李文光 冀 東 孫英安

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442；2.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032；3.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；4.山東黃金集團(tuán)工程公司 山東 煙臺(tái) 264000)

千米深盲豎井下行前進(jìn)式注漿堵水施工技術(shù)

李文光1冀 東2，3孫英安4

(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦，山東 萊州 261442；2.青島市勘察測(cè)繪研究院，山東 青島 266032；3.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；4.山東黃金集團(tuán)工程公司 山東 煙臺(tái) 264000)

三山島金礦是山東黃金主體礦山之一，現(xiàn)進(jìn)入全面深部開(kāi)拓、回采階段，深部主要開(kāi)拓工程區(qū)域距地表距離已超過(guò)1 000 m。盲豎井掘進(jìn)工程至-1 070 m工作面時(shí)出現(xiàn)涌水量達(dá)46 m3/h的含水裂隙帶，如何采取科學(xué)有效的治水方案，確保掘進(jìn)工程的安全進(jìn)行，已成為礦山亟待解決的問(wèn)題。在此背景下，優(yōu)化下行前進(jìn)式注漿法的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)施方案，選用合理的注漿設(shè)備及材料；在詳盡觀測(cè)涌水部位并確定合理注漿孔施工順序的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場(chǎng)分3次進(jìn)行了90 m段高的注漿作業(yè)。注漿方案在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施取得了良好的防、堵水效果，注漿后的總涌水量小于0.5 m3/h，為盲豎井掘進(jìn)工程通過(guò)含水?dāng)鄬訁^(qū)域提供了安全可靠的保障；該注漿方法對(duì)類似金屬礦山深井突水災(zāi)害的防治具有一定的指導(dǎo)與借鑒意義。

金屬礦山 深部開(kāi)采 礦山突水防治 千米深盲豎井 下行前進(jìn)式注漿法

三山島金礦是我國(guó)重要的黃金生產(chǎn)基地，井下采用無(wú)軌設(shè)備開(kāi)采，其機(jī)械化開(kāi)采程度處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平[1-4]。礦區(qū)的盲混合井工程，井筒凈直徑φ5.5 m，設(shè)計(jì)井深640 m(-600～-1 240 m)，分別在-537.3、-546.3、-575 m標(biāo)高設(shè)提升機(jī)硐室、導(dǎo)向輪硐室及箕斗卸礦硐室。礦倉(cāng)容積300 m3，礦石儲(chǔ)存能力達(dá)350 t。-690～-1 140 m各中段均設(shè)馬頭門(各中段間隔90 m，共計(jì)6個(gè)馬頭門)。采用11.5 m3底卸式箕斗與罐籠(3 600 mm×1 600 mm雙層)互為平衡剛性罐道提升系統(tǒng)，箕斗提升能力為2 500 t/d。主要包括盲混合井井筒工程、溜破系統(tǒng)、粉礦回收系統(tǒng)掘砌與裝備等。其中，千米井筒的掘進(jìn)工程是三山島金礦深部目前進(jìn)行的重點(diǎn)開(kāi)拓工程之一[5-6]。

盲豎井工程招標(biāo)時(shí)提供的地質(zhì)資料最大涌水量為20 m3/h。盲豎井在掘砌過(guò)程中，已出現(xiàn)過(guò)不同程度的涌水，導(dǎo)致井壁存在淋水現(xiàn)象。當(dāng)井筒掘進(jìn)至-1 070 m標(biāo)高，工作面出現(xiàn)1條寬約30～50 cm的含水裂隙，實(shí)測(cè)涌水量達(dá)46 m3/h。這使得原設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)已不能滿足排水需要，嚴(yán)重影響到了豎井的施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。在此背景下，采用下行前進(jìn)式注漿法并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)注漿治水方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及論證，確保千米井筒的掘進(jìn)工程能夠安全、高效進(jìn)行。

1 注漿治水方案的選取[7-11]

