田兴铁矿静水止浆垫治水技术研究

翟会超，南世卿，胡巍巍

(河北钢铁集团矿山设计有限公司，河北唐山063000)

田兴铁矿静水止浆垫治水技术研究

翟会超，南世卿，胡巍巍

(河北钢铁集团矿山设计有限公司，河北唐山063000)

针对田兴铁矿3#主井工作面出水实际状况及岩性特征，对“抛渣注浆”和“静水止浆垫”两种深水下注浆治水方案进行分析，研究得出“静水止浆垫”方案具有注浆工艺和结构设施简单、施工管理容易、劳动强度低的特点。同时，根据力学平衡原理计算素水泥止浆垫厚度，以及注浆水泥、早强剂材料的消耗量。通过“静水止浆垫”方案的实施，使出水量得到显著控制，为加强止浆垫、工作面钻孔注浆施工作业创造有利条件。

静水止浆垫;抛渣注浆;防治水;力学平衡;竖井掘砌

田兴铁矿矿区水文地质条件复杂，地下水划分为第四系松散岩类孔隙水组和基岩裂隙含水层。井建工程中3#主井设计井深670 m，井筒直径5.6 m，净断面24.62 m2，在向下爆破掘砌施工过程中，受爆破震动和复杂裂隙地质条件影响，出现217 m3/h的涌水，井筒内水面迅速上涨。为治理3#主井井筒工作面涌水，确保井下的施工人员安全和设备免受损失，研究采取科学、合理的深水下注浆治水方案进行注浆治水［1－4］，取得良好效果。

1 注浆方案比选

受爆破不良震动作用，裂隙扩展形成导水通路，根据工作面出水实际情况，提出拆排水管路，提升吊盘，待水面上涨至静水压力位置，以保障井下作业人员安全和保护吊盘。同时，研究采取深水下注浆治水方案，主要有“抛渣注浆”和“静水止浆垫”两套技术方案［5－6］。

方案一“抛渣注浆”治水方案，该工艺特点是:先在井筒断面均匀安置4个注浆管，然后再投放渣料，最后在注浆管内进行注浆，以形成一定厚度的混凝土止浆垫，待止浆垫养护好后再进行排水和后续工作面注浆(见图1a)。

方案二“静水止浆垫”治水方案，该工艺特点是:待井内涌水上涨至静水位，仅安置1个注浆管，然后在注浆管内直接注入水泥浆液，一边注浆一边提管，最终在水下形成素水泥止浆垫。待将素水泥止浆垫养护好后，进行井筒排水，然后再在素水泥止浆垫上打加强止浆垫进行注浆(见图1b)。

从上可知，“抛渣注浆”和“静水止浆垫”两种技术方案根本原理一致，均需要待水面上涨至静水压力，“抛渣注浆”比“静水止浆垫”注浆管多，虽无需再次打加强止浆垫，但施工过程操作繁琐，且要求管理缜密。“静水止浆垫”相比“抛渣注浆”，则具有注浆工艺和结构设施简单、施工管理容易、劳动强度低的特点，即“两简一易一低”。因此，选择更为符合矿井建设施工要求的“静水止浆垫”方案进行深水下注浆治水［7－8］。

图1 深水注浆治水方案比选示意图Fig.1 The schematic diagram of deep water grouting

2 静水止浆垫方案

采用单液水泥浆施工制作静水止浆垫，利用井筒内吊盘悬吊稳绳悬吊一路Φ25 mm高压胶管，将其下放至工作面作为输浆管路，采用42.5R普通硅酸盐水泥配制浆液，用注浆泵向井下500 m处注浆输送浆液施工素水泥止浆垫。封堵工作面出水后，向下排水至素水泥止浆垫上表面处，再制作C40混凝土加强止浆垫进行工作面预注浆施工。

2.1 静水止浆垫厚度计算

采用42.5R普通硅酸盐水泥配制1∶1浆液注入井下形成素水泥止浆垫，该止浆垫的质量直接影响治水效果。在水泥种类、井径尺寸、注浆环境等一定条件下，止浆垫强度主要受厚度参数作用。素水泥止浆垫形成后，在井下主要受井筒内水的浮力F、自重G、井壁摩擦力f和注浆压力P综合作用，若综合作用能够平衡，则止浆垫质量可靠，否则不可靠［8－9］。

素水泥止浆垫受力平衡条件如下:

式中:G为素水泥止浆垫自重，G= γ水泥垫gπr2Bn;F为浮力，F=ρ水gπr2Bn;f为井壁摩擦力，f=2πrBnp0η;P为注浆压力，P=p0πr2。

这里，γ水泥垫为水泥垫的体重，取1.5 t/m3;ρ水为水的密度，取1 t/m3;g取10 N/kg;r为井筒净半径，取2.8 m;p0为水压，取5 MPa;η为摩擦系数，取0.443;Bn为素水泥止浆垫厚度，其值为:

