地面预帷幕注浆止水技术在新建回风井中的应用

冯 斌，熊朝辉，胡 飞

(湖北省地质局第一地质大队，湖北黄石 435100)

立井井筒(又称竖井)是矿井通达地面的主要进出口，也是矿井生产期间提升矿石、升降人员、运送材料设备以及通风和排水的咽喉通道。立井井筒施工工程是矿井建设的关键工程，在井筒建设中，地下水往往带来极大危害，如影响工程进度和质量，恶化建设条件，甚至淹没矿井，造成严重的经济损失和恶劣的社会影响。目前，采取帷幕注浆止水技术，可大幅度减少地下水涌水量，既缩短了建设周期，又减少了井筒掘进工程造价，创造了良好的经济和社会效益。本文重点介绍以某矿山公司新建回风井井筒地面帷幕注浆止水的成功经验。

1 地层及水文地质概况

新建回风井设计井筒净直径Φ4．0 m，井筒护壁厚0．25 m，井筒深980．64 m。根据地质勘察得出的结论:7．10 ～57．60 m(标高 -42．78 m)段为新建回风井主要裂隙含水层，井筒涌水量建议值为336 m3/h，为中等富水性，具承压性。井筒涌水量大是影响新建回风井施工的主要不利因素，不进行防水治理将严重影响回风井的安全施工。

1．1 地层概况

勘察孔深度244．51 m，根据钻孔揭露地层情况，拟建回风井沿轴线依次穿越第四系湖积粘土、白垩系下统灵乡组泥质粉砂岩、含砾砂岩、凝灰质砂岩、泥质灰岩，因勘察钻孔深度所限，下伏侏罗系马架山组地层未揭露，钻孔穿过和揭露的地层自上而下有第四系、白垩系。

(1)第四系:厚度为7．10 m，主要岩性为粘土层。

(2)白垩系:厚度＞237．41 m，岩性以燕山期构造运动形成的火山喷出岩杏仁状玄武岩、橄榄辉石玄武岩夹于白垩纪灵乡组泥质粉砂岩、含砾砂岩、凝灰质砂岩、泥质灰岩中。

1．2 水文地质概况

根据勘察孔穿过的地层，划分出1个隔水层、1个主要含水层、1个次要含水层和1个弱含水层。各含(隔)水层特征自上而下分述如下:

1．2．1 第四系湖积粘土隔水层(0．00 ～7．10 m)

灰褐色，软塑，3．47 ～7．1 m 呈可塑状，2．1 ～2．7 m夹薄层浅灰色淤泥质粘土。含少量铁锰质结核，透水性差，为不含水隔水层。

1．2．2 玄武岩夹碎屑岩裂隙含水层(7．10～57．60 m)

该段岩性主要由青灰色杏仁状玄武岩、紫红色泥质粉砂岩、浅灰色橄榄辉石玄武岩组成，强—中风化，节理裂隙发育，多呈微张开状，渗透系数K=2．26 m/d，单位涌水量0．746 L/s·m，中等富水性，具承压性，承压水头高度7．93 m，高出孔口 0．83 m，高程 15．65 m，孔口自流涌水量Q流=95 m3/d，为本孔主要含水层，估算涌水量336 m3/h。

1．2．3 玄武岩裂隙含水层(57．60 ～94．80 m)

该段岩性主要由青灰色杏仁状玄武岩、浅灰色橄榄辉石玄武岩组成，中—微风化，节理裂隙发育，渗透系数 K=0．23 m/d，单位涌水量0．050 L/s·m，弱富水性，具承压性，承压水头高度57．25 m，地下水位埋深0．35 m，高程14．47 m，为本孔次要含水层;本含水层是依据地层岩性和抽水试验取得的单位涌水量数据，与其上主要含水层之间的差异性划分的，两者之间无明显分界线，该段弱含水层层厚37．20 m，估算涌水量38 m3/h，每延米涌水量为 1．02 m3。

1．2．4 玄武岩—碎屑岩、碳酸盐岩裂隙弱含水层(94．80 ～244．51 m)

