壁后引水注漿在井筒大涌水治理中的應用

謝世平

(1．長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012;2．金屬礦山安全技術國家重點實驗室, 湖南 長沙 410012)

0 引 言

在礦井建設過程中,尤其是大水礦山,井筒在穿過松散覆蓋層、基巖裂隙帶時,常受到潛水、高承壓水的影響或威脅,出現井筒淋、涌水,甚至淹井事故,這不僅會給井筒施工帶來不便,降低工程質量、延誤工期,還會對設備造成嚴重的破壞,增加成本,甚至危及施工安全及人身安全。因此,在井筒掘進施工過程中,常會采用超前探水預注漿措施進行水患防治。但是,由于水文地質條件復雜或注漿工藝不成熟等客觀因素的存在,注漿后井筒幫壁仍可能存在淋涌水的現象,因此,壁后注漿就顯得尤為關鍵。在長期的科研和生產實踐中,礦山防治水技術人員取得了很多切實可行的壁后注漿經驗和技術:針對井壁大面積淋、涌水,一般在井壁淋水段采用均勻布孔,然后注漿封堵的措施進行治理[1-2];而對于井筒淹井情況,一般采用靜水拋渣注漿封水,再壁后注漿充填截水進行治理[3-4];大段高、大涌水條件下采用深、淺孔結合治理措施[5]。本文以云南某鉛鋅礦大豎井為例,其井筒掘進過程中出現高壓力、大涌水,采用壁后引水注漿措施進行治理后,取得較好效果,對今后類似井筒涌水治理具有參考意義。

1 工程概況

云南某鉛鋅礦大豎井工程位于石門坎背斜的近軸部,大部分掘進聯道位于泥盆系上統宰格組第一段內(D33-1),一部分位于泥盆系上統宰格組第二段內(D33-2),豎井井筒位于泥盆系上統宰格組第二段內(D33-2),巖性主要以灰色-淺灰色細到中晶白云巖為主。該工程所掘進的巷道內未揭露大的斷裂構造,只出現小規模的次級斷裂、節理,對圍巖穩固性破壞程度不大。

工程設計坑口標高901 m,目前井筒實掘深度240 m,自標高755 m水平開始不斷出現涌水,期間還因涌水過大,造成淹井。在進行井筒超前探水施工時,揭露最大單孔涌水量達150 m3/h。從前期施工的情況分析,在井筒694 m標高附近的圍巖中分別存在一條北東向和北西向的導水斷裂,為井筒涌水的主要徑流通道,通過注漿施工后仍有較大涌水,嚴重阻礙工程的開展。

目前井筒總涌水量約260 m3/h,涌水主要集中在708 m水平至670 m水平井筒壁后,尤其是694 m水平以下水量較大。大部分涌水通過一根孔徑為219 mm的排水管由694 m水平向670 m水平馬頭門集中下泄,小部分為井壁694 m以下各澆筑段間的接茬處的涌水。

2 井筒壁后引水注漿方案

若直接對井筒壁后破碎帶進行注漿堵水,會對井壁造成較大承壓力,破壞井壁的完整性,且堵水效果也不太理想。因此,在進行注漿治理涌水時,采用壁后中深孔泄水和鉆孔引水注漿分步施工,主要分為以下3個環節:

第一步,在大豎井670 m馬頭門頂板處及井筒近南側幫壁上各施工5~7個和3~4個中深泄水孔,通過揭露井筒694 m標高附近壁后圍巖中的導水斷裂,達到引泄水目的;

第二步,通過壁后鉆孔引水注漿措施,對708~670 m標高間的井壁淋水及670 m水平馬頭門與圍巖接茬處的涌水進行治理,并達到加固該段內井筒圍巖的目的;