由于井下涌水太大，靜水壓力達(dá)到3 MPa，涌水在井筒內(nèi)的上升速度為1.5 m/h，且工作面自然溫度高達(dá)32 ℃，濕度達(dá)到98%。如果采用工作面直接堵漏注漿，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。必須先封堵涌水，采用工作面預(yù)注漿的方式進(jìn)行。工作面預(yù)注漿又分為下行式注漿與上行式注漿。

分段上行式注漿，即注漿孔一次鉆進(jìn)到注漿終深，使用止?jié){塞自下而上逐段注漿。這種注漿方式多在賦水性較弱的堅(jiān)硬巖層中縱向裂隙不發(fā)育的條件下應(yīng)用。受現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的制約，該方法不適用于本次的注漿作業(yè)。

分段下行式注漿，即從工作面鉆孔到含水層開(kāi)始，由上向下，先鉆一段孔，后注一段漿，反復(fù)交替進(jìn)行，直至達(dá)到注漿設(shè)計(jì)深度。該注漿方法的優(yōu)點(diǎn)是可以分次進(jìn)行復(fù)注，便于保證注漿質(zhì)量；同時(shí)，每次注漿都能對(duì)上次注漿部位進(jìn)行復(fù)注，可以增強(qiáng)實(shí)際注漿的效果。在縱向裂隙發(fā)育的巖層中和巖石破碎的條件下，止?jié){塞能起到可靠的止?jié){效果。然而，由于鉆孔和注漿交替進(jìn)行，這大大增加了掃孔和其他輔助工作時(shí)間。

在對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、地質(zhì)勘查資料以及現(xiàn)有施工資源細(xì)致調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合井筒混凝土井壁施工質(zhì)量要求高；特別是針對(duì)三山島金礦水文地質(zhì)條件中等復(fù)雜的礦床，構(gòu)造裂隙出水。礦區(qū)三面臨海，礦體全部賦存在海平面以下，每天的涌水量達(dá)到18 500 m3；本區(qū)域在礦區(qū)最深位置，必須高標(biāo)準(zhǔn)確保注漿質(zhì)量，防止突水事件的發(fā)生。綜合考慮幾種擬選用注漿方案的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，決定采用“井下工作面下行前進(jìn)式注漿”的注漿治水施工方案：即在井底工作面先施工止?jié){墊，并按設(shè)計(jì)布置預(yù)埋注漿孔口管；隨后進(jìn)行打鉆注漿，注漿段高為30 m，每鉆進(jìn)5 m，就進(jìn)行注漿。如果鉆孔至出水位置后便停止鉆孔，再進(jìn)行注漿作業(yè)，這樣鞏固一段施工一段，確保了施工質(zhì)量。每個(gè)孔注漿次數(shù)為6～8次。注漿結(jié)束后按設(shè)計(jì)施工順序再對(duì)其他孔進(jìn)行繼續(xù)鉆進(jìn)、注漿，如此反復(fù)至設(shè)計(jì)終孔深度。

2 下行前進(jìn)式注漿法的施工步驟

該下行前進(jìn)式注漿法的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程可分為以下5個(gè)步驟進(jìn)行。

(1)濾水層與混凝土止?jié){墊的鋪設(shè)施工。井筒毛斷面長(zhǎng)度3.5 m，為使混凝土止?jié){墊與井壁相接，鋪設(shè)1.5 m厚濾水層。為便于施工，選擇受力較小的單級(jí)平底型2 m厚混凝土止?jié){墊，先將φ108 mm鋼管一端焊接法蘭，管長(zhǎng)4.0 m在井底工作面上按設(shè)計(jì)固定好位置，再將濾水層用粒徑4～6 cm石子鋪好，在集中出水點(diǎn)埋設(shè)2個(gè)廢舊油桶，將油桶周圍鉆蜂窩狀濾水孔，然后將污水泵連接水管放入油桶中，將水排至吊盤上，始終控制水面在濾水層以下，以保證混凝土止?jié){墊的施工質(zhì)量。

