超前预注浆堵水在斜井施工中的应用

黄祥宽,黄玉生,潘承武

(广西锡山矿业有限公司,广西南宁 530022)

在斜井掘进过程中经常会遭遇到各种地下水,给施工造成了很大的困难,严重影响到施工安全、施工质量和施工进度。单靠抽排水,很难彻底解决问题；长期的、大量的抽排地下水,不但会浪费能源、资源,还会打破自然地下水流场的平衡,进而引起环境问题。中信大锰矿业有限责任公司大新分公司(以下简称为：大新分公司)地采工程胶带斜井施工中应用了注浆堵水技术,取得了良好效果。

1 工程概况

胶带斜井工程是大新分公司60万t/a碳酸锰地下开采开拓工程的主井,掘进断面15.2 m2,净断面 11.2 m2,坡度 11(°),总长度约 850 m。

1.1 工程地质

从工程钻探资料和井筒掘进中实际揭露的地质情况,可以看出斜井井筒230～500 m,围岩主要为黑色硅质灰岩,中厚～厚层状结构,岩层稳定性比较好。但是在这一层中广泛存在溶洞、岩溶通道、溶蚀裂隙、等岩溶地质现象。当斜井掘进至330 m时,揭穿一处岩溶通道。根据超前钻探预测预报资料,有的溶洞底板距离井筒顶板很近,且存在风化现象,围岩稳定性比较差。如图1所示。

1.2 水文地质

斜井所穿越的230～500 m地段地下水类型有岩溶裂隙水、基岩裂隙水两种类型。

岩溶裂隙水：主要赋存于泥盆系上统榴江组(D3l)硅质灰岩溶蚀裂隙中。该含水层所在的岩层中,覆盖层厚度较小,硅质灰岩中发育有大小溶洞,溶蚀裂隙。据抽水试验资料,硅质灰岩中的渗透系数为k=16.51 m/d,单位涌水量q=7.479 L/s·m。地下水位5.2～6.5 m。该类地下水分布在斜井中段的围岩中,直接对斜井充水。

图1 超前预测地质剖面

基岩裂隙水：主要赋存于泥盆系上统榴江组(D3l)硅质岩裂隙中。硅质岩节理裂隙发育,其渗透系数为 k=2.53 m/d。该类地下水分布在斜井两端段的围岩中,具有一定的承压性,直接对斜井充水。

掘进过程中斜井井筒实测涌水量200 m3/h左右,最大单点涌水量60 m3/h。岩溶裂隙水、基岩裂隙水主要接受来自上层松散岩层孔隙水的补给,以泉和向相邻含水层侧向补给的形式排泄,上层松散岩层孔隙水的补给主要来自大气降水和布康溪。

1.3 引发的施工问题

1)涌水量大,排水比较困难,作业环境恶劣；

2)溶洞、裂隙的存在影响围岩的稳定性,易塌方、冒顶；

3)有可能揭穿溶洞,存在突水、突泥重大隐患。

2 注浆堵水方案

斜井掘进至330 m时,揭穿岩溶通道,揭穿处单点涌水达60 m3/h,井筒涌水量超过200 m3/h。强排水已无法满足施工的需要,并且经过超前地质钻探预测,井筒前方存在不良岩溶地质体。为了安全通过该段,根据国内外治理大水矿山的经验,结合本斜井的工程及水文地质条件和矿山的实际情况,井筒开挖过程中宜采用注浆堵水为主、排水为辅的防治水方案。注浆浆液在井下的导水裂隙岩层中形成隔水体,使井筒与地下水隔离,达到施工顺利进行和保护地质环境的目的[1]。如图2所示。

图2 注浆堵水效果示意

2.1 注浆方式

针对不同的工程及水文地质条件采取不同的注浆方式[2],根据实际情况,该工程主要采用局部注浆和超前预注浆。

2.1.1 局部注浆

针对井筒开挖后已发生涌水的地方,采取局部注浆堵水。对涌水量比较大的已揭穿的岩溶通道,先构筑止浆墙,封住通道涌水口,再行注浆作业。通过注浆岩溶通道揭穿处,涌水量由60 m3/h减小至3 m3/h,大大改善了该处的作业环境。

2.1.2 深孔超前环向帷幕注浆

深孔超前环向帷幕注浆是在全面掌握作业面前方巷道围岩的工程水文地质条件后实施,对于穿过大断层、破碎带、岩溶溶洞带等不良地质条件地段,宜采用该方案。其实质是沿巷道周边以一定间距布设一圈环向深孔,浆液通过泵压以渗透、挤压、劈裂的型式楔入导水岩层的裂隙。浆液凝固后充填于断层或裂隙中,封堵地下水的过水通道、胶结破碎的围岩,从而在巷道外围的一定范围内,形成一个较长的注浆帷幕隔离保护体,以达到堵水和加固围岩的目的,使巷道能在无水或小水的状态下施工[2]。

