范天文 劉 輝 李成斌

(河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司)

司家營(yíng)鐵礦南區(qū)某豎井緩凝水泥漿充填施工技術(shù)

范天文 劉 輝 李成斌

(河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司)

司家營(yíng)鐵礦南區(qū)豎井冷凍施工采用緩凝水泥漿充填技術(shù)，成功地將注漿孔固管段套管和冷凍管之間的間隙水置換出來(lái)，避免了間隙水凍結(jié)后膨脹破壞冷凍管的事故，取得了良好的施工效果，同時(shí)也降低了冷凍施工造孔費(fèi)用，縮短了冷凍施工工期。

緩凝水泥漿 充填 冷凍施工 豎井

近年來(lái)，隨著鋼鐵行業(yè)的迅速發(fā)展，地表及淺部埋藏的鐵礦床逐漸枯竭，逐步轉(zhuǎn)向深部鐵礦床開(kāi)采。深部礦體多位于第四系表土層厚大且地下水系發(fā)達(dá)、破碎帶極多的巖層中，地質(zhì)條件極為惡劣。因此，在掘砌深井前，為了確保施工安全，宜采用地表預(yù)注漿和冷凍施工進(jìn)行治水。

地表預(yù)注漿和冷凍施工為兩個(gè)獨(dú)立的施工項(xiàng)目，采用不同的施工單位施工時(shí)，存在注漿施工單位的清場(chǎng)、撤場(chǎng)與冷凍施工單位的進(jìn)場(chǎng)，導(dǎo)致施工工期延長(zhǎng)；由同一施工單位施工，存在地表預(yù)注漿和冷凍施工的費(fèi)用浪費(fèi)。所以，越來(lái)越多的礦山正在將地表預(yù)注漿和冷凍施工聯(lián)系起來(lái)，利用地表預(yù)注漿的注漿孔作為冷凍孔，以減少冷凍孔造孔費(fèi)用,同時(shí)可縮短工期。

1 豎井施工存在的問(wèn)題

一般豎井注漿孔的孔徑均大于冷凍孔設(shè)計(jì)直徑，在利用注漿孔作為冷凍孔時(shí)，注漿孔固管段套管和冷凍管之間存在間隙，該間隙會(huì)迅速因第四系表土層中含水層的存在充滿裂隙水，同時(shí)也存在殘余的泥漿。在安裝冷凍管之后，該間隙水和部分殘余泥漿會(huì)極大的影響積極冷凍的熱量傳遞效果，延長(zhǎng)積極冷凍工期，額外增加冷凍施工費(fèi)用。

當(dāng)豎井采用長(zhǎng)短腿凍結(jié)時(shí)，由于鉆孔偏斜情況不一、周圍地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致注漿孔固管段上部間隙水和殘余泥漿先結(jié)冰膨脹，將注漿孔固管段套管和冷凍管之間的間隙封閉后，下部間隙水和殘余泥漿凍脹后壓力無(wú)法釋放，出現(xiàn)了擠壓破壞冷凍管現(xiàn)象。

采用細(xì)砂漿充填注漿孔固管段套管和冷凍管間隙，將間隙水和殘余泥漿擠壓置換出來(lái)。但在充填細(xì)砂的作業(yè)過(guò)程中，并不能確保將套管與冷凍管間隙填實(shí)，也不能確保細(xì)砂充填到注漿孔底部，導(dǎo)致間隙無(wú)法排盡。在開(kāi)機(jī)進(jìn)行積極冷凍后，套管上部細(xì)砂不密實(shí)的且含有間隙水的部位會(huì)優(yōu)先結(jié)冰，與冷凍管緊密結(jié)合，形成一個(gè)封閉的“帽子”，使注漿孔固管段下部的間隙水和殘余泥漿膨脹后壓力無(wú)處釋放，從而擠扁冷凍管，冷凍管內(nèi)鹽水流量不均，造成該處冷凍交圈不完全或不交圈等事故。嚴(yán)重的將導(dǎo)致注漿孔內(nèi)的冷凍管擠扁堵死直至破裂，出現(xiàn)冷凍管內(nèi)鹽水泄露等事故。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 礦區(qū)地質(zhì)條件概況

