申守德

（兖矿新陆建设发展有限公司，山东 济宁 273500）

为保障立井掘进工程施工的顺利进行，必须采取有效措施处理好地下水问题，减少对环境的影响，同时保证工程安全与质量。乌海能源棋盘井煤矿的副立井井筒掘凿施工时工作面出现了较大的涌水，涌水量达30 m3/h。针对涌水量与工程特征，设计了注浆止水方案对工作面进行止水加固，涌水量得到了有效控制。注浆止水技术适用于淤泥质、粉质粘性土、砂层、断层破碎带等地层富水和流动水条件工程，也广泛应用于矿业、水利等工程[1]。

1 工程概况

棋盘井煤矿东区副立井井口标高+1 404.0 m，落底标高+925.0 m，井筒504 m（含井底水窝25 m），井筒直径7.5 m，净断面44.2 m2。基岩段（垂深10～479 m）采用锚网+双层钢筋混凝土井壁，其中10～210 m 段井壁厚度均为600 mm，混凝土强度等级C40；210～277 m 段井壁厚度均为600 mm，混凝土强度等级C50；277～479 m 段采用单层钢筋混凝土，井壁厚度均为500 mm，混凝土强度等级C50。采用短段掘砌混合作业一次成井施工法进行施工，施工时采用Ⅴ型井架，两套单钩提升，主提选用JKZ-2.8/15.5 型绞车配4 m3座钩吊桶，副提选用2JK-3.0/18.3 型绞车配3 m3座钩吊桶，SJZ6.9 六臂伞钻打眼，HZ-6 型中心回转抓岩机抓岩，JS1500型搅拌机、PL-1600 自动计量配料系统自行搅拌混凝土，选用4.0 m 段高金属整体刃脚模板砌壁[2]。采用普通法中深孔炮凿井，井筒掘进至286 m 深度时，响炮后工作面出现涌水现象，矸石被淹没，经测量涌水量达30 m3/h，临时使用4 m3吊桶排水，经过一天的排水，涌水量基本保持不变。经止水专题会议分析，根据井筒地质柱状图，深度286 m 岩层以下有30 m 厚的含水粗砂岩层，且经过了断层破碎带，若强行向下掘进，涌水量可能会进一步加大，影响混凝土井壁的质量，甚至造成淹井事故，必须先采取止水措施进行控制。为减少止水施工占用的建井工期和费用，决定工作面预注浆止水，初次注浆深度40 m。

2 注浆止水方案设计

针对工作面较大涌水的情况，预注浆前须浇筑下设抽水层的混凝土止浆垫，止浆垫内预埋注浆孔口管与抽水花管。止浆垫的混凝土标号为C40。

2.1 注浆压力计算

注浆压力计算为[3]：

式中：P为注浆压力，MPa；1.3 为注浆压力损失系数；H为注浆点至静水位的水柱高度，276 m；ρ为水的密度，1 g/cm3；α为压力系数，一般取2～2.5，取2.1。

经计算，注浆压力为7.5 MPa。

2.2 混凝土止浆垫厚的计算

由于下设抽水层，根据卡诺维奇提出的计算公式[3]，止浆垫厚度B按下式计算：

式中：D为井筒净直径7.5 m；V为混凝土抗拉或抗压强度非均匀系数，V=R拉/R压=1/10 ≈0.1；P为注浆时的计算压力，7.5 MPa；δ为C40 止浆垫混凝土的28 d 抗压强度，保守取35 MPa。

经计算，止浆垫设计施工厚度为4 m（不含1 m 厚的碎石滤水层）。

2.3 井壁强度验算

现场测量井底至永久井壁的距离为4.7 m，止浆垫顶面与井壁砌筑有部分接触，井壁对其起到支撑作用，须进行井壁强度验算[3]：

式中：P为注浆压力，7.5 MPa；D为井筒的净直径，7.5 m；E为井壁厚度，0.5 m；h=0.3r=1.3 m，r井筒掘进半径；[δ]为此处井壁强度，取50 MPa。

不等式左边计算结果为35 MPa，满足小于50 MPa 的条件。

2.4 注浆孔深及注浆量计算

综合考虑井下地质条件和以往的一次性注深经验，注浆孔深度取40 m，注浆孔数量为6 个，等距离布置在以井心为中心的直径6.7 m 的圈径上，钻孔直径46 mm，注浆量按从注浆孔向外扩散3 m 计算，预估注浆量Q的计算式为[3]：

式中：n为注浆孔数，6 个；λ为浆液损耗系数，一般取1.2～1.5，取1.3；π为圆周率；R为浆液有效扩散半径，取3 m；H为注浆段高，40 m；η为岩石裂隙率，砂岩、砂质页岩含水层中一般取1%～3%，取3%；β为浆液在裂隙中有效充填系数，一般取0.7～1.0，取0.8。

经计算，注浆量Q为211.6 m3。

2.5 注浆设备及材料选择

钻机选用XY-1B 型钻机，配套BW160A 泥浆泵，钻杆直径42 mm，钻孔倾角90°，钻孔直径46 mm，注浆泵选用2ZBSB3.6-0.5/5-11 煤矿用双液变量注浆泵，其工作压力为5～11 MPa，电机功率11 kW，搅拌机使用地面的混凝土搅拌机。注浆材料为P.O.42.5R 普通硅酸盐水泥，水玻璃的浓度为35 °Bé。使用井壁浇筑混凝土的输送钢管将水泥浆液送到井下工作面吊桶，水玻璃用吊桶送至工作面。