(2)混凝土止?jié){墊養(yǎng)護(hù)7 d，在此期間進(jìn)行搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)及做注漿準(zhǔn)備工作，并完善注漿工作中的各項(xiàng)輔助工作。

(3)混凝土止?jié){墊養(yǎng)護(hù)7 d后，將2臺(tái)污水泵取出，用C30混凝土封堵濾水桶，并在其內(nèi)埋設(shè)注漿管，用以注漿加固混凝土止?jié){墊。

(4)注漿加固混凝土止?jié){墊。通過(guò)埋設(shè)的注漿管對(duì)混凝土止?jié){墊進(jìn)行注漿加固，局部漏水處用7655鑿巖機(jī)打孔注漿，最終使混凝土止?jié){墊不漏水，濾水層和混凝土也結(jié)合成一整體。

(5)對(duì)工作面埋設(shè)的注漿孔口管，按設(shè)計(jì)的施工順序進(jìn)行打鉆、注漿。注漿鉆孔的施工順序：1#→6#→2#→7#→3#→8#→5#→10#；11#、12#、13#、14#作為檢查孔，如檢查孔內(nèi)仍有水再對(duì)其進(jìn)行注漿，根據(jù)情況如需要再另行加孔。設(shè)計(jì)注漿孔布置如圖1所示。

3 注漿設(shè)備及參數(shù)

3.1 注漿設(shè)備與工藝流程

本次下行前進(jìn)式注漿法施工所需的注漿設(shè)備與配套鉆孔設(shè)備如表1所示。施工所需要的主要材料為普通硅酸鹽水泥(32.5R)、水玻璃(模數(shù)2.4～3.4，濃度30～45 Be′)和水，市場(chǎng)上材料來(lái)源豐富。

現(xiàn)場(chǎng)的注漿工藝流程：安設(shè)注漿泵、攪拌系統(tǒng)→攪拌漿液→連接注漿管路至空口管→進(jìn)行注漿→按設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整漿液→達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)→清洗注漿泵及管路→準(zhǔn)備下次注漿。

圖1 三山島金礦千米盲豎井設(shè)計(jì)注漿孔布置

表1 現(xiàn)場(chǎng)注漿設(shè)備的規(guī)格及數(shù)量

3.2 注漿參數(shù)

注漿深度的選取往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及井下條件確定。根據(jù)KQ-100風(fēng)動(dòng)潛孔鉆和K90鉆機(jī)的鉆機(jī)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作空間，本次注漿段高選擇30 m。

注漿終壓P選定為6～8 MPa。注漿前，安設(shè)壓力表對(duì)水的壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，注漿終壓設(shè)計(jì)值為實(shí)測(cè)水壓的3～5倍。注漿擴(kuò)散半徑選定為8 m。

水泥漿濃度的配制表如表2與表3所示。水灰比1∶1；水玻璃濃度25～30 Be′；C∶S(水泥和水玻璃)體積比為1∶1。注漿過(guò)程中，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況據(jù)實(shí)進(jìn)行調(diào)整。減小水玻璃用量或增大水泥漿濃度，都可縮短漿液的凝固時(shí)間，反之則延長(zhǎng)漿液的凝固時(shí)間。實(shí)際濃度按以下原則進(jìn)行調(diào)整。

(1)先稀后濃，當(dāng)吸漿量為80%時(shí)，濃度適中。

(2)壓力上升緩慢，長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)時(shí)要調(diào)濃一級(jí)。

(3)當(dāng)水泥漿濃度一定時(shí)，可調(diào)整水玻璃用量及水玻璃濃度來(lái)調(diào)整凝膠時(shí)間，當(dāng)水玻璃濃度一定時(shí)，可調(diào)整水泥漿濃度來(lái)控制凝膠時(shí)間。

