石人溝鐵礦—300m至—405m水平電梯井涌水治理

1.工程概況

河北鋼鐵集團石人溝礦，-300m至-405m水平電梯井規(guī)格：3.4×4.7m，井筒C30砼支護，厚300mm，實測井筒涌水量達20m3/h左右，尤其-330m至-350m水平段發(fā)現(xiàn)大面積涌水點，對井壁涌水進行治理，使之涌水小于3m3/h以下，以保證行人安全。

2.井筒涌水治理方案

根據(jù)井壁質量及水文地質條件，選擇高壓深孔注漿方法封堵集中涌水，避免出現(xiàn)采用傳統(tǒng)的淺孔低壓注漿方法堵水效果不佳的問題。深孔高壓注漿時，漿液通過孔口管直接進入圍巖深部裂隙，改變了淺孔注漿只將涌水封堵于井壁壁后的狀況，降低了注漿壓力和靜水壓力對井壁的影響，有效保證了注漿時井壁安全。即使注漿終壓接近或超過井壁抗壓強度極限，也不會出現(xiàn)井壁破裂或炸裂等破壞現(xiàn)象。

2.1 注漿設計

1）注漿范圍

-300m至-405m水平，及此段中的所有馬頭門。

2）注漿孔布置

注漿孔沿井壁輪廓按“三花”形均勻布置，每段鉆鑿6～10個深2m鉆孔，鉆孔盡可能斜穿巖層鉆進，以便穿透較多巖石裂隙，便于漿液擴散，提高注漿效果。

3）注漿壓力大小取決于巖石裂隙發(fā)育程度和靜水壓力的大小。

注漿初壓、正常注漿壓力和終壓分別由下面3個式子確定：

Pa=Po+3.0

Pb=Po+5.0

Pc=Po+8.0

式中：Po為注漿位置靜水壓力，Mpa；Pa為初始注漿壓力，Mpa；Pb為正常注漿壓力，MPa；Pc為注漿終壓，Mpa。

4）注漿材料

針對此井筒基巖段含水層較多、涌水量大的特點及其地質條件，考慮使用水泥、水玻璃雙液漿和改性脲醛樹脂漿液化學漿注漿進行封水?；瘜W漿屬于溶液型漿液，在較低的注漿壓力下能夠在含水巖層微小裂隙中擴散，有利于充填裂隙，加固井壁圍巖和封水。

2.2 注漿工藝

1）選用KBY—50/120型雙液調速高壓注漿泵注漿。注漿泵、儲料桶、清水桶均布置在臨時搭建平臺上。

2）漿液配制

在臨時平臺上安裝一臺0.5m3小型漿液攪拌機，水玻璃、水泥液及改性尿醛樹脂從容器桶中直接抽取使用。

3）注漿孔鉆進及注漿管埋設

開孔、固定孔口管：用ф45mm鉆頭按設計角度在工作面鉆深2.0m鉆孔，埋入ф45mm無縫鋼管，埋深0.8m，調整好角度，采用雙液注漿封堵加固，凝固好（4-8小時）后，進行注漿預埋管壓水實驗。經(jīng)過壓水實驗注漿預埋管能承受2.5倍靜水水壓且不漏水時，進行鉆孔施工，否則重新進行雙液注漿加固預埋管，直至符合要求為止。

4）注漿作業(yè)

注漿管預埋好后，安裝上球閥，連接好管路，開動注漿泵，先用清水沖孔，做壓水試驗，了解注漿孔周圍巖層裂隙發(fā)育情況。然后將吸漿管擰緊上牢，分別放在儲漿桶內，按照規(guī)定的漿液配比，利用供液閥門調整好流量，進行正式注漿。注漿過程中，根據(jù)進漿情況確定注漿量和注漿時間。達到規(guī)定注漿終壓、注漿量并持續(xù)一定時間后，提高雙液漿濃度，進行封孔。封好孔后關閉注漿孔口球閥，用清水沖洗注漿管路。

在注漿過程中，不可避免地會出現(xiàn)跑漿、竄漿、壓力上不去或上壓很快等異常情況，需要及時采取有效措施，保證注漿作業(yè)順利進行。

出現(xiàn)跑漿時，可在跑漿的裂縫中嵌塞竹楔、棉紗、棉絲、道釘、竹板等物，或者配置水泥、水玻璃封堵，同時進行間歇式注漿。但間歇時間不宜過長，不能超過凝結時間。跑漿嚴重時，可采用改變漿液配比，縮短凝結時間措施加以控制。采用上訴方法均不見效時，可重新補孔、進行補注。

發(fā)生竄漿時，應及時關閉竄漿孔的孔口閥門。在可能的情況下，注漿量應加倍。

長時間不上壓的原因一般是漿液超范圍擴散。應首先查明有無漿液流失，注漿泵的吸漿情況是否正常，鉆孔附近是否有斷層、大裂隙，則應調濃漿液，縮短凝結時間，加大漿液注入量。

