破碎采場通風(fēng)天井預(yù)注漿加固基巖深孔爆破成井技術(shù)

路燕澤 甘德清 楊志強(qiáng) 王立杰 王社光 尹愛民

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全工程實(shí)驗(yàn)室,河北 唐山 063210;3.河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司,河北 邢臺(tái) 054100)

根據(jù)安全規(guī)程要求,所有礦山在開展地下作業(yè)之前都應(yīng)首先建設(shè)配套的礦井通風(fēng)系統(tǒng),在充分保障采掘工作區(qū)域氧氣供應(yīng)量的情況下才能開展采掘工作,在采掘過程中應(yīng)及時(shí)排出井下氣體,保障井下空氣質(zhì)量。礦山地下采掘作業(yè)消耗氧氣,產(chǎn)生有毒有害氣體及粉塵,必須及時(shí)進(jìn)行通風(fēng)換氣,為礦山安全生產(chǎn)提供保障,而采區(qū)通風(fēng)天井則是保障采場風(fēng)流有序循環(huán)的關(guān)鍵,是有效解決采場供氧、排塵、排煙的關(guān)鍵通道。然而,礦山地質(zhì)條件復(fù)雜多變,給采區(qū)通風(fēng)天井施工帶來較大困難。針對復(fù)雜破碎地質(zhì)條件,國內(nèi)金屬礦山地下采場的采區(qū)通風(fēng)天井等盲豎井的井筒掘砌施工,通常采用“正掘?qū)Э?反掘擴(kuò)孔+反掘擴(kuò)刷”的施工技術(shù),首先在天井頂部采用反井鉆機(jī)由上向下進(jìn)行小孔徑導(dǎo)孔鉆進(jìn)施工[1-2],然后再利用該反井鉆機(jī)由下向上進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工,最后再由通風(fēng)天井底部由下向上采用反掘擴(kuò)刷至目標(biāo)直徑。采區(qū)通風(fēng)天井高度與階段高度相同,由于基巖復(fù)雜破碎,導(dǎo)致施工安全性較差,反掘擴(kuò)孔和反掘擴(kuò)刷過程中均存在塌方等安全風(fēng)險(xiǎn),塌方后需要反復(fù)對井筒進(jìn)行加固處理,施工效率低,工期長。本項(xiàng)目以某鐵礦復(fù)雜破碎采場為背景,進(jìn)行盲豎井成井技術(shù)研究,首先采用“正掘?qū)Э?反掘擴(kuò)孔+反掘擴(kuò)刷”技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐,其次采用鋼圈加固和壁后注漿的聯(lián)合支護(hù)方式對塌方段進(jìn)行處理,最后提出破碎采場盲豎井施工技術(shù)優(yōu)化方案,采用下行預(yù)注漿加固基巖后進(jìn)行大直徑深孔鑿巖分段爆破成井,為破碎基巖盲豎井掘砌施工及成型穩(wěn)定提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

河北某礦為大水礦山,礦巖富水且復(fù)雜破碎,其采區(qū)通風(fēng)天井井徑3 m,井深由-110 m 至-245 m 約135 m,通風(fēng)天井施工期間已經(jīng)建成-170、-230 m 中段沿脈巷道。故采用倒段施工,通風(fēng)天井分段高度為60 m。

采用ZFY1.2/120 型反井鉆機(jī)從天井頂部由上向下進(jìn)行250 mm 直徑導(dǎo)孔鉆進(jìn)施工[3],行至天井底部導(dǎo)通后,在天井底部安裝反井鉆機(jī)的擴(kuò)孔鉆頭,利用該反井鉆機(jī)由下向上進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工,直徑1 200 mm。圖1為反井鉆機(jī)“正掘?qū)Э?反掘擴(kuò)孔”施工技術(shù)流程圖。

圖1 反井鉆機(jī)施工技術(shù)流程Fig.1 Flow of construction technology of riser drilling rig