第三步,對前面施工的中深泄水孔進行注漿,達到封堵導水斷裂、減少井筒涌水量的目的。

2．1 中深孔泄水

目前大豎井670 m馬頭門內有一根孔徑為Φ219 mm的排水管,將井筒壁后的涌水從694 m標高向670 m水平排泄,涌水量超過150 m3/h。由于井筒揭露北東向和北西向兩組導水斷裂,導致涌水量大;因此,針對該兩組導水斷裂分別在670 m馬頭門頂板和井筒南側幫壁上各施工5~7個和3~4個中深引水孔,并埋設孔口管,便于后序注漿工程。鉆孔布置盡量選擇井壁較厚的地方,以揭露導水斷裂為目的,如圖1所示,A-A′剖面圖中各孔布置距離井筒邊沿5 m,各孔設計孔深均為26 m;B-B′剖面圖中各孔布置在井壁上,距離井筒底板高2 m,各孔設計孔深均為32 m,孔間距為1．5 m。

各中深泄水孔開孔直徑為Φ130 mm,開孔深度要求至少超過原鉆窩幫壁2~2．5 m,埋設孔徑為108 mm的無縫鋼管,孔口管埋設深度要求超過原鉆窩幫壁1．5~2 m,鉆進孔徑為Φ90 mm。

在上述泄水鉆孔施工完成以后,暫時不進行注漿,分別對各泄水孔進行關放水試驗,發現各泄水孔與出水點有密切的水力聯系,且總泄水量達到總涌水量的80%以上,基本達到泄水泄壓的目的。

圖1 中深泄水孔布置

2．2 壁后引水注漿加固

由于井筒內淋水主要是通過Φ219 mm排水管和另二根塑膠管排放到670水平,無法對其直接注漿,因此,須在670 m馬頭門內Φ219 mm排水管附近施工中深引水孔,導通圍巖與混凝土空隙之間的集中涌水。中深引水孔布置如圖1中C-C′剖面圖所示,各孔沿Φ219 mm排水管布置,孔深均為20 m。

中深引水孔施工完后,暫不注漿,在井筒壁后進行淺孔引水注漿:將井筒708 m標高以下井壁分成兩段進行治理,在井筒涌水區域708 m標高和694 m標高各設置一排隔離注漿孔,沿井壁均勻布置,每排布置11個鉆孔,孔間距為1．5 m,孔深為2 m。施工完后,先對隔離注漿孔進行注漿封堵,然后根據作業面的涌水情況,對準大的出水點打引水孔,讓大部分水從引水孔流出,引水孔深根據引水效果控制在1~3 m,如圖2所示。遇到接茬部位,需密集布孔,即在接茬處上下各400 mm位置布置兩排鉆孔,孔間距為1．5 m,孔深為2 m,沿井壁均勻布置,上下孔呈梅花形布置。施工完后,根據注漿過程中的跑漿情況,采用單液水泥漿和水泥-水玻璃雙液漿相結合注漿,考慮到巖層的裂隙發育程度及井壁混凝土的抗壓強度,終孔壓力應控制在＜2 MPa,以防止因注漿壓力過大破壞井壁,反而對注漿效果和井壁質量造成不良影響。

井筒壁后淺孔注漿完成后,對壁后中深引水孔進行注漿。施工時主要采用水泥單液漿,水灰比為2∶1~1∶1。考慮到巖層的裂隙發育程度及井壁混凝土的抗壓強度,終孔壓力應控制不超過2 MPa。

圖2 壁后引水淺孔布置

2．3 壁后中深泄水孔注漿

待上述工序施工完成后,對各中深泄水孔進行注漿。泄水孔注漿時,原則上先對出水量小的鉆孔進行注漿,最后對涌水量最大的孔進行注漿,其目的是通過出水小的鉆孔注漿,達到逐步注漿加固井筒四周破碎巖層,避免在最后對出水量大的鉆孔注漿時,出現鼓破井壁的現象。施工時主要采用水泥單液漿,水灰比為2∶1~1∶1。由于通過前期施工對井筒圍巖進行了加固,因此,泄水孔注漿終壓可以適當提高,但應控制不超過12 MPa。

3 結 語

針對大豎井的涌水情況,在分析其所處地段水文地質特征的基礎上,采用分步泄水、引水、注漿,中深孔與淺孔相結合的壁后注漿方式進行治理,其涌水量由原來的260 m3/h降低至20 m3/h,堵水率達到了90%以上,取得了較好的治理效果。該壁后引水注漿措施的成功運用,可為今后類似井筒涌水治理提供借鑒。