壓水試驗在大賈莊鐵礦地面預注漿工程中的應用*

孫曉宇　楊紅軍　董慶歡

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

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壓水試驗在大賈莊鐵礦地面預注漿工程中的應用*

孫曉宇1,2楊紅軍1,2董慶歡1,2

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

摘要壓水試驗是一種常用的水文地質試驗方法，正式注漿前的打壓試驗可檢查注漿管路的密封性、耐壓性；注漿前的壓水試驗不僅可檢查止漿塞的密封效果，還可為注漿工程中注漿壓力、漿液類型、注漿時間等參數的確定提供依據，注漿后的壓水試驗可避免注漿管路被漿液結實體堵塞；檢驗性壓水試驗可檢查注漿效果，并確定是否需要復注等。分別從正式注漿前的打壓試驗、注漿過程中注漿前后的壓水試驗、注漿完畢后的檢驗性壓水試驗等3個方面，詳細分析了壓水試驗在大賈莊鐵礦地面預注漿工程中的應用成果，為類似礦山工程提供參考。

關鍵詞打壓試驗壓水試驗地面預注漿

礦井井筒建設之前，井筒涌水量較大，如不采用地面預注漿工藝將井筒周圍的地下水進行有效堵截，井筒建設工程則無法進行。注漿前后井筒的水文地質條件會發生較大變化，差別較大，為有效確定注漿參數，并對注漿效果進行檢驗，需根據具體施工情況選擇行之有效的水文地質試驗方法計算井筒各含水層的水文地質參數，并求解井筒涌水量，為井筒建設提供必要的依據，并較準確地評價堵水效果[1]。在長期的施工過程中，在分析對比各種水文地質試驗方法的基礎上，本研究以大賈莊鐵礦地面預注漿工程為例，對壓水試驗方法的應用成果進行探討。

1工程概況

大賈莊鐵礦位于河北省灤縣南部與灤南縣北部交接處，跨越灤縣、灤南兩縣，隸屬于灤縣響嘡鎮及灤南縣長凝鎮和程莊鎮管轄。擬建主井鉆孔具體位于司—馬—長復式向斜構造帶東側，基巖構造形態表現為褶皺為主、斷裂屬次的特征。根據ZK1井檢孔資料，地層由老至新為太古界、第四系地層，第四系孔系含水層井筒涌水量62 644.44 m3/d，基巖風化裂隙含水層井筒涌水量297.35 m3/d，基巖構造裂隙含水層井筒涌水量10 546.28 m3/d。為使該井筒安全順利地穿過含水層，采用“上凍下注”法施工，注漿施工段為240～690 m，根據地層情況分為11個注漿段。總體設計方案：主井井筒注漿孔12個，采用雙圈布孔，內圈布設6個孔，圈徑11 m，孔間距5.5 m，外圈6個孔，圈徑14.5 m，孔間距7.25 m。該礦地面預注漿系統見圖1。

圖1　注漿系統示意

2壓水試驗基本原理

壓水試驗是一種在一定壓力下將清水壓入鉆孔試驗段巖層中的水文地質試驗方法，通過計算壓水段單位吸水量、含水層滲透系數等水文地質參數，判斷注漿前后巖層裂隙發育的相對程度及滲透性，并利用有關水文地質參數計算井筒涌水量，為井筒建設提供依據。該方法原理見圖2[2-3]。

圖2　注漿孔壓水試驗原理

3試驗結果

3.1打壓試驗

在所有注漿系統形成之后，為驗證注漿管路的密封性、耐壓性，需對注漿系統進行打壓試驗。鑒于注漿管路總長度不超過500 m，且管道材質相同，對整個注漿管路進行一次性打壓試驗即可。在注漿管路打壓過程中，如發現有局部滲漏，應減慢升壓速度或停止加壓，對滲漏點進行標記，并進行檢查，在確定強度可靠時，可繼續加壓，以便使所有問題暴露出來。在將所有暴露的滲漏點進行加強處理后，將壓水壓力逐漸提升至設計注漿終壓的1.2～1.5倍，如原滲漏點既無擴大又未出現新的滲漏點，在穩定20 min后方可投入正常運行。

3.2注漿過程壓水試驗3.2.1注漿前壓水

圖3　壓水持續時間與壓水壓力的關系

壓水試驗結果一般采用單位吸水量表示。單位吸水量的大小不僅可表示巖層滲透性的大小，而且在一定程度上也表示地層可注性的高低。單位吸水量小，一般情況下可注性較差，單位吸水量大，一般情況下可注性較好，計算公式為

(1)

式中，W為單位吸水量，L/(m·m·min)；Q為壓水水量，L/min；P為壓水壓力，MPa，可換算成水柱高度，m；L為壓水段高度，m。

圖注漿孔單位吸水量的變化趨勢

3.2.2注漿后壓水

在大賈莊鐵礦主井井筒12個注漿孔的11個注漿層段注漿施工過程中，每次注漿后都進行了壓水試驗。注漿孔段每次注漿工作剛結束時，漿液還未凝固，此時壓水試驗數據無法用于分析注漿巖層的透水性和可注性，更無法據此判斷注漿后的地層是否能夠達到設計的防滲標準。注漿后壓水試驗的壓水量應根據注漿管路內徑及鉆桿長度進行準確計算，壓水水量過少注漿管路中的漿液仍會有少許留于注漿管路中，如果過多便會降低漿液在巖層中的結實率。

