馮 斌,熊朝輝,胡 飛
(湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊(duì),湖北黃石 435100)
立井井筒(又稱豎井)是礦井通達(dá)地面的主要進(jìn)出口,也是礦井生產(chǎn)期間提升礦石、升降人員、運(yùn)送材料設(shè)備以及通風(fēng)和排水的咽喉通道。立井井筒施工工程是礦井建設(shè)的關(guān)鍵工程,在井筒建設(shè)中,地下水往往帶來(lái)極大危害,如影響工程進(jìn)度和質(zhì)量,惡化建設(shè)條件,甚至淹沒(méi)礦井,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。目前,采取帷幕注漿止水技術(shù),可大幅度減少地下水涌水量,既縮短了建設(shè)周期,又減少了井筒掘進(jìn)工程造價(jià),創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。本文重點(diǎn)介紹以某礦山公司新建回風(fēng)井井筒地面帷幕注漿止水的成功經(jīng)驗(yàn)。
新建回風(fēng)井設(shè)計(jì)井筒凈直徑Φ4.0 m,井筒護(hù)壁厚0.25 m,井筒深980.64 m。根據(jù)地質(zhì)勘察得出的結(jié)論:7.10 ~57.60 m(標(biāo)高 -42.78 m)段為新建回風(fēng)井主要裂隙含水層,井筒涌水量建議值為336 m3/h,為中等富水性,具承壓性。井筒涌水量大是影響新建回風(fēng)井施工的主要不利因素,不進(jìn)行防水治理將嚴(yán)重影響回風(fēng)井的安全施工。
勘察孔深度244.51 m,根據(jù)鉆孔揭露地層情況,擬建回風(fēng)井沿軸線依次穿越第四系湖積粘土、白堊系下統(tǒng)靈鄉(xiāng)組泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r,因勘察鉆孔深度所限,下伏侏羅系馬架山組地層未揭露,鉆孔穿過(guò)和揭露的地層自上而下有第四系、白堊系。
(1)第四系:厚度為7.10 m,主要巖性為粘土層。
(2)白堊系:厚度>237.41 m,巖性以燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的火山噴出巖杏仁狀玄武巖、橄欖輝石玄武巖夾于白堊紀(jì)靈鄉(xiāng)組泥質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、凝灰質(zhì)砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r中。
根據(jù)勘察孔穿過(guò)的地層,劃分出1個(gè)隔水層、1個(gè)主要含水層、1個(gè)次要含水層和1個(gè)弱含水層。各含(隔)水層特征自上而下分述如下:
1.2.1 第四系湖積粘土隔水層(0.00 ~7.10 m)
灰褐色,軟塑,3.47 ~7.1 m 呈可塑狀,2.1 ~2.7 m夾薄層淺灰色淤泥質(zhì)粘土。含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核,透水性差,為不含水隔水層。
1.2.2 玄武巖夾碎屑巖裂隙含水層(7.10~57.60 m)
該段巖性主要由青灰色杏仁狀玄武巖、紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、淺灰色橄欖輝石玄武巖組成,強(qiáng)—中風(fēng)化,節(jié)理裂隙發(fā)育,多呈微張開狀,滲透系數(shù)K=2.26 m/d,單位涌水量0.746 L/s·m,中等富水性,具承壓性,承壓水頭高度7.93 m,高出孔口 0.83 m,高程 15.65 m,孔口自流涌水量Q流=95 m3/d,為本孔主要含水層,估算涌水量336 m3/h。
1.2.3 玄武巖裂隙含水層(57.60 ~94.80 m)
該段巖性主要由青灰色杏仁狀玄武巖、淺灰色橄欖輝石玄武巖組成,中—微風(fēng)化,節(jié)理裂隙發(fā)育,滲透系數(shù) K=0.23 m/d,單位涌水量0.050 L/s·m,弱富水性,具承壓性,承壓水頭高度57.25 m,地下水位埋深0.35 m,高程14.47 m,為本孔次要含水層;本含水層是依據(jù)地層巖性和抽水試驗(yàn)取得的單位涌水量數(shù)據(jù),與其上主要含水層之間的差異性劃分的,兩者之間無(wú)明顯分界線,該段弱含水層層厚37.20 m,估算涌水量38 m3/h,每延米涌水量為 1.02 m3。
