石人溝鐵礦—300m至—405m水平電梯井涌水治理

1.工程概況

河北鋼鐵集團石人溝礦，-300m至-405m水平電梯井規格：3.4×4.7m，井筒C30砼支護，厚300mm，實測井筒涌水量達20m3/h左右，尤其-330m至-350m水平段發現大面積涌水點，對井壁涌水進行治理，使之涌水小于3m3/h以下，以保證行人安全。

2.井筒涌水治理方案

根據井壁質量及水文地質條件，選擇高壓深孔注漿方法封堵集中涌水，避免出現采用傳統的淺孔低壓注漿方法堵水效果不佳的問題。深孔高壓注漿時，漿液通過孔口管直接進入圍巖深部裂隙，改變了淺孔注漿只將涌水封堵于井壁壁后的狀況，降低了注漿壓力和靜水壓力對井壁的影響，有效保證了注漿時井壁安全。即使注漿終壓接近或超過井壁抗壓強度極限，也不會出現井壁破裂或炸裂等破壞現象。

2.1 注漿設計

1）注漿范圍

-300m至-405m水平，及此段中的所有馬頭門。

2）注漿孔布置

注漿孔沿井壁輪廓按“三花”形均勻布置，每段鉆鑿6～10個深2m鉆孔，鉆孔盡可能斜穿巖層鉆進，以便穿透較多巖石裂隙，便于漿液擴散，提高注漿效果。

3）注漿壓力大小取決于巖石裂隙發育程度和靜水壓力的大小。

注漿初壓、正常注漿壓力和終壓分別由下面3個式子確定：

Pa=Po+3.0

Pb=Po+5.0

Pc=Po+8.0

式中：Po為注漿位置靜水壓力，Mpa；Pa為初始注漿壓力，Mpa；Pb為正常注漿壓力，MPa；Pc為注漿終壓，Mpa。

4）注漿材料

針對此井筒基巖段含水層較多、涌水量大的特點及其地質條件，考慮使用水泥、水玻璃雙液漿和改性脲醛樹脂漿液化學漿注漿進行封水。化學漿屬于溶液型漿液，在較低的注漿壓力下能夠在含水巖層微小裂隙中擴散，有利于充填裂隙，加固井壁圍巖和封水。

2.2 注漿工藝

1）選用KBY—50/120型雙液調速高壓注漿泵注漿。注漿泵、儲料桶、清水桶均布置在臨時搭建平臺上。

2）漿液配制

在臨時平臺上安裝一臺0.5m3小型漿液攪拌機，水玻璃、水泥液及改性尿醛樹脂從容器桶中直接抽取使用。

3）注漿孔鉆進及注漿管埋設

開孔、固定孔口管：用ф45mm鉆頭按設計角度在工作面鉆深2.0m鉆孔，埋入ф45mm無縫鋼管，埋深0.8m，調整好角度，采用雙液注漿封堵加固，凝固好（4-8小時）后，進行注漿預埋管壓水實驗。經過壓水實驗注漿預埋管能承受2.5倍靜水水壓且不漏水時，進行鉆孔施工，否則重新進行雙液注漿加固預埋管，直至符合要求為止。

4）注漿作業

注漿管預埋好后，安裝上球閥，連接好管路，開動注漿泵，先用清水沖孔，做壓水試驗，了解注漿孔周圍巖層裂隙發育情況。然后將吸漿管擰緊上牢，分別放在儲漿桶內，按照規定的漿液配比，利用供液閥門調整好流量，進行正式注漿。注漿過程中，根據進漿情況確定注漿量和注漿時間。達到規定注漿終壓、注漿量并持續一定時間后，提高雙液漿濃度，進行封孔。封好孔后關閉注漿孔口球閥，用清水沖洗注漿管路。

在注漿過程中，不可避免地會出現跑漿、竄漿、壓力上不去或上壓很快等異常情況，需要及時采取有效措施，保證注漿作業順利進行。

出現跑漿時，可在跑漿的裂縫中嵌塞竹楔、棉紗、棉絲、道釘、竹板等物，或者配置水泥、水玻璃封堵，同時進行間歇式注漿。但間歇時間不宜過長，不能超過凝結時間。跑漿嚴重時，可采用改變漿液配比，縮短凝結時間措施加以控制。采用上訴方法均不見效時，可重新補孔、進行補注。

發生竄漿時，應及時關閉竄漿孔的孔口閥門。在可能的情況下，注漿量應加倍。

長時間不上壓的原因一般是漿液超范圍擴散。應首先查明有無漿液流失，注漿泵的吸漿情況是否正常，鉆孔附近是否有斷層、大裂隙，則應調濃漿液，縮短凝結時間，加大漿液注入量。

