新城金矿立井含水层破碎带综合治理施工方法

2016-09-20周新勍

现代矿业 2016年8期

关键词：立井涌水量水泥浆

周新勍

(华煤集团有限公司)

新城金矿立井含水层破碎带综合治理施工方法

周新勍

(华煤集团有限公司)

立井井筒穿过含水层围岩破碎带施工时由于岩体稳定性较差，在涌水的侵蚀下，采用爆破法施工时极易出现大面积片帮，严重影响了立井井筒的施工安全与质量。为此，采用帷幕注浆封水的施工方法治理立井井筒涌水，采用工作面超前预注浆加固与后期掘进时减少爆破扰动的方法进行破碎围岩段施工。以新城金矿滕家副井穿过极破碎带含水层施工工程为例，通过工作面超前预注浆的施工方法注浆封水与加固极破碎带，在特殊地层中合理选择注浆材料，注浆后下掘施工时加强探水力度、控制掘进爆破振动对围岩扰动与注浆帷幕的影响，使得立井井筒施工顺利通过了极破碎带含水层，成效显著，可供类似矿山参考。

立井井筒破碎带综合治理帷幕注浆爆破振动

立井穿过破碎带施工时利用注浆技术对破碎围岩进行加固是最常用的施工方法，帷幕注浆技术已成为大水矿山治水的主要技术手段之一[1-2]。邵正民等[3]针对罗河铁矿竖井井筒工作面注浆施工时前期注入普通水泥浆270d后注浆效果较差，施工进度十分缓慢，经分析后注入化学浆历时60d取得了较好的封水效果；冯向东[4]提出采用高压、大能量强制性注浆的施工方法对破碎围岩进行加固，取得了一定的成效。经过对上述成果的分析，认为对于立井井筒穿过破碎带含水层施工时可采用工作面预注浆的施工方法治理涌水并加固围岩，在注浆后通过控制爆破振动减少对破碎带与注浆帷幕的爆破扰动，防止破碎围岩片帮与井筒内突发涌水相互影响，导致井筒掘砌施工难度增加，确保立井井筒施工顺利通过复杂特殊地层。

1　工程概况

新城金矿位于山东省莱州市，濒临渤海，属于岩溶环境相对发育的地区。工勘资料显示矿区受焦家断裂蚀变带地质构造的影响，焦家断裂蚀变带不仅控制着矿体的分布与埋藏，而且控制着地下水的富集、运移和水力特性，属压扭性断裂带，断裂带的中间部位是断层泥，两侧为碎裂岩，岩石间细微导水裂隙密集，裂隙竖向倾角为45°～60°。新城金矿滕家副井井筒设计净直径7.5m，素混凝土支护厚度0.5m，井深1 170.88m。2015年5月29日施工至井深246m后出现涌水，经过连续4次探注掘施工，2016年1月5日施工至井深386m，在井深388m探水施工时，当井筒内的涌水量达到60m3/h时开始第五次工作面超前预注浆。在第一次注浆结束后施工至井深254m位置时井筒内松软破碎围岩出现大面积片帮，致使注浆封水帷幕被破坏，井筒内涌水量急剧上升。井筒内涌水量的增加，导致破碎围岩在涌水的冲刷下松软垮塌，增加了施工难度并延长了施工工期。工勘资料显示在注浆段高内岩石均为破碎、极破碎岩，井深416～424m段为极破碎岩且涌水量较大，工勘取样时岩芯多呈碎块状，局部呈碎渣状，RQD为0%，岩体基本质量等级为V级。在注浆过程中打钻至416m位置时单孔涌水量达到30m3/h，且涌水中喷出大量颗粒性岩石与淤泥状泥岩。因此，在对该段特殊地层井筒注浆封水与加固破碎带施工时应引起高度重视，在后期掘进时应加强探水与减少炮震对破碎围岩的振动影响，确保施工安全。

本研究注浆设计浇筑厚3.5m、C40混凝土止浆垫，段高50m，沿井筒周圈距井壁0.5m均匀布置16个φ108mm注浆孔，注浆孔倾角3°，注浆材料以单液水泥浆为主。注浆孔打钻时的实测水压为2.6MPa，在打钻深度至30m后注浆孔在高注浆压力(20MPa)下注入单液普通水泥浆，但注入量极少(单孔0.5～1t)，扫孔后注浆孔涌水量无明显减少。主要原因是高压水泥浆注过后仍存在众多细微导水裂隙，因普通水泥浆颗粒较大无法进入细微裂隙向外扩散封水，但经注水试验，注水压力保持在2.5～3.5MPa仍可持续注入清水，通过压水试验说明非颗粒液体可实现在较小的压力下进入已注过的单液普通水泥浆的破碎带含水层。

