膏漿施工技術(shù)在礦坑裂隙巖體堵水中的應(yīng)用

王 玲，楊東升

（湖南宏禹工程集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

我國(guó)北方局部地區(qū)長(zhǎng)期處于干旱狀態(tài)。由于地質(zhì)歷史時(shí)期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及后期的人為活動(dòng)，如地震、礦山開(kāi)挖爆破等原因，使得區(qū)域內(nèi)地表水沿裂隙滲入巖體深部，而在部分有開(kāi)挖的裂隙面和溶洞臨空時(shí)出現(xiàn)涌水。裂隙涌水一方面導(dǎo)致周?chē)叵滤坏南陆担鸬叵滤幌陆岛偷孛嫠莸鹊刭|(zhì)災(zāi)害；另一方面，基坑內(nèi)的大量涌水嚴(yán)重阻礙了生產(chǎn)，大量增加施工成本。帷幕堵水是解決地質(zhì)災(zāi)害和減少施工成本的有效辦法，常規(guī)的水泥灌漿，在大裂隙中水泥漿隨著水流帶走，不能對(duì)裂隙有效進(jìn)行封堵，材料耗量高，污染環(huán)境，效果不佳。采用膏漿堵水施工技術(shù)可較好地解決上述問(wèn)題。本文以煙臺(tái)棲霞水泥礦山堵水注漿施工為依據(jù)，介紹在寬大裂隙中膏漿堵水施工技術(shù)。

1 礦山地質(zhì)簡(jiǎn)況

礦區(qū)位于華北板塊膠遼隆起區(qū)膠北隆起區(qū)膠北斷隆棲霞-馬連莊凸起東北部。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為新元古代震旦-南華紀(jì)山口組、南莊組及香夼組，中生代白堊紀(jì)青山群八畝地組以及第四系。

1）震旦系香夼組（Z1x）：巖性為薄層泥灰?guī)r夾灰?guī)r、灰白色及青灰色厚層灰?guī)r，在礦區(qū)內(nèi)大面積出露，厚度＞100 m；已出露的灰?guī)r內(nèi)，溶蝕裂隙發(fā)育。礦坑內(nèi)沿較大的裂隙出現(xiàn)大量涌水。

2）白堊系青山群八畝地組（K1b）：巖性為凝灰質(zhì)角礫巖及凝灰?guī)r夾安山質(zhì)角礫巖及砂礫巖層。

3）第四系（Q）：主要為殘坡積、坡洪積、沖洪積亞粘土、亞砂土、砂土及砂礫等，主要沿河床及溝谷分布。

4）巖漿巖：主要為閃長(zhǎng)玢巖巖脈，礦區(qū)內(nèi)規(guī)模較小，寬度一般20～30 m，長(zhǎng)度不超過(guò)500 m。

2 堵水帷幕設(shè)計(jì)思路

礦石開(kāi)采長(zhǎng)期采用爆破方式，隨著深度的增加，礦坑內(nèi)涌水量已達(dá)50 000 m3/d，較大地增加了生產(chǎn)成本，礦坑長(zhǎng)期排水導(dǎo)致礦坑周?chē)叵滤幌陆担鹨幌盗械牡刭|(zhì)災(zāi)害。基于此，堵水采用帷幕灌漿結(jié)合對(duì)大裂隙和溶洞進(jìn)行膏漿充填進(jìn)行綜合灌漿處理。

礦山堵水帷幕施工，施工前先進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)，確定施工參數(shù)，如孔距，漿材配比，灌漿壓力等。灌漿試驗(yàn)選取較有代表性的地層，構(gòu)造裂隙發(fā)育地層灌漿孔按單排布置（圖1 所示），孔距按6 m、8 m、10 m 布置。試驗(yàn)設(shè)計(jì)7 孔，其中4 孔為灌漿孔，編號(hào)分別為K1、K2、K3、K4，施工完成后，內(nèi)插3 個(gè)加強(qiáng)孔，編號(hào)分別為J1、J2、J3，做灌漿孔并驗(yàn)證試驗(yàn)效果。另外設(shè)置1 孔，K0 號(hào)孔，作為漿材試驗(yàn)孔。

