地面预注浆工艺在南李庄铁矿主井施工中的应用

游红江

(华北有色工程勘察院有限公司)

地面预注浆工艺在南李庄铁矿主井施工中的应用

游红江

(华北有色工程勘察院有限公司)

随着矿山开采深度的加大，新的注浆工艺、材料及设备得到广泛的应用。针对南李庄铁矿区地质条件较复杂且富水性较强的特点，拟采用地表预注浆技术治理井筒掘进过程中的涌水，取得了较好的效果。

地表预注浆 蚀变破碎带 黏土水泥浆 高角度裂隙

邯郸县南李庄铁矿位于邯郸市复兴区和武安市交界处，为设计产量80万t/a的大型矿山。由于该矿区水文地质条件复杂，主要含水层为奥陶系石灰岩岩溶裂隙水，含水层裂隙岩溶发育，且多高角度岩溶裂隙发育，富水性较强。同时矿区地层中普遍存在多层厚度较大、透水性弱、物理力学性质差的蚀变破碎带，水文地质条件复杂。为了保证主井的顺利掘进，采用地表预注浆方案[1-2]治理井筒掘进过程中的涌水，主井井筒净径为4.5 m，开拓荒径为5.1 m，地表高程为+253 m，井筒底板高程为-240 m，设计深度为493 m。

1 矿区工程地质及水文地质概况

1.1 地层概况

(1)第四系(Q)。场区均被第四系覆盖，以黄褐色粉质黏土为主，层厚埋深为2.95～5.10 m。

(2)奥陶系(O2)。奥陶系中统为场区地下水的主要赋存层位，全区皆有分布，主要为马家沟组的石灰岩，岩性由深灰色中厚层致密灰岩、花斑灰岩夹白云质灰岩、浅棕黄或肉红色白云质灰岩、角砾岩、角砾状灰岩、条带状泥质灰岩及结晶灰岩等组成，揭露石灰岩总厚约393.45 m，层底标高为-145.00 m。受岩浆岩上侵的热蚀作用，石灰岩中广泛分布有厚度不均的蚀变破碎带。该层物理力学性质差，遇水膨胀、崩解、易坍塌，岩芯颜色以灰白色、浅黄色居多。蚀变灰岩破碎带厚度较大，最小为4.02 m，最大为37.45 m。

(3)燕山期闪长玢岩(δμ)。场区埋深为 397.80～503.00 m，为燕山期闪长玢岩，颜色以灰白、灰绿色为主，主要成分以斜长石、角闪石为主，标高-145.00～-163.00 m处比较破碎，地层复杂，透水性强，岩层间夹杂有薄层石膏灰岩及矽卡岩。

1.2 水文地质条件

南李庄铁矿位于邯邢地区鼓山断层以东地下水强径流带，水文地质条件复杂，主要含水层为中奥陶系马家沟组石灰岩裂隙岩溶含水层组，该含水层组主要由灰岩、花斑灰岩、白云质灰岩等组成。岩溶裂隙发育，裂隙率为0.67%～1.51%，岩溶率为0.5%～1%，其富水性变化较大，一般为1～20 L/(s·m)，个别可达512.4 L/(s·m)，矿区平均渗透系数为5.954 m/d。目前，矿区水位标高约+100 m(2013年10月)，水力性质为潜水。

2 地面预注浆工艺

2.1 技术特点

立井地面预注浆[1]的基本思路是，当立井通过厚度较大或层数较多的基岩含水岩层时，在井筒开凿前，利用钻机从地面井筒周围钻进注浆孔，将制备好的浆液利用高压注浆泵经注浆孔压送至基岩含水层中，随着浆液的充填，凝固，在井筒周围形成不透水的注浆帷幕，达到注浆堵水和加固底层的目的，在此基础上开凿井筒。其优点主要有：①全部工作均在地面上进行，工作条件好、效率高、钻进速度快；②可以根据裂隙方向布置钻孔，钻孔偏斜影响小，且钻孔、注浆工程量较小；③钻孔和注浆工作可在井筒掘进前进行，不影响工程进度，可连续施工；④使用生产效率高的大型钻机加大注浆孔径，钻孔可以交叉更多的含水层裂缝，提高充填效果；⑤无需修筑止水垫或预留保护岩柱，避免了注浆时止水垫跑浆等现象的发生；⑥注浆效果可以从后期注浆孔和检查孔的涌水量直接观察到。地面预注浆堵水主要适用于井筒穿过厚度较大的裂隙含水层，或含水层厚度不大但层数多并与不透水层互层，多层裂隙含水层，大的断层构造带加固等。

