司家营南区1#回风井井筒防治水方案

李志鹏

(河北钢铁集团矿业公司)

司家营南区大部分区域被第四系地层覆盖，属于滦河超漫滩Ⅰ级阶地，地形开阔，地势较平坦。区内第四系地层为全新统和中更新统地层，地表岩性为粉砂、砂土、粉质黏土。矿区除局部地下水埋深大于3.0 m外，大部分区域地下水埋深均大于6.0 m，含水层岩性为粉细砂、砾卵石，上部粉细砂存在地震液化现象。第四系下部岩层经勘察发现较多破碎带及裂隙，掘进较困难。考虑到上部第四系含水层丰富，埋藏较深，下部岩石结构破碎，为确保掘井顺利进行，采用第四系冻结基岩段地表预注浆施工工艺。

1 地表预注浆方案

司家营南区1#回风井156.3～228.0 m水平属于风化裂隙含水层，228.0～261.8 m属于构造裂隙含水层，本研究注浆方案确定为上部关键部位注浆加固，下部岩性较好层位注浆堵水。注浆段选取为220～375 m，其中220～260 m为关键加固层位，因为裂隙发育，岩性较破碎，故采用单液水泥浆、小段高、大泵量、高压力的注浆方案；下部260～375 m岩性较好，采用黏土水泥浆堵水加固方案，同时对该注浆段范围内的破碎带进行小段高、高压力注浆加固处理。

1.1 注浆材料

固管及关键部位加固注浆段采用单液水泥浆。因黏土水泥浆成本低，适宜高效注浆，故拟在下部基岩注浆段主要采用黏土水泥浆。但根据施工需要，下部地层中的局部破碎带、不稳定地层或加固段采用黏土水泥浆堵水单液水泥浆加固措施。其中，黏土水泥浆是由黏土、水泥、水玻璃组成的悬浮液，主要成分为黏土。

1.2 注浆段高及注浆压力

注浆段高一般依据注浆工艺、含水层特征、岩性以及注浆设备、注浆材料品种等因素划分[1]。根据文献[2]，并参考矿区当地其他井巷地表预注浆经验，本研究设计的注浆压力为2.0～3.0倍静水压。对于黏土水泥浆，Q≤250 L/min为合格标准，稳定时间大于20 min；对于单液水泥浆，Q≤1 000 L/min为合格标准，稳定时间大于20 min。

1.3 注浆施工顺序及注浆方式

本研究采用分组施工顺序，根据现场施工条件和总体工程量，施工分为3个序次。注浆方式采取分段下行及上行相互配合的方式，根据施工的实际情况进行合理安排。具体注浆施工流程为：采集黏土→制浆→搅拌加入水泥、水玻璃等→注浆泵→注浆管路→孔口装置→钻杆→止浆塞→地层→扫孔→下一段或复注。造孔工艺流程为：安装设备开孔→测定钻孔顶角及方位→定向设计→下入定向钻具→定向操作→定向钻进→测定钻孔顶角及方位→定向设计(或终孔)。

1.4 浆液使用及配比

固管采用单液水泥浆；220～260 m水平为加固段，采用单液水泥浆，但遇强含水层或漏失严重时，可适当采用粘土水泥浆，260～375 m水平原则上采用黏土水泥浆。个别破碎严重坍塌的地层中，可注入单液水泥浆加固孔壁。单液水泥浆是将水泥加水配制而成的悬浮液，加入适量的早强剂可提高早期强度、缩短养护时间、提高注浆效率，水灰比为0.5∶1～1.25∶1。黏土水泥浆是由黏土、水泥、水玻璃组成的浆液，主要成分为黏土[3]。黏土水泥浆中水泥加入量为(100～300)kg/m3，水玻璃加入量为10～40 L/m3，其余增加的材料类型和添加量视地层实际情况而定。

1.5 地表预注浆孔布设范围

浆液扩散半径一般为6～8 m，但经过实践发现浆液扩散半径约为10 m，部分区域可扩散至更远，因此，将注浆孔底孔坐落荒径由1.5 m调整为1.8 m，1#回风井井筒净直径为6.50 m，第四系支护厚度1 300 mm，保温泡沫厚度75 mm，基岩段支护厚度450 mm，即注浆孔终孔圈径为3.8～12.85 m。因此，注浆孔布设圈径只要在此范围，并保证孔底散落于荒径内外即可。

1.6 冻结孔设计

当冲积层厚度为200～300 m时，立井开孔间距一般取值为1.3 m，主要考虑偏斜率控制和冻结交圈时间的平衡性，同时取决于现场钻孔施工偏斜率的控制水平和开孔数量

1#回风井第四系厚度156.3 m，全风化层厚度39.9 m，强风化层厚度31.8 m，经勘察孔可看出228～261.8 m水平存在破碎带，同时按相关规范，冻结孔应深入不透水基岩10 m以上，因此本研究冻结深度取值为276 m。

