高压旋喷注浆技术在副井施工中的应用

王卫生

(北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 100083)

高压旋喷注浆技术在副井施工中的应用

王卫生

(北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 100083)

赞比亚国谦比西市东南副井井筒下掘至强风化泥质白云岩阶段出现了大面积垮塌，对下部施工带来了很大的困难。为保证下部施工顺利进行，采取了工作面高压喷预注浆措施，并取得了预期的效果。分析了井筒壁垮塌的原因，介绍了工作面预注浆的设计与施工工艺，得出该类型矿山建设阶段的相关施工经验和技术。

井筒掘进；高压旋喷注浆；工作面预注浆

1 工程概况

赞比亚谦比西东南矿体副井位于谦比西矿区东南6 km MUKULUMPE农场内，该副井井筒净直径7.2m，井口砼面标高1235.05m，井筒深度1120m。

当副井井颈段施工至井深21.5m处继续向下掘进时，遇强风化泥质白云岩，围岩极不稳定。施工井深至23.5m时，井筒南侧由于侧压力出现垮落，当掘至井深31.5m出现如同井深23.5m时，相同的情况。砼壁后形成非常大的空洞，给下步施工造成很大的安全隐患。

由于没有东南矿体副井范围内的地质钻孔资料，只能是依据距副井100m处的主井的地质钻孔施工。资料显示该段位于第四系黏土以下的强风化带中，岩性为泥质岩与泥质白云岩互层，呈灰色，风化后呈砖红色，泥质结构，层状构造。主要矿物成分为粘土矿物，含白色斑点状高岭石及泥质岩风化角砾，偶见石英。强风化岩呈泥质砂土状，裂隙不发育且多被泥质充填，弱风化裂隙薄且不发育。该段岩层遇水易膨胀，呈流塑淤泥，粘性较强，井壁围岩向井筒内部挤压，压力较大，垮塌严重，工程地质条件极差，施工条件极恶劣。

根据资料，该段位于第一含水层中，为第四系风化裂隙潜水。由含砾砂质粘土组成，透水弱含水，直接覆盖于风化裂隙带之上，无明显隔水层。含水层富水性取决于风化裂隙的发育程度及岩性和风化程度，预测最大涌水量100m3/d即4.17m3/h。

2 初遇强风化层时采用的施工方法

东南矿体副井作为通风行人井，对其井建工程的安全性、准确性、可靠性和容错率高低等具有很高要求。因此必须安全可靠地通过此风化层，以确保下步施工可以顺利进行。

2.1 运用“短掘短砌”技术

当时正值雨季刚结束，周边河流储水充沛，地下径流补给水丰富，导致地表渗水和围岩裂隙出水加大。施工井深至23.5m时，井筒南侧由于侧压力出现垮落，垮落厚度达1m，宽度6m，高度7m。在井筒23.5m以下段施工过程中也出现局部垮落，采用“短掘短砌”技术，顺利通过。

当掘至井深31.5m出现如同井深23.5m相同的情况，东西偏南侧近半个井筒，砼壁后形成空洞。砼壁后的强风化泥质白云岩遇水形成泥糊状向下部挤压，从砼壁后向井筒中心挤压。

当准备对该段进行快速通过时，从开挖到背板和螺纹钢支护到浇砼完成，才将挤压出来的泥糊清理完成，又对其用木板，钢管、螺纹钢及槽钢、角钢进行支护，过了约8h后，这些背板用的材料全部被挤压变形移位。

3 施工后期井壁加固处理方案

3.1 支护后发生地表沉降的主要因素

井壁封闭支护后不久又发现在地表南偏东距锁口盘约6m处出现长约8m、宽约50mm的裂缝，北偏西有长约2m、宽约5mm的裂缝。经业主现场实地勘察，认为造成地表开裂的原因主要是井筒长期排水造成水位下降，破坏了上部土体的原始状态，从而引起了地表沉降，地表回填土沉降及井筒围岩松软垮帮也是影响地表沉降的因素之一。

3.2 采取壁后充填与工作面预注浆前的准备工作

针对井壁加固封闭效果不佳以及地表发生沉降等情况，为了及时高效地通过此风化层，决定采取壁后充填注浆与工作面预注浆等加固措施。

1.3调查所得资料采用EpiData3.0软件进行的数据录入,应用SPSS17.0软件进行统计学分析,率的比较采用x2,检验水准=0.05。

(1)井底设滤水层与集水滤水盒。按现场涌水量、井筒断面，依据建井工程手册中滤水层厚度计算公式计算得滤水层厚度为0.4m，依据计算结果，结合现场实际施工情况，取滤水层厚度为1.0m。

根据井筒涌水量、现有潜水泵的排水能力及止浆垫浇筑过程中潜水泵排水的可靠性等因素，设置2套Φ325×12×2500mm无缝钢管制作的集水滤水盒。

(2)浇筑砼止浆垫。考虑现场施工条件及注浆终压，结合相关施工经验，止浆垫选用强度等级C30的砼，浇砼高度1m。止浆垫浇筑前，为防止砼砂浆流入滤水层，在石子滤层上面铺设一层彩条雨布。

3.3 壁后加固充填注浆

止浆垫浇好后养护7 d，实施井深23.5～31.5m段井筒壁后加固充填注浆及滤水层密实注浆。浆材选用纯水泥浆，浆液配比为1∶0.6～1∶2，尽量用浓水泥浆，以注浆泵能注入为准。