帷幕設(shè)計(jì)深度以透水率小于5 Lu 為控制下限。先導(dǎo)孔壓水試驗(yàn)揭露，孔深80 m 以下其透水率已小于5 Lu，因此帷幕鉆孔深度按孔深80 m 實(shí)施。按照生產(chǎn)性試驗(yàn)成果，堵水帷幕設(shè)置單排，孔距6 m。

圖1 帷幕試驗(yàn)孔布置圖

3 膏漿施工技術(shù)

3.1 灌漿材料

礦坑堵水注漿巖體破碎，裂隙極度發(fā)育，鉆孔壓水試驗(yàn)時(shí)在60 m 以上無(wú)回水，漏失量大于泵量。對(duì)于裂隙連通性極好的透水巖體，堵水注漿材料十分關(guān)鍵，研究合適的漿材類(lèi)型尤為重要。

針對(duì)裂隙連通性極好的透水巖體，選擇灌漿材料為水泥、粘土、石屑，外加劑等。

各種材料以適宜的比例拌和，再添加適量的外加劑，以提高膏漿的性能，降低漿材析水率，提高漿材的和易性，使膏漿在動(dòng)水條件下，漿液具有不分散、不易被水沖釋的性能。

3.2 漿材配比

灌漿試驗(yàn)開(kāi)始前，初擬灌漿漿液分別為純水泥漿，粘土水泥穩(wěn)定漿液，粘土水泥膏漿，粘土水泥砂漿。

考慮到施工線路的長(zhǎng)度以及夏季溫度的因素，預(yù)備灌注漿液的配比見(jiàn)表1，流動(dòng)度試驗(yàn)如圖2 所示。

3.3 灌漿試驗(yàn)

灌漿前選取K0 號(hào)孔作為漿液試驗(yàn)孔，根據(jù)由稀變濃的基本原則，先灌注純水泥漿，灌注時(shí)1#，2#漿液灌注基本無(wú)壓力，灌注1 h 后，灌漿壓力及注入率均無(wú)明顯變化，停止灌漿，變漿至3#配比，其灌注情況與1#，2#配比基本一致，變漿至4#配比后灌注1 h 仍然不起壓及無(wú)流量變化，在基坑下部出現(xiàn)漏漿點(diǎn)，更換至5#配比，管路出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，分析與高溫有關(guān)，掃孔后采用7#配比灌漿，連續(xù)灌注4 h，灌漿壓力出現(xiàn)變化。遂本試驗(yàn)孔主要漿液配比選取7#配比。

表1 漿液配比和結(jié)石性能

圖2 流動(dòng)度試驗(yàn)測(cè)試

3.4 灌漿壓力（表2）

表2 試驗(yàn)最小灌漿壓力

3.5 灌漿方法

鉆孔完成后，將特種注漿管下至孔內(nèi)并距離孔底50 cm，按照0.5～1.0 m 每段注漿上提灌漿管。該灌漿間隔提升段達(dá)到設(shè)計(jì)最小灌漿壓力時(shí)，灌入率小于10 L/min 時(shí)，上提灌注下一段灌漿段。

全孔充填灌注完畢后掃孔至孔底灌注粘土水泥穩(wěn)定漿液（4#配比），直至達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。穩(wěn)定漿液帷幕灌漿時(shí)，灌漿段長(zhǎng)設(shè)定為10 m 一段，當(dāng)某段灌漿達(dá)到灌漿壓力，且灌入率小于1 L/min 時(shí)，連續(xù)灌注30 min，可結(jié)束本段灌漿。

3.6 特殊情況處理

1）對(duì)于在動(dòng)水條件下，鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)溶洞、溶蝕裂隙、灌注材料大量流失的情況，進(jìn)行研究處理。

2）灌漿過(guò)程中，灌漿壓力或注入率突然改變較大時(shí)，應(yīng)查明原因，采取相應(yīng)措施處理。

3）灌漿過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿時(shí)，根據(jù)具體情況采用嵌縫、表面封堵、摻外加劑、降壓、濃漿、限流、限量、間歇灌注等方法處理。