2.2 注浆堵水的基本参数

2.2.1 浆液扩散半径

由于岩层裂隙的各向异性,浆液在岩层裂隙中的扩散是极不规则的,实际上浆液扩散半径是不存在的。浆液扩散范围与岩石裂隙的大小和分布、浆液的粘度、凝结时间、注浆速度和压力、注浆量等诸多参数有关[3]。浆液扩散范围见表1。

表1 浆液扩散范围设计值

根据本工程的地质情况,经计算及工程类比确定浆液扩散半径R=3 m。

图3 注浆孔布置

2.2.2 注浆孔施工参数设定

每循环注浆长度15m。先施工单号孔,后施工双号孔,双号既作复注孔,也作检查孔,同时检验浆液的扩散半径。布孔：在井筒开挖轮廓线内均匀布置,注浆孔数量10个,终孔在掘进断面外3 m处,施工角度为向外11(°),孔深15 m。在工作面中间施工检查孔1个,孔深15m。如图3所示。注浆孔孔径：采用QZJ-100B-J立柱式潜孔钻机施工,开孔直径110mm,终孔直径75mm。

2.2.3 注浆压力

1)注浆压力的大小根据巷道受注地段的静水压、突水的动压力、裂隙大小、浆液的性能及扩散距离、止浆墙(或止水岩帽)的抗压能力等参数确定[2]。一般注浆压力越高,浆液充填越饱满,抗渗性越好,堵水和加固的范围也越大；但过高的注浆压力会造成浆液的无效流失和作业面产生冒浆等。

注浆压力 PC由式(1)计算：

式中P0——注浆点静水压力,取10 kg/cm2；

5～8 ——富余压力 ,取 8 kg/cm2。

经计算,PC=P0+(5～8)=18 kg/cm2。

2)止浆岩盘的厚度及防漏浆处理

止浆岩盘的作用是防止富水地段地下水涌向工作面及注浆过程中工作面跑浆,在隔水性能较好的岩层条件下,止浆岩帽留3 m,反之预留5 m。

2.2.4 浆液配合比

注浆材料：注浆采用水泥为42.5级普通硅酸盐水泥,水玻璃为40(°)Bé碱性水玻璃。浆液制作：注浆液采用水泥单浆液、水泥—水玻璃双浆液,采用机械搅拌机井下现场作业。浆液配比：单浆液浆液的水灰比为0.8～1.2。双浆液浆液的水灰比为1∶1,水泥浆∶水玻璃浆=1∶0.5(体积比)。

2.2.5 浆液注入量

浆液注入量Q根据岩层的裂隙率、储水空间的大小、浆液的扩散范围、注浆段长度、结石率等参数计算确定,按式(2)[3]计算：

式中K——注浆损耗系数,取1.2；

L——富水段沿巷道轮廓的弧长(m)；

D——浆液扩散距离的平均值(m)；

h——受注段的厚度(m)；

η——岩层裂隙率；

β——浆液的结石率。

2.3 注浆结束标准

2.3.1 单孔结束标准

1)注浆压力逐步升高至设计终压,并保持稳定10 min以上[4]；

2)进浆量小于20 L/min；

3)检查孔涌水量小于0.2 L/min；

4)检查孔钻取岩芯,浆液充填饱满。

2.3.2 全段结束标准

1)所有注浆孔均已符合单孔结束条件,无漏注现象；

2)注浆后全段剩余涌水量小于1 m3/h；

3)浆液有效注入范围满足设计要求；

4)经过注浆,井筒围岩在开挖后能够保持稳定。

全部注浆孔注浆完成后,在主要出水点附近设至少5个检查孔,测孔内涌水量或进行压水实验,若满足设计要求,则可以开挖,否则应进行补注浆。

3 结语

胶带斜井施工过程中通过采用预注浆堵水技术,大大降低了井筒的涌水量,取得了良好的效果,使工程施工得以顺利、安全展开,表明该技术在井巷施工中的应用具有效性和可行性。

[1]黄德发,王综敏.地层注浆堵水与加固施工技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,2003.

[2]郝哲.岩体注浆理论与应用[M].北京：地质出版社,2006.

[3]杜嘉洪,张崇瑞.地下建筑注浆工程简明手册[M].北京：科学出版社,1992.

[4]张省军,袁瑞甫.矿山注浆堵水帷幕稳定性及监测方法[M].北京：冶金工业出版社,2009.