在反掘擴(kuò)孔施工3#通風(fēng)天井-170 ～230 m 段過程中,發(fā)生井筒塌方險(xiǎn)肇事故,只好在-230 m 中段采取封閉措施暫停施工研討下一步施工技術(shù)方案。在停工過程中因井筒堵塞、井筒內(nèi)涌水及塌方的松散巖石導(dǎo)致井筒發(fā)生噴料險(xiǎn)肇事故。后礦山組織對風(fēng)井井筒進(jìn)行了攝像頭勘測,由于攝像頭探測范圍較窄,無法勘測井筒內(nèi)塌方范圍,但能探明目前井筒內(nèi)渣石堆積高度達(dá)到約30 m,井筒內(nèi)暫時(shí)沒有積水,渣石上部距-170 m 水平約12 m 高度尚未塌方。在施工4#通風(fēng)天井-170～-110 m 段過程中,當(dāng)反掘至-140 m標(biāo)高時(shí),遭遇嚴(yán)重破碎帶,無法繼續(xù)按原方案施工,為防止井壁進(jìn)一步坍塌,采用型鋼將風(fēng)井聯(lián)巷進(jìn)行封堵。井下通風(fēng)問題至關(guān)重要,亟需提出3#通風(fēng)天井塌方段處理技術(shù)方案及4#通風(fēng)天井下一步施工技術(shù)優(yōu)化方案。

2 塌方段鋼圈加固和壁后充填及注漿聯(lián)合支護(hù)施工工藝

2.1 塌方段鋼圈加固和壁后澆筑充填支護(hù)工藝

研究確定3#通風(fēng)天井塌方段處置及下一步施工技術(shù)方案為:繼續(xù)保留-230 m 水平已半封閉的圍欄,將尚未塌方的上部12 m 井筒先正常進(jìn)行擴(kuò)刷,渣石堆積在塌空區(qū)與未塌空區(qū)交界處。擴(kuò)刷至塌空區(qū)后,采用圓形槽鋼逐層連接形成井筒,在空區(qū)用混凝土進(jìn)行充填加固。

利用預(yù)埋的起吊鋼梁固定20 t 滑輪,安裝一臺(tái)JT-0.8×0.6 型提升機(jī),?18.5 mm 不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。施工人員乘施工平臺(tái)上下,施工平臺(tái)展開后,作為操作平臺(tái)進(jìn)行施工。3#通風(fēng)天井上部12 m 未塌方段井筒擴(kuò)刷完畢后,從-230 m 水平進(jìn)行出渣,使井筒內(nèi)渣石始終堆積在作業(yè)面。塌空區(qū)施工采用分層支護(hù)方式向下施工,仍使用原有擴(kuò)刷使用的提升設(shè)備和作業(yè)平臺(tái)。定制加工槽鋼(規(guī)格型號(hào):30a,高度300 mm,腿寬85 mm,腰厚7.5 mm,腿厚13.5 mm)成型為2.8 m直徑的圓筒,切割成4 等份,每份槽鋼上打3 個(gè)螺絲孔,槽鋼寬300 mm,每層使用螺絲連接、并焊接固定,形成2.8 m 直徑的槽鋼井筒,逐層向下施工,直至通過塌方段。最后用混凝土將塌空區(qū)充填,避免進(jìn)一步塌方破壞井筒。圖2為塌方段井筒加固用槽鋼鋼圈示意圖。采用鋼圈和噴混凝土混合支護(hù)方式正向下行刷支至29 m 位置時(shí),由于下部井筒塌方,只好暫時(shí)停止施工。在此背景下,亟需提出3#通風(fēng)天井塌方段進(jìn)一步施工技術(shù)方案。

圖2 塌方段井筒加固用槽鋼鋼圈示意Fig.2 Schematic of channel steel ring for wellbore reinforcement in collapse section

