黃祥寬,黃玉生,潘承武

(廣西錫山礦業(yè)有限公司,廣西南寧 530022)

在斜井掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遭遇到各種地下水,給施工造成了很大的困難,嚴(yán)重影響到施工安全、施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。單靠抽排水,很難徹底解決問(wèn)題；長(zhǎng)期的、大量的抽排地下水,不但會(huì)浪費(fèi)能源、資源,還會(huì)打破自然地下水流場(chǎng)的平衡,進(jìn)而引起環(huán)境問(wèn)題。中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新分公司(以下簡(jiǎn)稱為：大新分公司)地采工程膠帶斜井施工中應(yīng)用了注漿堵水技術(shù),取得了良好效果。

1 工程概況

膠帶斜井工程是大新分公司60萬(wàn)t/a碳酸錳地下開(kāi)采開(kāi)拓工程的主井,掘進(jìn)斷面15.2 m2,凈斷面 11.2 m2,坡度 11(°),總長(zhǎng)度約 850 m。

1.1 工程地質(zhì)

從工程鉆探資料和井筒掘進(jìn)中實(shí)際揭露的地質(zhì)情況,可以看出斜井井筒230～500 m,圍巖主要為黑色硅質(zhì)灰?guī)r,中厚～厚層狀結(jié)構(gòu),巖層穩(wěn)定性比較好。但是在這一層中廣泛存在溶洞、巖溶通道、溶蝕裂隙、等巖溶地質(zhì)現(xiàn)象。當(dāng)斜井掘進(jìn)至330 m時(shí),揭穿一處巖溶通道。根據(jù)超前鉆探預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)資料,有的溶洞底板距離井筒頂板很近,且存在風(fēng)化現(xiàn)象,圍巖穩(wěn)定性比較差。如圖1所示。

1.2 水文地質(zhì)

斜井所穿越的230～500 m地段地下水類型有巖溶裂隙水、基巖裂隙水兩種類型。

巖溶裂隙水：主要賦存于泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)硅質(zhì)灰?guī)r溶蝕裂隙中。該含水層所在的巖層中,覆蓋層厚度較小,硅質(zhì)灰?guī)r中發(fā)育有大小溶洞,溶蝕裂隙。據(jù)抽水試驗(yàn)資料,硅質(zhì)灰?guī)r中的滲透系數(shù)為k=16.51 m/d,單位涌水量q=7.479 L/s·m。地下水位5.2～6.5 m。該類地下水分布在斜井中段的圍巖中,直接對(duì)斜井充水。

圖1 超前預(yù)測(cè)地質(zhì)剖面

基巖裂隙水：主要賦存于泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l)硅質(zhì)巖裂隙中。硅質(zhì)巖節(jié)理裂隙發(fā)育,其滲透系數(shù)為 k=2.53 m/d。該類地下水分布在斜井兩端段的圍巖中,具有一定的承壓性,直接對(duì)斜井充水。

掘進(jìn)過(guò)程中斜井井筒實(shí)測(cè)涌水量200 m3/h左右,最大單點(diǎn)涌水量60 m3/h。巖溶裂隙水、基巖裂隙水主要接受來(lái)自上層松散巖層孔隙水的補(bǔ)給,以泉和向相鄰含水層側(cè)向補(bǔ)給的形式排泄,上層松散巖層孔隙水的補(bǔ)給主要來(lái)自大氣降水和布康溪。

