千米深盲豎井下行前進式注漿堵水施工技術

李文光 冀 東 孫英安

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

千米深盲豎井下行前進式注漿堵水施工技術

李文光1冀 東2，3孫英安4

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

三山島金礦是山東黃金主體礦山之一，現進入全面深部開拓、回采階段，深部主要開拓工程區域距地表距離已超過1 000 m。盲豎井掘進工程至-1 070 m工作面時出現涌水量達46 m3/h的含水裂隙帶，如何采取科學有效的治水方案，確保掘進工程的安全進行，已成為礦山亟待解決的問題。在此背景下，優化下行前進式注漿法的設計參數與實施方案，選用合理的注漿設備及材料；在詳盡觀測涌水部位并確定合理注漿孔施工順序的基礎上，在現場分3次進行了90 m段高的注漿作業。注漿方案在現場的實施取得了良好的防、堵水效果，注漿后的總涌水量小于0.5 m3/h，為盲豎井掘進工程通過含水斷層區域提供了安全可靠的保障；該注漿方法對類似金屬礦山深井突水災害的防治具有一定的指導與借鑒意義。

金屬礦山 深部開采 礦山突水防治 千米深盲豎井 下行前進式注漿法

三山島金礦是我國重要的黃金生產基地，井下采用無軌設備開采，其機械化開采程度處于國內領先水平[1-4]。礦區的盲混合井工程，井筒凈直徑φ5.5 m，設計井深640 m(-600～-1 240 m)，分別在-537.3、-546.3、-575 m標高設提升機硐室、導向輪硐室及箕斗卸礦硐室。礦倉容積300 m3，礦石儲存能力達350 t。-690～-1 140 m各中段均設馬頭門(各中段間隔90 m，共計6個馬頭門)。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，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、粉礦回收系統掘砌與裝備等。其中，千米井筒的掘進工程是三山島金礦深部目前進行的重點開拓工程之一[5-6]。

盲豎井工程招標時提供的地質資料最大涌水量為20 m3/h。盲豎井在掘砌過程中，已出現過不同程度的涌水，導致井壁存在淋水現象。當井筒掘進至-1 070 m標高，工作面出現1條寬約30～50 cm的含水裂隙，實測涌水量達46 m3/h。這使得原設計的排水系統已不能滿足排水需要，嚴重影響到了豎井的施工進度和施工質量。在此背景下，采用下行前進式注漿法并結合現場實際情況，對注漿治水方案進行優化設計及論證，確保千米井筒的掘進工程能夠安全、高效進行。

1 注漿治水方案的選取[7-11]

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

分段上行式注漿，即注漿孔一次鉆進到注漿終深，使用止漿塞自下而上逐段注漿。這種注漿方式多在賦水性較弱的堅硬巖層中縱向裂隙不發育的條件下應用。受現場工程地質、水文地質條件的制約，該方法不適用于本次的注漿作業。

分段下行式注漿，即從工作面鉆孔到含水層開始，由上向下，先鉆一段孔，后注一段漿，反復交替進行，直至達到注漿設計深度。該注漿方法的優點是可以分次進行復注，便于保證注漿質量；同時，每次注漿都能對上次注漿部位進行復注，可以增強實際注漿的效果。在縱向裂隙發育的巖層中和巖石破碎的條件下，止漿塞能起到可靠的止漿效果。然而，由于鉆孔和注漿交替進行，這大大增加了掃孔和其他輔助工作時間。

在對工程現場環境、地質勘查資料以及現有施工資源細致調研的基礎上，結合井筒混凝土井壁施工質量要求高；特別是針對三山島金礦水文地質條件中等復雜的礦床，構造裂隙出水。礦區三面臨海，礦體全部賦存在海平面以下，每天的涌水量達到18 500 m3；本區域在礦區最深位置，必須高標準確保注漿質量，防止突水事件的發生。綜合考慮幾種擬選用注漿方案的優缺點及適用性，決定采用“井下工作面下行前進式注漿”的注漿治水施工方案：即在井底工作面先施工止漿墊，并按設計布置預埋注漿孔口管；隨后進行打鉆注漿，注漿段高為30 m，每鉆進5 m，就進行注漿。如果鉆孔至出水位置后便停止鉆孔，再進行注漿作業，這樣鞏固一段施工一段，確保了施工質量。每個孔注漿次數為6～8次。注漿結束后按設計施工順序再對其他孔進行繼續鉆進、注漿，如此反復至設計終孔深度。

2 下行前進式注漿法的施工步驟

該下行前進式注漿法的現場實施過程可分為以下5個步驟進行。

(1)濾水層與混凝土止漿墊的鋪設施工。井筒毛斷面長度3.5 m，為使混凝土止漿墊與井壁相接，鋪設1.5 m厚濾水層。為便于施工，選擇受力較小的單級平底型2 m厚混凝土止漿墊，先將φ108 mm鋼管一端焊接法蘭，管長4.0 m在井底工作面上按設計固定好位置，再將濾水層用粒徑4～6 cm石子鋪好，在集中出水點埋設2個廢舊油桶，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，以保證混凝土止漿墊的施工質量。

(2)混凝土止漿墊養護7 d，在此期間進行搭設鉆機平臺及做注漿準備工作，并完善注漿工作中的各項輔助工作。

(3)混凝土止漿墊養護7 d后，將2臺污水泵取出，用C30混凝土封堵濾水桶，并在其內埋設注漿管，用以注漿加固混凝土止漿墊。

(4)注漿加固混凝土止漿墊。通過埋設的注漿管對混凝土止漿墊進行注漿加固，局部漏水處用7655鑿巖機打孔注漿，最終使混凝土止漿墊不漏水，濾水層和混凝土也結合成一整體。

