基于止浆垫的上行式分段注浆技术在田兴铁矿3#主井的应用

高 超

(河钢集团矿业公司司家营南区矿山分公司)

田兴铁矿共有3条主井，设计井深均为670 m，井筒净直径为5.6 m，为同一家单位施工。1#、2#主井设计冷冻段290 m，3#主井设计冷冻段210 m，现均已施工完成[1]。冷冻段采用内、外双套壁施工[2]，基岩段采取“边探边注、短注短掘”的施工方式应对地下含水层，确保正常掘进施工。矿区基岩的构造以褶皱为主，有少量断裂，并存在小规模的结构面，主要为岩体破碎带和节理发育密集带。竖井工作面注浆时多采用预留岩帽注浆的方式，遇到岩层较差地段则采取止浆垫注浆的方式。

1 工程概况

田兴铁矿3#主井井筒冷冻段施工完成后，基岩段进行过2次阶段性注浆，均采取预留止浆岩帽的形式。待工作面掘进至-326 m深时，出现少量涌水，出渣后发现工作面岩石硬度较差，继续打钻探水时探测到工作面下方存在裂隙带。现场转入注浆准备工作，加固岩帽时工作面存在跑浆、窜浆现象，为了确保施工安全，决定采取施工止浆垫充当注浆岩帽，进行堵水注浆。

2 止浆垫技术

工作面预注浆一般都会预留止浆岩帽，确保注浆时能够承受注浆压力，不会出现跑浆、开裂现象。止浆岩帽的计算公式为

B=P0D/4[τ] ,

(1)

式中,B为止浆岩帽厚度,m;P0为最大注浆压力，MPa；D为井筒净直径，m；[τ]为岩石的允许抗剪强度，MPa。

若岩石性质较差，应先加固止浆岩帽，确保其强度能够承受后续的注浆压力。3#主井-326 m深处工作面岩石硬度差，加固后发现此工作面不具备充当止浆岩帽的条件。

2.1 止浆垫厚度计算

由于工作面岩石硬度差，不能够承受注浆压力，故本次采用施工止浆垫的方式来充当注浆岩帽，选取平底型止浆垫，其厚度是根据最大注浆压力P0和混凝土的允许抗压强度[σ]来确定的[3]，即

Bn=P0r/[σ]+0.3r,

(2)

式中,Bn为止浆垫厚度，m；P0为最大注浆压力，MPa，P0=Pr+Pu，Pr为注浆孔口的静水压力，MPa，Pu为注浆剩余压力，MPa；r为井筒掘进半径，2.8 m；[σ]为混凝土的允许抗压强度，MPa，一般用混凝土3～7 d的极限强度R3～7除以安全系数K来确定。

本次设计止浆垫厚度Bn=4 m。

2.2 止浆垫施工

2.2.1 滤水层施工

清理工作面浮渣，用孔口管对出水点进行封堵。滤水层采用240 mm×115 mm×53 mm红砖堆砌，预留滤水池，池内预埋φ108 mm×8 mm钢管，钢管体下部留有进水孔，孔径为20～25 mm。钢管顶端焊接止水阀外接卧泵进水胶管。在滤水层的上平面铺设2层油毡帆布[4]，保证上部混凝土浇筑时不渗水、不漏浆，工作面涌水控制在滤水池内由卧泵排出[5]。

2.2.2 止浆垫浇筑

采用C30混凝土，地表配比完成后由吊桶下放，确保混凝土强度。浇筑时连续施工，振捣密实，一次性浇筑完成。止浆垫混凝土凝固养护7 d后，关闭泄水管闸阀，观测记录止浆垫渗水情况。若止浆垫渗水，则继续排水养护，同时对止浆垫进行加固注浆，确保后续注浆时不发生跑浆；若止浆垫不渗水，则对滤水层加固后转入工作面注浆。止浆垫施工见图1。