表2 水泥漿現(xiàn)場(chǎng)配制方案

表3 水玻璃現(xiàn)場(chǎng)配制方案

單孔漿液注入量確定：

(1)

(2)

式中，Q為單孔漿液注入量，m3；A為漿液消耗系數(shù)，取1.3；η為裂隙率，由巖石裂隙體積Vn及巖心體積Vr計(jì)算得到，取0.006；β為漿液充填密實(shí)系數(shù)，取0.95；R為擴(kuò)散半徑數(shù)，取8 m；H為段高，取30 m；m為水泥結(jié)石率，取0.85。

根據(jù)式(1)、式(2)及各計(jì)算參數(shù)的取值，可以確定本次注漿施工的單孔漿液注入量為525.6 m3。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工控制要點(diǎn)

井筒鉆孔注漿工程是一項(xiàng)綜合性工程，由于井筒淋水較大，且工作面處于-1 070 m標(biāo)高處，巖溫及作業(yè)面環(huán)境溫度都比較高，上述因素都加大了施工技術(shù)的難度。在現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)過(guò)程中，必須確定好控制要點(diǎn)，由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作，熟悉設(shè)計(jì)參數(shù)并根據(jù)施工中實(shí)際情況或?qū)嵺`工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，及時(shí)準(zhǔn)確地處理注漿施工可能出現(xiàn)的跑漿、冒漿、管路堵塞及設(shè)備事故[12-14]。為此，成立了統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)的專業(yè)技術(shù)人員及操作工班組，同時(shí)還根據(jù)施工過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了多項(xiàng)的施工方案改進(jìn)措施與控制要點(diǎn)，以保證施工質(zhì)量及注漿效果。

(1)增設(shè)注漿鉆孔數(shù)量。如圖2所示，原設(shè)計(jì)14個(gè)孔，其中周邊孔10個(gè)，檢查孔4個(gè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，A1孔在鉆至3.5 m時(shí)，涌水量達(dá)到20 m3/h。在斷層出水一側(cè)鉆孔進(jìn)行了加密，多布了2個(gè)孔，周邊孔變成了12個(gè)孔，檢查孔更改為3個(gè)孔；A12孔在鉆至3.5 m時(shí)，涌水量達(dá)到35 m3/h，在A12、A1周邊(出水部位)增加了B1、B2、B33個(gè)孔，鉆孔總數(shù)增加至18個(gè)，輔助孔的增加有效地保證了注漿的施工質(zhì)量。

圖2 三山島盲豎井實(shí)際注漿孔布置

(2)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整注漿量。通過(guò)分析注漿原始記錄表可知，總注漿水泥量為159 t，水玻璃用量為37 210 kg，折合注漿體積為424 m3，要小于原設(shè)計(jì)漿液注入總量525.6 m3，但注漿壓力均超過(guò)了設(shè)計(jì)終壓，實(shí)際注漿量也滿足了注漿要求。

(3)注漿壓力調(diào)整。采取低壓力中流量注入，注漿過(guò)程中壓力逐步上升，流量逐漸減少(小于30～40 L/min)，當(dāng)壓力升至注漿終壓時(shí)，繼續(xù)壓注5 min，即可結(jié)束注漿。注漿時(shí)通過(guò)控制注漿壓力控制注漿量。當(dāng)注漿壓力較小而注漿量較大時(shí)，增大水泥漿的濃度，直至終壓，持續(xù)注漿至設(shè)計(jì)孔位深度。原設(shè)計(jì)注漿終壓6～8 MPa，隨著深度的增加，實(shí)測(cè)水壓為3 MPa，注漿終壓應(yīng)調(diào)整為9～15 MPa。

