钻孔混凝土灌注堵水墙方案设计及应用

何庆倴

(梅州市玉水硫铜矿, 广东梅州市 514743)

钻孔混凝土灌注堵水墙方案设计及应用

何庆倴

(梅州市玉水硫铜矿, 广东梅州市 514743)

采用地表钻孔灌注混凝土构筑井下堵水墙可实现井下治水目的。探讨钻孔混凝土灌注构筑堵水墙的设计形式、厚度计算、混凝土灌注及施工质量控制要求。介绍了一成功应用实例,为矿山井下防治水提供了经验。

钻孔混凝土灌注堵水墙;厚度计算;灌注参数;施工质量控制

在井巷工程施工及矿山开采的探矿掘进过程中,经常会碰到大型断裂带和岩溶带涌水,甚至导致淹井,当涌水量补给较大而无法在井下实施治水目的时,采用地表钻孔混凝土灌注构筑堵水墙,是一种较好的治水方法。本文就钻孔混凝土灌注堵水墙的设计形式,厚度计算,混凝土灌注及施工质量控制进行探讨。

1 堵水墙的结构形式

堵水墙一般采用“混凝土”或“混凝土+岩石锚杆”结构,堵水墙混凝土强度C25,抗渗等级S8。堵水墙采用钻孔混凝土灌注施工,然后钻孔抽芯检测。灌注钻孔及注浆检测钻孔平面上呈“一”字直线布设,布置在巷道中部,检查孔、补灌孔可布设在灌注孔的两侧,孔间距为2.00～3.00m。

施工工序为:钻孔-清孔-沉渣检查-混凝土灌注-抽芯检查-注浆(多次)-安装锚杆+注浆(必要时)。

2 堵水墙厚度的确定

2.1 经验计算法

计算模型见图1,巷道封堵有效厚度按下式计算。

图1 堵水墙厚度计算模型

式中:B2——混凝土堵水墙厚度,m;

a——井巷宽度,m;

b——井巷高度,m;

P——静水压,MPa;

[t]——混凝土的抗折强度,MPa。

2.2 按《采矿手册》推荐的公式计算

计算模型见图1。

上部厚度:L1=〔λHab/((2m.nτ(a+b)-b/tgφ))〕

下部厚度L2=〔λHab/((2m.nτ(a+b)+b/tgφ))〕×2

式中:φ——外侧砼面与水平面夹角,°;

λ——超载系数;

H——地下水压,MPa;

m.n——粘结强度与抗剪强度比;

τ——加固体抗剪强度,MPa。

2.3 抗渗厚度的校核

堵水墙抗渗厚度采用下式校核:

式中:K——混凝土渗透系数;

H——水压,m/m2;

S——堵水墙面积,m2。

3 混凝土灌注

3.1 选材及混凝土配制

水泥可采用42.5级抗硫酸盐水泥,粗骨料规格为10～20mm,细骨料为级配良好的中砂。最大水灰比0.45,砂率大于50%,碎石最大直径20mm,混凝土配合比为水∶水泥∶砂∶石=0.4∶1∶1.75∶3.5,具体可由试验确定。外掺剂可根据设计选用减水剂、缓凝剂及高效防水剂。

3.2 混凝土灌注量的确定

C25混凝土水下休止角可取35°。

巷道堵水墙混凝土灌注量计算如下:

式中:V——单条巷道混凝土灌注量,m3;

L1——上部封墙厚度,m;

L2——下部封墙厚度,m;

a、b——巷道的宽和高,m;

r——灌注钻孔半径,m;

h1——巷道底部至孔底的距离,m;

h2——巷道顶部至拟设计混凝土灌注面高度,m;

K——充盈系数。

3.3 注浆

抽芯检查结束后进行注浆施工。

(1)注浆材料可采用42.5级水泥浆,首次注浆水灰比0.75∶1～1∶1,终注水灰比0.50∶1～0.75∶1。

(2)注浆压力应根据进浆量酌情调整,首次注浆压力不超过0.5MPa,第二次注浆时控制在0.5～1.0MPa,终注压力控制在1.5～2.0MPa;进浆量首次控制在7～10L/min,最大不超过20L/min,初灌水泥浆初凝之后,终凝之前进行复注。

(3)注浆时间的要求。普通水泥浆初凝时间在2h50min左右,加入适量速凝剂后初凝时间可缩短到30min以内。因此第二次注浆基本上控制在第一次注浆结束后3h,加入速凝剂的相应缩短第二次注浆的间隔时间。注浆压力大于2.0MPa或不进浆时结束注浆。

4 钻孔质量控制

(1)严格控制钻孔的倾斜度,开工前应有可靠的测量资料作为基础,钻机就位开钻前,必须用测量仪器对钻机进行调平,保证开孔的垂直度符合设计要求,并且每日开钻前对钻机进行水平较正。正常施工时,每5～10m用高精度钻孔测斜仪测斜一次,地层复杂或对孔斜有怀疑时随时进行测斜。

(2)考虑到满足安装混凝土灌注导管及孔斜偏差因素,及混凝土灌注对工程的影响,灌注钻孔开孔直径为Φ500mm,终孔直径不小于Φ450mm。注浆检查孔开孔直径为Φ450mm,终孔直径不小于Φ350mm。

(3)清孔质量直接影响其后混凝土灌注施工质量、防渗效果。因此,必须严格把关,确保清孔质量。清孔用空压机风量保证能够达到20m3/min,风管、出水管安装时要进行密封处理。出水管长度必须大于孔深,确保能清除孔底的钻渣、泥砂。同时可放入水下电视到孔底和巷通底板部位进行水下摄像直观检查,确保清孔质量达到要求。

5 应用实例

2006年广东省某铜矿井下原堵水墙存在质量问题,堵水墙内8万m3水对现有矿区存在威胁。为此,在原堵水墙西侧设计新增一道堵水墙,采用地表钻孔混凝土灌注构筑堵水墙,安装锚杆加固,注浆防渗。堵水墙设计如图2所示。

图2 堵水墙设计

主巷和副巷各布设一个混凝土灌注钻孔,4个检查注浆孔,钻孔处在巷道中部,孔深164m。经计算,堵水墙厚度L1为10m,L2为18m,混凝土灌注量为单条巷道141m3。堵水墙严格按设计进行施工,确保施工质量。工程完成后,开启原堵水墙闸阀进行放水试验,放水时水压明显下降,最后水量稳定在50m3/h,关闭放水管阀门后,水压恢复缓慢,说明新增堵水墙封堵质量达到了预期效果。不足之处是灌注体两端没有设计阻浆体,混凝土灌注量比设计偏大,如果灌注体两端各打一个钻孔下放碎石封堵两端作为阻浆体,则效果更好。

[1]《采矿手册》编委会.采矿手册[M].北京:冶金工业出版社,2005.

[2]曾荣秀.注浆技术经验汇编[M].北京:煤炭工业出版社,1988,5.

[3]GB50010-2002.混凝土结构设计规范[S].

[4]辛小毛,王 亮.大水金属矿山防治水综合技术方法的研究[J].矿业研究与开发,2009,(2):78～81.

[5]刘正宇,李爱兵,尹彦波.望儿山金矿中深孔预注浆堵水技术研究[J].矿业研究与开发,2007,(5):87～89.

2009-12-21)

何庆倴(1968-),男,广东梅州人,工程师,主要从事矿山水文地质和安全管理工作,Email:hqb22@qq.com。