千米深盲竖井下行前进式注浆堵水施工技术

李文光 冀 东 孙英安

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿，山东 莱州 261442；2.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032；3.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；4.山东黄金集团工程公司 山东 烟台 264000)

千米深盲竖井下行前进式注浆堵水施工技术

李文光1冀 东2，3孙英安4

(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿，山东 莱州 261442；2.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032；3.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；4.山东黄金集团工程公司 山东 烟台 264000)

三山岛金矿是山东黄金主体矿山之一，现进入全面深部开拓、回采阶段，深部主要开拓工程区域距地表距离已超过1 000 m。盲竖井掘进工程至-1 070 m工作面时出现涌水量达46 m3/h的含水裂隙带，如何采取科学有效的治水方案，确保掘进工程的安全进行，已成为矿山亟待解决的问题。在此背景下，优化下行前进式注浆法的设计参数与实施方案，选用合理的注浆设备及材料；在详尽观测涌水部位并确定合理注浆孔施工顺序的基础上，在现场分3次进行了90 m段高的注浆作业。注浆方案在现场的实施取得了良好的防、堵水效果，注浆后的总涌水量小于0.5 m3/h，为盲竖井掘进工程通过含水断层区域提供了安全可靠的保障；该注浆方法对类似金属矿山深井突水灾害的防治具有一定的指导与借鉴意义。

金属矿山 深部开采 矿山突水防治 千米深盲竖井 下行前进式注浆法

三山岛金矿是我国重要的黄金生产基地，井下采用无轨设备开采，其机械化开采程度处于国内领先水平[1-4]。矿区的盲混合井工程，井筒净直径φ5.5 m，设计井深640 m(-600～-1 240 m)，分别在-537.3、-546.3、-575 m标高设提升机硐室、导向轮硐室及箕斗卸矿硐室。矿仓容积300 m3，矿石储存能力达350 t。-690～-1 140 m各中段均设马头门(各中段间隔90 m，共计6个马头门)。采用11.5 m3底卸式箕斗与罐笼(3 600 mm×1 600 mm双层)互为平衡刚性罐道提升系统，箕斗提升能力为2 500 t/d。主要包括盲混合井井筒工程、溜破系统、粉矿回收系统掘砌与装备等。其中，千米井筒的掘进工程是三山岛金矿深部目前进行的重点开拓工程之一[5-6]。

盲竖井工程招标时提供的地质资料最大涌水量为20 m3/h。盲竖井在掘砌过程中，已出现过不同程度的涌水，导致井壁存在淋水现象。当井筒掘进至-1 070 m标高，工作面出现1条宽约30～50 cm的含水裂隙，实测涌水量达46 m3/h。这使得原设计的排水系统已不能满足排水需要，严重影响到了竖井的施工进度和施工质量。在此背景下，采用下行前进式注浆法并结合现场实际情况，对注浆治水方案进行优化设计及论证，确保千米井筒的掘进工程能够安全、高效进行。

1 注浆治水方案的选取[7-11]

由于井下涌水太大，静水压力达到3 MPa，涌水在井筒内的上升速度为1.5 m/h，且工作面自然温度高达32 ℃，湿度达到98%。如果采用工作面直接堵漏注浆，根本无法实现。必须先封堵涌水，采用工作面预注浆的方式进行。工作面预注浆又分为下行式注浆与上行式注浆。

分段上行式注浆，即注浆孔一次钻进到注浆终深，使用止浆塞自下而上逐段注浆。这种注浆方式多在赋水性较弱的坚硬岩层中纵向裂隙不发育的条件下应用。受现场工程地质、水文地质条件的制约，该方法不适用于本次的注浆作业。

分段下行式注浆，即从工作面钻孔到含水层开始，由上向下，先钻一段孔，后注一段浆，反复交替进行，直至达到注浆设计深度。该注浆方法的优点是可以分次进行复注，便于保证注浆质量；同时，每次注浆都能对上次注浆部位进行复注，可以增强实际注浆的效果。在纵向裂隙发育的岩层中和岩石破碎的条件下，止浆塞能起到可靠的止浆效果。然而，由于钻孔和注浆交替进行，这大大增加了扫孔和其他辅助工作时间。

在对工程现场环境、地质勘查资料以及现有施工资源细致调研的基础上，结合井筒混凝土井壁施工质量要求高；特别是针对三山岛金矿水文地质条件中等复杂的矿床，构造裂隙出水。矿区三面临海，矿体全部赋存在海平面以下，每天的涌水量达到18 500 m3；本区域在矿区最深位置，必须高标准确保注浆质量，防止突水事件的发生。综合考虑几种拟选用注浆方案的优缺点及适用性，决定采用“井下工作面下行前进式注浆”的注浆治水施工方案：即在井底工作面先施工止浆垫，并按设计布置预埋注浆孔口管；随后进行打钻注浆，注浆段高为30 m，每钻进5 m，就进行注浆。如果钻孔至出水位置后便停止钻孔，再进行注浆作业，这样巩固一段施工一段，确保了施工质量。每个孔注浆次数为6～8次。注浆结束后按设计施工顺序再对其他孔进行继续钻进、注浆，如此反复至设计终孔深度。