该段岩性主要由青灰色杏仁状玄武岩、紫红色泥质粉砂岩、浅灰、灰绿橄榄辉石玄武岩、紫红色含砾砂岩、紫红色凝灰质砂岩、灰白色泥质灰岩组成，中—微风化，节理裂隙不发育—较发育，裂隙多呈闭合状，RQD=80% ～97%，岩芯完整，渗透系数K=0．02 m/d，单位涌水量0．041 L/s·m，弱富水性;该层水位埋深0．14 m，承压水头高度94．66 m，高程 14．68 m，为本孔弱含水层，与其上次要含水层亦无明显分界线。该段弱含水层层厚149．71 m，估算涌水量41 m3/h，每延米涌水量为 0．27 m3。

2 注浆堵水方案

2．1 设计意图

7．10 ～57．60 m(高程 -42．78 m)是本回风井的主要含水层，井筒分段掘进估算涌水量＞40 m3/h，需注浆，采用从地表打垂直钻孔至主要含水层(7．1～57．6 m)底板以下10～15 m，对新建回风井上部围岩进行地面钻孔预注浆，形成止水帷幕，达到大幅降低回风井57．60 m以上井筒涌水量的目的。

2．2 注浆质量要求

通过注浆在井筒荒径外形成注浆隔水帷幕，将含水层的过水通道进行封堵，使受注段的井筒剩余涌水量＜5 m3/h，满足《矿山井巷工程施工及验收规范》的要求。

2．3 地面预注浆方案

2．3．1 注浆孔布置及施工顺序

设计注浆孔2圈，孔位布置在回风井井筒外3．55 m及4．05 m的圆周上，距井筒中心分别为5．80 m和6．30 m，每圈布置注浆孔8个，注浆孔间距为2．40 m。采用下行式注浆法灌浆，分段成孔，分段注浆。注浆结束后在井筒中心施工一个检查孔JC1，通过抽水试验验证注浆效果。

16个注浆孔按序进行施工，第Ⅰ序列注浆孔设计孔深75 m，作为先导孔;第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ序列注浆孔及检查孔设计孔深67．00 m。注浆孔施工完成后，最后对检查孔JC1进行钻探施工，并做水文试验检验前期注浆止水效果。注浆孔施工顺序如图1所示。

2．3．2 注浆参数

注浆孔共16个，孔间距2．4 m;浆液有效扩散半径取8 m，注浆压力3～6 MPa。

图1 注浆孔布置图Fig．1 Layout drawing of grouting hole

3 施工工艺与注浆方法

3．1 施工机具表

注浆投入的主要机械设备的型号规格如表1。

表1 主要施工设备表Table 1 Schedule of main coustruction equipment

3．2 注浆器结构图

注浆器结构见图2，压水试验见图3。

3．3 注浆孔的结构图

注浆孔结构见图4。

3．4 注浆施工工艺(见图5)

(1)采用XY-1型液压回转钻机成孔，第四系覆盖层采用硬质合金钻头钻进，基岩采用金刚石钻头钻进，注浆孔开孔孔径Φ110 mm，灌浆段孔径应≥91 mm。

(2)该井筒地质情况较复杂，钻孔穿越的岩层较多，软硬不均，易产生孔斜，钻孔偏斜率应＜1%。测斜工作分别在30 m和终孔后各进行一次。钻进施工中经测斜发现钻孔偏距迅速加大，有超偏趋势或已超偏的，均应立即停止钻进，进行定向纠偏。

图2 注浆器结构图Fig．2 Structure diagram of grouting hole

图3 压水试验示意图Fig．3 Schematic diagram of water pressure test

(3)当注浆孔按设计钻至该注浆段深度，经冲洗孔内岩粉，测量孔斜合格并做完压水试验后，即可进行注浆作业。

3．5 注浆方法

采用下行式纯压注浆，自上而下下行式分段注浆法。

(1)注浆孔钻穿第四系松散土层并进入强风化层0．5 m后，下入止浆套管，并进行注浆，采用间歇式注浆法，使止浆套管底部与土层结合稳固，降低后续分段注浆时向上串浆的可能性。