上壓很快時，如是小裂隙、水壓較大，則應在注漿孔附近布設泄壓注漿孔。

3.井筒壁后注漿

3.1 注漿輔助系統

通過3期副井進入-300m水平，平巷行200～300m至電梯井處。

1）提升：利用原有裝備進行提升、上下人員及設備、材料。

2）通訊、信號：利用原有通訊信號電纜。

3）供電：利用原有低壓動力電纜供電。

4）供風：利用原有風管供風。

5）供水：利用原有水管供水。

6）注漿：安裝高壓膠管，輸送漿液。

7）風筒：利用原有風筒通風。

3.2 注漿設備

1）選用2臺2TGZ-60/210型注漿泵。

2）漿液攪拌桶1個，儲漿桶2個，清水桶1個，玻璃水桶1個（可用油桶代替）。

3）鑿巖機：選用2臺YT27型氣腿式風動鑿巖機，用以鉆鑿注漿孔，其中1臺工作，1臺備用，鉆孔直徑φ45mm，配備1.5～2m鉆桿和φ45m及φ32mm“一”字型鉆頭。

4）注漿孔口管：利用φ45mm×800mm鋼管，管壁厚度4.5mm，前端車魚鱗扣，魚鱗扣長度500mm，尾部焊擋板及絲頭。

5）設備布置：

注漿泵布置在臨時平臺上，水泥漿儲漿桶和清水桶布置在注漿機附近。使用YT27型鑿巖機在平臺上進行鉆孔，安裝注漿管。

3.3 注漿材料

注漿材料的選擇直接關系到工程造價及注漿效果，一般情況下，注漿材料的選擇遵循以下幾個原則：材料來源廣，價格低；凝膠時間可調；結石體強度高；結石率高；粘度低，可注入性好；毒性小，對環境污染小。

在實際工程中選擇注漿材料時，往往無法找到同時滿足以上原則的注漿材料，因此常根據注漿目的不同選擇一種或幾種材料進行注漿。目前，在井壁治理過程中常用的注漿材料主要有：水泥漿、水玻璃、改性脲醛樹脂等幾種漿液。

實驗室證明當裂隙小于0.6mm時，無論加大多少壓力，顆粒性漿液都不能壓入。根據現場實際情況，通過比較及近年來施工經驗，為縮短工期和造價，本工程選用水泥漿、改性脲醛樹脂化學漿為主進行注漿。

改性脲醛樹脂漿液是以脲醛樹脂為主劑，由A液和B液兩種液體組成，使用時再混合。該方法在煤礦礦井井筒治理中獲得廣泛應用，效果較好。和水泥漿相比，脲醛樹脂類漿液的粘度較低、可注入性較好、凝膠時間可控。

改性脲醛樹脂（凱蘇凝）材料性能：

礦用改性脲醛樹脂堵水劑（化學漿第四代）是一種雙液型注漿堵水與加固材料。

KSN型材料為雙液方式注漿材料，采用雙液注漿，該材料由A液、B液兩種真溶液成份組成。A液為多元復合高分子有機液體，B液為有機無機多元復合液體。A液、B液混合后，幾秒鐘即可在水中發生凝膠，不會被水沖散，實現快速堵水與含水層加固，該漿液粘度低、滲透性好、固結強度高，膠凝時間從幾分鐘到數小時任意可調，并能準確控制，加大擴散半徑。適用于基建礦井井壁壁后注漿堵水。

本工程注漿材料選用：

水泥+水玻璃、改性脲醛樹脂（凱蘇凝）。

主要注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿注漿效果差時，輔以脲醛樹脂化學漿封水。

3.4 注漿孔參數

1）漿液擴散半徑

漿液的擴散半徑一般可根據馬格公式進行計算，其計算準確程度依賴于井壁周圍地層參數準確性。本工程由于對地層周圍巖層的孔隙率、滲透系數、含水率及均質性等參數均無法獲取，因此只能依據工程實際經驗，取水泥漿漿液擴散半徑為1.0m，脲醛樹脂漿液的擴散半徑為1.5m。

2）注漿段高及注漿孔布置

根據現場實際勘察及靜水位標高，初步確定注漿段高105m（-300m～-405m）。具體根據現場實際情況進行優化調整。注漿孔每層布置6～10個，孔數根據現場實際情況進行布置，層距2.0～3.0m，上下層交錯布置，對井壁質量薄弱、漏水接茬縫等重點部位，增加注漿孔數量，布置淺孔、密孔。注漿孔布置在出水點附近200mm，注漿孔須穿透外層井壁并進入巖層1000mm以上，注漿孔深不低于2000mm。

