塞爾維亞項目注漿方法及結果論證

楊允濤

(金誠信礦業管理股份有限公司， 北京 100070)

1 注漿技術及項目簡介

1.1 注漿技術

注漿技術就是利用送壓設備將能夠固化的漿液材料通過鉆孔注入地層中顆粒的間隙、土層的界面或巖層裂隙內,使其擴張、膠結、固化,以降低地層的滲透性,增強地層強度,防止地基沉降、變形的處理技術[1]。

1.2 項目簡介

塞爾維亞RAKITA公司Timok銅金礦2#探礦豎井深度653.74 m，井筒直徑Φ6.5 m；2#探礦豎井井頸段高度13 m，井筒段高度640.74 m；2#探礦豎井井頸段主體為雙層筋混凝土支護,支護厚度600 mm，混凝土等級C30；井筒段為全素砼澆筑,支護厚度400 mm，混凝土等級C25。

豎井于2019年9月20日正式開工掘砌,注漿時已施工完成井頸段13 m、井筒段施工71 m，因豎井涌水量過大，沉淀池相對較小,豎井排水溢出沉淀池，對當地環境保護造成影響，2019年10月11日混凝土澆筑完成后暫時停止豎井掘砌，轉為工作面預注漿及壁后注漿的施工方法進行注漿堵水。

2 施工分析

根據前期豎井施工地質編錄及RAKITA公司提供《豎井工勘報告》,可知,2#探礦豎井前120 m圍巖主要以泥灰巖為主,局部伴隨破裂的安山巖,圍巖節理裂隙相對較為發育。在深度60～65 m處有3.6～7.2 m3/h涌水,在深度85～95 m處有7.2～14.4 m3/h涌水。豎井掘砌過程中在20 m深度周邊圍巖開始滲水,并有逐漸加大趨勢,豎井掘砌到72 m深度時,除井壁涌水外井筒中心探水孔開始涌水,現場測量后豎井涌水量為12 m3/h,豎井掘砌到76 m深度時,探水孔及工作面涌水量預估為22 m3/h，澆筑后混凝土壁后涌水12 m3/h,井筒內涌水總量約為34 m3/h。

注漿目的：首先封堵已澆筑段井筒壁后涌水，其次封堵井筒中心探水孔涌水，并治理井筒從85～120 m深度圍巖涌水,降低涌水對豎井施工作業面因涌水造成的施工困難,降低因井壁淋水對混凝土強度造成的影響,防止質量事故的發生,通過水泥漿或者雙液漿充填圍巖裂隙、加固圍巖強度增加圍巖穩定性,保障豎井掘砌安全及施工質量。

注漿效果：已澆筑段井筒壁后基本無涌水，注漿后85～120 m井筒圍巖涌水量降低,后續混凝土接茬密實牢固,掘進斷面控制良好,圍巖裂隙封堵率達到90%。

圖1 壁后注漿布孔及效果圖

圖2 工作面預注漿布孔及效果圖

3 注漿施工工藝及相關計算

為加強2#豎井掘砌工程的注漿效果,除選擇合適的注漿材料外,注漿方法選擇和注漿現場施工管理也是很重要的注漿效果保障措施。根據金塞項目公司現場實際情況,項目部現有的施工設備和技術能力,選用工作面高壓注漿,邊注漿邊探水,先注中間探孔55 m，周邊出水點鑿一個36 m深的探水孔,一個孔注漿一個孔觀察的注漿方案，直到注漿壓力到達設計值后分別對中間探孔及觀察孔進行封堵。

雙液漿是由水泥漿等攪拌成的A液與由水玻璃等組成的B液進行混合而形成的一種漿液,根據其最初凝結的時間不同又可分為緩結型和快速瞬凝型。漿液在注漿中膠結凝固的時間越長,漿液更易泄露污染周邊地下水源，或擴散到周邊圍巖內流失；或與注漿方案中設定范圍內已凝固雙液漿再次凝固后充填、加固裂隙效果不佳，從而影響注漿效果；而且在未初凝前,水泥漿液容易被圍巖地下水稀釋導致濃度不足而產生離析現象；因此本次注漿方案采用限定時間凝固的水泥、水玻璃作為注漿材料進行注漿。

