申守德

（兗礦新陸建設(shè)發(fā)展有限公司，山東 濟(jì)寧 273500）

為保障立井掘進(jìn)工程施工的順利進(jìn)行，必須采取有效措施處理好地下水問(wèn)題，減少對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)保證工程安全與質(zhì)量。烏海能源棋盤井煤礦的副立井井筒掘鑿施工時(shí)工作面出現(xiàn)了較大的涌水，涌水量達(dá)30 m3/h。針對(duì)涌水量與工程特征，設(shè)計(jì)了注漿止水方案對(duì)工作面進(jìn)行止水加固，涌水量得到了有效控制。注漿止水技術(shù)適用于淤泥質(zhì)、粉質(zhì)粘性土、砂層、斷層破碎帶等地層富水和流動(dòng)水條件工程，也廣泛應(yīng)用于礦業(yè)、水利等工程[1]。

1 工程概況

棋盤井煤礦東區(qū)副立井井口標(biāo)高+1 404.0 m，落底標(biāo)高+925.0 m，井筒504 m（含井底水窩25 m），井筒直徑7.5 m，凈斷面44.2 m2?；鶐r段（垂深10～479 m）采用錨網(wǎng)+雙層鋼筋混凝土井壁，其中10～210 m 段井壁厚度均為600 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40；210～277 m 段井壁厚度均為600 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50；277～479 m 段采用單層鋼筋混凝土，井壁厚度均為500 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50。采用短段掘砌混合作業(yè)一次成井施工法進(jìn)行施工，施工時(shí)采用Ⅴ型井架，兩套單鉤提升，主提選用JKZ-2.8/15.5 型絞車配4 m3座鉤吊桶，副提選用2JK-3.0/18.3 型絞車配3 m3座鉤吊桶，SJZ6.9 六臂傘鉆打眼，HZ-6 型中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)抓巖，JS1500型攪拌機(jī)、PL-1600 自動(dòng)計(jì)量配料系統(tǒng)自行攪拌混凝土，選用4.0 m 段高金屬整體刃腳模板砌壁[2]。采用普通法中深孔炮鑿井，井筒掘進(jìn)至286 m 深度時(shí)，響炮后工作面出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，矸石被淹沒，經(jīng)測(cè)量涌水量達(dá)30 m3/h，臨時(shí)使用4 m3吊桶排水，經(jīng)過(guò)一天的排水，涌水量基本保持不變。經(jīng)止水專題會(huì)議分析，根據(jù)井筒地質(zhì)柱狀圖，深度286 m 巖層以下有30 m 厚的含水粗砂巖層，且經(jīng)過(guò)了斷層破碎帶，若強(qiáng)行向下掘進(jìn)，涌水量可能會(huì)進(jìn)一步加大，影響混凝土井壁的質(zhì)量，甚至造成淹井事故，必須先采取止水措施進(jìn)行控制。為減少止水施工占用的建井工期和費(fèi)用，決定工作面預(yù)注漿止水，初次注漿深度40 m。

2 注漿止水方案設(shè)計(jì)

針對(duì)工作面較大涌水的情況，預(yù)注漿前須澆筑下設(shè)抽水層的混凝土止?jié){墊，止?jié){墊內(nèi)預(yù)埋注漿孔口管與抽水花管。止?jié){墊的混凝土標(biāo)號(hào)為C40。

2.1 注漿壓力計(jì)算

注漿壓力計(jì)算為[3]：

式中：P為注漿壓力，MPa；1.3 為注漿壓力損失系數(shù)；H為注漿點(diǎn)至靜水位的水柱高度，276 m；ρ為水的密度，1 g/cm3；α為壓力系數(shù)，一般取2～2.5，取2.1。

經(jīng)計(jì)算，注漿壓力為7.5 MPa。

2.2 混凝土止?jié){墊厚的計(jì)算

由于下設(shè)抽水層，根據(jù)卡諾維奇提出的計(jì)算公式[3]，止?jié){墊厚度B按下式計(jì)算：

式中：D為井筒凈直徑7.5 m；V為混凝土抗拉或抗壓強(qiáng)度非均勻系數(shù)，V=R拉/R壓=1/10 ≈0.1；P為注漿時(shí)的計(jì)算壓力，7.5 MPa；δ為C40 止?jié){墊混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度，保守取35 MPa。