上壓很快時，如是小裂隙、水壓較大，則應在注漿孔附近布設泄壓注漿孔。

3.井筒壁后注漿

3.1 注漿輔助系統(tǒng)

通過3期副井進入-300m水平，平巷行200～300m至電梯井處。

1）提升：利用原有裝備進行提升、上下人員及設備、材料。

2）通訊、信號：利用原有通訊信號電纜。

3）供電：利用原有低壓動力電纜供電。

4）供風：利用原有風管供風。

5）供水：利用原有水管供水。

6）注漿：安裝高壓膠管，輸送漿液。

7）風筒：利用原有風筒通風。

3.2 注漿設備

1）選用2臺2TGZ-60/210型注漿泵。

2）漿液攪拌桶1個，儲漿桶2個，清水桶1個，玻璃水桶1個（可用油桶代替）。

3）鑿巖機：選用2臺YT27型氣腿式風動鑿巖機，用以鉆鑿注漿孔，其中1臺工作，1臺備用，鉆孔直徑φ45mm，配備1.5～2m鉆桿和φ45m及φ32mm“一”字型鉆頭。

4）注漿孔口管：利用φ45mm×800mm鋼管，管壁厚度4.5mm，前端車魚鱗扣，魚鱗扣長度500mm，尾部焊擋板及絲頭。

5）設備布置：

注漿泵布置在臨時平臺上，水泥漿儲漿桶和清水桶布置在注漿機附近。使用YT27型鑿巖機在平臺上進行鉆孔，安裝注漿管。

3.3 注漿材料

注漿材料的選擇直接關系到工程造價及注漿效果，一般情況下，注漿材料的選擇遵循以下幾個原則：材料來源廣，價格低；凝膠時間可調；結石體強度高；結石率高；粘度低，可注入性好；毒性小，對環(huán)境污染小。

在實際工程中選擇注漿材料時，往往無法找到同時滿足以上原則的注漿材料，因此常根據(jù)注漿目的不同選擇一種或幾種材料進行注漿。目前，在井壁治理過程中常用的注漿材料主要有：水泥漿、水玻璃、改性脲醛樹脂等幾種漿液。

實驗室證明當裂隙小于0.6mm時，無論加大多少壓力，顆粒性漿液都不能壓入。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，通過比較及近年來施工經(jīng)驗，為縮短工期和造價，本工程選用水泥漿、改性脲醛樹脂化學漿為主進行注漿。

改性脲醛樹脂漿液是以脲醛樹脂為主劑，由A液和B液兩種液體組成，使用時再混合。該方法在煤礦礦井井筒治理中獲得廣泛應用，效果較好。和水泥漿相比，脲醛樹脂類漿液的粘度較低、可注入性較好、凝膠時間可控。

改性脲醛樹脂（凱蘇凝）材料性能：

礦用改性脲醛樹脂堵水劑（化學漿第四代）是一種雙液型注漿堵水與加固材料。

KSN型材料為雙液方式注漿材料，采用雙液注漿，該材料由A液、B液兩種真溶液成份組成。A液為多元復合高分子有機液體，B液為有機無機多元復合液體。A液、B液混合后，幾秒鐘即可在水中發(fā)生凝膠，不會被水沖散，實現(xiàn)快速堵水與含水層加固，該漿液粘度低、滲透性好、固結強度高，膠凝時間從幾分鐘到數(shù)小時任意可調，并能準確控制，加大擴散半徑。適用于基建礦井井壁壁后注漿堵水。

本工程注漿材料選用：

水泥+水玻璃、改性脲醛樹脂（凱蘇凝）。

主要注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿注漿效果差時，輔以脲醛樹脂化學漿封水。

3.4 注漿孔參數(shù)

1）漿液擴散半徑

漿液的擴散半徑一般可根據(jù)馬格公式進行計算，其計算準確程度依賴于井壁周圍地層參數(shù)準確性。本工程由于對地層周圍巖層的孔隙率、滲透系數(shù)、含水率及均質性等參數(shù)均無法獲取，因此只能依據(jù)工程實際經(jīng)驗，取水泥漿漿液擴散半徑為1.0m，脲醛樹脂漿液的擴散半徑為1.5m。

2）注漿段高及注漿孔布置

根據(jù)現(xiàn)場實際勘察及靜水位標高，初步確定注漿段高105m（-300m～-405m）。具體根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行優(yōu)化調整。注漿孔每層布置6～10個，孔數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行布置，層距2.0～3.0m，上下層交錯布置，對井壁質量薄弱、漏水接茬縫等重點部位，增加注漿孔數(shù)量，布置淺孔、密孔。注漿孔布置在出水點附近200mm，注漿孔須穿透外層井壁并進入巖層1000mm以上，注漿孔深不低于2000mm。