2.2 塌方段鋼筒預(yù)埋注漿管澆筑充填和注漿聯(lián)合加固工藝

經(jīng)研究確定施工技術(shù)方案整體思路為:由于3#通風(fēng)天井井筒塌方嚴(yán)重、涌水較大,正常充填支護(hù)和采切鋼圈加固施工安全風(fēng)險(xiǎn)危害較大,工期較長,且充填后正向掘支時(shí)排水較困難,故采用先安裝鋼筒預(yù)埋注漿管再進(jìn)行澆筑充填,最后進(jìn)行塌方段注漿密閉加固的方案組織施工。

(1)加固鋼筒安裝。井筒加固鋼筒采用直徑2.8 m、厚度10 mm 鋼板外委加工卷制而成,每層1.5 m高,分4 片拼接,鋼筒內(nèi)側(cè)立縫拼接處焊接∠50 mm×5 mm 角鋼用?16 mm 螺栓連接;水平接縫在上下部鋼板割二孔用?20 mm 圓鋼箍焊;為防止塌方砸損變形鋼筒,鋼筒拼接完成后沿直徑方向分2 層用Ⅰ12工字鋼加固支撐鋼筒,待澆筑充填完成后及時(shí)割除支撐。鋼筒拼接完成后在鋼筒上按網(wǎng)度900 mm 割孔焊接?20 mm 螺紋鋼,每根長度1.1 m(錨固1 m,拍彎與鋼筒焊接0.1 m),錨固鋼筋每層鋼筒不少于2層;同時(shí)每層鋼筒中部割孔預(yù)埋?32 mm×3 mm 注漿管,長度1.5 m和2.5 m,交替布置,注漿管間距1.2 m,鋼筒內(nèi)側(cè)外露絲頭不得小于30 mm,伸入空區(qū)或靠近圍巖一端用鐵絲網(wǎng)封堵。每安裝2 層鋼筒在接口處留設(shè)4 個(gè)進(jìn)料振搗孔,便于插入溜灰管和振搗作業(yè),預(yù)留孔尺寸為300 mm×200 mm(長×寬),澆筑充填完成后及時(shí)補(bǔ)焊;遇破碎塌冒嚴(yán)重段時(shí)采取一層澆筑,一層留孔。

(2)井筒混凝土澆筑充填。在-170 m 水平3#通風(fēng)天井聯(lián)巷口安裝1 臺(tái)SJ-350 型滾筒攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌,采用108 mm 膠質(zhì)溜灰管溜灰,混凝土配合比采用水泥∶砂子∶石子∶水=1 ∶2.4 ∶3.6 ∶0.5(325 kg ∶768 kg ∶1 155 kg ∶175 kg),為保證混凝土的和易性和充填質(zhì)量,水灰比控制在1 ∶0.8 ～1 ∶1.3 之間保證混凝土流動(dòng)性;澆灌混凝土采取分層對稱澆筑,并采用插入式振動(dòng)棒進(jìn)行振搗,每層厚度500 mm,每處振動(dòng)時(shí)間為20～30 s[4-7]。支模前應(yīng)將上段混凝土井壁鑿成毛面,用水沖凈,抹一層水泥砂漿。澆筑時(shí)應(yīng)加強(qiáng)振搗,以保證接茬嚴(yán)密平整。

(3)井筒壁后注漿加固。井筒全部澆筑充填完成后,從風(fēng)井頂部開始逐層往下,通過預(yù)埋注漿管進(jìn)行井筒壁后注漿,使破碎帶塌方段完全充填并與原巖契合,保證風(fēng)井成型穩(wěn)固安全不塌冒。注漿漿液采用單液水泥漿,漿液濃度0.5 ∶1 ～1 ∶1,終壓取靜水壓力的2～3 倍[8-9]。

經(jīng)3 次技術(shù)優(yōu)化及現(xiàn)場實(shí)踐后,3#通風(fēng)天井-170～-230 m 段終于施工完成,但工期較長,歷時(shí)長達(dá)1 a 之久。