3.3檢驗性壓水試驗

3.3.1質量檢查孔確定

3.3.2壓水試驗孔段劃分

3.3.3壓水壓力確定

壓水試驗壓力一般為受壓點靜水壓力的1.5～2.5倍，1個壓水段選擇3個壓力值，壓水壓力由小到大進行試驗。當某一壓水點測量的最大、最小壓力差與平均壓力的比值小于10%并保持20 min時，則認為該壓水點壓力已穩定。

3.3.4壓水試驗滲透系數公式推導3.3.4.1壓水試驗公式

地面預注漿工程壓水試驗滲透系數計算公式為

(2)

式中，K為滲透系數，m/d；r為鉆孔半徑，m；a為系數，當含水層厚度大于1/3L時，取1.32，當含水層厚度小于1/3L時，取0.66。

3.3.4.2裘布依公式

壓水試驗與抽水試驗均以裘布依理論和達西滲透定律為基礎，測定和計算地下巖層的滲透性和含水層的水文地質參數的試驗方法[4-5]。壓水水量計算公式為

(3)

由式(3)可推導出滲透系數的計算公式：

(4)

式(4)中，hw-h為壓水試驗水位升高值，令P=hw-h為壓水試驗水壓，換算為水柱高度，將式(4)中的壓水水量單位換算成L/min，便可推導出下式

(5)

3.3.4.3公式優化

由式(2)、式(5)對比分析可知，若將式(5)中的M替換為L，R替換為aL后，兩者則完全一致。根據相關規程，壓水試驗段高通常不超過5 m，但大賈莊鐵礦主井井筒地面預注漿工程壓水試驗分3段，分別將240～440 m、440～550 m、550～703 m段作為壓水段進行壓水試驗，含水層厚度分別為20.9，11.1，83.4 m，通過分析可知壓水段高和含水層厚度相差較大，采用式(2)計算主井井筒涌水量顯然不準確。為此，對于大賈莊主井井筒涌水量的計算，可將式(5)中的R替換為aL，含水層厚度不作替代，便可得出優化后的計算公式：

(6)

3.3.5井筒涌水量計算

根據理論分析及以往施工經驗，井筒涌水量計算公式為[4-6]

(7)

式中，QJ為預計井筒涌水量，m3/d；Sw為含水層最大降深，m；rJ為井筒荒半徑，m。

3.3.6數據分析

表1　大賈莊鐵礦主井井筒地面預注漿檢查孔壓水試驗計算結果

由表1可知：采用式(2)、式(7)計算的井筒涌水量為1.71 m3/h，采用式(6)、式(7)計算的井筒涌水量為5.35 m3/h，目前井筒開挖工作已完畢，實測井筒涌水量為5.6 m3/h，符合《礦山井巷工程施工及驗收規范》中“注漿結束后井筒掘進漏水量不應大于6 m3/h”的要求，可見，大賈莊鐵礦主井井筒地面預注漿效果較好。

4結語

以大賈莊鐵礦地面預注漿工程為例，分別從正式注漿前的打壓試驗、注漿過程中的注漿前后壓水試驗、注漿完畢后的檢驗性壓水試驗等3個方面，分析了壓水試驗在地面預注漿工程中的應用效果，并對井筒涌水量的計算公式進行了優化，可供類似礦山工程參考。

參考文獻

[1]李勛千，楊春來，周慶芬.井筒涌水量預測及注漿堵水[M].北京：煤炭工業出版社，1992.

[2]叢山.礦山帷幕注漿堵水工程設計與施工[M].北京：地質出版社，2011.

[3]趙宏偉.鉆孔壓水試驗預測井筒涌水量的研究與實踐[J].煤炭科學技術，2012(8)：100-103.

[4]薛禹群.地下水動力學[M].北京：地質出版社，1997.

[5]陳崇希，林敏.地下水動力學[M].武漢：中國地質大學出版社，1999.

[6]武強.煤礦防治水手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2013.

(收稿日期2016-04-05)

Application of Ground Pre-grouting Engineering of Dajiazhuang Iron Mine of Water Pressure Test

Sun Xiaoyu1,2Yang Hongjun1,2Dong Qinhuan1,2

(1.Institute of Mine Construction, Tiandi Science & Technology Co., Ltd.;2.Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd.)

AbstractWater pressure test is a common hydrogeological test method,the impermeability and durability of grouting pipes can be checked by the pressure test before the formal grouting;the water pressure test before the formal grouting can check the sealing effect of the grouting plugs,but also can provide reference for the determination of the grouting parameters of grouting pressure,grouting types and grouting time,the pipes can be avoided to be blocked by serous junction entities by the water pressure test after grouting;the grouting effects can be checked effectively and the repetitive grouting can be determined by the inspectability water pressure test.The application results of the water pressure tests of the ground pre-grouting engineering in Dajiazhuang iron mine are is analyzed from the aspects of the pressure test before the formal grouting,the water pressure tests before or after grouting during the grouting process and the inspectability water pressure test after grouting to provide some reference for the similar mine engineering.

KeywordsPressure test,Water pressure test,Ground pre-grouting

*天地科技技術創新基金項目(編號：KJ-2014-BJZM-03)。

孫曉宇(1985—)，男，工程師，碩士，100013 北京市朝陽區和平里青年溝東路5號。