(4)各鉆注孔除A6孔的涌水量為0.1 m3外，其余鉆注孔均無(wú)涌水；檢查孔、加密孔無(wú)涌水。

(5)造漿前，對(duì)漿液材料的膠凝時(shí)間進(jìn)行測(cè)定，每更換一級(jí)濃度需重新測(cè)定凝結(jié)時(shí)間。

(6)確保先期注漿量大的注漿孔施工質(zhì)量。

(7)漿液濃度要依據(jù)水量、水壓、裂隙發(fā)育情況來(lái)確定，以保證漿液質(zhì)量。注漿過(guò)程中一定要注意觀察注漿壓力的變化情況，當(dāng)壓力突然發(fā)生變化堵塞管路或漿液漏泄、跑漿時(shí)要進(jìn)行及時(shí)處理或調(diào)整漿液濃度。

(8)注漿泵應(yīng)全面檢查和清洗干凈，不允許泵體的殘?jiān)丸F屑的存在；各密封圈完整無(wú)泄漏，安全閥中的安全銷要進(jìn)行試壓檢驗(yàn)，確保能在額定最高壓力時(shí)斷銷卸壓。

(9)高壓膠管不能超過(guò)壓力范圍使用，使用時(shí)屈彎不小于規(guī)定的彎曲半徑，防止高壓膠管破裂。

(10)嚴(yán)格控制注漿量和注漿壓力。注漿前，先關(guān)閉孔口閥門，后開(kāi)啟注漿泵；進(jìn)行管路壓水試驗(yàn)，如有泄漏，應(yīng)及時(shí)檢修。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿施工作業(yè)的實(shí)施，達(dá)到了盲豎井含水裂隙帶區(qū)域施工防、堵水目的，破除止?jié){墊，進(jìn)行了井筒順利下掘工作。然后分別在-1 097 m、-1 127 m水平位置處預(yù)留了巖帽，進(jìn)行了2段注漿，注漿后的總涌水量小于0.5 m3/h，保證了井筒澆筑的質(zhì)量，取得很好的注漿效果。掘進(jìn)至-1 160 m標(biāo)高已經(jīng)穿過(guò)含水裂隙，進(jìn)入正常的井筒掘進(jìn)段，注漿的順利完成為深部開(kāi)拓奠定了基礎(chǔ)。該注漿方法對(duì)類似金屬礦山深井突水災(zāi)害的防治具有一定的指導(dǎo)與借鑒意義。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Water Plugging Construction Technology with Advance Downward Grouting for Kilometers Deep Blind Shaft

Li Wenguang1Ji Dong2,3Sun Ying'an4

(1.SanshandaoGoldMine，Shandong(Laizhou)GoldGroupCo．，Ltd.，Laizhou261442，China；2.QingdaoGeotechnicalInvestigationandSurveyingResearchInstitute，Qingdao266032，China；3.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China；4.EngineeringCompany，Shandong(Laizhou)GoldGroupCo．，Ltd，Yantai264000，China)

Sanshandao Gold Mine is one of main mines in Shandong Gold Group，which has entered deep mining and its main excavation depth has exceeded 1000 m away from the surface.Water-bearing fissure zone with 46 m3/h inflow are found in -1 070 m level working face in blind shaft excavation project，and how to propose a rational water conservancy project to ensure construction safety is becoming an urgent issue to be solved.Based on the background above，the design parameters and implementation plan of advance downward grouting were optimized，with the proper equipments and materials adopted.Grouting operation of 90m high was carried out by three times after observation of water inrush area and determining proper arrangement of construction sequence.Favorable water plugging effect is achieved by the on-site implementation of grouting plan (total water inrush volume less than 0.5 m3/h)，which can guarantee excavation engineering safely passing water-bearing fissure zone.The above grouting method has certain guiding significance to similar water inrush prevention projects in metal mines.

Metal mine，Deep mining，Prevention of mine water inrush，Kilometers deep blind shaft，Advance downward grouting

2014-06-03

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2012BAB08B01)。

李文光(1973—)，男，工程師。 通訊作者 冀 東(1987—)，男，博士。

TD262

A

1001-1250(2014)-09-030-05