經(jīng)計(jì)算，止?jié){墊設(shè)計(jì)施工厚度為4 m（不含1 m 厚的碎石濾水層）。

2.3 井壁強(qiáng)度驗(yàn)算

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量井底至永久井壁的距離為4.7 m，止?jié){墊頂面與井壁砌筑有部分接觸，井壁對(duì)其起到支撐作用，須進(jìn)行井壁強(qiáng)度驗(yàn)算[3]：

式中：P為注漿壓力，7.5 MPa；D為井筒的凈直徑，7.5 m；E為井壁厚度，0.5 m；h=0.3r=1.3 m，r井筒掘進(jìn)半徑；[δ]為此處井壁強(qiáng)度，取50 MPa。

不等式左邊計(jì)算結(jié)果為35 MPa，滿足小于50 MPa 的條件。

2.4 注漿孔深及注漿量計(jì)算

綜合考慮井下地質(zhì)條件和以往的一次性注深經(jīng)驗(yàn)，注漿孔深度取40 m，注漿孔數(shù)量為6 個(gè)，等距離布置在以井心為中心的直徑6.7 m 的圈徑上，鉆孔直徑46 mm，注漿量按從注漿孔向外擴(kuò)散3 m 計(jì)算，預(yù)估注漿量Q的計(jì)算式為[3]：

式中：n為注漿孔數(shù)，6 個(gè)；λ為漿液損耗系數(shù)，一般取1.2～1.5，取1.3；π為圓周率；R為漿液有效擴(kuò)散半徑，取3 m；H為注漿段高，40 m；η為巖石裂隙率，砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖含水層中一般取1%～3%，取3%；β為漿液在裂隙中有效充填系數(shù)，一般取0.7～1.0，取0.8。

經(jīng)計(jì)算，注漿量Q為211.6 m3。

2.5 注漿設(shè)備及材料選擇

鉆機(jī)選用XY-1B 型鉆機(jī)，配套BW160A 泥漿泵，鉆桿直徑42 mm，鉆孔傾角90°，鉆孔直徑46 mm，注漿泵選用2ZBSB3.6-0.5/5-11 煤礦用雙液變量注漿泵，其工作壓力為5～11 MPa，電機(jī)功率11 kW，攪拌機(jī)使用地面的混凝土攪拌機(jī)。注漿材料為P.O.42.5R 普通硅酸鹽水泥，水玻璃的濃度為35 °Bé。使用井壁澆筑混凝土的輸送鋼管將水泥漿液送到井下工作面吊桶，水玻璃用吊桶送至工作面。

施工方案考慮了目標(biāo)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保要求，合理安排了施工工期與成本，將注漿工作面的注漿效果和注漿量控制在了設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量要求范圍內(nèi)[4]。

3 注漿施工

3.1 注漿準(zhǔn)備

使用兩臺(tái)揚(yáng)程300 m、流量50 m3/h 多級(jí)潛水泵，在井壁上安裝一根Φ108 mm×4 mm 排水管；使用兩根長(zhǎng)5.3 m、Φ500 mm×6 mm 鋼管作為抽水花管，法蘭連接，下部約1 m 部位制作2 cm×5 cm、中心距為上下15 cm、左右5 cm 的孔眼，并用25×25目鐵紗布包裹兩層，將潛水泵安裝在抽水花管內(nèi)部；使用6 根5.3 m 長(zhǎng)、Φ108 mm×4 mm 鋼管作為注漿孔口管，法蘭連接，最下端切割一個(gè)5 cm×10 cm 的豁口，并在表面插花鑲焊3 道Ⅱ級(jí)直徑20 鋼筋提高與止?jié){墊的固接力，作為向抽水碎石層注漿的通道。

3.2 注漿抽排水管道布置

首先抽排井筒積水，將工作面及幫部的矸石、浮石清理干凈，在距井底3.5 m 高度水平、平行安裝兩根8.3 m 長(zhǎng)、距井筒中心1.73 m 的20 號(hào)槽鋼，作為安放注漿孔口管及抽水花管的支撐架，將兩根抽水花管，安放在距離井心1 m 左右處，并將兩臺(tái)潛水泵安裝好，在井筒圈徑6.7 m 處安放Φ108 mm×4 mm 的注漿孔口管，頂部的法蘭用盲板封閉，所有的預(yù)埋鋼管要與20 號(hào)支架槽鋼焊接固定。管道布置如圖1。

