壁后注浆技术在思山岭铁矿副井施工中的应用∗

李明楼，赵兴东，张连恒，姬 祥，徐继涛

(1.中国华冶科工集团有限公司, 北京 100176；2.东北大学井巷与地压控制研究中心, 辽宁沈阳 110819)

壁后注浆技术在思山岭铁矿副井施工中的应用∗

李明楼1，赵兴东2，张连恒1，姬 祥2，徐继涛2

(1.中国华冶科工集团有限公司, 北京 100176；2.东北大学井巷与地压控制研究中心, 辽宁沈阳 110819)

鉴于思山岭铁矿副井穿过含水层，且施工过程中井壁淋水问题突出，为保证副井正常施工与安全，对淋水段进行壁后注浆。根据思山岭铁矿副井岩层赋存特征及淋水现状，确定采用深孔高压注浆。对注浆材料、注浆配置、注浆压力和注浆设备等进行了设计，并对注浆施工的注浆顺序、注浆过程及注浆结束标准进行了探讨。实践表明，采用壁后注浆能够有效地封堵地下含水层的涌水，还可以起到加固竖井井壁的作用。

壁后注浆；堵水；井壁加固；注浆方案

1 工程概况

思山岭铁矿副井井口标高+215.2 m,井底标高1288.7 m(含封底600 mm厚),井筒深度1503.9 m,井筒净直径10.0 m。

目前工作面已掘进至井筒标高-553.5 m,成井深度766.7 m。在施工过程中,发现井筒标高-461.8 m以下的井壁淋水情况比较严重,实测井筒总涌水量达到52.38 m3/h。井壁淋水对施工作业和安全造成很多不利的影响。经施工单位和学校联合研究决定,暂停井筒掘砌,对-461.8～-550 m的成井段进行壁后注浆,以减少井壁淋水,保证施工作业的安全与高效。

2 壁后注浆机理

壁后注浆就是破壁钻孔到设计深度,把浆液以一定压力注入到井筒岩壁裂隙或孔隙中去,达到堵水和加固井筒的效果。浆液在注浆泵压下沿井壁裂隙及软弱破碎层扩散,孔隙通道被堵塞而导致压力上升,促使周围围岩裂隙扩张,浆液顺劈出的裂隙渗入岩体,形成劈裂注浆[1-2]。劈裂注浆围着注浆孔形成垂直性脉状注浆体,强化破碎围岩。由于硬化物形状各异且彼此交叉,可以提高抵抗岩体剪切破坏的能力。

3 壁后注浆方案设计

3.1 注浆方案选择

思山岭铁矿副井随着掘进深度的不断加大,井壁淋水问题逐渐突出(最高涌水量曾达到50 m3/h)。若不采取堵水措施,将大大增加排水费用,同时恶化掘进作业条件,降低井筒寿命,还会给后续的采矿作业带来隐患。为了封堵含水层以减少井筒涌水并加固井筒,矿山决定采用壁后注浆。

(1)如若采用浅孔注浆,深井井壁压力大容易引起岩体局部破坏(破裂或炸裂),最终导致注浆堵水失败。因此深井注浆宜采用深孔高压注浆,使注浆深度超过井壁,并采用一孔多次扫孔复注的办法。

(2)注浆方式:根据井筒揭露的围岩特性和井壁淋水特点,同时考虑到吊盘接近井底,壁后注浆采用上行式预注,下行式复注的方式。

3.2 注浆材料及浆液配制

(1)浆液材料。由于普通硅酸盐水泥来源丰富、成本较低、工艺设备简单且操作方便,所以本次注浆施工中,注浆材料以普通硅酸盐水泥为主,并配以水玻璃浆液封堵注浆孔。在岩体破碎及漏水严重处考虑使用化学浆液,如该竖井涌水最严重处所用的凯苏凝高分子注浆材料,以达到快速堵漏的目的,提高注浆堵水效果。