工作面預注漿參數：

(1)雙液漿：水泥、水玻璃雙液漿,即C- S漿液。

(2)水泥漿的水灰比：0.8∶1～1∶1之間。

(3)水玻璃濃度：35 Be′～40 Be′之間。

(4)水泥漿與水玻璃(雙液漿)體積比，水泥漿∶水玻璃=1∶0.6。

(5)漿液擴散半徑：漿液整體擴散后的半徑大小是一個重要計量參數，其平均值大小可用多種理論計算公式結合現場圍巖類型和分部進行估算。但漿液的實際測量擴散輻射半徑一般會略小于各種漿液理論觀測值的平均大小。實驗結果及原因主要是各種水泥填料漿液在逐漸進入細小多孔裂隙的流動過程中，注漿時的壓力增大使水泥漿液中間的水分被逐漸滲濾出來，漿液由稀變稠，流動的裂隙距離就可能逐漸變小，所以這個理論的數值一般只能適當作為實驗參考。其次，計算使用的某些注漿參數在基層注漿計算過程中為固定變量，直接導致注漿計算參數值與實際計算值的差別較大，當地下圍巖水基條件復雜或注漿計算中的參數不易準確進行選定時，應適當通過現場試驗注漿時的試驗方法來進行確定，經過現場對圍巖的實際觀測和地質編錄及實測圍巖裂隙率和爆破擾動深度深度，取R=4 m。

(6)注漿壓力：注漿期間壓力大小是施加給料時漿液在混凝土層中不斷擴散及連續劈斷壓裂、滲透、壓實的主要能量，注漿期間壓力值的大小對實際注漿施工中施加注漿壓力效果的穩定好壞及注漿成本的比例高低等都有很大的直接影響。用較高的噴塑注漿機和壓力機可增加注塑漿液的均勻擴散流動能力,使漿液鉆孔的次數盡可能少,從而極大降低使用注塑灌漿機的成本。同時,高壓可使軟弱砂質地基的充填泥灰巖強度和安山巖不透水性等缺點得到改善,還高壓可有效擠出砂質漿液及殘留土中的多余砂質水分,使砂質結石體土的強度特性得以大大提高,圍巖的完整性系數得以增加。但是當注漿時的壓力過大超過某一壓力界限時,可能會造成對已澆筑的混凝土井壁剪切面方向的破壞。實際注漿壓力大小的確定與混凝土的骨料密度、強度、周邊圍巖裂隙率、滲透性,鉆孔的方向深度、位置、注漿劑的使用順序及注漿所用材料的化學特性等等有關,因而難以準確進行制定,一般通過現場注漿壓力試驗加以確定。

取PH=0.6～20 MPa。

注漿量測算：

(1)36 m深度注漿量

式中Q—每36 m深度注漿量,m3。

λ—注漿液損失系數,λ=1.2～1.5,取1.5。

R—漿液擴散形成的大圓半徑,R=5.25 m。

r—井筒半徑，r=3.25 m。

H1—注漿高度，H1=36 m。

η—巖石裂隙率，破碎帶取3%，即0.03。

β—充填系數，80%～90%,取90%。

m—漿液結石率,取0.8。

將上述參數代入公式得：

(2)總注漿量為：

Q1=N′×Q

式中N′—注漿孔個數，N′=2個。

Q1=97.28×2=194.56 m3

壁后注漿參數：(1)雙液漿：水泥、水玻璃雙液漿，即C- S漿液。(2)水泥漿的水灰比：0.8∶1～1∶1之間。(3)水玻璃濃度：35～40 Be′之間。(4)水泥漿與水玻璃(雙液漿)體積比，水泥漿∶水玻璃=1∶0.6。(5)漿液擴散半徑：

