毛坪鉛鋅礦盲豎井井筒預注漿技術

賀 文 周高明 向俊興 孫幫濤 王 勇 楊紅軍

（1.天地科技股份有限公司，北京，100013；2.彝良馳宏礦業有限公司，云南昭通，6576002；3.北京中煤礦山工程有限公司北京100013；4.煤炭科學研究總院建井研究分院北京100013）

立井井筒是我國礦井的關鍵部位，為聯系礦山地表與地下的核心通道，是礦井建設的“咽喉”工程，立井井筒建設具有單位造價高、施工工期長、施工條件錯綜復雜的特征［1-3］。預注漿技術因具有技術成熟、施工較為簡便、能形成永久帷幕等優點，近年來已成為立井井筒快速通過含水層應用最為廣泛的工法［4-5］。

預注漿工法是我國在總結多年來井筒注漿技術經驗的基礎上，進而研究開發的一套新的綜合注漿技術［6］。自20世紀90年代起，我國的地面預注漿技術得到了重要突破，由“水泥注漿時代”步入“綜合黏土水泥注漿時代”。同時通過近些年的發展，涌現了新型注漿材料及注漿設備［7-8］。預注漿工藝在我國豎井井筒水害治理方面得到了非常廣泛的應用。

由于空間條件、運輸條件等的限制，在我國乃至世界盲豎井井筒尚未有過預注漿工程案例，因此毛坪鉛鋅礦112線盲豎井井筒預注漿的設計與施工對我國西南礦區井筒預注漿工藝的推廣應用具有重要意義。

1 工程概況

彝良馳宏礦業有限公司毛坪鉛鋅礦位于云南省東北部昭通市彝良縣境內，為一儲量大、品位高的大型鉛鋅礦山。毛坪鉛鋅礦地處洛澤河大峽谷，洛澤河從礦區地表穿流而過，河兩岸山高坡陡，兩岸山頂標高約+1 700 m。該礦目前主要的開采中段有+910 m中段、+760 m中段、+670 m中段，只有1條豎井，擬建112線豎井采用圓形盲混合井，井筒凈徑5.7 m，荒徑6.5 m。井口設于現910 m水平巷道內，設計井筒深度960 m，設計井口標高+910 m，落底標高-50 m。該豎井將作為采礦人員、設備、材料及礦石等運輸的主要通道。112線盲豎井井筒的主要設計參數如表1所示。

2 井筒工程地質及水文地質

在112線盲豎井井筒施工之前，在井筒中央位置曾施工一勘察鉆孔，豎井勘察鉆探結果顯示，鉆孔深度范圍內擬建豎井均為泥盆系宰格組上統微風化白云巖地層，構造裂隙及破碎帶較為發育。同時勘察鉆孔鉆探至標高-50.27 m時，遇到大的構造裂隙水，涌水量達123.3 m3/h，孔口水壓達1.93 MPa，鉆探無法繼續進行，勘察鉆孔被迫在此位置終孔，勘察鉆孔預測井筒涌水量高達314.8 m3/h。

井筒掘砌至+481 m標高位置，井筒涌水量已高達50 m3/h，為保障深部豎井井筒安全快速掘進，防止淹井等極端現象的發生，彝良馳宏礦業有限公司決定暫停該豎井井筒掘砌施工，對該井筒先行實施預注漿治水，待預注漿工作完成后，再恢復掘砌作業。

3 注漿設計方案

3.1 總體設計

由于井筒的井口設在+910 m中段的巷道內，且已掘砌施工至+481 m標高，為減少無效鉆探工作量，且便于觀察鉆孔涌水情況，設計在井下+670 m中段井筒周圍布置鉆窩及注漿站，作為鉆孔和注漿的施工平臺。地表+900 m平面布置制漿車間，作為黏土原漿制造和存儲的場地，地表制漿站和井下注漿站之間安裝輸漿管線。為防止爆破鉆窩施工對既有井筒造成破壞，設計鉆窩距離井筒位置較遠，因此設計注漿鉆孔采用全S孔方案，在距離井筒較遠位置設置鉆窩，通過定向技術將鉆孔引入靶域。

鉆孔上部為套管段，下部為注漿段。鉆孔形成后，采用分段下行式預注漿的方法對井筒周邊含水層進行治理，形成注漿帷幕，達到止水的目的。

3.2 注漿起止深度

為防止預注漿施工對既有井筒造成破壞，并留出足夠的止漿墊厚度，結合各地層地質條件，設計鉆孔套管段長度254 m（標高+670～+416 m），注漿段長度496 m，起止深度為254～780 m（標高+416～-80 m），注漿終止深度超過井筒深度30 m。鉆孔布孔圈徑28 m，落點圈徑9.5 m，注漿鉆孔的設計軌跡如圖1所示。