(2)止浆套管注浆封固24 h后，扫孔钻进并穿过强风化层，进入中风化层，采用纯压式注浆法对强风化层进行注浆。

(3)自中风化岩层开始，每5～10 m为一个注浆段，自上而下分段注浆。注浆前用注浆泵大泵量送清水洗孔，洗孔至水清砂净后进行压水试验，根据压水试验成果，确定开灌浓度。注浆过程中，如果发生串浆，则串浆孔同时进行压力注浆，浆液终凝后方可扫孔钻进。

(4)简易压水试验可在裂隙冲洗后进行，最大压力为1 MPa，采用单点法试验，试验时每5 min测读一次压入流量。

3．6 注浆水灰比

采用纯水泥浆灌注，水灰比 3∶1、2∶1、1∶1、0．75∶1、0．5∶1五级，开灌水灰比为 3∶1。当每段吸浆量 ＞100 L/min时采用水玻璃—水泥浆液。

3．7 注浆压力

设计终灌压力应为静水压力的5～10倍，工程最大静水压力为 0．6 MPa，设计终灌压力为 3．0～6．0 MPa

3．8 注浆结束标准

(1)当基岩段注浆压力达到设计压力，浆液难以注入时。

(2)在最大设计压力下，当注入率≤1 L/min后，继续灌注30 min，可结束灌浆。

4 注浆堵水成果分析

注浆工程竣工后，对各序注浆孔压水试验吕荣值及注浆量进行统计分析，前期注浆孔各孔段吕荣值及注浆量大，后期注浆孔各孔段吕荣值及注浆量明显减少，而各序注浆孔的开灌压力逐渐提高，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ序注浆孔岩芯节理裂隙、溶蚀空隙中均发现有已固结的水泥，亦说明岩层含水裂隙逐渐被浆液充填，达到止水效果。

(1)各序注浆孔吕荣值、注灰量统计(见表2)。

(2)各序注浆孔平均吕荣值统计(见图6)。

(3)各序注浆孔平均开灌压力统计(见图7)。

5 检查孔抽水试验成果

5．1 检查孔与勘察孔抽水试验成果对比

抽水试验共做了2次降深，分别为35．75 m和50．6 m。检查孔JC1及勘察孔K2抽水试验成果对比见表3。

5．2 注浆前后井筒涌水量估算对比(见表4)

图4 注浆孔结构图Fig．4 Structure diagram of grouting hole

图5 注浆施工工艺流程图Fig．5 Process flow diagram of grouting construction

表2 各序注浆孔吕荣值、注灰量Table 2 Lugeon value and capacity of injecting grout of grouting holes

根据抽水试验结果，估算井筒涌水量为2．02 m3/h，相比注浆前下降了99%，目前新建回风井已竣工验收，帷幕注浆段实际涌水量＜2 m3/h，确保了新建回风井安全顺利施工。

图6 各序注浆孔平均吕荣值Fig．6 Average Lugeon value of grouting holes

图7 各序注浆孔平均开灌压力Fig．7 Average opening pressure of grouting holes

表3 检查孔JC1与勘察孔K2抽水试验成果对比表Table 3 Correlation table of pumping test results of inspection opening JC1 and exploration hole K2

表4 注浆前后井筒涌水量估算对比表Table 4 Correlation table estimation of water yield of shaft

5．3 注浆后效果图(见图8、图9)

图8 检查孔玄武岩节理面水泥浆充填固结良好Fig．8 Good filling consolidation of grout of joint plane

图9 回风井施工现场(止水效果良好)Fig．9 Job location of return-air well

6 结语

通过水文地质勘察，精确划分出对工程影响较大的主要含水层。合理、经济地布置注浆孔间距、深度，优化注浆施工工艺，现场加强注浆质量管理，根据各注浆段注浆前、后岩芯裂隙充填情况、压水试验吕荣值、洗孔涌水量等分析对比，及时调整优化设计方案。工程实践表明，矿区水文地质条件复杂情况下，井筒开挖施工采用“下行式纯压注浆”地面预注浆技术，可有效隔断井筒与地下含水层之间的水力联系，为井筒开挖施工创造良好的条件，为井筒安全、高效、快速地施工奠定基础，取得了良好的堵水效果和经济效益。

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