图1 止浆垫施工示意

3 注浆方案

竖井工作面注浆按分段分为下行式注浆和上行式注浆。分段下行式注浆，即从工作面钻孔开始，由上向下，钻一段孔，注一段浆，反复交替进行，直至完成注浆段高。分段上行式注浆，即注浆孔一次钻进到注浆终深，使用止浆塞自下而上逐段注浆。其优缺点对比见表1。

表1 下行式注浆与上行式注浆对比

止浆垫养护完成后进行注浆工作。先对滤水层进行注浆加固，加固完成后转入深部探水工作。在探水后初步确定注浆段高50 m，探水过程中发现注浆段高内有2处含水层，依据探水经验和水文地质勘查的岩心柱状图对比确认，含水层上端岩石较为坚硬，为了减少不必要的浆液损耗，决定采取上行式分段注浆方式。

3.1 注浆半径及注浆孔

根据岩层渗透系数和裂隙宽度确定浆液的扩散半径。其扩散半径随着注浆压力、注入时间的增加而增大；随着浆液浓度和粘度的增加而减小。依据以往注浆经验，裂隙宽度在5 mm以下时，浆液扩散半径约2 m；裂隙宽度在10～25 mm时，扩散半径约4 m；裂隙宽度在30 mm以上时，扩散半径约6 m。

注浆孔的数目是根据岩石裂隙的大小、裂隙分布条件、井筒断面和注浆能力等因素来确定[6]。

N=π(D-2A)/L，

(3)

式中，N为注浆孔数，个；D为井筒荒断面直径，5.6 m；A为注浆孔至井筒荒径的距离，一般取0.3～0.6 m；L为注浆孔间距，一般选择1.5～2.0 m；

本次注浆孔布置9个，检查孔1个。可根据浆液的扩散半径和注浆孔数估算整体的注浆量。

3.2 止浆塞选取

上行式注浆关键在于止浆塞及其位置的选取。本次注浆选用单管膨胀式止浆塞[7]，其结构见图2。

图2 止浆塞结构示意(单位：mm)

止浆塞压力阀开启时，工作面注浆；止浆塞压力阀关闭时，止浆塞膨胀。依据探孔及岩心柱状图，选取岩石坚硬无纵向裂隙的地段作为止浆塞位置，向注浆管内注浆，当注浆压力未达到止浆塞压力阀开启时，该压力阀处于关闭状态，胶管在浆液压力作用下膨胀，直至与注浆孔壁完全贴合，实现封堵钻孔的目的；当注浆压力继续升高达到止浆塞压力阀开启时，浆液从出浆口流出，开始向注浆段注浆。

3.3 注浆施工

3.3.1 注浆段高

本次注浆共分3个段高，整体注浆段高74 m。-320～-338 m为止浆垫、滤水层和破碎带段注浆；-338～-354 m和-366～-380 m岩石条件较好，采用止浆塞分段注浆的方式；-354～-366 m和-380～-400 m岩石比较破碎，进行破碎带注浆。采用上行式分段注浆，待钻至-400 m处位置后，下放止浆塞，开始第一段注浆，第一段注浆结束后提升止浆塞，进行第二段注浆。3#主井-326 m工作面上行式注浆段高见表2。

表2 3#主井-326 m工作面上行式注浆段高

3.3.2 注浆参数

注浆水泥选用冀东P.O42.5R袋装普通硅酸盐水泥，该水泥质量稳定，早期强度高，后期强度可持续增长，水玻璃浓度为35°Bé。水泥单液浆水灰比为(0.5∶1)～(1∶1)，随着注浆压力的变化不断调整，注浆后期主要以1∶1的单液浆为主；水泥-水玻璃双液浆体积比为1∶1，其中水泥浆水灰比(0.75∶1)～(1∶1)。

4 结 语

田兴铁矿3#主井施工的止浆垫封堵涌水效果良好，止浆塞运用也比较成功，注浆期间没有出现大量跑浆。上行式分段注浆技术实践体现了施工工期短、造价费用低的特点，特别是减少了复钻时间和浆液的浪费。爆破拆除止浆垫后，掘进工作面涌水量小于5 m3/h，为后续施工创造了条件。