2.2 地面预注浆工艺

2.2.1 注浆孔布置形式及孔个数

地面预注浆孔数计算公式为

式中，N为注浆孔个数，注浆孔个数取偶数较好；D1为井筒荒径，取5.10 m；A为井筒荒径至帷幕圈的距离，取2.50 m；L为注浆孔间距，取4.00 m。

据式(1)计算可得，N=7.93，故注浆个数确定为8。考虑到钻孔沿着帷幕线均匀布置，故孔间距为3.87 m。主井结构及钻孔平面布置形式见图1。

图1 主井结构及钻孔平面布置示意

2.2.2 注浆孔序及注浆方式选择

根据注浆钻孔布置方式及施工场地布置，将注浆孔分为两序施工，即Ⅰ序孔为Z1、Z3、Z5、Z7，Ⅱ序孔为Z2、Z4、Z6、Z8(图1)。注浆方式指在垂直方向各注浆段注浆的先后施工关系，通常分为下行式、上行式和上下行混合的注浆方式[2]。矿山帷幕注浆一般分序施工：①第Ⅰ序注浆孔由于地质资料缺失，且地层透水性较强，可注性较大，宜采取下行式注浆方式；②第Ⅱ序注浆孔施工时可根据钻孔孔口返水情况和地层破碎程度，整个钻孔或局部几个渗透性较小的注浆段宜采取上行式或综合分段的注浆形式。

2.2.3 注浆顶底板

(1)注浆上限。主井井口标高为+253.0 m，地下水静水位标高为+100.0 m(2014年10月)，考虑水位变幅和高角度岩溶裂隙的影响，主井注浆上限确定为+120.0 m标高，埋深为133.0 m。

(2)注浆下限。主井底板标高为-240 m，为了保证浆液有效封堵井壁周边和底板含水层，注浆孔深度应大于主井底板深度10 m，即孔底标高为 -250 m。

2.2.4 注浆参数

(1)注浆段高。可根据钻探冲洗液的漏失情况适当延长和缩短注浆段高，但不宜超过30 m。

(2)注浆孔结构。注浆孔终孔一般不小于φ91 mm。

(3)注浆孔垂直度。为了防止由于注浆孔偏斜引起浆液搭接不良，依据相关规范要求，垂直注浆孔最大偏距不宜超过实际孔深的0.5%。

(4)注浆压力。考虑矿区-150 m水平以上地层为中奥陶系石灰岩，为矿区主要含水层，且水文地质条件复杂，竖向高角度岩溶裂隙及蚀变破碎带地层发育等因素[3]，注浆压力在2.5～3.0倍静水压力的基础上进行了相应提高。基本原则为：①地层岩溶裂隙发育、透水性强且吸浆量大时取小值；②地层透水性弱、吸浆量小时取大值。上述注浆压力范围及控制原则可根据实际情况调整。

2.2.5 注浆结束标准

在同时达到以下3个条件后可结束注浆：①注浆终压达到注浆段设计值；②注浆终量在50 L/min及以下；③达到以上2个条件后稳定时间不得低于20 min。

3 注浆材料选择及浆液变换原则

3.1 相对完整地层浆液

注浆材料的选用应根据工程需要，遵循因地制宜、经济合理的原则。本工程选用的浆液以改性黏土水泥浆液为主、单液水泥浆为辅。针对较完整的地层采用黏土水泥浆，其特点有：①浆液稳定性好，在泵送及扩散过程中浆液不离析、不沉淀，凝固过程中析水少，结实率高，抗渗性能好；②黏土颗粒较细，浆液流动性好，易于渗透到岩层的细小裂隙中；③浆液塑性强度可调范围大，浆液凝结固化时间可以调节控制，适用于不同地层条件下的基岩裂隙注浆；④矿物成分具有良好的化学惰性，对地下水的抗侵蚀能力强，结石体的耐久性较好。

黏土水泥浆液材料技术参数为：①黏土塑性指数不小于10，黏粒(粒径小于0.005 mm)含量不低于25%，含砂量不大于5%，有机物含量不大于3%；②采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；③水玻璃密度为1.37～1.40 g/cm3，模数为2.6～3.4。

