静水止浆垫注浆技术在田兴铁矿1#副井的应用

钱 崇 高 超

(河钢集团矿业公司司家营南区矿山分公司)

田兴铁矿是目前国内最大的在建地下矿山，采用主副竖井、辅助斜坡道开拓运输方式，共计12条竖井、1条斜坡道。矿区南北长7 km，东西宽3 km，面积约21 km2，矿区岩层含水丰富，水文地质条件复杂[1]，基建工程全部分布在新滦河下部及两侧。各竖井施工前虽已采取冻结法和地表预注浆技术封堵岩石裂隙[2-3]，但在竖井掘进施工中仍多次遇断层破碎带，若注浆堵水不及时，会造成淹井事故。

田兴铁矿1#副井位于新滦河东面，设计井深706 m，井筒荒直径为7.2 m，净直径为6.4 m。竖井掘砌施工到-560 m处时，爆破后突发涌水，涌水量达245 m3/h，超过井下排水能力，短时间内无法进行有效的注浆封堵和排水。为保证工人施工安全，撤出必要设备后，提升吊盘，采取先淹井后注浆的治理方案。

1 注浆方案选择

根据现场实际情况，施工单位、监理单位和田兴铁矿商议后提出3个堵水方案：

(1)方案一为强排水封堵方案。下放、安装YQ550-650/17-1600/WS型矿用抢险多级离心泵至井底强排水，待水位下降至大泵排水极限后，停泵，下放吊盘，改用MD115-67×10-500KW型卧泵二次排水。水位下降至工作面附近，清理碴石，找到出水点，使用带有防喷器的孔口管进行封堵，再进行工作面注浆。若工作面无法封堵，浇筑止浆垫注浆。

(2)方案二为抛碴注浆方案(图1)。待井筒水位达到静水位后，从地表井口下放3～4路注浆管至工作面，然后通过井口溜灰槽将20～40mm粒径碴石溜入井内[4]，达到设计高度后，再注入水泥浆，使水泥与碴石胶结，形成混凝土止浆垫[5]。养护7～10 d后，将水位排至抛碴面，二次浇筑素水泥止浆垫。止浆垫达到养护强度后进行工作面注浆。

图1 静水位抛碴注浆示意

(3)方案三为静水止浆垫注浆方案(图2)。同抛碴注浆方案类似，待井筒水位涨到静水位后，下放一趟末端带有花孔的溜浆管至距工作面200 mm的位置，将水泥浆溜入井底[6]。边溜浆，边提管，待达到设计高度后，养护止浆垫7～10 d，排出井内积水，进行后续注浆工作。若止浆垫强度不够，可加固止浆垫顶板或二次浇筑水泥止浆垫。

3个方案优缺点对比见表1。

综合多方面考虑，经过现场研讨比对后，确定选取静水止浆垫注浆方法为1#副井突发涌水治理的最佳措施。

图2 静水止浆垫注浆示意

方案优点缺点一排水耗时短,能够明确工作面出水点及周边岩石情况,若浇筑止浆垫,止浆垫质量好,强度大设备安装繁琐,井下施工环境狭小,涌水补充不确定因素较多,若封堵失败易造成次发涌水二碴石材料就地取材,水泥消耗少,工期耗时短碴石易对井壁造成损害,井下水泥浆易堵管,养护周期长三工艺简单,施工速度快,堵水效果好水泥消耗量大

2 静水止浆垫施工技术

2.1 静水止浆垫厚度计算

静水止浆垫的强度主要取决于水泥强度、井筒尺寸、注浆终压、止浆垫厚度等因素。结合1#副井施工环境，静水止浆垫厚度计算公式如下：

(1)

C0=α[σ]=αR7/K，

(2)