圖1 注漿抽排水管道布置圖（mm）

3.3 混凝土止?jié){墊澆筑

抽水花管與注漿孔口管固定到位后，為確保止?jié){墊能同巖石粘接牢固，須進(jìn)一步清理井壁浮矸，沖洗巖壁并將巖壁集中流水導(dǎo)出，將井筒內(nèi)的淋水搭棚集中收集，用吊桶下放澆筑混凝土井壁的碎石子至井底，找平至1 m 厚，再澆筑止?jié){墊。止?jié){墊澆筑過(guò)程中，要時(shí)刻將井筒中的水位抽排到石子墊層的表面以下，混凝土攪拌加入5%的早強(qiáng)劑，分層一次性澆筑完畢，用插入式振動(dòng)棒振搗密實(shí)，下放碎石與混凝土?xí)r注意不要觸碰固定好的抽水花管和注漿孔口管?；炷翝仓戤?，要對(duì)注漿孔口管位置及垂直度再作一次校核，混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)14 d內(nèi)，派專人抽水，兩臺(tái)潛水泵一用一備，14 d 后停止從花管中抽水，并封閉管口。再安裝鉆機(jī)及注漿設(shè)備，先通過(guò)注漿孔口管向碎石濾水層內(nèi)低壓注漿，最后注抽水花管，低壓注漿壓力為1.7 倍的靜水壓力，約為4.7 MPa，漿液為雙液注入，水泥漿-水玻璃的體積比為10:7，水泥漿的水灰比2:1（質(zhì)量比），水玻璃的濃度為35 °Bé。

3.4 工作面注漿操作

止?jié){墊濾水層注漿后，開始鉆孔注漿。原則上一次鉆注全深，但當(dāng)鉆孔遇有破碎巖層卡鉆時(shí)，或鉆孔出水量達(dá)到0.6 m3/min 以上，應(yīng)停止鉆進(jìn)，立即注漿，注漿封孔7 d 后再掃孔繼續(xù)鉆進(jìn)，此孔封孔期間應(yīng)在其對(duì)稱的位置上施工。

注漿前要對(duì)注漿系統(tǒng)打壓并試運(yùn)轉(zhuǎn)，用清水打壓到7.5 MPa，穩(wěn)定10 min，管路無(wú)滲漏為合格。注漿采用單、雙液結(jié)合方式，先注單液水泥漿，水灰比1:1，注漿過(guò)程壓力保持不變，出現(xiàn)吸漿量隨注漿時(shí)間的延續(xù)逐漸減少或吸漿量不變而壓力卻逐漸升高，為漿液濃度適中的正?，F(xiàn)象，不需要改變漿液濃度，注2 h 后，若壓力不上升或吸漿量較大時(shí)，應(yīng)改注水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰比1:1，水泥漿-水玻璃的體積比為10:7，等壓力表顯示注漿壓力達(dá)7.5 MPa 左右時(shí)，穩(wěn)壓20～30 min，即可結(jié)束注漿。注漿工藝參數(shù)見表1。

表1 注漿工藝參數(shù)

打鉆注漿還要應(yīng)注意：

（1）對(duì)稱鉆孔注漿，最后一個(gè)孔作為全注漿段止水效果的檢查孔；

（2）鉆孔注漿要各個(gè)孔依次進(jìn)行，鉆孔垂直度和深度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，深度誤差嚴(yán)格控制在300 mm 以內(nèi)；

（3）注漿過(guò)程中，必須有專人觀察注漿表壓及整個(gè)注漿系統(tǒng)的工作情況，并注意觀察井壁和止?jié){墊的安全狀態(tài)；

（4）注漿工作面須安裝一部通向井口信號(hào)房的電話，井上下信號(hào)保持暢通，信號(hào)為聲光顯示。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)注漿止水施工，達(dá)到了良好的效果，工作面的涌水量控制在6 m3/h 以下，保障了掘進(jìn)工作的安全與質(zhì)量。井筒掘進(jìn)面注漿止水是一套完整的工藝，實(shí)際施工中不可省略步驟，派專人負(fù)責(zé)把關(guān)，要嚴(yán)格控制各個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量與有序銜接，減少注漿止水施工導(dǎo)致的工期與資金占用。