1.2.4 玄武巖—碎屑巖、碳酸鹽巖裂隙弱含水層(94.80 ~244.51 m)
該段巖性主要由青灰色杏仁狀玄武巖、紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、淺灰、灰綠橄欖輝石玄武巖、紫紅色含礫砂巖、紫紅色凝灰質(zhì)砂巖、灰白色泥質(zhì)灰?guī)r組成,中—微風(fēng)化,節(jié)理裂隙不發(fā)育—較發(fā)育,裂隙多呈閉合狀,RQD=80% ~97%,巖芯完整,滲透系數(shù)K=0.02 m/d,單位涌水量0.041 L/s·m,弱富水性;該層水位埋深0.14 m,承壓水頭高度94.66 m,高程 14.68 m,為本孔弱含水層,與其上次要含水層亦無(wú)明顯分界線。該段弱含水層層厚149.71 m,估算涌水量41 m3/h,每延米涌水量為 0.27 m3。
7.10 ~57.60 m(高程 -42.78 m)是本回風(fēng)井的主要含水層,井筒分段掘進(jìn)估算涌水量>40 m3/h,需注漿,采用從地表打垂直鉆孔至主要含水層(7.1~57.6 m)底板以下10~15 m,對(duì)新建回風(fēng)井上部圍巖進(jìn)行地面鉆孔預(yù)注漿,形成止水帷幕,達(dá)到大幅降低回風(fēng)井57.60 m以上井筒涌水量的目的。
通過(guò)注漿在井筒荒徑外形成注漿隔水帷幕,將含水層的過(guò)水通道進(jìn)行封堵,使受注段的井筒剩余涌水量<5 m3/h,滿足《礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的要求。
2.3.1 注漿孔布置及施工順序
設(shè)計(jì)注漿孔2圈,孔位布置在回風(fēng)井井筒外3.55 m及4.05 m的圓周上,距井筒中心分別為5.80 m和6.30 m,每圈布置注漿孔8個(gè),注漿孔間距為2.40 m。采用下行式注漿法灌漿,分段成孔,分段注漿。注漿結(jié)束后在井筒中心施工一個(gè)檢查孔JC1,通過(guò)抽水試驗(yàn)驗(yàn)證注漿效果。
16個(gè)注漿孔按序進(jìn)行施工,第Ⅰ序列注漿孔設(shè)計(jì)孔深75 m,作為先導(dǎo)孔;第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ序列注漿孔及檢查孔設(shè)計(jì)孔深67.00 m。注漿孔施工完成后,最后對(duì)檢查孔JC1進(jìn)行鉆探施工,并做水文試驗(yàn)檢驗(yàn)前期注漿止水效果。注漿孔施工順序如圖1所示。
2.3.2 注漿參數(shù)
注漿孔共16個(gè),孔間距2.4 m;漿液有效擴(kuò)散半徑取8 m,注漿壓力3~6 MPa。
圖1 注漿孔布置圖Fig.1 Layout drawing of grouting hole
注漿投入的主要機(jī)械設(shè)備的型號(hào)規(guī)格如表1。
表1 主要施工設(shè)備表Table 1 Schedule of main coustruction equipment
注漿器結(jié)構(gòu)見圖2,壓水試驗(yàn)見圖3。
注漿孔結(jié)構(gòu)見圖4。
(1)采用XY-1型液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔,第四系覆蓋層采用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn),基巖采用金剛石鉆頭鉆進(jìn),注漿孔開孔孔徑Φ110 mm,灌漿段孔徑應(yīng)≥91 mm。
(2)該井筒地質(zhì)情況較復(fù)雜,鉆孔穿越的巖層較多,軟硬不均,易產(chǎn)生孔斜,鉆孔偏斜率應(yīng)<1%。測(cè)斜工作分別在30 m和終孔后各進(jìn)行一次。鉆進(jìn)施工中經(jīng)測(cè)斜發(fā)現(xiàn)鉆孔偏距迅速加大,有超偏趨勢(shì)或已超偏的,均應(yīng)立即停止鉆進(jìn),進(jìn)行定向糾偏。
圖2 注漿器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of grouting hole
圖3 壓水試驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of water pressure test
