地面预注浆在鲁西地区岩溶地层堵水中的应用

王培培

(唐山开滦建设(集团)有限责任公司，河北 唐山 063000)

地面预注浆在鲁西地区岩溶地层堵水中的应用

王培培

(唐山开滦建设(集团)有限责任公司，河北 唐山 063000)

总结了地面预注浆技术在鲁西地区奥陶系大理岩裂隙岩溶发育带含水层中堵水的应用，结合工程实例对预注浆封堵奥陶系大理岩裂隙岩溶水的设计、施工过程、堵水效果等进行了论述，为以后铁矿岩溶地层的注浆堵水提供宝贵经验。

地面预注浆；岩溶裂隙发育带；、注浆堵水；有效帷幕

莱新铁矿位于山东省莱芜市牛泉镇，采用立井开拓方式。因先期建设的东回风井和2#副井在凿井时井筒涌水量偏大，为此，拟建西风井在施工前需采用地面预注浆法对西回风井筒灰岩140-240m段强含水层进行治理。

1.地质及水文地质概况

1.1 地层

依据莱新铁矿西回风井检查孔地质资料，自上而下揭露的地层依次为新生界第四系松散层、第三纪半胶结泥岩、粉砂岩、奥陶系中统石灰岩和蚀变大理岩、燕山期蚀变闪长岩等。

表1 井筒检查孔揭露地层一览表

⑴粉质粘土(Q4)：层底埋深9.50m。红褐色、黄褐色，粘粒成分较高，含石英、长石，粉细砂粒，上部0.60m为耕植土，含较多植物根系，可塑～硬塑，含少量铁锰质结核和条带。

⑵粗砂(Q4)：黄褐色，稍密～中密，揭露厚度1.50m，成分以石英、长石为主，磨圆度差，级配不良，粘土含量约占20%。

⑶粉砂岩(俗称红砂岩)(E)：层底埋深157.1m，层厚146.1m。棕红色、褐黄色，泥质结构，块状构造，结构机具蜡脂光泽，泥质胶结。第三系在本区为红色粘土质粉砂岩和红色砂岩成分成互层状，成岩作用较差，易风化，具遇水软化，失水干裂特征。裂隙不发育，冲洗液无明显消耗现象。

⑷大理岩(O2)：层底埋深198.5m，层厚41.4m。乳白色、灰白色，结晶结构，块状构造，质不纯，裂隙较发育，方解石脉填充。在孔深176.5～180.7m处，岩芯破碎，呈碎块状，取芯率较低。孔深179.4～179.6m处有0.02m的溶洞，循环液全泵量漏水。静水位下降至孔口下70m，孔口至终孔再没有返水。孔深在180.7～198.5m处，水蚀现象严重，局部呈蜂窝状，岩石强度较低。

⑸石灰岩(O2)：层底埋深224.3m，层厚25.8m。青灰色，隐晶质结构，块状构造，裂隙不发育，岩芯呈长柱状，最大岩芯长度大于2m。岩体较完整，基本质量等级为Ⅲ级，弱含水。

⑹闪长岩(Art)：层底埋深650.6m，层厚426.4m，深灰绿色，结晶结构，块状构造，主要成分为石英、长石、普通角闪石等，在孔深228.3～229.5m和469.0～470.4m处为蚀变闪长岩，绿泥石化现象明显，岩芯呈碎块状，含磁铁矿。

1.2 水文地质

据检查孔揭露，井筒上部第四系松散层地层薄，弱含水。基岩层段含水层岩性主要为大理岩、石灰岩，含水空间以裂隙岩溶为主。另据钻孔抽水试验资料，孔深176.5～198.5m处含水层含水性均较强，其他各含水层含水性均较弱。井筒检查孔揭露主要含水层为奥陶系大理岩裂隙岩溶发育带，根据井筒检查孔抽水试验取得的水文地质参数计算，井筒最大涌水量107.41m3/h，含水丰富；实际揭露时，水量更大。