式中,Bn为素水泥止浆垫厚度，m；λ为超载系数，1.0～1.5，取1.2；P0为注浆终压，16 MPa；r为井筒荒断面半径，3.6 m；β为素水泥止浆垫工作条件系数，0.5～1.0，取0.8；C0为素水泥止浆垫的抗剪计算强度，MPa；r0为井筒净半径，3.2 m；h2为静水止浆垫距工作面间的充填层的厚度，2.5 m；η为止浆垫材料与井壁的连接系数，0.8～1.2，取1；α为比例系数，0.05～0.11，取0.07；[σ]为混凝土抗压强度，MPa；R7为混凝土7 d抗压强度，MPa；K为安全系数，取1.5。

计算得出C0=0.98 MPa,Bn=10.48 m，考虑C30素水泥止浆垫顶部受井筒水浸泡，底部与淤泥、碴石等胶结凝固，取系数1.5，最终确定止浆垫厚度为15.72 m，实际素水泥止浆垫施工厚度为16 m。

2.2 静水止浆垫施工方案

2.2.1 溜浆管制作及下放

将φ108 mm钢管现场制成溜浆管，两端焊接法兰盘，溜浆管间用螺栓连接。第一根下放的溜浆管下端制成封闭的锥状，根部打成花孔，孔眼直径为10 mm，孔距为100 mm，长0.3 m，每圈3个眼，并上下错开。此为避免溜浆对止浆垫的冲击，采取侧向出浆的一种措施。下放固定溜浆管路时，在悬吊钢丝绳上绑扎测绳测量下放深度[7]。溜浆管下放深度控制在前端距工作面约200 mm。

2.2.2 水泥浆液的配制及浇筑

本次浇筑素水泥止浆垫选取P.O42.5R普通硅酸盐水泥。下灰初期水灰比控制在2∶1左右，逐渐增大水灰比至1∶1，搅拌时添加适量的速凝剂，加快素灰的凝固速度，同时加入比例为2%的早强剂[8]。边浇筑边提升管，并保持溜灰管末端始终埋在水泥浆液中，保证止浆垫浇筑的连续性与完整性。

2.2.3 养护及排水

严格按照施工规范操作，达到浇筑厚度后停止浇筑，养护止浆垫7 d后，采用MD115-67×10-500KW型卧泵试排水，下排20 m后停泵观察一段时间水位变化情况，如水位无变化，便可正式排水。

3 注浆方案

3.1 注浆孔布置

根据岩石裂隙的大小、裂隙分布条件、井筒断面和注浆的能力等因素确定注浆孔的数目[9]：

N=π(D+2A)/L,

(3)

式中,N为注浆孔数，个；D为井筒荒断面直径，取7.2 m；A为注浆孔至井筒荒径的距离，一般取1.5 m；L为注浆孔间距，一般选择3～5 m。

计算得出N=6.4～10.6个。本次注浆孔布置7个，检查孔1个。

3.2 注浆量估算

根据有效扩散半径及岩石裂隙率估算浆液注入量[10]：

Q=NλπR2Hηβ/m，

(4)

式中，Q为预计注浆量,m3；λ为浆液损失系数，取1.5；R为浆液扩散半径，取2 m；H为注浆段高，取50m ；η为岩层裂隙率，取5%；β为浆液在裂隙内的有效充填系数，取0.9；m为浆液结石率，取0.85。

计算得出Q=349.09m3。

3.3 注浆参数

积水排净后进行注浆。采用分段下行式注浆，先进行5m深浅孔短注浆，加固止浆垫强度，充当岩帽；再打探水孔，确定其出水点及大概出水范围。初始浆液采取单液浆，根据现场情况随时调整注浆参数，后续注浆采用双液浆。注浆参数见表2。

表2 注浆材料及浆液配比参数

4 结 语

田兴铁矿1#副井突发大量涌水，在确定不能封堵涌水后，将工人和部分设备升井，确保了人员安全。通过治理方案比选，采用静水止浆垫注浆施工方案，封堵涌水和注浆效果良好，施工工期短，造价费用低；待排完井筒的积水后，止浆垫在注浆期间也没有漏浆、跑浆现象，爆破掘进后工作面涌水小于5 m3/h，为后续施工创造了条件。