亟需在必要的條件下確定。除此之外，目前在新材料加工方面開(kāi)發(fā)了多種中性注漿材料有效消除了注漿材料對(duì)地下水污染和破壞地下水酸堿平衡。

在注漿機(jī)具加工制造方面研發(fā)全新高速、高壓、液壓穩(wěn)定等設(shè)備，使得注漿技術(shù)更加的科學(xué)化、專業(yè)化、系列化。在注漿施工方法方面，新的爆破預(yù)裂增加裂隙；新的定向控制范圍注漿方法；多層次、固定深度雙重導(dǎo)管及介質(zhì)瞬時(shí)凝固注漿施工方法。

因此，隨著化學(xué)、機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，注漿理論將進(jìn)一步的完善，注漿技術(shù)也必將在工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用及高速的發(fā)展[4]。