压水试验在大贾庄铁矿地面预注浆工程中的应用*

孙晓宇　杨红军　董庆欢

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤矿山工程有限公司)



压水试验在大贾庄铁矿地面预注浆工程中的应用*

孙晓宇1,2杨红军1,2董庆欢1,2

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤矿山工程有限公司)

摘要压水试验是一种常用的水文地质试验方法，正式注浆前的打压试验可检查注浆管路的密封性、耐压性；注浆前的压水试验不仅可检查止浆塞的密封效果，还可为注浆工程中注浆压力、浆液类型、注浆时间等参数的确定提供依据，注浆后的压水试验可避免注浆管路被浆液结实体堵塞；检验性压水试验可检查注浆效果，并确定是否需要复注等。分别从正式注浆前的打压试验、注浆过程中注浆前后的压水试验、注浆完毕后的检验性压水试验等3个方面，详细分析了压水试验在大贾庄铁矿地面预注浆工程中的应用成果，为类似矿山工程提供参考。

关键词打压试验压水试验地面预注浆

矿井井筒建设之前，井筒涌水量较大，如不采用地面预注浆工艺将井筒周围的地下水进行有效堵截，井筒建设工程则无法进行。注浆前后井筒的水文地质条件会发生较大变化，差别较大，为有效确定注浆参数，并对注浆效果进行检验，需根据具体施工情况选择行之有效的水文地质试验方法计算井筒各含水层的水文地质参数，并求解井筒涌水量，为井筒建设提供必要的依据，并较准确地评价堵水效果[1]。在长期的施工过程中，在分析对比各种水文地质试验方法的基础上，本研究以大贾庄铁矿地面预注浆工程为例，对压水试验方法的应用成果进行探讨。

1工程概况

大贾庄铁矿位于河北省滦县南部与滦南县北部交接处，跨越滦县、滦南两县，隶属于滦县响嘡镇及滦南县长凝镇和程庄镇管辖。拟建主井钻孔具体位于司—马—长复式向斜构造带东侧，基岩构造形态表现为褶皱为主、断裂属次的特征。根据ZK1井检孔资料，地层由老至新为太古界、第四系地层，第四系孔系含水层井筒涌水量62 644.44 m3/d，基岩风化裂隙含水层井筒涌水量297.35 m3/d，基岩构造裂隙含水层井筒涌水量10 546.28 m3/d。为使该井筒安全顺利地穿过含水层，采用“上冻下注”法施工，注浆施工段为240～690 m，根据地层情况分为11个注浆段。总体设计方案：主井井筒注浆孔12个，采用双圈布孔，内圈布设6个孔，圈径11 m，孔间距5.5 m，外圈6个孔，圈径14.5 m，孔间距7.25 m。该矿地面预注浆系统见图1。

图1　注浆系统示意

2压水试验基本原理

压水试验是一种在一定压力下将清水压入钻孔试验段岩层中的水文地质试验方法，通过计算压水段单位吸水量、含水层渗透系数等水文地质参数，判断注浆前后岩层裂隙发育的相对程度及渗透性，并利用有关水文地质参数计算井筒涌水量，为井筒建设提供依据。该方法原理见图2[2-3]。

图2　注浆孔压水试验原理

3试验结果

3.1打压试验

在所有注浆系统形成之后，为验证注浆管路的密封性、耐压性，需对注浆系统进行打压试验。鉴于注浆管路总长度不超过500 m，且管道材质相同，对整个注浆管路进行一次性打压试验即可。在注浆管路打压过程中，如发现有局部渗漏，应减慢升压速度或停止加压，对渗漏点进行标记，并进行检查，在确定强度可靠时，可继续加压，以便使所有问题暴露出来。在将所有暴露的渗漏点进行加强处理后，将压水压力逐渐提升至设计注浆终压的1.2～1.5倍，如原渗漏点既无扩大又未出现新的渗漏点，在稳定20 min后方可投入正常运行。

3.2注浆过程压水试验3.2.1注浆前压水

图3　压水持续时间与压水压力的关系

压水试验结果一般采用单位吸水量表示。单位吸水量的大小不仅可表示岩层渗透性的大小，而且在一定程度上也表示地层可注性的高低。单位吸水量小，一般情况下可注性较差，单位吸水量大，一般情况下可注性较好，计算公式为

(1)

式中，W为单位吸水量，L/(m·m·min)；Q为压水水量，L/min；P为压水压力，MPa，可换算成水柱高度，m；L为压水段高度，m。

图注浆孔单位吸水量的变化趋势

3.2.2注浆后压水

在大贾庄铁矿主井井筒12个注浆孔的11个注浆层段注浆施工过程中，每次注浆后都进行了压水试验。注浆孔段每次注浆工作刚结束时，浆液还未凝固，此时压水试验数据无法用于分析注浆岩层的透水性和可注性，更无法据此判断注浆后的地层是否能够达到设计的防渗标准。注浆后压水试验的压水量应根据注浆管路内径及钻杆长度进行准确计算，压水水量过少注浆管路中的浆液仍会有少许留于注浆管路中，如果过多便会降低浆液在岩层中的结实率。

