新城金礦立井含水層破碎帶綜合治理施工方法

周新勍

(華煤集團有限公司)

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新城金礦立井含水層破碎帶綜合治理施工方法

周新勍

(華煤集團有限公司)

立井井筒穿過含水層圍巖破碎帶施工時由于巖體穩定性較差，在涌水的侵蝕下，采用爆破法施工時極易出現大面積片幫，嚴重影響了立井井筒的施工安全與質量。為此，采用帷幕注漿封水的施工方法治理立井井筒涌水，采用工作面超前預注漿加固與后期掘進時減少爆破擾動的方法進行破碎圍巖段施工。以新城金礦滕家副井穿過極破碎帶含水層施工工程為例，通過工作面超前預注漿的施工方法注漿封水與加固極破碎帶，在特殊地層中合理選擇注漿材料，注漿后下掘施工時加強探水力度、控制掘進爆破振動對圍巖擾動與注漿帷幕的影響，使得立井井筒施工順利通過了極破碎帶含水層，成效顯著，可供類似礦山參考。

立井井筒破碎帶綜合治理帷幕注漿爆破振動

立井穿過破碎帶施工時利用注漿技術對破碎圍巖進行加固是最常用的施工方法，帷幕注漿技術已成為大水礦山治水的主要技術手段之一[1-2]。邵正民等[3]針對羅河鐵礦豎井井筒工作面注漿施工時前期注入普通水泥漿270d后注漿效果較差，施工進度十分緩慢，經分析后注入化學漿歷時60d取得了較好的封水效果；馮向東[4]提出采用高壓、大能量強制性注漿的施工方法對破碎圍巖進行加固，取得了一定的成效。經過對上述成果的分析，認為對于立井井筒穿過破碎帶含水層施工時可采用工作面預注漿的施工方法治理涌水并加固圍巖，在注漿后通過控制爆破振動減少對破碎帶與注漿帷幕的爆破擾動，防止破碎圍巖片幫與井筒內突發涌水相互影響，導致井筒掘砌施工難度增加，確保立井井筒施工順利通過復雜特殊地層。

1　工程概況

新城金礦位于山東省萊州市，瀕臨渤海，屬于巖溶環境相對發育的地區。工勘資料顯示礦區受焦家斷裂蝕變帶地質構造的影響，焦家斷裂蝕變帶不僅控制著礦體的分布與埋藏，而且控制著地下水的富集、運移和水力特性，屬壓扭性斷裂帶，斷裂帶的中間部位是斷層泥，兩側為碎裂巖，巖石間細微導水裂隙密集，裂隙豎向傾角為45°～60°。新城金礦滕家副井井筒設計凈直徑7.5m，素混凝土支護厚度0.5m，井深1 170.88m。2015年5月29日施工至井深246m后出現涌水，經過連續4次探注掘施工，2016年1月5日施工至井深386m，在井深388m探水施工時，當井筒內的涌水量達到60m3/h時開始第五次工作面超前預注漿。在第一次注漿結束后施工至井深254m位置時井筒內松軟破碎圍巖出現大面積片幫，致使注漿封水帷幕被破壞，井筒內涌水量急劇上升。井筒內涌水量的增加，導致破碎圍巖在涌水的沖刷下松軟垮塌，增加了施工難度并延長了施工工期。工勘資料顯示在注漿段高內巖石均為破碎、極破碎巖，井深416～424m段為極破碎巖且涌水量較大，工勘取樣時巖芯多呈碎塊狀，局部呈碎渣狀，RQD為0%，巖體基本質量等級為V級。在注漿過程中打鉆至416m位置時單孔涌水量達到30m3/h，且涌水中噴出大量顆粒性巖石與淤泥狀泥巖。因此，在對該段特殊地層井筒注漿封水與加固破碎帶施工時應引起高度重視，在后期掘進時應加強探水與減少炮震對破碎圍巖的振動影響，確保施工安全。