4）鉆灌過(guò)程中發(fā)生串通時(shí)，如具備灌漿條件，串通孔同時(shí)進(jìn)行灌漿，灌漿時(shí)應(yīng)一泵灌一孔。否則應(yīng)將串通孔阻塞住，待灌漿結(jié)束后，再進(jìn)行串通孔的掃孔、沖洗和鉆進(jìn)。

5）對(duì)孔口有涌水的孔段，灌漿前應(yīng)測(cè)記涌水壓力和涌水量，根據(jù)涌水情況，采用下述方法處理：

①縮短段長(zhǎng)，對(duì)涌水段單獨(dú)灌漿；

②相應(yīng)提高灌漿壓力；

③灌漿結(jié)束后采取屏漿措施，屏漿時(shí)間不少于1 h；

④閉漿；

⑤閉漿結(jié)束后待凝48 h；

⑥必要時(shí)，可在漿液中摻加適量速凝劑。

4 效果檢查

4.1 灌漿量統(tǒng)計(jì)（表3）

表3 試驗(yàn)孔施工情況說(shuō)明

從表3 可以看出，當(dāng)孔距為6 m 時(shí)，兩孔平均灌漿量為124.85 m3，孔距為8 m 時(shí)，兩孔平均灌漿量為166.5 m3，當(dāng)孔距為10 m 時(shí)，兩孔平均灌漿量為395.9 m3。從上述數(shù)據(jù)可以看出，灌漿量與孔距有直接關(guān)系，孔距越大，耗漿量越大。內(nèi)插孔的灌漿量相對(duì)來(lái)說(shuō)非常小，不足試驗(yàn)孔的1%，從反渣情況來(lái)看，孔距8 m 內(nèi)帷幕能夠搭接，兩孔間大的空洞或者裂隙已經(jīng)基本被漿液充填。

4.2 灌漿效果分析

試驗(yàn)孔施工完成后，中間分別鉆孔灌漿施工，鉆孔過(guò)程中鉆進(jìn)平穩(wěn)，回水正常，無(wú)卡鉆現(xiàn)象發(fā)生，并有灌漿材料結(jié)石體，初步判斷試驗(yàn)孔灌漿效果較好，帷幕能夠形成有效搭接，從內(nèi)插孔灌漿情況來(lái)看，內(nèi)插孔較試驗(yàn)孔灌漿量大大減小，說(shuō)明試驗(yàn)孔灌漿形成帷幕搭接，在兩孔之間已經(jīng)不存在大的空洞或裂隙。

由于孔距與耗漿量之間存在關(guān)系，并且孔距越大，灌漿量越大，采用內(nèi)插孔驗(yàn)證效果。本試驗(yàn)通過(guò)檢查孔簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)，6 m 和8 m 兩種孔距，灌漿后試段透水率最大值均在5 Lu 以下，而當(dāng)孔距為10 m 時(shí)，其部分巖層試段透水率達(dá)到7 Lu。基本可以看出，采用同一種灌漿參數(shù)，孔距不同，其效果不同，孔距小的灌漿孔，施工效果好于孔距大的。

礦坑內(nèi)按生產(chǎn)性試驗(yàn)成果選擇單排6 m 帷幕進(jìn)行堵水施工，堵水效果良好，達(dá)到業(yè)主的堵水要求。事實(shí)表明，膏漿對(duì)于裂隙發(fā)育巖體具有良好的堵水效果。

5 結(jié) 論

1）成果分析表明，裂隙透水巖體注漿孔距越小，堵水效果越好。

2）大裂隙發(fā)育但巖溶不明顯的巖體，采用不限量注漿的方式灌注是一種可行的方法，漿液能對(duì)裂隙空間進(jìn)行足量填充，取得較好的堵水效果。

3）對(duì)于裂隙連通性好的巖體，先用膏漿充填，后采用穩(wěn)定漿液進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)灌注，能夠有效防止無(wú)效灌注，節(jié)省灌漿材料，降低工程造價(jià)。

4）對(duì)于裂隙型巖基灌漿，地層差異性大，施工前應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)性灌漿試驗(yàn)，確定適合的材料及參數(shù)尤為重要。

5）大范圍灌漿時(shí)，實(shí)際孔距可根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果以及設(shè)計(jì)要求配合漿材的特性進(jìn)行布置，盡量考慮漿液的影響范圍，節(jié)省工程造價(jià)。