注漿法在AT天井鉆機施工中處理空洞的應用

趙景博,杜 飛

(1.山東黃金礦業股份有限公司, 山東萊州市 261400;2.山東黃金礦業股份有限公司三山島金礦, 山東萊州市 261442)

注漿法在AT天井鉆機施工中處理空洞的應用

趙景博1,杜 飛2

(1.山東黃金礦業股份有限公司, 山東萊州市 261400;2.山東黃金礦業股份有限公司三山島金礦, 山東萊州市 261442)

介紹了注漿法在新立礦區倒段風井工程施工中處理空洞的應用,詳細闡述了小斷面注漿凝固法的工藝流程及應用效果。采用水泵單向閥、鉆頭裝堵頭、聯合注漿的方法,處理了 5.3 m3左右的空洞,為后續工程施工處理空洞積累了寶貴的經驗。

注漿法;天井鉆機;空洞處理

三山島金礦新立礦區是我國第一個進行海底采礦的硬巖礦山。礦區中巖石質地很不均勻,閃長巖和花崗巖交錯分布,為了有效的降低井下施工作業中的強度,嘗試采用與湖南有色重型機器有限責任公司聯合開發的天井鉆機進行掘進試驗。試驗過程中,由于該礦區施工風井工程中交錯分布的巖石層之間穿插著破碎帶,容易導致偏鉆,影響偏斜率,并且容易導致反碴不正常。因此,在施工過程中,采用小斷面注漿凝固的方法來處理巖層之間的破碎帶,將空洞充填完整,使掘進試驗正常的進行下去。在這類天井鉆機的施工中,采用注漿法處理空洞的方法是解決巖石破碎問題的 1種創新,并且取得了良好的效果,對以后在該類巖石施工中處理空洞有良好的指導意義。

1 工程施工概況

新立礦區的工程地質條件為花崗巖,其主要的組成為正長石、石英。該段風井工程的巖石硬度相當大,風井斷面也較小,故采用 AT天井鉆機進行施工,主要使用下行上擴法。該風井工程的全長為155 m,其中導硐的直徑為 250 mm,風井傾角為 90°,斷面為 0.049 m2,于 2010年 8月 25日開始動鉆。該段巖石的完整性較好,但局部發育不好,-185～-202 m為巖石破碎帶,尤其是在 -194 m和 -195 m處存在較大的空洞,AT1500天井鉆機在此反碴作業中形成渦流。根據該段巖石破碎、斷面小等特點,采用小斷面注漿凝固的方法進行處理。

2 注漿法在風井工程施工中的應用

2.1 施工工藝流程

在天井鉆機鉆進導硐過程中,如遇特殊情況經判斷存在破碎帶時,應停止鉆進,用清水泵抽出小導硐內的水,使導硐內存在的砂子狀碴自然沉降。然后將注漿管插入地層,將配置好的漿液注至預定的深度,再在自然狀態下養護數天,待一切正常后繼續開鉆。導硐施工結束后,進行擴刷施工。注漿法在天井鉆機施工中處理空洞的工藝流程見圖1。

圖1 注漿法在天井鉆機施工中處理空洞工藝流程

2.2 具體施工

天井鉆機順利施工 -320～-400 m中段 85.1 m倒段風井之后,決定嘗試 155 m長距離風井掘進試驗。其中,天井鉆機的工作硐室在設計過程中充分考慮其實用性,其設計規格為長 10 m,寬 6 m,高3.8 m,底板平整,并鋪設軌距 600 mm的軌道,軌道至孔位中點處預留地腳螺栓孔位,硐室頂板要求平整,無松動巖石,便于上頂油缸支撐。該處硐室處于措施井和西風井回風大巷的交叉口,大巷匯水流向措施井方向,可以滿足施工 40 m3/h的用水,避免了再次施工反水坑。

2.2.1 導硐施工

開孔質量的好壞不僅直接影響到鉆機鉆進的偏斜率[1],而且一旦孔口毀壞還會影響到排碴是否順利,從而對工程的進度有所影響,同時,對鉆具的壽命也有影響。工程施工首先用短鉆桿開孔,先開水,用小鉆壓低轉速開孔,壓力為 15～20 kg/cm2。在斷續推進的同時,上下提動鉆頭掃孔,及時清理孔內的巖渣。打完短鉆桿后,先停機后停水。按程序裝上1根鉆桿,用扶釬器油缸扶住鉆桿,并繼續用小鉆壓,低轉速鉆進,鉆孔深超過 3 m后,可按正常參數鉆進[2],并且開始逐漸增加軸壓,提高轉速。

2.2.2 注漿施工

在導硐施工過程中共進行了 3次注漿,前兩次的注漿效果不理想,在第三次注漿中調整了注漿方法,取得了較理想的效果。具體的施工過程如下。

(1)第一次注漿。在導硐施工至 -202 m位置時,第一次出現反碴異常現象,只有清水沒有碴。在調整壓力,并查明機械壓力正常和鉆頭無封堵的情況下,更換水管材質,但是依然不能反碴。經過初步判斷存在破碎帶,停鉆之后用清水泵 D46-50×3抽出小導硐內的水,導硐內存在的砂子狀碴自然沉降。配置 C25混凝土 (石子為米石狀),注漿至-185 m,自然狀態下養護 7 d。