R=103δ。

式中δ—裂隙寬度，取δ=4 mm。

R=103×4 mm=4 m

(6)注漿壓力：

式中H—受注點到靜水位的水柱高度，取150 m；

γ—水密度。

考慮到水泥漿擴散克服摩擦力，取PH=1.5 MPa。

(7)注漿孔的間距：L=1.3～1.5R=(1.3～1.5)×4=5.2～6 m

注漿孔間距現場測算后確定取4 m。

(8)在上述注漿參數下井壁安全度校核

式中 [σ]—C25混凝土允許抗壓強度，MPa；

R10～15—井壁混凝土10天極限抗壓強度，R10～15=12.5 MPa；

K—安全系數，K=2～3。

故井壁是安全的。

(9)注漿量的確定

每孔注漿量：

式中Q—每孔注漿量，m3。

λ—注漿液損失系數，λ=1.2～1.5，取1.3。

R—漿液擴散半徑，R=4 m。

H1—注漿高度，H1=4 m。

η—巖石裂隙率破碎帶取η=4%=0.04。

β—充填系數80%～90%，取80%。

m—漿液結石率，取0.9。

每4 m段高注漿量：

Q1=N×Q=5×9.29=46.47 m3

(10)總注漿量為：

Q2=N′×Q1

式中N′—注漿段高數，N′=24/4=6，段高為6。

Q2=6×46.47=278 m3。

總計注漿量為194 m3+278 m3=472 m3。

注漿總量因施工中存在不確定因素，應以注漿工作中實際統計記錄為準，以上總計注漿量為理論測算結果。

工作面預注漿方法：用麻線將已經加工好的尺寸為Φ108 mm×8 mm×4 000 mm的孔口管外層使用粗麻均勻包裹后，孔口管嵌入注漿孔，使用三根倒楔錨栓將孔口管固定在工作面。再安放Φ50 mm×2 mm×20 000 mm注漿管，注漿管與孔口通過法蘭盤管焊接在一起。注漿機用10 MPa的壓力將清水壓注到預先埋設完畢的注漿管和觀察管中，觀測記錄裂隙賦存和連通情況。觀察結束后，將各孔口管閘閥打開卸壓，10 min后可進行正式注漿施工。

制漿工作在工作面進行，新鮮水泥用吊桶放到工作面后，人工開包，首先在儲漿罐，放水120 kg，再依次放入150 kg水泥。充分攪拌水泥和水，制成水泥漿后，采用孔目為2 mm×2 mm的鋼絲篩放，同時為了保證水泥漿液不離析沉淀，應持續攪拌儲漿罐中剩余的水泥漿。用吊桶將水玻璃下放到工作面的儲存罐中，并用波美比重計測量濃度，當波美度超過規定時，需用水稀釋直至達到要求。施工用水由地面通過管路直接接到工作面備用。

首先對井筒中心探孔進行注漿，在孔口管上安裝注漿閥、混合器及卸壓閥，用高壓膠管將注漿機和混合器接通，將注漿泵的兩個吸漿龍頭分別放入水玻璃的儲存罐和水泥漿儲存罐中。慢擋開起注漿泵進行注漿，先將孔口管與圍巖預注在一起(壓力最大為0.5 MPa)孔口管有兩個閥門，一個注漿，一個觀察。然后再注孔口管內的注漿管，壓力表無異常顯示后逐漸加大水泥漿進漿量；當壓力接近注漿終壓時，加大水玻璃的注入量按照設計比例進行封孔作業，按此方式依次將工作面內已布置好的注漿孔進行注漿。注漿工作結束后，注意要將注漿機、混合器、管路及工作面等處殘留的漿液用清水沖洗干凈。

壁后注漿方法：

加工好116根注漿孔口管：Φ40 mm×4 mm長2 000 mm，備用。準備好其他注漿輔助材料：如不銹鋼球閥、壓力表、麻、棉絮、木楔、干海帶等。

(1)注漿設備及布置

在吊盤的下層盤布置一臺最大流量為60 L/min，最大壓力為6 MPa的2ZBQ型系列煤礦用氣動注漿泵及兩臺YT28型氣腿式鑿巖機、并安裝固定水玻璃、水泥漿及水儲存罐。水泥漿采用吊籃運送袋裝水泥到吊盤后現場攪拌使用。

(2)注漿施工總程序

吊盤下降至上部涌水壁后注漿位置，鑿孔、在接茬距離500 mm埋設注漿管，注隔水層(上下封層)；吊盤由上部向下，每4 m模板澆筑混凝土高度。當吊盤接近中間位置時，中間埋設出水管周圍暫時不注漿，由底部自下而上注漿；排水管周邊施工一圈泄壓孔，然后封堵排水管，最后注泄壓空，完成本次注漿工作；自上而下落下吊盤，重點拆除超出井壁部分的孔口管，檢驗注漿效果并同時清理井壁雜物。結束注漿。

(3)注漿工藝流程：

布孔→埋孔口管→壓水試驗→制漿→注漿

布孔方法：采用28式氣腿式鑿巖機打孔，將孔深控制在比注漿管長200 mm，在井壁接茬處下1 m的位置布置每段高的5孔。

埋孔口管：用麻線將已經加工好的尺寸為Φ108 mm×8 mm×4 m的孔口管外層包裹后，拆除YT28式氣腿鑿巖機的棘輪，將孔口管打入鉆孔內。

壓水試驗：將每層5個注漿管埋設完畢后，注漿機將壓力控制在1.2～1.5 MPa范圍內，將清水壓注到預先埋設完畢的注漿管和觀察管中，觀察記錄連通和裂隙賦存情況。觀察結束后，將各孔口管閘閥打開卸壓，10 min后可進行正式注漿施工。

