思山岭铁矿深井工作面预注浆技术*

马 银 赵兴东 姬 祥 徐继涛 崔喜旺

(1.中国华冶科工集团有限公司;2.东北大学 井巷与地压控制研究中心)

思山岭铁矿深井工作面预注浆技术*

马 银1赵兴东2姬 祥2徐继涛2崔喜旺1

(1.中国华冶科工集团有限公司;2.东北大学 井巷与地压控制研究中心)

思山岭铁矿副井具有断面大、井筒深、水文地质条件复杂等特点。当井筒开挖至第五含水层(-576.55～-602.55 m)时，通过对竖井水文地质条件分析，选取合理的注浆参数及注浆材料对含水层进行超前注浆堵水，取得了良好的效果。工作面预注浆保证了竖井顺利通过含水层，加快了施工进度，同时也确保了施工的质量与安全，对相似水文地质条件的竖井开挖作业具有很好的参考价值。

深竖井 预注浆 注浆压力 注浆扩散半径 注浆量

立井工作面注浆是在竖井开凿施工中遇到或将要遇到含水层涌水时，为了堵水和加固岩土而不影响施工进程，在施工工作面进行打钻、注浆、封堵含水层涌水的注浆施工方法[1]。思山岭铁矿副井井口标高为+215.2 m，井底标高为-1 288.7 m (含600 mm厚封底)，井筒深1 503.9 m，净直径为10 m。井壁衬砌混凝土的强度等级：标高-585 m以上为C30，-585 m以下为C40。正常岩层段采用600 mm厚的素混凝土浇筑一次支护；-585～-665 m的不良岩层段采用锚网一次支护，并联合600 mm厚的素混凝土二次支护。当SJ1副井工程掘进至井筒标高-553.5 m处时，工作面距第五含水层(-576.55～-602.55 m)23.05 m。在短探孔施工过程中出现了少量涌水且有不断递增的趋势，与工勘报告的水文地质资料相差较大。另外，井筒标高-461.8 m以下井壁淋水较突出(已经采用壁后注浆处理)。因此，若要强行穿过该含水层，施工难度太大且不安全。综合考虑第五含水层和井壁淋水对竖井施工安全的影响，决定进行工作面长探预注浆。

1 地质概况

1.1 工程地质

SJ1竖井-563～-589.28 m段地层为石英砂岩,灰白色，砂状结构，块状构造，主要矿物成分是石英，其RQD值为94%;岩体裂隙为3～5条/m，其中-586～-587.6 m段岩石破碎，呈碎块状-块状，裂面见碳酸钙质矿物。-589.28～-612.55 m段地层是混合花岗岩,浅肉红色～浅灰色，花岗变晶结构，块状构造，主要矿物成分是石英、长石、云母，长石以钾长石为主，其次是绿泥石、黑云母等;岩石完整，呈柱状和短柱状，其RQD值为93%，岩体裂隙为3～5条/m;-600.58～-602.08 m段岩石破碎，呈碎块状-块状，裂面角度直立，见暗色矿物。

1.2 水文地质

区内地下水补给有2个方面:一是大气降水的渗入补给，第四系松散层和基岩风化带接受大气降水的补给后，成为深部基岩裂隙水;二是矿区东北部地下基岩裂隙水的侧向径流补给，但受地层岩性的控制，破碎带厚度较小,裂隙发育程度有限，侧向渗入补给量较小。

虽然井筒-461.8 m以下井壁淋水情况比较严重(最高可达52.38 m3/h)，但是对-461.8～-550 m 成井段壁后注浆后，井壁淋水明显减少。-553.5 m 水平(现在施工标高)井筒涌水量为4.95 m3/h，估计第五含水层的涌水量为17.23 m3/h。

2 工作面预注浆方案设计

2.1 注浆段高

工作面长探预注浆预计在井筒-563～-612.55 m，段高49.55 m。由于第五含水层标高为-576.55～-602.55 m，所以长探预注浆段将超过含水层10 m。