2.注浆堵水方案及设计

2.1 质量要求

地面预注浆后，注浆段井筒剩余水量不超过6m3/h，并且在凿井爆破影响圈以外形成有效帷幕，帷幕厚度不小于9m。

2.2 注浆技术参数

⑴孔位布置及孔数：地面预注浆钻孔布置圈径为8.0m，均匀布置6个注浆孔。

⑵注浆深度及段高：地面预注浆的重点是对井筒穿过的大理岩及奥陶纪灰岩进行注浆堵水，其以上地层均进行辅助注浆。故确定主要地面注浆段上限深度为140.00m，下限深度为240.00m，注浆段长100m。划分为三段，即岩帽注浆1段140m～160m；粘土水泥浆2段160m～200m；粘土水泥浆3段200m～240m；

表2 注浆段划分一览表

⑶注浆材料：岩帽段采用水泥单液浆，注浆段采用粘土水泥综合浆，添加剂为水玻璃。

⑷注浆方式：总体上采用分段下行的注浆方式，条件适宜时，可采用上行或上、下行结合的注浆方式，以保证孔内安全，加快施工进度。

⑸注浆结束标准：岩帽注浆段注浆终压为静水压力的1.5～2.0倍，泵量不大于100L/min，稳定时间不少于20min；粘土水泥浆注浆段注浆终压为静水压力的2.0～3.0倍，泵量不大于250L/min，稳定时间不少于30min，重点注浆段有较充足的注入量。

2.3 井筒结束标准

整个井筒注浆结束后，选作最后一个孔兼做检查孔，对整个井筒注浆效果做压水试验进行检测，注浆段单位吸水率不超过0.005L/min.m.m2即视为掘砌前注浆段堵水质量合格。实测掘进后单位涌水量为零，说明地面预注浆技术在鲁西岩溶矿区取得了非常显著的堵水效果。

3.注浆施工情况

针对该井筒穿过的大理岩及奥陶纪灰岩进行注浆堵水，根据井筒参数设计6个，布置3台钻机，1#、3#、5#孔作为第一组孔先施工，2#、4#、6#孔作为第二组孔施工，且最后完工的一孔兼做注浆质量检查孔如图1。

图1 注浆钻孔布置图

共施工造孔工程量1441.16m，注入浆液总量4470m3。注浆方式采用分段下行式的注浆方法，可以可靠控制井筒注浆质量，如表3。

表3 注浆量与使用材料一览表

⑴钻探技术要求

注浆钻孔开孔孔径为Φ190mm牙轮钻头钻至140m，下入Φ159*6mm护壁套管，并水泥固管。注浆段孔径Φ118mm。钻孔孔斜要求钻孔偏斜率固管段、注浆段均不大于5%，并且钻孔轨迹在注浆圈径(φ=8.0m)上分布大体均匀(表4)。

表4 钻孔偏斜一览表

⑵注浆压力控制

岩帽注浆段注浆终压为静水压力的1.5～2.0倍；粘土水泥浆注浆段注浆终压为静水压力的2.0～3.0倍。浆液配比：单液水泥浆以水灰比0.75：1、1：1的为主，辅之以0.6：1的较浓的浆液，浆液中加入千分之5的食盐和万分之5的三乙醇胺。粘土原浆比重1.18～1.26kg/cm3，粘度17～19s，粘土水泥浆比重1.32～1.43kg/cm3，综合浆粘度19～滴流，水泥加入量250kg/m3，水玻璃加入量30L/m3。注浆结束后使用0.6：1单液水泥浆进行封孔。

4.分析注浆量超量原因

岩帽段注入浆液1434m3，超设计659m3，粘土综合浆达到设计注入量的98%。其中岩帽段共注39次，均采用间歇定量多次注浆的方式，有效的控制岩帽段浆液有效扩散半径。