3 下行預(yù)注漿加固基巖深孔爆破成井施工工藝

4#通風(fēng)天井-170～-110 m 段原設(shè)計(jì)井筒中心坐標(biāo)為X=522 623.946,Y=4 084 201.639,井筒深度60.0 m,直徑?3.0 m。通過前期工程揭露巖石條件來看,該段巖石條件極差,且已采用型鋼進(jìn)行封堵,不宜再次施工。為避免前述情況再次發(fā)生,研究并提出破碎段采用下行式注漿工藝對井筒周邊圍巖進(jìn)行加固;經(jīng)漿液凝固,通過鉆取巖心證實(shí)加固達(dá)到預(yù)期效果后,采用大直徑深孔鑿巖分段爆破成井法施工井筒,分段爆破每次崩落3.0～5.0 m。結(jié)合井下地質(zhì)條件及開采實(shí)際,決定將-170 m 水平4#通風(fēng)天井聯(lián)巷前延,將井筒中心坐標(biāo)調(diào)整為X=522 630.569,Y=4 084 195.231,其他參數(shù)不做調(diào)整。該方案可避免井筒掘砌過程中的塌方,降低工期。

3.1 塌方段下行注漿加固工藝

通過前期工程揭露,上盤11#線周邊巖石條件較差,尤其在-140 m 標(biāo)高附近,有較大破碎帶。因此,在井筒正式開掘之前,將通過下行式注漿,充填巖石裂隙,加固周邊圍巖。

(1)下行注漿布孔。井筒直徑?3.0 m,在井筒輪廓線上,每隔500 mm 左右布置注漿孔,孔深51.0 m。因-140 m 段有較大破碎帶,在距離井筒輪廓線300 mm 外圈布置第二圈注漿孔,第二圈注漿孔鉆至30 m 即可,重點(diǎn)加固該段破碎巖石。圖3為注漿鉆孔布置圖。

圖3 注漿鉆孔布置(單位:m)Fig.3 Layout of grouting drilling

(2)下行式注漿施工工藝。采用ZLJ-1200 型注漿鉆機(jī),開孔直徑?133 mm,終孔直徑?75 mm。注漿采用ZBQ-30/6 型注漿泵配備0.6 m3攪拌桶。漿液采用水泥單液漿。注漿施工主要工序包括:施工準(zhǔn)備—→開孔、埋設(shè)孔口管—→耐壓試驗(yàn)—→鉆進(jìn)注漿孔—→注漿。

開孔采用?133 mm 鉆頭按照設(shè)計(jì)方位和角度開孔,開孔完成后,埋入?108 mm 孔口管,并進(jìn)行注漿封堵加固。孔口管固定好后,進(jìn)行孔口管耐壓試驗(yàn),合格后安裝防突水和泄水裝置。鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),換用?75 mm 鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)。注漿采用水泥單液漿,水泥標(biāo)號(hào)PO42.5,配比1 ∶1,注漿終壓為3 MPa[10]。注漿凝固后,在井筒內(nèi)鉆孔取芯驗(yàn)證注漿加固效果。當(dāng)巖石結(jié)構(gòu)不再松散破碎,方可進(jìn)行下一步工序施工。

3.2 大直徑深孔鑿巖分段爆破成井施工工藝

4#通風(fēng)天井高度達(dá)60 m,不宜采用人工反掘。研究采用VCR 分段成井方法,利用下向自由面由下向上分段爆破成井,每次爆破高度控制在3.0～5.0 m之間。每次爆破后,及時(shí)進(jìn)行測孔,當(dāng)出現(xiàn)盲孔時(shí)要及時(shí)處理。

(1)鑿巖。大直徑深孔鑿巖采用KQG-150 型遙控式鑿巖臺(tái)車與VW-4.7/5-16 型增壓機(jī)配套使用,孔徑?165 mm,井筒內(nèi)布置17 個(gè)孔,其中13 個(gè)裝藥孔,5 個(gè)補(bǔ)償孔。圖4為大直徑深孔布置圖,圖4 中實(shí)心孔為裝藥孔,空心孔為補(bǔ)償孔。垂直深孔對鑿巖技術(shù)要求較高,通過增壓機(jī)將風(fēng)壓提高到1.0 ～1.5 MPa,高壓風(fēng)可以迫使鉆頭高速穿過非均質(zhì)礦石而使炮孔不易跑偏。