2.2 注浆孔布置

工作面长探预注浆孔布置在半径为5.3 m的圆周上，距离竖井荒径0.3 m左右。24个长探孔均匀布置，大部分钻孔向外倾斜1°～3°，其中1#～6#孔的外倾角为15°～20°，这是为了加强对下部-600 m 水平马头门施工段的勘探和注浆堵水效果。另外，在井筒中间部位打4个垂直检查孔，深50 m。工作面预注浆孔共计28个，初步设计总进尺为1 400 m 左右。副井工作面注浆孔布置见图1。

图1 副井工作面注浆孔布置

2.3 止浆垫设计和孔口管预埋

工作面接近第五含水层时，计划在标高-563 m水平处(距含水层13.55 m)对含水层进行超前注浆加固、堵水。预留13.55 m厚的隔水层岩帽作为止浆垫。同时在-563 m水平工作面浇筑300 mm厚的混凝土垫层找平地面，以形成平坦的注浆工作面，便于固定钻机和孔口管。

利用Q100型潜孔钻机配套φ133 mm钻头，按设计位置和角度打4.5 m注浆孔。成孔后埋设孔口管，可以有效防止注浆孔口塌落和返浆，并承受注浆孔顶部的压力以避免井壁表面劈裂。使用φ108 mm×6 mm无缝钢管制作孔口管，长5 m，一端焊接高压法兰盘。在预制孔口管的马牙扣处缠麻，麻要沾满铅油，并用大锤砸入注浆孔内，管子外露50～70 mm。孔口管安装好后，注入适量单液浆或双液浆固定好孔口管，最后安装盲板、闷盖[2]。

2.4 注浆参数确定

2.4.1 注浆压力

注浆压力的大小不仅与裂隙宽度、地层的附加载荷等工程地质条件有关，而且还取决于注浆深度、注浆速度、注浆量等因素[3]。施工选定2～2.5倍静水压力作为注浆压力，前期的大裂缝灌浆封堵取低值，后期的小裂缝灌浆密封取高值。注浆终压最终确定为12～ 15 MPa。

2.4.2 注浆扩散半径

现场施工时，为了保证注浆的实际有效扩散半径不小于6 m，可以调整浆液的胶凝速度、渗透性和注浆终压。

2.4.3 单孔注浆量

根据《简明建井工程手册》，单孔注浆量可按照下式计算：

Q=AπR2Hnβ/m ,

(1)

式中，Q为单孔注浆量,m3；A为浆液超扩散损失系数，基岩段取1.35；R为浆液有效扩散半径6～8 m，取7 m；H为注浆段高,实际段高取50 m；m为浆液结实率，取0.85～0.95；β为浆液充填系数，取0.9；n为岩体平均裂隙率，根据实际，取3%。

通过实际资料统计和以往的经验计算,该预注浆段单孔注浆量Q=328.88 m3。

2.5 注浆材料

注浆材料选用新鲜无结块的P.O42.5普通硅酸盐水泥和水玻璃。工作面预注浆以单液水泥浆为主，固定孔口管、漏浆严重或裂隙跑浆时，采用水泥-水玻璃双液注浆。

浆液浓度对工作面预注浆的效果影响很大。稀浆容易注入且扩散距离大，但结石率低，凝固时间长；浓浆则相反。所以注浆前要对浆液进行胶凝时间地面配置试验，为井下注浆浓度的调控提供指导依据。

2.6 主要施工设备

为提高凿孔作业效率，共投入4台Q100型潜孔钻机，3台同时作业，1台备用。采用3台GPB-60/20型高压大流量注浆泵(一台备用)，在不串浆的情况下，2台泵同时作业，吸浆量可达60 L/min，注浆压力可达20 MPa。

2.7 注浆顺序及施工

注浆孔分两序间隔施工，单、双数孔数目相同，交叉布置。钻孔沿同一方向，先施工单数编号孔，双数编号孔作为检查孔。双数孔若未探到水，注浆终止；若探到水，继续注浆，中间的4个孔作为检查孔。钻一孔，注一孔。周边的24个注浆孔均斜插钻进，可以确保钻孔穿过纵向裂隙。