注浆孔采用YT－24凿岩机打眼，钻孔直径Φ38mm，眼深3m；注浆管选用Φ38mm无缝钢管，长3m。钻孔为垂直于井壁面扇形、并沿井筒周边均匀布置，水平间距1m、层间距1m。如图1所示。

4 高压旋喷注浆技术应用

壁后充填密实注浆结束后，开始止浆垫以下的工作面预注浆。考虑到强风化层岩石的性质以及注浆方案的可行性等因素，选择高压旋喷注浆法。

图1 壁后注浆孔布置示意

4.1 高压旋喷注浆的原理

高压旋喷注浆技术就是先钻孔至注浆工作面以下一定深度后，利用高压注浆泵使浆液压入孔内，形成20～40 MPa高压喷射流，不断切割破碎岩体，破坏强风化泥质白云岩。当喷射流的动压超过土体结构强度时，土粒便从岩体中剥落下来与浆液搅拌混合。并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列，浆液凝固后，便在岩体中形成一个固结体，以提高其抗剪强度、改善土的变形性质，使其在上部结构荷载直接作用下不产生破坏或过大的变形。且边喷射边以一定速率往上提升，最终在钻孔周围形成固结后能承载一定负荷的水泥结石圆柱体，达到加固岩体和隔离渗水的作用。

高压旋喷注浆的加固范围与多种因素相关。与喷射压力和高压喷射孔的直径成正比，与注浆钻杆的提升速度、岩体的抗剪切强度以及水泥浆液的粘稠度成反比。

4.2 高压喷射桩的布置与注浆参数的选择

根据井筒断面大小，结合目前掌握的含水层特点，暂定孔数24个。高压旋喷桩采用单排布置，单管法旋喷，桩径取0.7m，孔间距0.8m，要求0～4m不用喷，实际段高喷射长度10m。桩位沿井筒中心6.2m均匀布设，共设计高压旋喷桩24根，总桩长624m。钻孔沿井筒内圈周边均匀布置，钻孔全部为径向斜孔，倾斜角度大约为5.7°。

钻孔开孔圈直径为6.2m，即距离井筒净断面轮廓线内0.5m；终孔圈直径为12.2m，即钻孔终孔超出井筒净断面轮廓线外3.0m。桩眼布置图如图2所示。

平均水灰比取1.5∶1，其他材料配比根据材料性能和实际条件现场试验确定。

4.3 插管作业和旋喷施工

施工前应先进行高压清水切割与气举反循环处理，作用是为了对软弱夹层的顶底板充分切割并将孔内粉渣清理干净。考虑到本次旋喷注浆的对象是强风化泥质白云岩的软弱层位，因此选用76型旋转振动钻机进行单管旋喷。钻机需平置于牢固坚实的地方，钻杆(注浆管)对准孔位中心，偏差不超过10 cm，打斜管时需按设计调整钻架角度。

图2 钻孔布置

在插管时，为防止泥砂堵塞喷嘴，必须做到边射水边插管，同时水压力必须控制在不大于1 MPa内，如果压力太高就可能将孔壁射塌。

主要机具的选择如表1所示。

下喷射管前，应进行地面试喷并调准；下入拆卸喷射管时，应采取措施防止喷嘴堵塞，高压注浆时，喷嘴下至高压旋喷注浆设计深度，应先按规定参数送浆进行驻喷一段时间，然后开始高压旋喷注浆。施工流程如图3所示。

注浆前应向孔内压注清水，提高裂隙的可注性，并准确测定钻孔的水压、单位涌水量。注浆压力以15～25 MPa为宜，太小加固范围满足不了要求，太大可能会产生漏浆或渗浆；浆液流量为100～200 L/min，以确保浆石充分混合加固；提升速度40 cm/min；旋转速度10～15 r/min。注浆扩散半径应不小于30 cm。浆液选择以单液水泥浆为主，主要为425型硅酸盐水泥浆。高压喷射注浆参数选择如表2所示。

表1 主要注浆机具

图3 注浆工艺流程

表2 高压喷射注浆参数

5 效果评测

运用高压旋喷技术进行工作面预注浆后，井筒内岩体密实加固效果明显。经注浆后的探查孔探查表明，井筒断面内岩石固结完全，垮塌位置浆液充填丰富，无明显出水孔，堵水堵漏效果显著。具备下一步井筒下掘施工条件。

6 结 语

赞比亚谦比西铜矿东南矿体副井工程竖井井筒下掘至23.5m时，遇强风化泥质白云岩，发生侧翼的大面积垮塌，后下掘至31.5m遇到同样的塌方情况，且垮塌的岩石遇水后形成难以清理的泥糊，对下部施工造成很大的困难，虽多次采用钢板等刚性材料进行强行支护加固，但都收效甚微。后来不得不进行工作面预注浆，以确保下部岩石不再出现同样的垮帮事故。此次注浆作业中很多技术和经验值得借鉴，尤其是运用高压旋喷注浆技术对垮帮后的工作面进行注浆密实处理，并对注浆工艺进行了改进，为此类矿山强风化含水岩层井建施工积累了宝贵的经验。

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[4]GBJ213－90.矿山井巷工程施工及验收规范[S].

2015-09-08)

王卫生，男，安徽潜山人，高级工程师，硕士研究生，Email:tlzdwws2008＠126.com。