1.3 引發(fā)的施工問(wèn)題

1)涌水量大,排水比較困難,作業(yè)環(huán)境惡劣；

2)溶洞、裂隙的存在影響圍巖的穩(wěn)定性,易塌方、冒頂；

3)有可能揭穿溶洞,存在突水、突泥重大隱患。

2 注漿堵水方案

斜井掘進(jìn)至330 m時(shí),揭穿巖溶通道,揭穿處單點(diǎn)涌水達(dá)60 m3/h,井筒涌水量超過(guò)200 m3/h。強(qiáng)排水已無(wú)法滿足施工的需要,并且經(jīng)過(guò)超前地質(zhì)鉆探預(yù)測(cè),井筒前方存在不良巖溶地質(zhì)體。為了安全通過(guò)該段,根據(jù)國(guó)內(nèi)外治理大水礦山的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合本斜井的工程及水文地質(zhì)條件和礦山的實(shí)際情況,井筒開(kāi)挖過(guò)程中宜采用注漿堵水為主、排水為輔的防治水方案。注漿漿液在井下的導(dǎo)水裂隙巖層中形成隔水體,使井筒與地下水隔離,達(dá)到施工順利進(jìn)行和保護(hù)地質(zhì)環(huán)境的目的[1]。如圖2所示。

圖2 注漿堵水效果示意

2.1 注漿方式

針對(duì)不同的工程及水文地質(zhì)條件采取不同的注漿方式[2],根據(jù)實(shí)際情況,該工程主要采用局部注漿和超前預(yù)注漿。

2.1.1 局部注漿

針對(duì)井筒開(kāi)挖后已發(fā)生涌水的地方,采取局部注漿堵水。對(duì)涌水量比較大的已揭穿的巖溶通道,先構(gòu)筑止?jié){墻,封住通道涌水口,再行注漿作業(yè)。通過(guò)注漿巖溶通道揭穿處,涌水量由60 m3/h減小至3 m3/h,大大改善了該處的作業(yè)環(huán)境。

2.1.2 深孔超前環(huán)向帷幕注漿

深孔超前環(huán)向帷幕注漿是在全面掌握作業(yè)面前方巷道圍巖的工程水文地質(zhì)條件后實(shí)施,對(duì)于穿過(guò)大斷層、破碎帶、巖溶溶洞帶等不良地質(zhì)條件地段,宜采用該方案。其實(shí)質(zhì)是沿巷道周邊以一定間距布設(shè)一圈環(huán)向深孔,漿液通過(guò)泵壓以滲透、擠壓、劈裂的型式楔入導(dǎo)水巖層的裂隙。漿液凝固后充填于斷層或裂隙中,封堵地下水的過(guò)水通道、膠結(jié)破碎的圍巖,從而在巷道外圍的一定范圍內(nèi),形成一個(gè)較長(zhǎng)的注漿帷幕隔離保護(hù)體,以達(dá)到堵水和加固圍巖的目的,使巷道能在無(wú)水或小水的狀態(tài)下施工[2]。

2.2 注漿堵水的基本參數(shù)

2.2.1 漿液擴(kuò)散半徑

由于巖層裂隙的各向異性,漿液在巖層裂隙中的擴(kuò)散是極不規(guī)則的,實(shí)際上漿液擴(kuò)散半徑是不存在的。漿液擴(kuò)散范圍與巖石裂隙的大小和分布、漿液的粘度、凝結(jié)時(shí)間、注漿速度和壓力、注漿量等諸多參數(shù)有關(guān)[3]。漿液擴(kuò)散范圍見(jiàn)表1。

表1 漿液擴(kuò)散范圍設(shè)計(jì)值

根據(jù)本工程的地質(zhì)情況,經(jīng)計(jì)算及工程類比確定漿液擴(kuò)散半徑R=3 m。

圖3 注漿孔布置

2.2.2 注漿孔施工參數(shù)設(shè)定

每循環(huán)注漿長(zhǎng)度15m。先施工單號(hào)孔,后施工雙號(hào)孔,雙號(hào)既作復(fù)注孔,也作檢查孔,同時(shí)檢驗(yàn)漿液的擴(kuò)散半徑。布孔：在井筒開(kāi)挖輪廓線內(nèi)均勻布置,注漿孔數(shù)量10個(gè),終孔在掘進(jìn)斷面外3 m處,施工角度為向外11(°),孔深15 m。在工作面中間施工檢查孔1個(gè),孔深15m。如圖3所示。注漿孔孔徑：采用QZJ-100B-J立柱式潛孔鉆機(jī)施工,開(kāi)孔直徑110mm,終孔直徑75mm。