黏土水泥浆液配比要求为：① 黏土浆密度为(1.10～1.20)×103kg/m3，平均密度控制在1.15×103kg/m3以内；②水泥加入量分别为200，300，400 kg/m3；③硅酸钠加入量为10～40 L/m3，可根据浆液配制情况适量添加。由现场浆液试验可知，以m(膨润土)∶m(水)=1∶4，密度为1.13 kg/m3的黏土浆液为基浆，在此基础上可分别添加200，300，400 kg/m3的水泥量。

3.2 蚀变破碎地层注浆材料

针对蚀变破碎地层，采用纯水泥浆液，主要是为了堵水和加固破碎围岩，改善围岩的物理力学性能，为后期井筒开掘奠定基础。

3.3 浆液变换

黏土水泥浆注浆起始浆液浓度及浆液变化应遵循原则为：①根据注浆前简易压水试验资料,判断地层透水性，当地层单位透水率小于10 Lu时，起始浆液采用1∶0.88∶4的黏土水泥浆液作为起始水固比，其他情况浆液起始浓度应选用1∶1.32∶4；②当注浆压力保持不变，单位注入量持续减少时，或单位注入量不变而压力持续升高时，不得改变水固比；③当某级浓度浆液注浆量超过20 m3时，而注浆压力和单位注入量均无改变或改变不显著时，应提高一级浓度；④当注浆量达到70 m3时，注浆压力和单位注入量仍无变化或变化不显著时，进行间歇，直至注浆达到结束标准为止。

纯水泥浆注浆起始浆液浓度及浆液变化应遵循的原则为：①根据注浆前简易压水试验资料，判断地层透水性，当地层单位透水率小于3 Lu时，起始浆液采用3∶1水泥浆液作为起始水固比，其他情况浆液起始浓度应选用2∶1水泥浆液；②当注浆压力保持不变，单位注入量持续减少时，或单位注入量不变而压力持续升高时，不得改变水固比；③当某级浓度浆液注浆量超过15 m3时，而注浆压力和单位注入量均无改变或改变不显著时，应提高一级浓度；当注浆量达到70 m3时，注浆压力和单位注入量仍无变化或变化不显著时，进行间歇，直至注浆达到结束标准为止。

4 特殊地层处理措施

根据南李庄铁矿主井工程地质勘察资料，场区内在标高+120.0～+10.0 m和-130.0～-145.0 m蚀变破碎带内的蚀变灰岩岩性以石灰岩角砾为主，粒径大者达30～50 mm，小者呈粉砂状，胶结物为钙质，颜色较杂，一般为灰绿色、灰白色，岩芯硬度极低，坍塌掉块严重，遇水易缩径、崩解，透水性极差，极易造成“塌孔”“抱钻”等事故。透水部位主要为蚀变灰岩与完整石灰岩的交接带，在地面预注浆施工过程中，为了确保该特殊地层的注浆施工效果，所采取的措施有：①针对该地层岩体破碎且透水性弱的特点，增大注浆压力，给予浆液足够的扩散动力；②采用较低浓度单液水泥浆进行注浆施工，保证浆液的扩散半径和强渗透性，能够在井筒边界周围形成厚度较大的注浆帷幕体，同时起到提高围岩强度、稳定性和堵水的双重作用；③增大注浆孔口径，设计注浆段口径不小于φ91 mm，增加注浆段揭露裂隙的面积，保证浆液的扩散和搭接效果；④充分考虑钻孔结构，合理利用蚀变灰岩中的夹层完整石灰岩地层，下放地质套管，由于蚀变灰岩地层强度较低，在该层中下放止浆塞。

5 结 语

采用地面预注浆技术对较厚层蚀变破碎带基岩进行处理，不仅能够有效加固基岩破碎带，基本消除掘进工作面突水、大涌水量等隐患，而且能够提高井筒的堵水效果，从而达到降低施工风险，缩短建井工期，节约造价的目的，经济效益和社会效益显著。

[1] 周兴旺，高岗荣.注浆施工手册[M].北京：煤炭工业出版社，2013.

[2] 孙 钊.大坝基岩注浆[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

2015-01-29)

游红江(1982—)，男，工程师，050021 河北省石家庄市汇通路39号。