凯苏凝高分子注浆材料较水泥浆等粒状浆材不易出现颗粒的离析,且一般粘度较低,流动性好,可注性好。容易进入岩体的细小裂隙或孔隙中,即使是极细微(如0.1 mm以下)的缝隙也能注入。凯苏凝高分子注浆材料分为KSN-1F型主剂和固化剂,膨胀系数为1.5倍,抗压强度为42MPa,抗拉强度为16 MPa。随着竖井掘进深度的增加,逐步使用凯苏凝高分子化学注浆材料代替普通水泥进行注浆堵水。

(2)浆液的配制。配制水泥浆液时,力求以正确的顺序,严格、准确的加料。首先往搅拌机中加入一定量的水,在不断搅拌的情况下加入水泥,避免搅拌机卡住,待搅拌均匀后,再加入附加剂。水玻璃浆液一般浓度较高,在使用前需要加水稀释。依据井壁淋水情况和壁后注浆要求,本次注浆的配比参数为:水泥浆的水灰比控制在0.65～1∶1；水玻璃浓度为30～40°Be'；水泥浆与水玻璃之比控制在1∶0.5 ～0.8。凯苏凝高分子注浆材料分为KSN-1F型主剂和固化剂,需要事先根据井壁破碎程度和渗水情况进行浆液配比试验,同时调整催化剂的添加量以准确控制凝胶时间。

3.3 注浆参数选择

(1)注浆压力。注浆压力是促使浆液克服各种流动阻力,使浆液扩散、充填密实的动力,是注浆作业的一个重要参数。注浆压力的大小不仅与裂隙宽度、地层的附加载荷等工程地质条件有关,而且还取决于注浆深度、注浆速度、注浆量等因素。壁后注浆的压力应该比静水压力适当大0.5～1.5 MPa,当岩体裂隙比较发育时,可适当提高注浆压力。

井壁强度校核公式为:

式中:p——井壁在注浆部位所能承受的压力, MPa；

E——井壁厚度,取0.6 m；

R0——竖井的净直径,取10.0 m；

K——衬砌材料的允许抗压强度,混凝土井壁的强度为C45,故取K＝45 MPa；

η——安全系数,可取2；

pc——注浆终压,MPa。

由式(1)计算得井壁强度p＝6.13 MPa,因此壁后注浆全过程压力不能超过6.13 MPa。

(2)注浆扩散半径。

式中:g——重力加速度；

h——注浆压力；

a——岩层间隙的等值半径；

γ——水的容重；

s——浆液剪切强度；

β——时间系数。

现场施工时可通过调整浆液的渗透性、胶凝速度以及注浆终压来使壁后注浆的有效扩散半径大于2.5 m。

3.4 注浆孔布置及单孔吸浆量

(1)注浆孔布置。本次壁后注浆的范围为井筒标高-461.8～-550 m,井壁注浆高度共计88.2 m。为了实现注浆封堵井壁含水层的目的,每2 m布置一排注浆孔,合计44排,各排交错布置；每排16个孔,注浆孔深度为4 m,共计704个孔(预计有效注浆孔为:704/3＝234个),如图1所示。

图1 注浆钻孔布置示意

(2)单孔吸浆量。单孔吸浆量可按下式计算:

式中:A——浆液消耗系数,此处取1.35；

R——有效扩散半径,取2.5 m；

L——钻孔有效长度(非井筒注浆段长度),取3.2 m；

n——为壁后孔隙率,取0.03；

B——为浆液充填系数,取0.88。

计算单孔吸浆量为2.24 m3/孔。

3.5 机械设备

(1)钻孔设备。采用YT-28气腿式凿岩机钻凿孔深为4m的注浆孔。使用无缝钢管制作的注浆孔口管的直径为38mm,长度为1.2m。一端套扣焊挡环,另一端的100 mm范围内均匀布置直径为10 mm的花眼,数量为20个。挡环的主要作用是限位,防止孔口管完全打入钻孔。