注漿孔布置如圖1所示。

3）注漿壓力

一般注漿壓力取注漿位置靜水壓加0.6 ～0.8MPa，但為了提高注漿效果，根據井壁結構和厚度，確定注漿孔孔口注漿終壓為4MPa，但施工過程中要保證注漿施工不能引發對井壁造成破壞。

4）注漿作業方式

采用先下行式注漿，再上行注漿，先注水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿效果差時輔助注脲醛樹脂化學漿封水，由于壁后注漿一次往返往往達不到效果，故注漿作業要經過多次往返，但往返次數控制在三次以內。

5）注漿停止標準

停止注漿須滿足注漿終壓或注漿量達到設計要求或相鄰孔出現返漿現象為止。

3.5 注漿方法

1）注漿方法

從井底井壁接茬處開始自下往上布置注漿管，沿出水點布置6～10個注漿管。采用以水泥-水玻璃雙液漿或脲醛樹脂化學漿相結合的注漿方法，每個分層布置注漿孔時，第一個孔出水，埋設好注漿管并安裝高壓閥，先行放水，再布置第二個孔。注漿過程中放水孔出漿時再關閉高壓閥。

2）注漿工藝流程（如圖2所示）

3）埋設注漿管

在工作吊盤上用YT-27型鑿巖機配φ45mm鉆頭打注漿孔，若打好孔后孔內無水不埋管，必須用水泥封堵，以防日后孔內漏水。開孔后，將預先加工好的注漿孔口管魚鱗扣端纏上麻絲，抹上鉛油，用加工好的套管套在絲扣端上，用大錘將注漿管砸入孔內，下放孔內不小于500～1000mm，注漿管外露長度50mm，取下管套，將高壓球閥安裝到注漿孔口管的絲頭上。注漿前，先壓水試驗，球閥與高壓混合器接好后，開動注漿泵用清水沖孔，并作耐壓試驗。

3.6 漿液配制

1）雙液漿配制表（如表1所示）

每次注漿的初始濃度，根據壓水試驗測定的單位鉆孔吸水量選擇，見表2。

2）漿液起始濃度選擇表（如表2所示）

3.7 注漿操作方法及安全注意事項：

1）注漿管安好閥門，安好混合器，并聯接好輸漿管路系統。

2）管路系統聯接好后，關閉進漿閥門，打開各管路開泵用清水試壓，達到1.2倍的注漿終壓持續10分鐘無跑水現象即為合格。

3）注漿時，設專人觀察井壁有無跑漿現象，發現跑漿立即處理，同時觀察井壁有無異常變化，如發現異常，立即停泵進行處理，查清原因再進行作業。

4）停泵后應及時壓清水，沖洗管路和器具。

50注漿管埋設要牢固，管壁與孔壁之間要充填密實，以防噴漿。鉆孔周圍的井壁裂縫進行糊縫處理，埋設導水管（兼作注漿管），用水泥—水玻璃膠泥充填。

6）井筒下放或提升設備時，必須捆綁牢固，并事先與絞車房聯系好，確認無誤后方可開車。

7）制雙液漿時要戴防護手套，水玻璃接觸皮膚應立即用清水沖洗。

8）打眼時，必須把臨時平臺固定好。

9）注漿前要對整個管路系統做壓水耐壓試驗，檢查管路上的所有接頭、法蘭、閥門及管件的耐壓能力，如有不符合要求的及時更換或調整，直到符合要求時方能開始注漿。

10）注漿泵及輸漿管各接頭要綁緊接牢，注漿過程中，盤上工作人員觀察接頭情況，并避開孔口管位置，避免跑管傷人。

11）注漿時應嚴格控制注漿泵壓力，由小到大，采取邊注漿邊觀察注漿管及井壁變化情況，如發現異常情況及時停泵進行處理。

12）注漿時設專人觀察井壁，發現異常立即停泵處理，發現跑漿用棉紗進行封堵。

13）吊盤各器具要安放牢固整齊，在升降吊盤時盤上要有專人指揮，嚴防器具及材料掉入井中，各孔口封閉嚴密。吊盤上不得存放雜物，以免負荷過重。

14）注漿時，施工人員都必須配戴保險帶，并生根在牢固的構件上。注漿人員必須戴防護眼鏡和防護手套。注漿管前嚴禁站人。

15）注漿泵應有專職機工維護、操作，發現問題及時處理。

16）注雙液漿時，兩個吸漿管不得混合使用，嚴防堵塞。

作者簡介：季志才（1984—），河北唐山人，大學本科，助理工程師，河北鋼鐵集團礦業有限公司石人溝鐵礦副主任。