本研究注漿設計澆筑厚3.5m、C40混凝土止漿墊，段高50m，沿井筒周圈距井壁0.5m均勻布置16個φ108mm注漿孔，注漿孔傾角3°，注漿材料以單液水泥漿為主。注漿孔打鉆時的實測水壓為2.6MPa，在打鉆深度至30m后注漿孔在高注漿壓力(20MPa)下注入單液普通水泥漿，但注入量極少(單孔0.5～1t)，掃孔后注漿孔涌水量無明顯減少。主要原因是高壓水泥漿注過后仍存在眾多細微導水裂隙，因普通水泥漿顆粒較大無法進入細微裂隙向外擴散封水，但經注水試驗，注水壓力保持在2.5～3.5MPa仍可持續注入清水，通過壓水試驗說明非顆粒液體可實現在較小的壓力下進入已注過的單液普通水泥漿的破碎帶含水層。

2　注漿優化設計與施工

2.1總體注漿方案

顧及到金屬礦山細微導水裂隙密集發育，普通水泥顆粒較大無法有效擴散封堵，故選用化學漿與超細水泥漿進行工作面注漿封水施工。原注漿孔經高壓注入普通水泥漿已形成孔內屏蔽，須新增注漿孔補注(在原注漿孔中間穿插新增16個注漿孔，注漿孔傾角5°，注漿段高50m)?；瘜W漿選用脲醛樹脂與草酸溶液，屬于非顆粒性液體，可有效充填巖石間細微裂隙，凝固后抗壓強度較低，作用在于封堵細微導水裂隙。超細水泥漿顆粒粒徑0.02μm，凝固后抗壓強度較高且耐久性良好，作用在于封堵大裂隙與加固破碎圍巖。注漿孔漿液選擇應遵循的原則為：①打鉆時注漿孔內出現顆粒狀巖石或出現夾孔卡鉆堵塞鉆機沖擊器現象時，須注入超細水泥漿；②單孔涌水量大于5m3/h時須注入超細水泥漿；③注漿孔涌水量小于5m3/h或掃孔時須注入化學漿。

2.2現場漿液配比試驗2.2.1化學漿配比

采用脲醛樹脂與草酸進行現場配比試驗，主要通過控制草酸溶液濃度來控制化學漿初凝時間。根據試驗結果，化學漿中脲醛樹脂與草酸溶液體積比為3∶1時效果最佳。經試驗，草酸溶液濃度與化學漿凝結時間的關系見圖1。

圖1　草酸濃度與化學漿凝結時間曲線■—初凝時間；◆—終凝時間

2.2.2超細水泥漿水灰比配比

采用超細水泥漿進行水灰比調配試驗，具體配比與凝固時間見表1。

表1　超細水泥不同水灰比對應的凝結時間

2.3具體施工方法

注漿孔打鉆完畢后進行現場測水，根據涌水量大小與打鉆記錄情況選擇漿液，注超細水泥漿時漿液先稀后濃，以封堵裂隙水為主，若注漿壓力上升較慢應逐漸增大漿液濃度，當注漿壓力上升至10MPa以后集中注濃漿，此時注入濃漿以加固井筒附近破碎圍巖為主，直至注漿壓力上升至15MPa并穩定15～20min后結束注漿。注入雙液化學漿時調節草酸濃度先稀后濃，漿液初凝時間控制在8～10min為宜，單孔漿液注入量可根據下式計算[5-6]：

式中，Q為單孔漿液注入量，m3；H為注漿段高，取50m；R為井筒荒半徑，取4.25m；L為漿液擴散超出荒徑的安全保護距離，取3m；η為巖石間裂隙率，取2%；n為注漿孔數，取16個。

經計算，Q=10.31m3，因此，在漿液注入量超過10m3后，若注漿壓力無較大變化時須提高草酸濃度使得漿液初凝時間控制在3～5min，直至注漿壓力達到15MPa并穩定15～20min，方可結束注漿，注漿效果見圖2、圖3。

圖2　化學漿封堵細微縱向導水裂隙帶

圖3　超細水泥充填加固圍巖破碎帶

2.4恢復下掘施工標準

對所有新增孔打鉆注漿完畢后，在井筒內出現噴孔位置與涌水量較大的注漿孔附近增加注漿孔，探明注漿封水與加固破碎圍巖效果，若探水孔涌水較大應繼續補孔注漿，無需對原注漿孔掃孔，直至檢驗孔不再出現噴孔且單孔涌水量低于1m3/h后，方可恢復下掘施工。