司家營(yíng)鐵礦南區(qū)馬城鐵礦屬于復(fù)雜開(kāi)采條件的地下礦山[1]，礦坑涌水量大，為水文地質(zhì)條件復(fù)雜的、以裂隙充水為主的礦床。馬城礦體為隱伏礦體，礦體頂部被第四系覆蓋，第四系含水層為沙礫石強(qiáng)含水層，與地表水體聯(lián)系密切，自上而下開(kāi)采易溝通，導(dǎo)致開(kāi)采技術(shù)條件惡化，易受水災(zāi)威脅。

礦區(qū)基巖深埋于第四系之下，基巖地下水為承壓水，水位埋深為3.5～7.5 m。天然條件下，礦區(qū)基巖地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為基巖含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給。在礦區(qū)北部山區(qū)，特別是京山鐵路以北，基巖出露面積較大，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，有利于降雨入滲補(bǔ)給。基巖地下水在北部山區(qū)接受降雨入滲補(bǔ)給后，側(cè)向徑流補(bǔ)給礦區(qū)基巖含水層，由于本區(qū)屬變質(zhì)巖地區(qū)，基巖滲透性總體較差，基巖地下水徑流條件一般。

2.2 豎井水文地質(zhì)條件

司家營(yíng)鐵礦南區(qū)馬城鐵礦某豎井處場(chǎng)地內(nèi)第四系鉆孔揭露覆蓋厚度為133.8 m，主要為沖洪積形成的沙土、碎石土二元沉積結(jié)構(gòu)土層。

基巖構(gòu)造裂隙含水層中結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，但整體結(jié)構(gòu)面貫通能力較差，多呈閉合—微張狀態(tài)，且被泥質(zhì)、鈣質(zhì)充填，不利于地下水的相互補(bǔ)給，以網(wǎng)狀承壓水的形式賦存，多屬弱富水性。只有在構(gòu)造破碎帶及結(jié)構(gòu)破碎帶兩側(cè)影響帶張顯性的部位，地下水相互滲流補(bǔ)給，多呈脈狀、層狀承壓水形式賦存，屬弱富水性。

3 地表預(yù)注漿和冷凍施工技術(shù)

3.1 地表預(yù)注漿和冷凍施工技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)

該豎井地表標(biāo)高+15.87 m[2]，設(shè)計(jì)井筒深度560.3 m，井筒直徑8 m；設(shè)計(jì)冷凍深度230.87 m，冷凍孔33個(gè)，布置圈徑13.3 m，冷凍管直徑133 mm。

固管段200 m，固管段下φ178 mm無(wú)縫鋼管；注漿起止深度200～566 m，注漿段高366 m，孔徑132 mm，裸孔；注漿孔8個(gè)，布置圈徑13.3 m。

3.2 緩凝水泥漿試驗(yàn)配比

緩凝水泥漿固結(jié)過(guò)程中結(jié)石率不能達(dá)到100%，往往會(huì)出現(xiàn)下部凝結(jié)、充填完全，上部未能充填，有間隙水存在的現(xiàn)象。所以，在對(duì)注漿孔固管段套管和冷凍管間隙進(jìn)行充填之前，應(yīng)對(duì)緩凝水泥漿配比進(jìn)行試驗(yàn)，選取較為合理的緩凝水泥漿配比。緩凝水泥漿配比應(yīng)按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件和要求進(jìn)行：①地表預(yù)注漿固管深度200 m；②鉆具掃孔后注漿應(yīng)2 h內(nèi)完成；③安裝冷凍管應(yīng)4 h內(nèi)完成；④緩凝水泥漿初凝時(shí)間大于10 h；⑤充填結(jié)石高度不低于238 m(可低于灰土盤1 m)；⑥對(duì)緩凝水泥漿的強(qiáng)度沒(méi)有要求。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，選出較優(yōu)的2個(gè)緩凝水泥漿的配比和樣品，結(jié)果見(jiàn)表1，該豎井單孔緩凝水泥漿理論配比見(jiàn)表2所示。