(2)注浆设备。采用ZBQ—15/5气动高压注浆泵注浆,自制风动搅拌器配制浆液。

4 现场注浆施工

(1)成孔和孔口管埋设。凿岩工人按照事先确定好的孔位,利用YT-28气腿式凿岩机打注浆孔。成孔后埋设孔口管,可以有效防止注浆孔口塌落和返浆,并承担注浆孔顶部的压力以避免井壁表面劈裂。在预制孔口管的马牙扣处缠上沾满铅油的麻,用大锤将孔口管砸入注浆孔,外露的管子长50～70 mm。然后将球形阀拧到注浆孔的丝头上。使用水泥-水玻璃胶泥密封孔口,其凝固后方可注浆。

(2)注水洗孔。为了获得较好的注浆质量,注浆前注水洗孔是一项必不可少的工作。目的一是清除壁后裂隙中的岩粉、碎屑等杂质,避免堵塞注浆通道而影响浆液的灌注。二是依据注水状况,估计注浆泵的初始排量和浆液参数的调整范围。注水量根据岩体加固范围和裂隙发育情况而定。当注水压力不大于3 MPa时,即认为该注浆孔可以注浆。

(3)压注浆液。将水泥浆经过两级过滤后由注浆泵压入注浆孔。注浆浓度为先稀浆后浓浆,单液注浆压力不超过5 MPa,双液注浆压力不超过6 MPa。时刻注意浆液的注入率与注浆压力,防止高压大注入率情况的出现。若压力不升,则单孔注浆量不宜超过2 t。最后用按要求稀释且过滤后的水玻璃浆液密封注浆孔。注浆完成后,割除孔口管的外露部分。

当注浆压力达到终压,准备封堵的涌水点不再漏水,周围没有跑浆现象,且10 min后打开放浆阀门不漏水,即可结束该孔注浆；当集中出水点涌水量不大于0.5 m3/h,即表示该注浆段达到了工程要求,可以停止注浆。

5 结束语

总体来看,在治理井壁淋水、涌水的问题上,壁后注浆仍然是最合理有效的治理方式。在本次施工中,总结出以下几条经验:无论所打钻孔有无出水情况,均要注浆,以防止其它孔注浆时水受到挤压后涌出。控制注浆终压时,避免在一个位置反复破壁注浆,尽量一次注浆到位。注浆结束后,应继续往注浆管路中注入适量的清水,从而使注浆设备内的残余浆液进入到废液池中(废液池位于吊盘上),然后提至地面处理掉。每次注浆结束后,都要清洗和检修注浆设备及管路,以便为下次注浆施工作好准备。

[1]朱师奎,谢文兵.浆液在巷道围岩破裂中扩散规律研究[J].矿山压力与顶板管理,2004(2):56-58.

[2]刘嘉材.裂隙注浆扩散半径的研究[A].水利水电科学院科学研究论文集[C],1988.

[3]周志利.大断面立井井筒综合治水技术研究[J].中国煤炭, 2011,37(2):56-58.

[4]李勋千.井筒涌水预测及注浆堵水[M].北京:煤炭工业出版社,1992.

[5]彭振斌.注浆工程设计计算与施工[M].武汉:中国地质大学出版社,1997.

[6]刘书杰,张基伟.井下巷道围岩加固的地面预注浆工艺研究[J].采矿技术,2013,13(3):53-54.

[7]匡永志,蒙光林,马春德,等.壁后注浆固结技术在破碎岩体中施工主水仓的应用[J].矿业研究与开发,2011,31(2).

2015-05-04)

李明楼(1966-)，男，高级工程师，从事建井工程技术管理工作，Email:liml＠ncmcc.com.cn。

2014年北京市科技计划重大科技成果转化落地培育项目(Z141100003514012)；2013年财政部施工新技术研究与开发资金项目(2013[235]号)；国家自然科学基金资助项目(51174044,51474052)；国家高技术研究发展计划(863)项目(2011AA060400)；辽宁省教育厅人才项目(LJQ2012024)；辽宁省人事厅人才项目(2013921070).