塞尔维亚项目注浆方法及结果论证

杨允涛

(金诚信矿业管理股份有限公司， 北京 100070)

1 注浆技术及项目简介

1.1 注浆技术

注浆技术就是利用送压设备将能够固化的浆液材料通过钻孔注入地层中颗粒的间隙、土层的界面或岩层裂隙内,使其扩张、胶结、固化,以降低地层的渗透性,增强地层强度,防止地基沉降、变形的处理技术[1]。

1.2 项目简介

塞尔维亚RAKITA公司Timok铜金矿2#探矿竖井深度653.74 m，井筒直径Φ6.5 m；2#探矿竖井井颈段高度13 m，井筒段高度640.74 m；2#探矿竖井井颈段主体为双层筋混凝土支护,支护厚度600 mm，混凝土等级C30；井筒段为全素砼浇筑,支护厚度400 mm，混凝土等级C25。

竖井于2019年9月20日正式开工掘砌,注浆时已施工完成井颈段13 m、井筒段施工71 m，因竖井涌水量过大，沉淀池相对较小,竖井排水溢出沉淀池，对当地环境保护造成影响，2019年10月11日混凝土浇筑完成后暂时停止竖井掘砌，转为工作面预注浆及壁后注浆的施工方法进行注浆堵水。

2 施工分析

根据前期竖井施工地质编录及RAKITA公司提供《竖井工勘报告》,可知,2#探矿竖井前120 m围岩主要以泥灰岩为主,局部伴随破裂的安山岩,围岩节理裂隙相对较为发育。在深度60～65 m处有3.6～7.2 m3/h涌水,在深度85～95 m处有7.2～14.4 m3/h涌水。竖井掘砌过程中在20 m深度周边围岩开始渗水,并有逐渐加大趋势,竖井掘砌到72 m深度时,除井壁涌水外井筒中心探水孔开始涌水,现场测量后竖井涌水量为12 m3/h,竖井掘砌到76 m深度时,探水孔及工作面涌水量预估为22 m3/h，浇筑后混凝土壁后涌水12 m3/h,井筒内涌水总量约为34 m3/h。

注浆目的：首先封堵已浇筑段井筒壁后涌水，其次封堵井筒中心探水孔涌水，并治理井筒从85～120 m深度围岩涌水,降低涌水对竖井施工作业面因涌水造成的施工困难,降低因井壁淋水对混凝土强度造成的影响,防止质量事故的发生,通过水泥浆或者双液浆充填围岩裂隙、加固围岩强度增加围岩稳定性,保障竖井掘砌安全及施工质量。

注浆效果：已浇筑段井筒壁后基本无涌水，注浆后85～120 m井筒围岩涌水量降低,后续混凝土接茬密实牢固,掘进断面控制良好,围岩裂隙封堵率达到90%。

图1 壁后注浆布孔及效果图

图2 工作面预注浆布孔及效果图

3 注浆施工工艺及相关计算

为加强2#竖井掘砌工程的注浆效果,除选择合适的注浆材料外,注浆方法选择和注浆现场施工管理也是很重要的注浆效果保障措施。根据金塞项目公司现场实际情况,项目部现有的施工设备和技术能力,选用工作面高压注浆,边注浆边探水,先注中间探孔55 m，周边出水点凿一个36 m深的探水孔,一个孔注浆一个孔观察的注浆方案，直到注浆压力到达设计值后分别对中间探孔及观察孔进行封堵。

双液浆是由水泥浆等搅拌成的A液与由水玻璃等组成的B液进行混合而形成的一种浆液,根据其最初凝结的时间不同又可分为缓结型和快速瞬凝型。浆液在注浆中胶结凝固的时间越长,浆液更易泄露污染周边地下水源，或扩散到周边围岩内流失；或与注浆方案中设定范围内已凝固双液浆再次凝固后充填、加固裂隙效果不佳，从而影响注浆效果；而且在未初凝前,水泥浆液容易被围岩地下水稀释导致浓度不足而产生离析现象；因此本次注浆方案采用限定时间凝固的水泥、水玻璃作为注浆材料进行注浆。