制漿：制漿工作在吊盤進行，將水泥由專門吊籃運送到吊盤，在吊盤現場制作水泥漿按兩袋水泥(100 kg)，充分攪拌水泥和水后使用，應使用壓風持續攪拌儲漿罐中剩余的水泥漿，防止水泥漿因不使用而分解離析。水玻璃用吊桶下到吊盤上的儲存罐內，超過規定時用水稀釋，直到達到要求。施工用水由地面通過井壁固定的Ф50管路進入吊盤儲水桶內。

注漿：首先對同一圈內出水量較小的探孔進行注漿，在孔口管上安裝注漿閥、混合器及卸壓閥，用高壓膠管將注漿機和混合器接通，將注漿泵的兩個吸漿龍頭分別放入水玻璃的儲存罐和水泥漿儲存罐中。慢擋開起注漿泵進行注漿，觀測壓力表無異常后逐步加大注漿量。當壓力接近注漿終壓時，加大水玻璃的注入量直至到達設計值進行封孔作業，按此方式依次將同圈內各孔進行注漿。注漿工作結束后，注意要將注漿機、混合器、管路及工作面等處殘留的漿液用清水沖洗干凈。

4 注漿效果檢測

注漿效果檢測是注漿技術中最重要的環節之一，注漿效果的好壞直接影響2#豎井下一步的掘砌和整個礦山建設速度。

注漿效果：經過10天緊張的施工，2#探礦豎井工作面預注漿深度55 m，共使用水泥26 t、水玻璃3 t及其他附屬物若干。壁后注漿高度24 m，共使用水泥30 t、水玻璃5 t及其他附屬物若干。注漿后井筒內總涌水經過現場測算僅剩3.8 m3/h。極大地減小了因涌水對豎井掘砌帶來的安全、質量等不利影響，保障2#探礦豎井掘砌進度。

注漿方法的優點：

(1)加快注漿速度，節省大量材料(不需要施工4～6 m止漿墊，且止漿墊凝固需4～6天)。

(2)注漿效果顯著，很大程度上降低井筒涌水量(從34 m3/h降至3.8 m3/h)。

(3)注漿速度加快，方法和注漿工藝易掌控。

(4)工作面預注漿壓力達到設計值20 MPa。壁后注漿壓力達到設計值1.5 MPa。

(5)有效節省材料。

(6)后續豎井掘砌在注漿范圍內涌水量減少88%左右，并增加圍巖的穩定性，保障后續施工的安全和質量。證明注漿效果行之有效，為豎井后續防治水打下堅實基礎。

5 注漿技術發展及后續在應用前景

現階段后續注漿已基本取得諸多預期施工成果，但由于Timok銅金礦內分部南- 北、西- 南、東- 北三條斷層，且深部圍巖大部分為泥灰巖侵入安山巖交錯發育，圍巖分部錯綜復雜，各類裂隙及小斷層犬牙交錯，項目后續開拓施工難度相對較大，且由于直接掏槽爆破過程造成的外力擾動及地應力二次穩定過程等諸多因素尚以最終估算結果為主，且同時受制于注漿漿介質使用條件的復雜及后續注漿實施工程的一定隱蔽性、復雜性，現場技術研究及注漿方案最終確定較為困難。由于目前現代礦山注漿工程技術涉及許多主要科學及研究技術應用領域，且各個主要科學研究技術應用領域又互相交叉滲透，因此礦山注漿工程技術解決方案設計要充分適應現代工程學的發展，就必須與其他的注漿材料工程技術相緊密結合。如何合理的選用注漿材料、合理的使用各類注漿材料，科學高效的確定注漿方法等問題也亟需在必要的條件下確定。除此之外，目前在新材料加工方面開發了多種中性注漿材料有效消除了注漿材料對地下水污染和破壞地下水酸堿平衡。

在注漿機具加工制造方面研發全新高速、高壓、液壓穩定等設備，使得注漿技術更加的科學化、專業化、系列化。在注漿施工方法方面，新的爆破預裂增加裂隙；新的定向控制范圍注漿方法；多層次、固定深度雙重導管及介質瞬時凝固注漿施工方法。

因此，隨著化學、機械、電子和計算機等現代工業的發展，注漿理論將進一步的完善，注漿技術也必將在工業中得到更廣泛的應用及高速的發展[4]。