3.3检验性压水试验

3.3.1质量检查孔确定

3.3.2压水试验孔段划分

3.3.3压水压力确定

压水试验压力一般为受压点静水压力的1.5～2.5倍，1个压水段选择3个压力值，压水压力由小到大进行试验。当某一压水点测量的最大、最小压力差与平均压力的比值小于10%并保持20 min时，则认为该压水点压力已稳定。

3.3.4压水试验渗透系数公式推导3.3.4.1压水试验公式

地面预注浆工程压水试验渗透系数计算公式为

(2)

式中，K为渗透系数，m/d；r为钻孔半径，m；a为系数，当含水层厚度大于1/3L时，取1.32，当含水层厚度小于1/3L时，取0.66。

3.3.4.2裘布依公式

压水试验与抽水试验均以裘布依理论和达西渗透定律为基础，测定和计算地下岩层的渗透性和含水层的水文地质参数的试验方法[4-5]。压水水量计算公式为

(3)

由式(3)可推导出渗透系数的计算公式：

(4)

式(4)中，hw-h为压水试验水位升高值，令P=hw-h为压水试验水压，换算为水柱高度，将式(4)中的压水水量单位换算成L/min，便可推导出下式

(5)

3.3.4.3公式优化

由式(2)、式(5)对比分析可知，若将式(5)中的M替换为L，R替换为aL后，两者则完全一致。根据相关规程，压水试验段高通常不超过5 m，但大贾庄铁矿主井井筒地面预注浆工程压水试验分3段，分别将240～440 m、440～550 m、550～703 m段作为压水段进行压水试验，含水层厚度分别为20.9，11.1，83.4 m，通过分析可知压水段高和含水层厚度相差较大，采用式(2)计算主井井筒涌水量显然不准确。为此，对于大贾庄主井井筒涌水量的计算，可将式(5)中的R替换为aL，含水层厚度不作替代，便可得出优化后的计算公式：

(6)

3.3.5井筒涌水量计算

根据理论分析及以往施工经验，井筒涌水量计算公式为[4-6]

(7)

式中，QJ为预计井筒涌水量，m3/d；Sw为含水层最大降深，m；rJ为井筒荒半径，m。

3.3.6数据分析

表1　大贾庄铁矿主井井筒地面预注浆检查孔压水试验计算结果

由表1可知：采用式(2)、式(7)计算的井筒涌水量为1.71 m3/h，采用式(6)、式(7)计算的井筒涌水量为5.35 m3/h，目前井筒开挖工作已完毕，实测井筒涌水量为5.6 m3/h，符合《矿山井巷工程施工及验收规范》中“注浆结束后井筒掘进漏水量不应大于6 m3/h”的要求，可见，大贾庄铁矿主井井筒地面预注浆效果较好。

4结语

以大贾庄铁矿地面预注浆工程为例，分别从正式注浆前的打压试验、注浆过程中的注浆前后压水试验、注浆完毕后的检验性压水试验等3个方面，分析了压水试验在地面预注浆工程中的应用效果，并对井筒涌水量的计算公式进行了优化，可供类似矿山工程参考。

参考文献

[1]李勋千，杨春来，周庆芬.井筒涌水量预测及注浆堵水[M].北京：煤炭工业出版社，1992.

[2]丛山.矿山帷幕注浆堵水工程设计与施工[M].北京：地质出版社，2011.

[3]赵宏伟.钻孔压水试验预测井筒涌水量的研究与实践[J].煤炭科学技术，2012(8)：100-103.

[4]薛禹群.地下水动力学[M].北京：地质出版社，1997.

[5]陈崇希，林敏.地下水动力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1999.

[6]武强.煤矿防治水手册[M].北京：煤炭工业出版社，2013.

(收稿日期2016-04-05)

Application of Ground Pre-grouting Engineering of Dajiazhuang Iron Mine of Water Pressure Test

Sun Xiaoyu1,2Yang Hongjun1,2Dong Qinhuan1,2

(1.Institute of Mine Construction, Tiandi Science & Technology Co., Ltd.;2.Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd.)

AbstractWater pressure test is a common hydrogeological test method,the impermeability and durability of grouting pipes can be checked by the pressure test before the formal grouting;the water pressure test before the formal grouting can check the sealing effect of the grouting plugs,but also can provide reference for the determination of the grouting parameters of grouting pressure,grouting types and grouting time,the pipes can be avoided to be blocked by serous junction entities by the water pressure test after grouting;the grouting effects can be checked effectively and the repetitive grouting can be determined by the inspectability water pressure test.The application results of the water pressure tests of the ground pre-grouting engineering in Dajiazhuang iron mine are is analyzed from the aspects of the pressure test before the formal grouting,the water pressure tests before or after grouting during the grouting process and the inspectability water pressure test after grouting to provide some reference for the similar mine engineering.

KeywordsPressure test,Water pressure test,Ground pre-grouting

*天地科技技术创新基金项目(编号：KJ-2014-BJZM-03)。

孙晓宇(1985—)，男，工程师，硕士，100013 北京市朝阳区和平里青年沟东路5号。