将参数带入式(2)计算得到素水泥止浆垫的厚度Bn为6.3 m，取安全系数为2，则止浆垫厚度Bn取值为13 m。

2.2 素水泥止浆垫施工技术

1)输浆管路下放。用井筒内吊盘悬吊稳绳悬吊一路直径Φ25 mm高压胶管，并在输浆管下端焊接一根6 m长的2寸花管，花管前端锥形，花眼直径10 mm，眼距100 mm，长度0.3 m，每圈3个眼，并上下错开。高压胶管用管卡固定在大抓钢丝绳上，固定管卡每10 m一个，每根高压胶管连接处要留有余地(有0.2 m长弯曲度)，防止高压胶管因自重下滑，使管路断开。下放固定输浆管路同时，在悬吊钢丝绳上绑扎测绳测量下放深度。花管下放深度控制在前端距工作面约200 mm。

2)注浆泵站的设置。在地表井口附近搭建注浆棚，安设2台天津聚能注浆泵，注浆泵最大压力26 MPa，最大输出流量300 L/min。同时，采用2台1 m3的电动搅拌桶制备浆液，和设置3个1 m3容积的储浆池。

3)制备浆液。本次静水止浆垫施工采用水泥单液浆，浆液采用42.5R普通硅酸盐水泥制作，水灰比为1∶1，同时加入早强剂，添加比例为水泥量的2%。制备浆液过程中，严禁使用失效结块的水泥。

4)浇筑与排水。管子末端在浇筑前距工作面约200 mm，边浇筑边提升管子，并保持花管末端始终埋在水泥浆液中。水下浇筑必须连续施工，待止浆垫养护7 d，经检查止浆垫已凝固后，方可排出井内积水(开始试排)，抽水期间每30 m进行一次测水，如水位无变化便可正式排水。

5)施工工期。地表施工准备及管路下放3 d，井内灌注水泥浆1 d，养护7 d，排水5 d，合计工期16 d。

2.3 止浆垫水泥量

根据井筒断面及浇注止浆垫厚度，约需灰浆量320 m3。依据试验浆液结石率计算，需水泥355 t，早强剂7.1 t。

3 注浆效果

通过“静水止浆垫”方案的有效实施，素水泥浆液成功地在井筒深水内凝结聚集，形成了强度可靠的素水泥止浆垫，将工作面涌水最大限度地封堵在外，同时在止浆垫厚度范围内有效地控制并维护井筒围岩的稳定性，最终治理了工作面的出水问题。

本项治理突水方案的顺利实施表现在，首先使得工作面涌水量从217 m3/h降到了50 m3/h;其次，验证了力学平衡模型在此类涌水井筒的止浆垫厚度计算设计上的正确性;最后，为下一步施工加强止浆垫、开展工作面钻孔注浆工作创造了有利条件。

4 结论

1)田兴铁矿矿区水文地质条件复杂，地下水划分为第四系松散岩类孔隙水组和基岩裂隙含水层。在井筒掘砌施工中，受爆破震动影响裂隙扩展形成引水通路，致使地下水上涌，给施工过程造成危害。

2)本文对比分析了“抛渣注浆”和“静水止浆垫”两种深水下注浆治水方案，研究得出“静水止浆垫”方案相比之下具有“两简一易一低”的优点，即注浆工艺和结构设施简单、施工管理容易、劳动强度低。

3)根据力学平衡原理，计算得素水泥止浆垫厚度为13 m，并获得注浆水泥、早强剂材料的消耗量。该止浆垫能够安全、有效地抵制裂隙涌水。

4)通过“静水止浆垫”方案的有效实施，井下涌水量由217 m3/h显著降到50 m3/h，为后续加强止浆垫、工作面钻孔注浆施工作业创造有利条件。

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Study on water treatment technologies of hydrostatic grouting pad in Tianxing Iron Mine

ZHAI Huichao，NAN Shiqing，HU Weiwei
(Hebei Iron Steel Group Mining Design Co.，Ltd.，Tangshan Hebei 063000，China)

According to the water situation and lithologic characteristic of 3#main shaft in Tianxing Iron Mine，this paper respectively analyses the schemes about throwing dregs grouting and hydrostatic grouting pad，and the result shows that the hydrostatic grouting pad scheme has the characteristics of simple process，easy management and low labor strength.At the same time，author calculates the thickness of cement grout pad according to principle of equilibrium and the cement consumption.Then，the water inflow has been controlled and the advantage has been produced for strengthening the hole grouting by using of the hydrostatic grouting pad scheme.

hydrostatic grouting pad;throwing dregs grouting;water prevention and control;mechanical equilibrium; shaft excavation

TD262.1;TD74

Α

1671-4172(2015)01-0092-03

翟会超(1981－)，男，工程师，博士，采矿工程专业，主要研究方向为采矿方法、岩体冒落规律、空区治理、矿建工程。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.01.021