孔口管用浆液固定好后养护24 h，然后对其进行扫孔,并做压水试验，以检查孔口管固结质量，符合要求后才能向下钻进注浆孔。若压水过程中出现问题，则重新用双液浆固定孔口管，直至压水不漏水为止。扫孔和向下钻进时采用φ73 mm钻头，钻进过程中若涌水量超过5 m3/h时，应立即停止钻进而改为注浆；若出水量不大，则钻孔一次达到设计深度，然后再对该孔注浆。另外，钻孔时要在孔口管法兰盘上安装高压球阀和防喷装置，防止突然出大水,造成淹井事故。

2.8 注浆结束标准

(1)注浆压力、注浆量达到设计要求。最终注入速度为35 L/min，注浆压力和速度稳定时间不小于20 min。

(2)每个长探孔孔深达到方案设计深度。

(3)井筒中间4个检查孔无涌水或涌水量很小。

3 施工注意事项

3.1 注浆前后的压水试验

注浆前必须做压水试验。一是检验注浆设备和注浆管路是否处于良好工作状态；二是根据压水试验合理调控注浆压力。实际施工时，注浆泵向岩层裂隙注入清水，泵量由小到大，每档注水6～10 min，注水时井下有专人观察、记录。

注浆结束后也应进行压水试验。一是将浆液从注浆设备和管路中推到钻孔周边岩石内，为复扫、复注提供条件；二是清洗注浆设备和管路(持续5～10 min)。

3.2 注浆浓度调控

施工时，注浆浓度本着先稀、后浓、再稀的原则进行调控注入。即注入一段时间后(约45 min)，若压力不上升，吸浆量变化不大时，可逐渐加大浆液配比浓度；若压力升高较快，吸浆量减小，可适当减小注浆浓度，以保证有足够的注入量；若压力下降，吸浆量增大时，要增加浆液浓度。快达到终压时，适当调稀浓度。

3.3 其他方面

(1)根据注浆压力及浆液注入量的情况，采用间隙式或复扫、复注的注浆方式。

(2)为了防止上部井壁淋水流入工作面而影响施工进程和质量，预先在井壁施工截水槽，将淋水引至吊盘水箱中，然后用水泵排至地面。

(3)孔口管要安装注浆高压球阀、四通和注浆闷盖。中间的4个检查孔上安装泄压高压球阀和高压压力表，其余孔均用盲板密闭。

4 注浆效果

注浆施工43 d后，钻凿短探孔时出水量不再增加，甚至有逐渐减少的趋势。在接下来的凿井施工过程中也没有出现大量涌水和突水，最终顺利通过了第五含水层。同时工作面预注浆也使-600 m水平马头门的施工更加安全高效。

5 结 语

(1)注浆过程中根据水文地质条件、注浆量及注浆压力等参数随时调整浆液配比及注浆材料，可以很好地控制注浆过程，获得预期的注浆质量。

(2)注浆施工中，若发现压力骤然上升或吸浆量突然增大，应立即停止注浆；待查明原因并采取处理措施后，再恢复注浆。

(3)由于竖井地质条件存在不可预见性，且现场施工操作过程中存在一定的误差，所以在实际施工中应根据现场情况及时调整工艺，经验和理论计算的数据仅作参考。

(4)总体来看，工作面预注浆仍是解决竖井开凿通过基岩段含水层最合理有效、安全可靠的施工方式。

[1] 张永成,董书宁,卢相忠,等.矿井注浆施工手册[M].北京:煤炭工业出版社,2013.

[2] 梁祖军.千米立井井筒工作面预注浆施工[J].建井技术，20009，30(4)：16-18.

[3] 张首明.最新建井工程技术操作标准规范实务全书[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

*国家自然科学基金资助项目(编号：51174044，51474052)；国家高技术研究发展计划(863)项目(编号：2011AA060400)；2013年财政部施工新技术研究与开发资金项目(编号：2013[235]号)；2014年北京市科技计划重大科技成果转化落地培育项目(编号：Z141100003514012)；辽宁省教育厅人才项目(编号：LJQ2012024)；辽宁省人事厅人才项目(编号：2013921070)。

2015-07-06)

马 银(1965—)，男，教授级高级工程师，100176 北京市经济开发区康定街1号。