工作面预注浆参数：

(1)双液浆：水泥、水玻璃双液浆,即C- S浆液。

(2)水泥浆的水灰比：0.8∶1～1∶1之间。

(3)水玻璃浓度：35 Be′～40 Be′之间。

(4)水泥浆与水玻璃(双液浆)体积比，水泥浆∶水玻璃=1∶0.6。

(5)浆液扩散半径：浆液整体扩散后的半径大小是一个重要计量参数，其平均值大小可用多种理论计算公式结合现场围岩类型和分部进行估算。但浆液的实际测量扩散辐射半径一般会略小于各种浆液理论观测值的平均大小。实验结果及原因主要是各种水泥填料浆液在逐渐进入细小多孔裂隙的流动过程中，注浆时的压力增大使水泥浆液中间的水分被逐渐渗滤出来，浆液由稀变稠，流动的裂隙距离就可能逐渐变小，所以这个理论的数值一般只能适当作为实验参考。其次，计算使用的某些注浆参数在基层注浆计算过程中为固定变量，直接导致注浆计算参数值与实际计算值的差别较大，当地下围岩水基条件复杂或注浆计算中的参数不易准确进行选定时，应适当通过现场试验注浆时的试验方法来进行确定，经过现场对围岩的实际观测和地质编录及实测围岩裂隙率和爆破扰动深度深度，取R=4 m。

(6)注浆压力：注浆期间压力大小是施加给料时浆液在混凝土层中不断扩散及连续劈断压裂、渗透、压实的主要能量，注浆期间压力值的大小对实际注浆施工中施加注浆压力效果的稳定好坏及注浆成本的比例高低等都有很大的直接影响。用较高的喷塑注浆机和压力机可增加注塑浆液的均匀扩散流动能力,使浆液钻孔的次数尽可能少,从而极大降低使用注塑灌浆机的成本。同时,高压可使软弱砂质地基的充填泥灰岩强度和安山岩不透水性等缺点得到改善,还高压可有效挤出砂质浆液及残留土中的多余砂质水分,使砂质结石体土的强度特性得以大大提高,围岩的完整性系数得以增加。但是当注浆时的压力过大超过某一压力界限时,可能会造成对已浇筑的混凝土井壁剪切面方向的破坏。实际注浆压力大小的确定与混凝土的骨料密度、强度、周边围岩裂隙率、渗透性,钻孔的方向深度、位置、注浆剂的使用顺序及注浆所用材料的化学特性等等有关,因而难以准确进行制定,一般通过现场注浆压力试验加以确定。

取PH=0.6～20 MPa。

注浆量测算：

(1)36 m深度注浆量

式中Q—每36 m深度注浆量,m3。

λ—注浆液损失系数,λ=1.2～1.5,取1.5。

R—浆液扩散形成的大圆半径,R=5.25 m。

r—井筒半径，r=3.25 m。

H1—注浆高度，H1=36 m。

η—岩石裂隙率，破碎带取3%，即0.03。

β—充填系数，80%～90%,取90%。

m—浆液结石率,取0.8。

将上述参数代入公式得：

(2)总注浆量为：

Q1=N′×Q

式中N′—注浆孔个数，N′=2个。

Q1=97.28×2=194.56 m3

壁后注浆参数：(1)双液浆：水泥、水玻璃双液浆，即C- S浆液。(2)水泥浆的水灰比：0.8∶1～1∶1之间。(3)水玻璃浓度：35～40 Be′之间。(4)水泥浆与水玻璃(双液浆)体积比，水泥浆∶水玻璃=1∶0.6。(5)浆液扩散半径：