3　注漿后恢復下掘施工

3.1下掘施工總體施工方案

為確保安全下掘，采用分2次下掘的施工方案，首先施工井深386～410m段，掘砌段高24m，在掘砌至井深410m后停掘，預留厚6m已注安全巖帽對極破碎含水帶進行進一步探注，根據探水情況增孔對極破碎段補孔注漿封水與加固圍巖；然后施工井深410～426m段，掘砌段高16m，在掘進至井深426m后停掘，預留厚10.0m已注巖帽，進行下一含水層探水工作(圖4)。

圖4　分段下掘施工示意

3.2下掘施工爆破控制

恢復下掘施工時每次打眼施工前須先打探水孔，實行“有掘必探、探8掘3”的施工原則。根據打鉆注漿記錄找到原涌水較大位置并布置4～6個 8m深探水孔，探水孔傾角5°～8°，盡量向外傾斜探水，在確認探水孔涌水量低于0.5m3/h后，打3m深前進眼進行下掘施工。打眼時周邊眼間距不宜超過500mm，爆破時減少裝藥量，選用藥卷直徑較小的火藥，以降低一次爆破沖擊能量對圍巖的破壞。

3.3極破碎段施工

極破碎段巖性呈粉狀結構，掘進時使用中心回轉抓巖機、挖掘機配合人工風鎬掘進。對相對較好的圍巖井幫采取打注漿管與掛金屬網臨時支護，注漿管采用0.6m長一寸無縫鋼管(若打眼出水，可直接注雙液漿封堵)，金屬網規格1.2m×2.0m。對于破碎帶的粉狀結構采用裝配式小模板先施工一層臨時外壁，將圍巖盡快封閉。施工時先小段高掘支外壁，掘支段高1m，壁厚0.3m，滿足大模板4m段高時進行內壁永久混凝土支護。

3.4防外壁混凝土脫落施工

為防止小段高支護混凝土脫落，可采取布置掛鉤鋼筋加固的施工方法，用長1.5m、φ20mm鋼筋制作長1m的長鋼筋掛鉤，鋼筋鉤間距500mm，布置于井筒荒徑周圈，將掛鉤預埋至井底浮矸內，在下一循環出渣后進行搭接，上部直接與井筒外壁澆筑成整體。

4　結　論

(1)在復雜地層中采取注漿治水與加固破碎圍巖的施工方法，實踐表明，采用超細水泥漿注漿不僅能擴散封堵巖石間導水裂隙而且可有效充填破碎巖石間隙加固破碎圍巖，井筒揭露時未出現大面積片幫現象，有效確保了施工安全。

(2)對于富水金屬礦山密集裂隙帶立井施工可采用化學漿注漿封水，在普通水泥漿難以注入封堵涌水的條件下注入非顆粒性化學漿可有效封堵巖石間裂隙水。

(3)注漿后下掘施工時采取長探短掘的施工方法，嚴格控制打眼裝藥施工，減少爆破擾動對圍巖與注漿帷幕的破壞，對極破碎帶采取小段高風鎬掘進、提前支模等方法，縮短圍巖暴露時間，確保井筒施工順利通過特殊地層。

[1]李廷春，張仕林，王群，等.立井破碎基巖段圍巖強度等級及支護等級劃分標準[J].湖南科技大學學報，2014，29(1)：1-7.

[2]盧萍，侯克鵬.帷幕注漿技術在礦山治水中的應用現狀與發展趨勢[J].現代礦業，2010(3)：21-24.

[3]邵正民，陳佩富.羅河鐵礦豎井井筒工作面預注化學漿止水施工技術[J].現代礦業，2009(8)：113-115.

[4]馮向東.立井穿過斷層破碎帶預注漿[J].煤炭科學技術，1997(5)：41-42.

[5]楊曉成，尚立斌，王玉祿，等.立井極破碎巖層掘進爆破技術[J].建井技術，2014，35(6)：19-22.

[6]楊星林，趙建希.井筒工作面預注化學漿施工[J].煤，2008，17(8)：58-60.

2016-06-14)

周新勍(1990—)，男，助理工程師，碩士，130000 吉林省長春市高新區創譽街213號。