注漿孔布置如圖1所示。

3）注漿壓力

一般注漿壓力取注漿位置靜水壓加0.6 ～0.8MPa，但為了提高注漿效果，根據(jù)井壁結構和厚度，確定注漿孔孔口注漿終壓為4MPa，但施工過程中要保證注漿施工不能引發(fā)對井壁造成破壞。

4）注漿作業(yè)方式

采用先下行式注漿，再上行注漿，先注水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿效果差時輔助注脲醛樹脂化學漿封水，由于壁后注漿一次往返往往達不到效果，故注漿作業(yè)要經(jīng)過多次往返，但往返次數(shù)控制在三次以內。

5）注漿停止標準

停止注漿須滿足注漿終壓或注漿量達到設計要求或相鄰孔出現(xiàn)返漿現(xiàn)象為止。

3.5 注漿方法

1）注漿方法

從井底井壁接茬處開始自下往上布置注漿管，沿出水點布置6～10個注漿管。采用以水泥-水玻璃雙液漿或脲醛樹脂化學漿相結合的注漿方法，每個分層布置注漿孔時，第一個孔出水，埋設好注漿管并安裝高壓閥，先行放水，再布置第二個孔。注漿過程中放水孔出漿時再關閉高壓閥。

2）注漿工藝流程（如圖2所示）

3）埋設注漿管

在工作吊盤上用YT-27型鑿巖機配φ45mm鉆頭打注漿孔，若打好孔后孔內無水不埋管，必須用水泥封堵，以防日后孔內漏水。開孔后，將預先加工好的注漿孔口管魚鱗扣端纏上麻絲，抹上鉛油，用加工好的套管套在絲扣端上，用大錘將注漿管砸入孔內，下放孔內不小于500～1000mm，注漿管外露長度50mm，取下管套，將高壓球閥安裝到注漿孔口管的絲頭上。注漿前，先壓水試驗，球閥與高壓混合器接好后，開動注漿泵用清水沖孔，并作耐壓試驗。

3.6 漿液配制

1）雙液漿配制表（如表1所示）

每次注漿的初始濃度，根據(jù)壓水試驗測定的單位鉆孔吸水量選擇，見表2。

2）漿液起始濃度選擇表（如表2所示）

3.7 注漿操作方法及安全注意事項：

1）注漿管安好閥門，安好混合器，并聯(lián)接好輸漿管路系統(tǒng)。

2）管路系統(tǒng)聯(lián)接好后，關閉進漿閥門，打開各管路開泵用清水試壓，達到1.2倍的注漿終壓持續(xù)10分鐘無跑水現(xiàn)象即為合格。

3）注漿時，設專人觀察井壁有無跑漿現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)跑漿立即處理，同時觀察井壁有無異常變化，如發(fā)現(xiàn)異常，立即停泵進行處理，查清原因再進行作業(yè)。

4）停泵后應及時壓清水，沖洗管路和器具。

50注漿管埋設要牢固，管壁與孔壁之間要充填密實，以防噴漿。鉆孔周圍的井壁裂縫進行糊縫處理，埋設導水管（兼作注漿管），用水泥—水玻璃膠泥充填。

6）井筒下放或提升設備時，必須捆綁牢固，并事先與絞車房聯(lián)系好，確認無誤后方可開車。

7）制雙液漿時要戴防護手套，水玻璃接觸皮膚應立即用清水沖洗。

8）打眼時，必須把臨時平臺固定好。

9）注漿前要對整個管路系統(tǒng)做壓水耐壓試驗，檢查管路上的所有接頭、法蘭、閥門及管件的耐壓能力，如有不符合要求的及時更換或調整，直到符合要求時方能開始注漿。

10）注漿泵及輸漿管各接頭要綁緊接牢，注漿過程中，盤上工作人員觀察接頭情況，并避開孔口管位置，避免跑管傷人。

11）注漿時應嚴格控制注漿泵壓力，由小到大，采取邊注漿邊觀察注漿管及井壁變化情況，如發(fā)現(xiàn)異常情況及時停泵進行處理。

12）注漿時設專人觀察井壁，發(fā)現(xiàn)異常立即停泵處理，發(fā)現(xiàn)跑漿用棉紗進行封堵。

13）吊盤各器具要安放牢固整齊，在升降吊盤時盤上要有專人指揮，嚴防器具及材料掉入井中，各孔口封閉嚴密。吊盤上不得存放雜物，以免負荷過重。

14）注漿時，施工人員都必須配戴保險帶，并生根在牢固的構件上。注漿人員必須戴防護眼鏡和防護手套。注漿管前嚴禁站人。

15）注漿泵應有專職機工維護、操作，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

16）注雙液漿時，兩個吸漿管不得混合使用，嚴防堵塞。

作者簡介：季志才（1984—），河北唐山人，大學本科，助理工程師，河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司石人溝鐵礦副主任。