2　注浆优化设计与施工

2.1总体注浆方案

顾及到金属矿山细微导水裂隙密集发育，普通水泥颗粒较大无法有效扩散封堵，故选用化学浆与超细水泥浆进行工作面注浆封水施工。原注浆孔经高压注入普通水泥浆已形成孔内屏蔽，须新增注浆孔补注(在原注浆孔中间穿插新增16个注浆孔，注浆孔倾角5°，注浆段高50m)。化学浆选用脲醛树脂与草酸溶液，属于非颗粒性液体，可有效充填岩石间细微裂隙，凝固后抗压强度较低，作用在于封堵细微导水裂隙。超细水泥浆颗粒粒径0.02μm，凝固后抗压强度较高且耐久性良好，作用在于封堵大裂隙与加固破碎围岩。注浆孔浆液选择应遵循的原则为：①打钻时注浆孔内出现颗粒状岩石或出现夹孔卡钻堵塞钻机冲击器现象时，须注入超细水泥浆；②单孔涌水量大于5m3/h时须注入超细水泥浆；③注浆孔涌水量小于5m3/h或扫孔时须注入化学浆。

2.2现场浆液配比试验2.2.1化学浆配比

采用脲醛树脂与草酸进行现场配比试验，主要通过控制草酸溶液浓度来控制化学浆初凝时间。根据试验结果，化学浆中脲醛树脂与草酸溶液体积比为3∶1时效果最佳。经试验，草酸溶液浓度与化学浆凝结时间的关系见图1。

图1　草酸浓度与化学浆凝结时间曲线■—初凝时间；◆—终凝时间

2.2.2超细水泥浆水灰比配比

采用超细水泥浆进行水灰比调配试验，具体配比与凝固时间见表1。

表1　超细水泥不同水灰比对应的凝结时间

2.3具体施工方法

注浆孔打钻完毕后进行现场测水，根据涌水量大小与打钻记录情况选择浆液，注超细水泥浆时浆液先稀后浓，以封堵裂隙水为主，若注浆压力上升较慢应逐渐增大浆液浓度，当注浆压力上升至10MPa以后集中注浓浆，此时注入浓浆以加固井筒附近破碎围岩为主，直至注浆压力上升至15MPa并稳定15～20min后结束注浆。注入双液化学浆时调节草酸浓度先稀后浓，浆液初凝时间控制在8～10min为宜，单孔浆液注入量可根据下式计算[5-6]：

式中，Q为单孔浆液注入量，m3；H为注浆段高，取50m；R为井筒荒半径，取4.25m；L为浆液扩散超出荒径的安全保护距离，取3m；η为岩石间裂隙率，取2%；n为注浆孔数，取16个。

经计算，Q=10.31m3，因此，在浆液注入量超过10m3后，若注浆压力无较大变化时须提高草酸浓度使得浆液初凝时间控制在3～5min，直至注浆压力达到15MPa并稳定15～20min，方可结束注浆，注浆效果见图2、图3。

图2　化学浆封堵细微纵向导水裂隙带

图3　超细水泥充填加固围岩破碎带

2.4恢复下掘施工标准

对所有新增孔打钻注浆完毕后，在井筒内出现喷孔位置与涌水量较大的注浆孔附近增加注浆孔，探明注浆封水与加固破碎围岩效果，若探水孔涌水较大应继续补孔注浆，无需对原注浆孔扫孔，直至检验孔不再出现喷孔且单孔涌水量低于1m3/h后，方可恢复下掘施工。

3　注浆后恢复下掘施工

3.1下掘施工总体施工方案

为确保安全下掘，采用分2次下掘的施工方案，首先施工井深386～410m段，掘砌段高24m，在掘砌至井深410m后停掘，预留厚6m已注安全岩帽对极破碎含水带进行进一步探注，根据探水情况增孔对极破碎段补孔注浆封水与加固围岩；然后施工井深410～426m段，掘砌段高16m，在掘进至井深426m后停掘，预留厚10.0m已注岩帽，进行下一含水层探水工作(图4)。

图4　分段下掘施工示意

3.2下掘施工爆破控制

恢复下掘施工时每次打眼施工前须先打探水孔，实行“有掘必探、探8掘3”的施工原则。根据打钻注浆记录找到原涌水较大位置并布置4～6个 8m深探水孔，探水孔倾角5°～8°，尽量向外倾斜探水，在确认探水孔涌水量低于0.5m3/h后，打3m深前进眼进行下掘施工。打眼时周边眼间距不宜超过500mm，爆破时减少装药量，选用药卷直径较小的火药，以降低一次爆破冲击能量对围岩的破坏。

3.3极破碎段施工

极破碎段岩性呈粉状结构，掘进时使用中心回转抓岩机、挖掘机配合人工风镐掘进。对相对较好的围岩井帮采取打注浆管与挂金属网临时支护，注浆管采用0.6m长一寸无缝钢管(若打眼出水，可直接注双液浆封堵)，金属网规格1.2m×2.0m。对于破碎带的粉状结构采用装配式小模板先施工一层临时外壁，将围岩尽快封闭。施工时先小段高掘支外壁，掘支段高1m，壁厚0.3m，满足大模板4m段高时进行内壁永久混凝土支护。

3.4防外壁混凝土脱落施工

为防止小段高支护混凝土脱落，可采取布置挂钩钢筋加固的施工方法，用长1.5m、φ20mm钢筋制作长1m的长钢筋挂钩，钢筋钩间距500mm，布置于井筒荒径周圈，将挂钩预埋至井底浮矸内，在下一循环出渣后进行搭接，上部直接与井筒外壁浇筑成整体。