2 下行前进式注浆法的施工步骤

该下行前进式注浆法的现场实施过程可分为以下5个步骤进行。

(1)滤水层与混凝土止浆垫的铺设施工。井筒毛断面长度3.5 m，为使混凝土止浆垫与井壁相接，铺设1.5 m厚滤水层。为便于施工，选择受力较小的单级平底型2 m厚混凝土止浆垫，先将φ108 mm钢管一端焊接法兰，管长4.0 m在井底工作面上按设计固定好位置，再将滤水层用粒径4～6 cm石子铺好，在集中出水点埋设2个废旧油桶，将油桶周围钻蜂窝状滤水孔，然后将污水泵连接水管放入油桶中，将水排至吊盘上，始终控制水面在滤水层以下，以保证混凝土止浆垫的施工质量。

(2)混凝土止浆垫养护7 d，在此期间进行搭设钻机平台及做注浆准备工作，并完善注浆工作中的各项辅助工作。

(3)混凝土止浆垫养护7 d后，将2台污水泵取出，用C30混凝土封堵滤水桶，并在其内埋设注浆管，用以注浆加固混凝土止浆垫。

(4)注浆加固混凝土止浆垫。通过埋设的注浆管对混凝土止浆垫进行注浆加固，局部漏水处用7655凿岩机打孔注浆，最终使混凝土止浆垫不漏水，滤水层和混凝土也结合成一整体。

(5)对工作面埋设的注浆孔口管，按设计的施工顺序进行打钻、注浆。注浆钻孔的施工顺序：1#→6#→2#→7#→3#→8#→5#→10#；11#、12#、13#、14#作为检查孔，如检查孔内仍有水再对其进行注浆，根据情况如需要再另行加孔。设计注浆孔布置如图1所示。

3 注浆设备及参数

3.1 注浆设备与工艺流程

本次下行前进式注浆法施工所需的注浆设备与配套钻孔设备如表1所示。施工所需要的主要材料为普通硅酸盐水泥(32.5R)、水玻璃(模数2.4～3.4，浓度30～45 Be′)和水，市场上材料来源丰富。

现场的注浆工艺流程：安设注浆泵、搅拌系统→搅拌浆液→连接注浆管路至空口管→进行注浆→按设计参数调整浆液→达到注浆结束标准→清洗注浆泵及管路→准备下次注浆。

图1 三山岛金矿千米盲竖井设计注浆孔布置

表1 现场注浆设备的规格及数量

3.2 注浆参数

注浆深度的选取往往根据现场实际情况及井下条件确定。根据KQ-100风动潜孔钻和K90钻机的钻机参数与现场实际操作空间，本次注浆段高选择30 m。

注浆终压P选定为6～8 MPa。注浆前，安设压力表对水的压力进行现场实测，注浆终压设计值为实测水压的3～5倍。注浆扩散半径选定为8 m。

水泥浆浓度的配制表如表2与表3所示。水灰比1∶1；水玻璃浓度25～30 Be′；C∶S(水泥和水玻璃)体积比为1∶1。注浆过程中，要根据现场实际情况据实进行调整。减小水玻璃用量或增大水泥浆浓度，都可缩短浆液的凝固时间，反之则延长浆液的凝固时间。实际浓度按以下原则进行调整。

(1)先稀后浓，当吸浆量为80%时，浓度适中。

(2)压力上升缓慢，长时间不动时要调浓一级。

(3)当水泥浆浓度一定时，可调整水玻璃用量及水玻璃浓度来调整凝胶时间，当水玻璃浓度一定时，可调整水泥浆浓度来控制凝胶时间。

表2 水泥浆现场配制方案

表3 水玻璃现场配制方案

单孔浆液注入量确定：

(1)

(2)

式中，Q为单孔浆液注入量，m3；A为浆液消耗系数，取1.3；η为裂隙率，由岩石裂隙体积Vn及岩心体积Vr计算得到，取0.006；β为浆液充填密实系数，取0.95；R为扩散半径数，取8 m；H为段高，取30 m；m为水泥结石率，取0.85。

根据式(1)、式(2)及各计算参数的取值，可以确定本次注浆施工的单孔浆液注入量为525.6 m3。

4 现场施工控制要点

井筒钻孔注浆工程是一项综合性工程，由于井筒淋水较大，且工作面处于-1 070 m标高处，岩温及作业面环境温度都比较高，上述因素都加大了施工技术的难度。在现场施工作业过程中，必须确定好控制要点，由专业技术人员进行操作，熟悉设计参数并根据施工中实际情况或实践工作经验进行调整，及时准确地处理注浆施工可能出现的跑浆、冒浆、管路堵塞及设备事故[12-14]。为此，成立了统一领导的专业技术人员及操作工班组，同时还根据施工过程中的现场实际情况，提出了多项的施工方案改进措施与控制要点，以保证施工质量及注浆效果。