R=103δ。

式中δ—裂隙宽度，取δ=4 mm。

R=103×4 mm=4 m

(6)注浆压力：

式中H—受注点到静水位的水柱高度，取150 m；

γ—水密度。

考虑到水泥浆扩散克服摩擦力，取PH=1.5 MPa。

(7)注浆孔的间距：L=1.3～1.5R=(1.3～1.5)×4=5.2～6 m

注浆孔间距现场测算后确定取4 m。

(8)在上述注浆参数下井壁安全度校核

式中 [σ]—C25混凝土允许抗压强度，MPa；

R10～15—井壁混凝土10天极限抗压强度，R10～15=12.5 MPa；

K—安全系数，K=2～3。

故井壁是安全的。

(9)注浆量的确定

每孔注浆量：

式中Q—每孔注浆量，m3。

λ—注浆液损失系数，λ=1.2～1.5，取1.3。

R—浆液扩散半径，R=4 m。

H1—注浆高度，H1=4 m。

η—岩石裂隙率破碎带取η=4%=0.04。

β—充填系数80%～90%，取80%。

m—浆液结石率，取0.9。

每4 m段高注浆量：

Q1=N×Q=5×9.29=46.47 m3

(10)总注浆量为：

Q2=N′×Q1

式中N′—注浆段高数，N′=24/4=6，段高为6。

Q2=6×46.47=278 m3。

总计注浆量为194 m3+278 m3=472 m3。

注浆总量因施工中存在不确定因素，应以注浆工作中实际统计记录为准，以上总计注浆量为理论测算结果。

工作面预注浆方法：用麻线将已经加工好的尺寸为Φ108 mm×8 mm×4 000 mm的孔口管外层使用粗麻均匀包裹后，孔口管嵌入注浆孔，使用三根倒楔锚栓将孔口管固定在工作面。再安放Φ50 mm×2 mm×20 000 mm注浆管，注浆管与孔口通过法兰盘管焊接在一起。注浆机用10 MPa的压力将清水压注到预先埋设完毕的注浆管和观察管中，观测记录裂隙赋存和连通情况。观察结束后，将各孔口管闸阀打开卸压，10 min后可进行正式注浆施工。

制浆工作在工作面进行，新鲜水泥用吊桶放到工作面后，人工开包，首先在储浆罐，放水120 kg，再依次放入150 kg水泥。充分搅拌水泥和水，制成水泥浆后，采用孔目为2 mm×2 mm的钢丝筛放，同时为了保证水泥浆液不离析沉淀，应持续搅拌储浆罐中剩余的水泥浆。用吊桶将水玻璃下放到工作面的储存罐中，并用波美比重计测量浓度，当波美度超过规定时，需用水稀释直至达到要求。施工用水由地面通过管路直接接到工作面备用。

首先对井筒中心探孔进行注浆，在孔口管上安装注浆阀、混合器及卸压阀，用高压胶管将注浆机和混合器接通，将注浆泵的两个吸浆龙头分别放入水玻璃的储存罐和水泥浆储存罐中。慢挡开起注浆泵进行注浆，先将孔口管与围岩预注在一起(压力最大为0.5 MPa)孔口管有两个阀门，一个注浆，一个观察。然后再注孔口管内的注浆管，压力表无异常显示后逐渐加大水泥浆进浆量；当压力接近注浆终压时，加大水玻璃的注入量按照设计比例进行封孔作业，按此方式依次将工作面内已布置好的注浆孔进行注浆。注浆工作结束后，注意要将注浆机、混合器、管路及工作面等处残留的浆液用清水冲洗干净。

壁后注浆方法：

加工好116根注浆孔口管：Φ40 mm×4 mm长2 000 mm，备用。准备好其他注浆辅助材料：如不锈钢球阀、压力表、麻、棉絮、木楔、干海带等。

(1)注浆设备及布置

在吊盘的下层盘布置一台最大流量为60 L/min，最大压力为6 MPa的2ZBQ型系列煤矿用气动注浆泵及两台YT28型气腿式凿岩机、并安装固定水玻璃、水泥浆及水储存罐。水泥浆采用吊篮运送袋装水泥到吊盘后现场搅拌使用。

(2)注浆施工总程序

吊盘下降至上部涌水壁后注浆位置，凿孔、在接茬距离500 mm埋设注浆管，注隔水层(上下封层)；吊盘由上部向下，每4 m模板浇筑混凝土高度。当吊盘接近中间位置时，中间埋设出水管周围暂时不注浆，由底部自下而上注浆；排水管周边施工一圈泄压孔，然后封堵排水管，最后注泄压空，完成本次注浆工作；自上而下落下吊盘，重点拆除超出井壁部分的孔口管，检验注浆效果并同时清理井壁杂物。结束注浆。

(3)注浆工艺流程：

布孔→埋孔口管→压水试验→制浆→注浆

布孔方法：采用28式气腿式凿岩机打孔，将孔深控制在比注浆管长200 mm，在井壁接茬处下1 m的位置布置每段高的5孔。

埋孔口管：用麻线将已经加工好的尺寸为Φ108 mm×8 mm×4 m的孔口管外层包裹后，拆除YT28式气腿凿岩机的棘轮，将孔口管打入钻孔内。

压水试验：将每层5个注浆管埋设完毕后，注浆机将压力控制在1.2～1.5 MPa范围内，将清水压注到预先埋设完毕的注浆管和观察管中，观察记录连通和裂隙赋存情况。观察结束后，将各孔口管闸阀打开卸压，10 min后可进行正式注浆施工。