圖4 大直徑深孔布置(單位:m)Fig.4 Layout of large diameter deep hole

(2)裝藥。采用不耦合間隔裝藥結(jié)構(gòu),炸藥采用乳化炸藥[11-12],藥卷規(guī)格?140 mm×500 mm,單卷質(zhì)量8 kg。裝藥時(shí),利用導(dǎo)爆索將起爆藥卷放入孔底,按照設(shè)計(jì)裝藥結(jié)構(gòu)依次向孔內(nèi)投放藥卷與毛竹。根據(jù)巖石硬度和穩(wěn)固性,井筒爆破裝藥結(jié)構(gòu)為藥柱長度1.0 m,毛竹間隔長度0.5 m。孔底填塞高度控制在0.8 m,采用細(xì)沙充填。藥卷裝填完成,在孔口充填細(xì)沙與底板平齊,充填高度一般為2.5 m～3.0 m?？卓诔涮顣r(shí),要主要觀察頂層巖石條件與抵抗線,當(dāng)巖石穩(wěn)固性較差或抵抗線較小時(shí),應(yīng)適當(dāng)增大孔口充填長度。

(3)爆破。爆破前進(jìn)行孔深測量,同時(shí)測出井筒下方補(bǔ)償空間高度。采用數(shù)碼電子雷管—導(dǎo)爆索起爆網(wǎng)絡(luò),由中央向兩端逐孔起爆[11-12]。各段延期時(shí)間不應(yīng)小于100 ms,防止爆破振動(dòng)波形不能顯著分開,存在疊加效應(yīng),影響減振效果。雷管與導(dǎo)爆索連接時(shí),接頭應(yīng)盡量放置在孔內(nèi),同時(shí)孔口做好防護(hù)措施,防止前段炮孔起爆后,爆破鐵屑與飛石將其他炮孔導(dǎo)爆索切斷。分段爆破每次崩落3.0～5.0 m。

(4)施工工期。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件,改進(jìn)后,復(fù)雜破碎地質(zhì)條件下,直徑?3.0 m,井筒深度60.0 m 的盲豎井井筒掘砌施工工期為150 d,如圖5所示。其中施工準(zhǔn)備、井口平臺(tái)加固及風(fēng)井聯(lián)巷前延15 d;井筒下行注漿60 d;注漿凝固及風(fēng)井口澆筑保護(hù)層35 d;大直徑深孔鑿巖及爆破40 d。

圖5 施工工期網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Construction period network diagram

4 結(jié) 論

(1)采用“正掘?qū)Э?反掘擴(kuò)孔+正掘擴(kuò)孔”工藝進(jìn)行復(fù)雜破碎地質(zhì)條件下盲豎井施工時(shí),存在井筒塌方風(fēng)險(xiǎn)。針對3#通風(fēng)天井塌方段提出兩種優(yōu)化后的施工工藝技術(shù)方案,分別為:鋼圈加固和壁后澆筑充填支護(hù)工藝、鋼筒預(yù)埋注漿管澆筑充填和注漿加固聯(lián)合支護(hù)工藝。實(shí)踐驗(yàn)證,此技術(shù)方案雖能達(dá)到預(yù)期處理效果,但施工工期較長。

(2)為確保安全施工和進(jìn)一步降低工期,針對4#通風(fēng)天井提出下行注漿加固基巖及大直徑深孔鑿巖分段爆破成井施工工藝:先采用下行式注漿工藝對井筒周邊圍巖進(jìn)行加固;經(jīng)漿液凝固,通過鉆取巖心證實(shí)加固達(dá)到預(yù)期效果后,采用大直徑深孔鑿巖分段爆破成井法施工井筒,分段爆破每次崩落3.0 ～5.0 m。該方案施工工期為常規(guī)施工工藝工期的一半,可避免井筒掘砌過程中的塌方,降低工期,可為破碎采場盲豎井掘砌施工提供一條新思路。