施工方案考虑了目标的经济性和环保要求，合理安排了施工工期与成本，将注浆工作面的注浆效果和注浆量控制在了设计方案的质量要求范围内[4]。

3 注浆施工

3.1 注浆准备

使用两台扬程300 m、流量50 m3/h 多级潜水泵，在井壁上安装一根Φ108 mm×4 mm 排水管；使用两根长5.3 m、Φ500 mm×6 mm 钢管作为抽水花管，法兰连接，下部约1 m 部位制作2 cm×5 cm、中心距为上下15 cm、左右5 cm 的孔眼，并用25×25目铁纱布包裹两层，将潜水泵安装在抽水花管内部；使用6 根5.3 m 长、Φ108 mm×4 mm 钢管作为注浆孔口管，法兰连接，最下端切割一个5 cm×10 cm 的豁口，并在表面插花镶焊3 道Ⅱ级直径20 钢筋提高与止浆垫的固接力，作为向抽水碎石层注浆的通道。

3.2 注浆抽排水管道布置

首先抽排井筒积水，将工作面及帮部的矸石、浮石清理干净，在距井底3.5 m 高度水平、平行安装两根8.3 m 长、距井筒中心1.73 m 的20 号槽钢，作为安放注浆孔口管及抽水花管的支撑架，将两根抽水花管，安放在距离井心1 m 左右处，并将两台潜水泵安装好，在井筒圈径6.7 m 处安放Φ108 mm×4 mm 的注浆孔口管，顶部的法兰用盲板封闭，所有的预埋钢管要与20 号支架槽钢焊接固定。管道布置如图1。

图1 注浆抽排水管道布置图（mm）

3.3 混凝土止浆垫浇筑

抽水花管与注浆孔口管固定到位后，为确保止浆垫能同岩石粘接牢固，须进一步清理井壁浮矸，冲洗岩壁并将岩壁集中流水导出，将井筒内的淋水搭棚集中收集，用吊桶下放浇筑混凝土井壁的碎石子至井底，找平至1 m 厚，再浇筑止浆垫。止浆垫浇筑过程中，要时刻将井筒中的水位抽排到石子垫层的表面以下，混凝土搅拌加入5%的早强剂，分层一次性浇筑完毕，用插入式振动棒振捣密实，下放碎石与混凝土时注意不要触碰固定好的抽水花管和注浆孔口管。混凝土浇筑完毕，要对注浆孔口管位置及垂直度再作一次校核，混凝土浇筑养护14 d内，派专人抽水，两台潜水泵一用一备，14 d 后停止从花管中抽水，并封闭管口。再安装钻机及注浆设备，先通过注浆孔口管向碎石滤水层内低压注浆，最后注抽水花管，低压注浆压力为1.7 倍的静水压力，约为4.7 MPa，浆液为双液注入，水泥浆-水玻璃的体积比为10:7，水泥浆的水灰比2:1（质量比），水玻璃的浓度为35 °Bé。

3.4 工作面注浆操作

止浆垫滤水层注浆后，开始钻孔注浆。原则上一次钻注全深，但当钻孔遇有破碎岩层卡钻时，或钻孔出水量达到0.6 m3/min 以上，应停止钻进，立即注浆，注浆封孔7 d 后再扫孔继续钻进，此孔封孔期间应在其对称的位置上施工。

注浆前要对注浆系统打压并试运转，用清水打压到7.5 MPa，稳定10 min，管路无渗漏为合格。注浆采用单、双液结合方式，先注单液水泥浆，水灰比1:1，注浆过程压力保持不变，出现吸浆量随注浆时间的延续逐渐减少或吸浆量不变而压力却逐渐升高，为浆液浓度适中的正常现象，不需要改变浆液浓度，注2 h 后，若压力不上升或吸浆量较大时，应改注水泥-水玻璃双液浆，水泥浆的水灰比1:1，水泥浆-水玻璃的体积比为10:7，等压力表显示注浆压力达7.5 MPa 左右时，稳压20～30 min，即可结束注浆。注浆工艺参数见表1。

表1 注浆工艺参数

打钻注浆还要应注意：

（1）对称钻孔注浆，最后一个孔作为全注浆段止水效果的检查孔；

（2）钻孔注浆要各个孔依次进行，钻孔垂直度和深度应符合设计要求，深度误差严格控制在300 mm 以内；

（3）注浆过程中，必须有专人观察注浆表压及整个注浆系统的工作情况，并注意观察井壁和止浆垫的安全状态；

（4）注浆工作面须安装一部通向井口信号房的电话，井上下信号保持畅通，信号为声光显示。

4 结论

经过注浆止水施工，达到了良好的效果，工作面的涌水量控制在6 m3/h 以下，保障了掘进工作的安全与质量。井筒掘进面注浆止水是一套完整的工艺，实际施工中不可省略步骤，派专人负责把关，要严格控制各个环节质量与有序衔接，减少注浆止水施工导致的工期与资金占用。