(1)增设注浆钻孔数量。如图2所示，原设计14个孔，其中周边孔10个，检查孔4个，根据现场实际情况，A1孔在钻至3.5 m时，涌水量达到20 m3/h。在断层出水一侧钻孔进行了加密，多布了2个孔，周边孔变成了12个孔，检查孔更改为3个孔；A12孔在钻至3.5 m时，涌水量达到35 m3/h，在A12、A1周边(出水部位)增加了B1、B2、B33个孔，钻孔总数增加至18个，辅助孔的增加有效地保证了注浆的施工质量。

图2 三山岛盲竖井实际注浆孔布置

(2)现场调整注浆量。通过分析注浆原始记录表可知，总注浆水泥量为159 t，水玻璃用量为37 210 kg，折合注浆体积为424 m3，要小于原设计浆液注入总量525.6 m3，但注浆压力均超过了设计终压，实际注浆量也满足了注浆要求。

(3)注浆压力调整。采取低压力中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少(小于30～40 L/min)，当压力升至注浆终压时，继续压注5 min，即可结束注浆。注浆时通过控制注浆压力控制注浆量。当注浆压力较小而注浆量较大时，增大水泥浆的浓度，直至终压，持续注浆至设计孔位深度。原设计注浆终压6～8 MPa，随着深度的增加，实测水压为3 MPa，注浆终压应调整为9～15 MPa。

(4)各钻注孔除A6孔的涌水量为0.1 m3外，其余钻注孔均无涌水；检查孔、加密孔无涌水。

(5)造浆前，对浆液材料的胶凝时间进行测定，每更换一级浓度需重新测定凝结时间。

(6)确保先期注浆量大的注浆孔施工质量。

(7)浆液浓度要依据水量、水压、裂隙发育情况来确定，以保证浆液质量。注浆过程中一定要注意观察注浆压力的变化情况，当压力突然发生变化堵塞管路或浆液漏泄、跑浆时要进行及时处理或调整浆液浓度。

(8)注浆泵应全面检查和清洗干净，不允许泵体的残渣和铁屑的存在；各密封圈完整无泄漏，安全阀中的安全销要进行试压检验，确保能在额定最高压力时断销卸压。

(9)高压胶管不能超过压力范围使用，使用时屈弯不小于规定的弯曲半径，防止高压胶管破裂。

(10)严格控制注浆量和注浆压力。注浆前，先关闭孔口阀门，后开启注浆泵；进行管路压水试验，如有泄漏，应及时检修。

5 结 语

通过现场注浆施工作业的实施，达到了盲竖井含水裂隙带区域施工防、堵水目的，破除止浆垫，进行了井筒顺利下掘工作。然后分别在-1 097 m、-1 127 m水平位置处预留了岩帽，进行了2段注浆，注浆后的总涌水量小于0.5 m3/h，保证了井筒浇筑的质量，取得很好的注浆效果。掘进至-1 160 m标高已经穿过含水裂隙，进入正常的井筒掘进段，注浆的顺利完成为深部开拓奠定了基础。该注浆方法对类似金属矿山深井突水灾害的防治具有一定的指导与借鉴意义。

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(责任编辑 徐志宏)

Water Plugging Construction Technology with Advance Downward Grouting for Kilometers Deep Blind Shaft

Li Wenguang1Ji Dong2,3Sun Ying'an4

(1.SanshandaoGoldMine，Shandong(Laizhou)GoldGroupCo．，Ltd.，Laizhou261442，China；2.QingdaoGeotechnicalInvestigationandSurveyingResearchInstitute，Qingdao266032，China；3.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；4.EngineeringCompany，Shandong(Laizhou)GoldGroupCo．，Ltd，Yantai264000，China)

Sanshandao Gold Mine is one of main mines in Shandong Gold Group，which has entered deep mining and its main excavation depth has exceeded 1000 m away from the surface.Water-bearing fissure zone with 46 m3/h inflow are found in -1 070 m level working face in blind shaft excavation project，and how to propose a rational water conservancy project to ensure construction safety is becoming an urgent issue to be solved.Based on the background above，the design parameters and implementation plan of advance downward grouting were optimized，with the proper equipments and materials adopted.Grouting operation of 90m high was carried out by three times after observation of water inrush area and determining proper arrangement of construction sequence.Favorable water plugging effect is achieved by the on-site implementation of grouting plan (total water inrush volume less than 0.5 m3/h)，which can guarantee excavation engineering safely passing water-bearing fissure zone.The above grouting method has certain guiding significance to similar water inrush prevention projects in metal mines.

Metal mine，Deep mining，Prevention of mine water inrush，Kilometers deep blind shaft，Advance downward grouting

2014-06-03

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB08B01)。

李文光(1973—)，男，工程师。 通讯作者 冀 东(1987—)，男，博士。

TD262

A

1001-1250(2014)-09-030-05