表1 緩凝水泥漿配比

表2 單孔緩凝水泥漿配制

水泥漿密度為1.6 t/m3，水泥標(biāo)號(hào)425，黏土為鈉基膨潤(rùn)土，三聚磷酸鈉為工業(yè)級(jí)，葡萄糖酸鈉濃度在99%以上。

由于緩凝水泥漿結(jié)石率僅為83%，凝結(jié)后不能完全充填該間隙。因此，該豎井8個(gè)注漿孔緩凝水泥漿的計(jì)量應(yīng)提高20%，以滿足充填結(jié)石高度不低于238 m，如表3所示。

3.3 緩凝水泥漿充填工藝

(1)掃孔。利用鉆具對(duì)8個(gè)注漿孔逐一掃孔，掃孔深度為設(shè)計(jì)冷凍深度，清除注漿孔內(nèi)部分堵塞的泥漿或砂石，確保注漿孔暢通，保證充填料和冷凍管能完全安裝到設(shè)計(jì)位置。

表3 豎井8孔緩凝水泥漿的配制

(2)洗孔。清洗注漿孔，減少掃孔漿液中夾雜的砂石含量，避免在安裝冷凍管的過(guò)程中，砂石嵌入固管段套管和冷凍管之間，影響施工。

(3)充填緩凝水泥漿。將配制好的緩凝水泥漿一次性注入注漿孔內(nèi)，注滿為止，采用從孔底向孔口上行式充填。

(4)安裝冷凍管。在緩凝水泥漿注滿后立即提出鉆具，即刻組織注漿孔的冷凍管安裝工作。

(5)冷凍管試壓試驗(yàn)。對(duì)冷凍管進(jìn)行打壓試驗(yàn)，以確保冷凍管的完整性。如冷凍管試壓不合格，立即換管，重新安裝。

(6)二次充填。在間隔第一次充填24 h后開(kāi)始對(duì)固管段套管和冷凍管間隙進(jìn)行二次充填。該充填斷面應(yīng)從第一次充填的結(jié)石面開(kāi)始，選用φ14 mm×2 mm鋼管作為下料口。如此反復(fù)充填，直至緩凝水泥漿的結(jié)石高度不低于238 m為止。

3.4 注意事項(xiàng)

為確保充填效果，在緩凝水泥漿充填注漿過(guò)程中應(yīng)特別注意以下問(wèn)題：①緩凝水泥漿配比試驗(yàn)應(yīng)模擬注漿孔的內(nèi)環(huán)境，主要是考慮溫度的影響；②充填過(guò)程中緩凝水泥漿有一定的損失，所以，一次配比的劑量要充足;③務(wù)必確保注漿泵、鉆機(jī)等其他關(guān)鍵設(shè)備完好，避免緩凝水泥漿充填注漿過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)備故障;④多次充填，一般3次充填注漿可以確保緩凝水泥漿的結(jié)石高度不低于要求高度。

4 結(jié) 語(yǔ)

緩凝水泥漿在一定程度解決了利用注漿孔作為冷凍孔時(shí)的充填問(wèn)題，且充填效果良好，在工程費(fèi)用、工期等方面具有借鑒意義。但緩凝水泥漿存在結(jié)石率不高的問(wèn)題，需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究其配比，以取得更好的掘進(jìn)效果。

[1] 劉戌晨，何幸福.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司司家營(yíng)鐵礦礦區(qū)1～4號(hào)回風(fēng)井工程勘察報(bào)告[R].唐山：中冶地勘巖土工程有限責(zé)任公司，2012.

[2] 于寶前.河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司司家營(yíng)鐵礦礦區(qū)采選工程初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[R].大連：中冶北方(大連)工程技術(shù)有限公司，2013.

2014-11-11)

范天文(1987—)，男，技術(shù)員，063701 河北省唐山市灤縣響嘡鎮(zhèn)。