(2)第二次注漿。繼續開鉆至 -200 m時,又一次出現無反碴的情況,故停止作業。仍采用相同的注漿方法,注漿至 -185 m水平,養護 7 d。

(3)第三次注漿。繼續開鉆至 -203 m時,再一次出現無反碴的情況,停止作業。用標記好尺寸的線繩綁住手電筒,放至井下隨時甩動,發現 -194 m和 -195 m水平時手電筒燈光消失在導硐內,故判斷在該處存在較大空洞。在注漿前,先在清水泵上安裝 1個 KA-50單向閥,在鉆頭位置安裝 1根長螺桿彈簧,螺桿一頭是用聚氨酯棒做的堵頭,堵頭利用鉆桿內一段帶錐度的內徑,停水時在彈簧力的作用下堵頭堵住水使水和渣無法倒入鉆桿,進水時利用水壓頂開堵頭,水進入鉆頭進入孔內。這次注漿過程與前兩次有所不同,在注漿至 -192 m水平時,下放鉆桿,用正壓力排擠混凝土向空洞內流動,每注漿 1 m下放一次鉆桿,依次進行到 -188 m水平。自然凝固 14 d,開鉆之后減小機械回轉壓力,尤其是在 -194 m和 -195 m水平。待穿過水泥層之后進入基巖,回轉壓力調整為正常值。

2.2.3 擴刷施工

在 250 mm導硐鉆通之后,將用于擴孔的刀盤運至天井的下部,將刀盤和鉆桿用吊具連接起來。首先要確保待擴天井的下部工作面平整,以使刀盤滾刀有一個良好的受力狀態,以減小擴孔刀盤的沖擊。然后,在擴孔開始時,若接觸面不平整,則應緩慢的斷續向前推進,以產生合理的控制拉力和轉速,待刀盤的所有滾刀接觸巖石后,方可按正常壓力進行擴孔[3]。

2.3 技術性能指標

在 -320 m中段觀測 250 mm鉆頭偏離巷道中心線 0.775 m,即偏斜率為 0.5%,遠遠低于天井鉆進公司設計的初步目標 1.5%。對 3次注漿量進行核實,其總量為 16.7 m3,而 3次正常導硐的體積為0.89 m3,則可以證明被高壓水涮空的空洞體積為5.3 m3左右。

3 注漿法應用效果分析

使用AT1500天井鉆機進行開采具有明顯的優勢,并有良好的節能減排效果,其他作業方法不可比擬。在以往施工過程中,尤其在 250 mm的小斷面內注漿,難度大。采用水泵單向閥、鉆頭裝堵頭、聯合注漿的方法,攻克了施工難題,避免了此項工程的失敗。同時,鉆機硐室處于措施井和西風井回風大巷的交叉口,大巷匯水流向措施井方向,可以滿足施工 40 m3/h的用水,避免了再次施工 10 m3的反水坑,同時利用井下流水充當反水,節約了成本。

使用AT1500天井鉆機施工,尤其在獨頭掘進的過程中,對井下工作環境影響很小,由于不使用炸藥和炮煙,做到無炮煙無粉塵,從而對井下員工的職業病有著有效的預防作用,社會效益顯著[4]。此外,天井鉆機在定位好之后,測量人員對 -165 m風井上口和 -320 m風井下口進行測量,坐標進行校核,準確無誤后不需要再次測量,機械會根據斜撐缸調整角度,另外在鉆桿中加穩定桿。這次試驗偏斜率為 0.5%,效果良好[5]。

4 結 論

AT1500天井鉆機在三山島金礦新立礦區 -165～-320 m中段 123線倒段風井工程施工中,由于該段巖石質地不均勻,巖層交錯分布,穿插著破碎帶,導致天井鉆機反碴不正常,并影響偏斜率。停機后采用小斷面注漿凝固的方法進行處理,通過連續 3次的注漿試驗,取得了良好的效果。此次應用注漿法在AT1500天井鉆機施工中處理空洞是一次解決巖石破碎的創新,取得了一定的社會效益與經濟效益,為后續工程施工處理空洞積累了寶貴的經驗。

[1] 阮文軍.注漿擴散與漿液若干基本性能研究[J].巖土工程學報,2005,27(1):69-73.

[2]尹復辰,任 巍.深天井鉆進設備及工藝[J].礦業研究與開發,2006.26(S1):98-102.

[3] 王紅喜,張高展,丁慶軍,等.堿激發工業廢渣雙液注漿材料性能研究[J].建筑材料學報,2006,10(3):374-378.

[4] 田京城,代學靈,李國富.軟巖巷道化學錨注技術研究[J].中國煤炭,2004,(8):25-26.

[5] 裴啟濤,陳建宏.雙楔形掏槽方法和光面爆破技術的綜合設計[J].礦業研究與開發,2009,(1).

2011-04-19)

趙景博 (1985-),男,山東濟南人,研究生,助理工程師,從事礦山生產管理工作,Email:jingbo416@163.com。