分析造成注浆量超注的原因为：据钻进情况和综合注浆过程来看，岩帽段注浆量超设计而注浆段未达到设计注浆量，井检孔资料显示与施工所见地质构造相差较大，按照西风井井筒检查孔资料显示上部的棕红色粉砂岩裂隙不发育，但经5#钻孔146m～151m取芯验证垂直开裂隙发育，岩石破碎；在孔深157.10m石灰岩界面风化严重，岩石破碎，高角度裂隙发育。均导致岩帽段地层吃浆量加大，注浆量提高。

5.注浆质量检验

5.1 注浆过程质量分析

注浆过程质量分析主要包括：钻孔轨迹是否均匀布置；注浆段落起止深度是否合理划分所注含水层且注浆设备满足受注段技术要求；注浆材料的选取是否符合规范要求；注浆起始浓度是否结合受注地层地质情况详细分析；注浆期间压力变化异常及跑浆、串浆等异常情况是否正确处理；利用注浆量柱状图，分析各段吃浆量是否有薄弱带需要加强处理等。

在施工西回风井中，各施工工序均满足设计要求，各孔注浆终压均大于设计值，实际注浆量4470m3，超出设计15.41%。

结合岩层裂隙率，计算出井筒各段注浆浆液扩散半径，在根据各段钻孔偏斜平面图绘制了浆液扩散交圈图(以200m浆液扩散效果为例，实际浆液有限扩散距离为9.65～12.84m，满足设计和技术规范、规程要求，质量合格，如图2。

图2 浆液扩散交圈图

5.2 井筒剩余涌水量检查

注浆是隐蔽性工程，对注浆质量的检查和鉴定，目前煤炭井巷工程中依据打检查孔压(抽)水试验结果论证根据受注岩层吸水率反推井筒最终涌水量，本工程通过3号孔进行简易压水试验，试验段为孔深140～240m段，压水试验得出压水吸水率小于0.0030L/min.m，经计算井筒剩余涌水量为0.037m3/h，达到了很好的注浆堵水效果，满足施工设计要求。经后期中煤五建三处莱新项目部掘砌施工得知整个注浆段涌水量为零，保证井筒的顺利开挖为我单位在山东区域磁铁矿岩溶地层注浆奠定了基础。

6.结语

采用地面预注浆技术在鲁西地区岩溶区治理井筒涌水，可以形成良好的堵水帷幕，有效的封堵了地下含水层和井筒之间的水力联系，为井筒施工开挖，取得了良好的条件，对井筒安全、高效、快速的掘砌形成良好质量效果奠定了坚实的基础。整个注浆工程施工工期89d，工程造价430.37万元，不仅提前工期16d，工程造价还增加了83万元，取得了较好的经济效益和社会效益。

[1]唐山开滦建设(集团)有限责任公司.莱新铁矿西回风井井筒地面预注浆工程技术报告[R].唐山唐山开滦建设(集团)有限责任公司.2012.

[2]周兴旺，薄志丰等.注浆施工手册[M].北京：煤炭工业出版社.2012.

[3]崔云龙等.简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社.2008.

[4]武强，董书宁等.煤矿防治水手册[M].北京：煤炭工业出版社.2013.

Application of Ground Pre - Grouting in Water Shutoff of Karst Stratum in the Western Shandong Area

WANG Pei-pei

(Tangshan Kailuan Construction (Group) Co., Ltd. Tangshan 063000, China)

This paper summarizes the application of ground pre-grouting technology to water shutoff in the aquifer of the Ordovician marble fractured karst development zone in the western Shandong area. Combining with the engineering example, the design of the water of the Ordovician marble fissures, construction process, water shutoff effect were discussed, providing valuable experience for karst stratum grouting water shutoff of iron mine in the future.

ground pre-grouting; karst fissure zone; grouting water shutoff; effective curtain

2017-03-02

王培培(1986-)，男，唐山开滦建设(集团)有限责任公司助理工程师，从事地质勘探工作。

TD745

A

1671-3974(2017)02-0071-03