井筒冻结壁厚度计算公式为

(1)

式中，P为地压值，2.96 MPa；h为安全掘进段高，3 m；k为安全系数，2.2；σ为冻土极限抗压强度，MPa。经计算，E=3.0 m。

冻结孔布置圈径计算公式为

(2)

可见，若冻结孔按正常规范测斜偏斜率精度设计，则会超出注浆孔的终孔落孔范围，矿对偏斜率取值进行了修正：位于冲积层的钻孔偏斜率不宜大于2‰，位于风化带及含水基岩的钻孔偏斜率不宜大于3‰，综合平均2.43‰。经式(3)计算，D0=12.84 m。考虑到注浆孔孔径较大，兼做冻结孔时具有一定错动，因此，本研究冻结孔布置圈径取12.9 m。

冻结孔布孔直径确定后，可按下式综合确定冻结孔数

(3)

式中，Ls为冻结孔开孔间距，当冻结深度小于300 m时，取1.3 m。经计算，N=31.158，本研究冻结孔孔数取值为32个，反推出冻结孔开孔的合理间距为1.266 m。

1.7 注浆孔设计

(1)注浆孔间距及注浆孔位置。注浆孔开孔圈径与冻结孔布孔圈径相同，为12.9 m，注浆孔数为6个，注浆孔间距L=6.75 m<10 m。可见，注浆孔间距小于浆液扩散半径，因此注浆设计地面预注浆孔数为6个。为检验和增强注浆效果，增加高角度裂隙和微裂隙的揭露率，增加了6个检查孔，与注浆孔交错布置，起到检查和弥补注浆效果作用，同时增加帷幕厚度，各孔位置应与冻结孔重合。井筒断面上0°、56.25°、123.75°、180°、236.25°、303.75°位置布置注浆孔，33.75°、90°、146.25°、213.75°、270°、326.25°位置布置检查孔。

(2)注浆孔偏斜率检验。1#回风井井筒深度359.33 m，第四系厚度为156.3 m，156.3～228.0 m标高属于风化裂隙含水层，因此注浆孔岩帽高于风化层5～10 m，设计取起始深度220 m，深度超出井筒深度10 m以上，本研究取375 m。因此，注浆孔最大偏斜距离为1.166 7 m<2.5 m。可见，当2个注浆孔相对偏斜时，也能满足注浆要求，不会出现交叉孔现象。

2 造孔偏斜率控制措施

(1)钻机平台设计采用C30混凝土结构基础，钻场水平误差不超过±5.0 mm。开孔前，需对钻机认真找正，使得转盘中心、钻孔中心与钻塔提升中心重合，钻机底盘和基础间隙应垫实，确保开孔垂直度；开孔误差不宜超过±10 mm；正常钻进时应定时进行检测并调整[4-5]。

(2)相关规范中规定测斜频率为第四系50 m一测[4]，基岩段30 m一测，为避免偏斜率过大，本研究修正为第四系30 m一测，基岩段20 m一测，同时督促施工单位采购最新型管内陀螺仪，实现适时数据更新。

(3)增加钻挺长度和数量，钻挺作为加重设备，具有不易变形的特点，在数条钻挺连接的情况下，可以确保10～15 m长的钻孔不偏斜，从而减少钻偏概率。

(4)注浆孔固管前采取扩孔钻(直径220 mm以上)进行扩孔，对易扩孔的第四系和风化岩段进行扩孔，扩孔后，在大孔内设计点下放注浆管，经现场试验发现可将注浆管的偏斜率控制在0.5‰以下。在冻结孔钻孔时，可在下管前进行扩孔，在扩孔后进行冻结管下放焊接，完成下放后，管内注水达到超过平衡状态即可停止，利用钻机进行起吊调整位置，并进行测斜检测，直到达到设计位置后方可下放并再次注水，并在地表孔口进行固定，经现场调查发现可使冻结管的偏斜率不超过0.4%。

(5)增购纠偏设备(如5LZ146×7.0螺杆动力钻具、长短扶正器、斜向仪微机等)，对偏斜过大钻孔进行纠偏。

3 结 语

结合地表预注浆工艺，对司家营南区1#回风井井筒防治水方案进行了设计。该方案采用了11个地面预注浆孔(7个冻结深孔、4个冻结浅孔)兼作冻结孔，减少了冻结孔钻孔进尺2 727 m。在冻结段掘砌完成解冻后，该部分冻结管可以直接拔出回收利用，按合同冻结造孔单价310元/m、钢管140元/m计算，可节省经济成本122.7万元。