制浆：制浆工作在吊盘进行，将水泥由专门吊篮运送到吊盘，在吊盘现场制作水泥浆按两袋水泥(100 kg)，充分搅拌水泥和水后使用，应使用压风持续搅拌储浆罐中剩余的水泥浆，防止水泥浆因不使用而分解离析。水玻璃用吊桶下到吊盘上的储存罐内，超过规定时用水稀释，直到达到要求。施工用水由地面通过井壁固定的Ф50管路进入吊盘储水桶内。

注浆：首先对同一圈内出水量较小的探孔进行注浆，在孔口管上安装注浆阀、混合器及卸压阀，用高压胶管将注浆机和混合器接通，将注浆泵的两个吸浆龙头分别放入水玻璃的储存罐和水泥浆储存罐中。慢挡开起注浆泵进行注浆，观测压力表无异常后逐步加大注浆量。当压力接近注浆终压时，加大水玻璃的注入量直至到达设计值进行封孔作业，按此方式依次将同圈内各孔进行注浆。注浆工作结束后，注意要将注浆机、混合器、管路及工作面等处残留的浆液用清水冲洗干净。

4 注浆效果检测

注浆效果检测是注浆技术中最重要的环节之一，注浆效果的好坏直接影响2#竖井下一步的掘砌和整个矿山建设速度。

注浆效果：经过10天紧张的施工，2#探矿竖井工作面预注浆深度55 m，共使用水泥26 t、水玻璃3 t及其他附属物若干。壁后注浆高度24 m，共使用水泥30 t、水玻璃5 t及其他附属物若干。注浆后井筒内总涌水经过现场测算仅剩3.8 m3/h。极大地减小了因涌水对竖井掘砌带来的安全、质量等不利影响，保障2#探矿竖井掘砌进度。

注浆方法的优点：

(1)加快注浆速度，节省大量材料(不需要施工4～6 m止浆垫，且止浆垫凝固需4～6天)。

(2)注浆效果显著，很大程度上降低井筒涌水量(从34 m3/h降至3.8 m3/h)。

(3)注浆速度加快，方法和注浆工艺易掌控。

(4)工作面预注浆压力达到设计值20 MPa。壁后注浆压力达到设计值1.5 MPa。

(5)有效节省材料。

(6)后续竖井掘砌在注浆范围内涌水量减少88%左右，并增加围岩的稳定性，保障后续施工的安全和质量。证明注浆效果行之有效，为竖井后续防治水打下坚实基础。

5 注浆技术发展及后续在应用前景

现阶段后续注浆已基本取得诸多预期施工成果，但由于Timok铜金矿内分部南- 北、西- 南、东- 北三条断层，且深部围岩大部分为泥灰岩侵入安山岩交错发育，围岩分部错综复杂，各类裂隙及小断层犬牙交错，项目后续开拓施工难度相对较大，且由于直接掏槽爆破过程造成的外力扰动及地应力二次稳定过程等诸多因素尚以最终估算结果为主，且同时受制于注浆浆介质使用条件的复杂及后续注浆实施工程的一定隐蔽性、复杂性，现场技术研究及注浆方案最终确定较为困难。由于目前现代矿山注浆工程技术涉及许多主要科学及研究技术应用领域，且各个主要科学研究技术应用领域又互相交叉渗透，因此矿山注浆工程技术解决方案设计要充分适应现代工程学的发展，就必须与其他的注浆材料工程技术相紧密结合。如何合理的选用注浆材料、合理的使用各类注浆材料，科学高效的确定注浆方法等问题也亟需在必要的条件下确定。除此之外，目前在新材料加工方面开发了多种中性注浆材料有效消除了注浆材料对地下水污染和破坏地下水酸碱平衡。

在注浆机具加工制造方面研发全新高速、高压、液压稳定等设备，使得注浆技术更加的科学化、专业化、系列化。在注浆施工方法方面，新的爆破预裂增加裂隙；新的定向控制范围注浆方法；多层次、固定深度双重导管及介质瞬时凝固注浆施工方法。

因此，随着化学、机械、电子和计算机等现代工业的发展，注浆理论将进一步的完善，注浆技术也必将在工业中得到更广泛的应用及高速的发展[4]。