(5)對工作面埋設的注漿孔口管，按設計的施工順序進行打鉆、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，如檢查孔內仍有水再對其進行注漿，根據情況如需要再另行加孔。設計注漿孔布置如圖1所示。

3 注漿設備及參數

3.1 注漿設備與工藝流程

本次下行前進式注漿法施工所需的注漿設備與配套鉆孔設備如表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2.4～3.4，濃度30～45 Be′)和水，市場上材料來源豐富。

現場的注漿工藝流程：安設注漿泵、攪拌系統→攪拌漿液→連接注漿管路至空口管→進行注漿→按設計參數調整漿液→達到注漿結束標準→清洗注漿泵及管路→準備下次注漿。

圖1 三山島金礦千米盲豎井設計注漿孔布置

表1 現場注漿設備的規格及數量

3.2 注漿參數

注漿深度的選取往往根據現場實際情況及井下條件確定。根據KQ-100風動潛孔鉆和K90鉆機的鉆機參數與現場實際操作空間，本次注漿段高選擇30 m。

注漿終壓P選定為6～8 MPa。注漿前，安設壓力表對水的壓力進行現場實測，注漿終壓設計值為實測水壓的3～5倍。注漿擴散半徑選定為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。注漿過程中，要根據現場實際情況據實進行調整。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間，反之則延長漿液的凝固時間。實際濃度按以下原則進行調整。

(1)先稀后濃，當吸漿量為80%時，濃度適中。

(2)壓力上升緩慢，長時間不動時要調濃一級。

(3)當水泥漿濃度一定時，可調整水玻璃用量及水玻璃濃度來調整凝膠時間，當水玻璃濃度一定時，可調整水泥漿濃度來控制凝膠時間。

表2 水泥漿現場配制方案

表3 水玻璃現場配制方案

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，取1.3；η為裂隙率，由巖石裂隙體積Vn及巖心體積Vr計算得到，取0.006；β為漿液充填密實系數，取0.95；R為擴散半徑數，取8 m；H為段高，取30 m；m為水泥結石率，取0.85。

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

4 現場施工控制要點

井筒鉆孔注漿工程是一項綜合性工程，由于井筒淋水較大，且工作面處于-1 070 m標高處，巖溫及作業面環境溫度都比較高，上述因素都加大了施工技術的難度。在現場施工作業過程中，必須確定好控制要點，由專業技術人員進行操作，熟悉設計參數并根據施工中實際情況或實踐工作經驗進行調整，及時準確地處理注漿施工可能出現的跑漿、冒漿、管路堵塞及設備事故[12-14]。為此，成立了統一領導的專業技術人員及操作工班組，同時還根據施工過程中的現場實際情況，提出了多項的施工方案改進措施與控制要點，以保證施工質量及注漿效果。

(1)增設注漿鉆孔數量。如圖2所示，原設計14個孔，其中周邊孔10個，檢查孔4個，根據現場實際情況，A1孔在鉆至3.5 m時，涌水量達到20 m3/h。在斷層出水一側鉆孔進行了加密，多布了2個孔，周邊孔變成了12個孔，檢查孔更改為3個孔；A12孔在鉆至3.5 m時，涌水量達到35 m3/h，在A12、A1周邊(出水部位)增加了B1、B2、B33個孔，鉆孔總數增加至18個，輔助孔的增加有效地保證了注漿的施工質量。

圖2 三山島盲豎井實際注漿孔布置

(2)現場調整注漿量。通過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，要小于原設計漿液注入總量525.6 m3，但注漿壓力均超過了設計終壓，實際注漿量也滿足了注漿要求。

(3)注漿壓力調整。采取低壓力中流量注入，注漿過程中壓力逐步上升，流量逐漸減少(小于30～40 L/min)，當壓力升至注漿終壓時，繼續壓注5 min，即可結束注漿。注漿時通過控制注漿壓力控制注漿量。當注漿壓力較小而注漿量較大時，增大水泥漿的濃度，直至終壓，持續注漿至設計孔位深度。原設計注漿終壓6～8 MPa，隨著深度的增加，實測水壓為3 MPa，注漿終壓應調整為9～15 MPa。

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

(5)造漿前，對漿液材料的膠凝時間進行測定，每更換一級濃度需重新測定凝結時間。

(6)確保先期注漿量大的注漿孔施工質量。

(7)漿液濃度要依據水量、水壓、裂隙發育情況來確定，以保證漿液質量。注漿過程中一定要注意觀察注漿壓力的變化情況，當壓力突然發生變化堵塞管路或漿液漏泄、跑漿時要進行及時處理或調整漿液濃度。

(8)注漿泵應全面檢查和清洗干凈，不允許泵體的殘渣和鐵屑的存在；各密封圈完整無泄漏，安全閥中的安全銷要進行試壓檢驗，確保能在額定最高壓力時斷銷卸壓。

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

(10)嚴格控制注漿量和注漿壓力。注漿前，先關閉孔口閥門，后開啟注漿泵；進行管路壓水試驗，如有泄漏，應及時檢修。

5 結 語

通過現場注漿施工作業的實施，達到了盲豎井含水裂隙帶區域施工防、堵水目的，破除止漿墊，進行了井筒順利下掘工作。然后分別在-1 097 m、-1 127 m水平位置處預留了巖帽，進行了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量，取得很好的注漿效果。掘進至-1 160 m標高已經穿過含水裂隙，進入正常的井筒掘進段，注漿的順利完成為深部開拓奠定了基礎。該注漿方法對類似金屬礦山深井突水災害的防治具有一定的指導與借鑒意義。

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(責任編輯 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”國家科技支撐計劃項目(編號：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