3.3 注漿鉆孔設計

在本工程實施過程中，設計注漿鉆孔的數目，根據巖石裂隙的發育情況、井筒斷面、注漿泵的注漿能力及井下施工場地條件等因素，最終依照下列公式進行確定。

式中，N為注漿孔數，個；d為井筒荒徑，m；a為注漿孔至井筒荒徑的距離，m；一般取a值為0±1.5 m；L為注漿孔間距，m；一般選擇為3～5 m。

通過計算，最終設計注漿鉆孔6個，注漿段按同心圓等間距排列，同心圓直徑9.5 m，孔間距4.75 m。綜合考慮鉆機尺寸決定的鉆窩大小、井筒荒徑、爆破鉆窩施工與井筒的安全距離、鉆孔開孔位置與注漿段靶域的水平距離等因素，設計注漿鉆孔布孔圈徑為Φ28 m。為了減少和控制開鑿鉆窩的工程費用，針對6個鉆孔設計建設3個鉆窩，3個鉆窩圍繞井筒呈大致等間距分布，每個鉆窩內布置2個鉆孔。

注漿鉆孔平面布置如圖2所示，其中S1、S2、S3、S4、S5、S6分別為鉆窩內鉆孔布孔位置，通過定向鉆進技術將注漿鉆孔引入S1′、S2′、S3′、S4′、S5′、S6′位置。

6個鉆孔分兩序施工，其中S1、S3、S5為一序孔，先行施工，S2、S4、S6為二序孔，待一序孔施工完成后再進行施工。

3.4 注漿材料選擇及段高劃分

3.4.1 巖帽段注漿材料的選擇及段高的設計

巖帽是整個注漿施工的基礎，是限制漿液上竄的屏障，且施工工期短，必須選擇強度高、終凝時間短的漿液，才能符合施工的要求，故此本工程巖帽段注漿采用單液水泥漿。巖帽段的起止深度為254～274 m（標高+416～+396 m）。

3.4.2 基巖段注漿材料的選擇及段高的設計

基巖注漿段采用成本低、適宜高效注漿的綜合型黏土水泥漿。

黏土水泥漿是由黏土、水泥、添加劑等組成的懸濁液。其來源廣、造價低、操作簡易，能滿足本盲豎井井筒預注漿的需要。

基巖注漿段274～750 m（標高+396～-80 m）共劃分為7個注漿段高，詳見表2。

4 注漿施工

4.1 注漿孔造孔施工

本工程共建設了3個鉆窩，每個鉆窩內布置1臺鉆機，鉆機施工完一序孔后挪位繼續施工本鉆窩內的二序孔。設計鉆孔注漿段偏斜率不大于3‰，且每個層面落點大體均布。實際的偏斜率均符合設計要求，并且鉆孔在注漿圈徑上分布大體均勻，在不同深度的落點也大體均布，從而保證了注漿工程的質量。

4.2 漿液注入量分析

漿液注入量是井筒地面預注漿形成隔水帷幕的物質保證，是決定注漿堵水質量的基礎，各注漿段注漿情況匯總如表2所示。

由表2可知全井筒共注漿112次，注漿15 314.246 m3，注漿段平均注入量為每米井筒注入30.88 m3，充足的注漿量是保障注漿堵水質量的基礎。

4.3 注漿壓力

注漿壓力是克服漿液流動阻力、驅使漿液在巖層裂隙（以及層界面、破碎帶）中流動、擴散、充填、壓密的動力，是最重要的注漿參數之一。注漿過程中巖帽段設計注漿終壓為靜水壓力1.5～2.0倍；其它注漿段設計注漿終壓為靜水壓力的2.0～2.5倍。各注漿段注漿終壓與設計終壓值對比如表3所示，各孔各段注漿終壓值均達到或超過了設計要求。

5 注漿效果

本工程注漿鉆孔設計合理，造孔質量合格。注漿參數選取合理，漿液注入量和結束壓力符合要求。通過二序孔復注時進行的壓水試驗，測算注漿后井筒剩余涌水量約4.83 m3/h，原勘察孔預測井筒涌水量為314.8 m3/h，堵水率達到98.5%，堵水效果優異。

6 結語

（1）根據井筒技術特征及快速建井的要求，應認真分析立井井筒工程地質、水文地質條件，同時制定切實可行的注漿施工技術方案。

（2）采用S孔施工，在井下設置鉆窩作為鉆孔注漿工作面，地表進行制漿，通過輸漿管路輸送至井下注漿站，此種盲豎井井筒預注漿施工技術方案，可以保證盲豎井預注漿的順利實施。

（3）盲豎井井筒采用預注漿工藝可以避免井筒淹井的風險，進而保障井筒掘進過程中的人員及設備安全。

（3）彝良馳宏礦業有限公司毛坪鉛鋅礦112線盲豎井井筒采用預注漿的方案切實可行，該工程的順利完成對我國西南地區豎井井筒的建設有著重要的應用意義。