2.2.3 注漿壓力

1)注漿壓力的大小根據(jù)巷道受注地段的靜水壓、突水的動(dòng)壓力、裂隙大小、漿液的性能及擴(kuò)散距離、止?jié){墻(或止水巖帽)的抗壓能力等參數(shù)確定[2]。一般注漿壓力越高,漿液充填越飽滿,抗?jié)B性越好,堵水和加固的范圍也越大；但過(guò)高的注漿壓力會(huì)造成漿液的無(wú)效流失和作業(yè)面產(chǎn)生冒漿等。

注漿壓力 PC由式(1)計(jì)算：

式中P0——注漿點(diǎn)靜水壓力,取10 kg/cm2；

5～8 ——富余壓力 ,取 8 kg/cm2。

經(jīng)計(jì)算,PC=P0+(5～8)=18 kg/cm2。

2)止?jié){巖盤的厚度及防漏漿處理

止?jié){巖盤的作用是防止富水地段地下水涌向工作面及注漿過(guò)程中工作面跑漿,在隔水性能較好的巖層條件下,止?jié){巖帽留3 m,反之預(yù)留5 m。

2.2.4 漿液配合比

注漿材料：注漿采用水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,水玻璃為40(°)Bé堿性水玻璃。漿液制作：注漿液采用水泥單漿液、水泥—水玻璃雙漿液,采用機(jī)械攪拌機(jī)井下現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。漿液配比：?jiǎn)螡{液漿液的水灰比為0.8～1.2。雙漿液漿液的水灰比為1∶1,水泥漿∶水玻璃漿=1∶0.5(體積比)。

2.2.5 漿液注入量

漿液注入量Q根據(jù)巖層的裂隙率、儲(chǔ)水空間的大小、漿液的擴(kuò)散范圍、注漿段長(zhǎng)度、結(jié)石率等參數(shù)計(jì)算確定,按式(2)[3]計(jì)算：

式中K——注漿損耗系數(shù),取1.2；

L——富水段沿巷道輪廓的弧長(zhǎng)(m)；

D——漿液擴(kuò)散距離的平均值(m)；

h——受注段的厚度(m)；

η——巖層裂隙率；

β——漿液的結(jié)石率。

2.3 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

1)注漿壓力逐步升高至設(shè)計(jì)終壓,并保持穩(wěn)定10 min以上[4]；

2)進(jìn)漿量小于20 L/min；

3)檢查孔涌水量小于0.2 L/min；

4)檢查孔鉆取巖芯,漿液充填飽滿。

2.3.2 全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

1)所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件,無(wú)漏注現(xiàn)象；

2)注漿后全段剩余涌水量小于1 m3/h；

3)漿液有效注入范圍滿足設(shè)計(jì)要求；

4)經(jīng)過(guò)注漿,井筒圍巖在開(kāi)挖后能夠保持穩(wěn)定。

全部注漿孔注漿完成后,在主要出水點(diǎn)附近設(shè)至少5個(gè)檢查孔,測(cè)孔內(nèi)涌水量或進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn),若滿足設(shè)計(jì)要求,則可以開(kāi)挖,否則應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注漿。

3 結(jié)語(yǔ)

膠帶斜井施工過(guò)程中通過(guò)采用預(yù)注漿堵水技術(shù),大大降低了井筒的涌水量,取得了良好的效果,使工程施工得以順利、安全展開(kāi),表明該技術(shù)在井巷施工中的應(yīng)用具有效性和可行性。

[1]黃德發(fā),王綜敏.地層注漿堵水與加固施工技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2]郝哲.巖體注漿理論與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社,2006.

[3]杜嘉洪,張崇瑞.地下建筑注漿工程簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].北京：科學(xué)出版社,1992.

[4]張省軍,袁瑞甫.礦山注漿堵水帷幕穩(wěn)定性及監(jiān)測(cè)方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2009.