(3)當(dāng)注漿孔按設(shè)計(jì)鉆至該注漿段深度,經(jīng)沖洗孔內(nèi)巖粉,測(cè)量孔斜合格并做完壓水試驗(yàn)后,即可進(jìn)行注漿作業(yè)。
采用下行式純壓注漿,自上而下下行式分段注漿法。
(1)注漿孔鉆穿第四系松散土層并進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層0.5 m后,下入止?jié){套管,并進(jìn)行注漿,采用間歇式注漿法,使止?jié){套管底部與土層結(jié)合穩(wěn)固,降低后續(xù)分段注漿時(shí)向上串漿的可能性。
(2)止?jié){套管注漿封固24 h后,掃孔鉆進(jìn)并穿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化層,進(jìn)入中風(fēng)化層,采用純壓式注漿法對(duì)強(qiáng)風(fēng)化層進(jìn)行注漿。
(3)自中風(fēng)化巖層開始,每5~10 m為一個(gè)注漿段,自上而下分段注漿。注漿前用注漿泵大泵量送清水洗孔,洗孔至水清砂凈后進(jìn)行壓水試驗(yàn),根據(jù)壓水試驗(yàn)成果,確定開灌濃度。注漿過(guò)程中,如果發(fā)生串漿,則串漿孔同時(shí)進(jìn)行壓力注漿,漿液終凝后方可掃孔鉆進(jìn)。
(4)簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)可在裂隙沖洗后進(jìn)行,最大壓力為1 MPa,采用單點(diǎn)法試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)每5 min測(cè)讀一次壓入流量。
采用純水泥漿灌注,水灰比 3∶1、2∶1、1∶1、0.75∶1、0.5∶1五級(jí),開灌水灰比為 3∶1。當(dāng)每段吸漿量 >100 L/min時(shí)采用水玻璃—水泥漿液。
設(shè)計(jì)終灌壓力應(yīng)為靜水壓力的5~10倍,工程最大靜水壓力為 0.6 MPa,設(shè)計(jì)終灌壓力為 3.0~6.0 MPa
(1)當(dāng)基巖段注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力,漿液難以注入時(shí)。
(2)在最大設(shè)計(jì)壓力下,當(dāng)注入率≤1 L/min后,繼續(xù)灌注30 min,可結(jié)束灌漿。
注漿工程竣工后,對(duì)各序注漿孔壓水試驗(yàn)呂榮值及注漿量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,前期注漿孔各孔段呂榮值及注漿量大,后期注漿孔各孔段呂榮值及注漿量明顯減少,而各序注漿孔的開灌壓力逐漸提高,第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ序注漿孔巖芯節(jié)理裂隙、溶蝕空隙中均發(fā)現(xiàn)有已固結(jié)的水泥,亦說(shuō)明巖層含水裂隙逐漸被漿液充填,達(dá)到止水效果。
(1)各序注漿孔呂榮值、注灰量統(tǒng)計(jì)(見表2)。
(2)各序注漿孔平均呂榮值統(tǒng)計(jì)(見圖6)。
(3)各序注漿孔平均開灌壓力統(tǒng)計(jì)(見圖7)。
抽水試驗(yàn)共做了2次降深,分別為35.75 m和50.6 m。檢查孔JC1及勘察孔K2抽水試驗(yàn)成果對(duì)比見表3。
圖4 注漿孔結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of grouting hole
圖5 注漿施工工藝流程圖Fig.5 Process flow diagram of grouting construction
表2 各序注漿孔呂榮值、注灰量Table 2 Lugeon value and capacity of injecting grout of grouting holes
根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果,估算井筒涌水量為2.02 m3/h,相比注漿前下降了99%,目前新建回風(fēng)井已竣工驗(yàn)收,帷幕注漿段實(shí)際涌水量<2 m3/h,確保了新建回風(fēng)井安全順利施工。
圖6 各序注漿孔平均呂榮值Fig.6 Average Lugeon value of grouting holes
圖7 各序注漿孔平均開灌壓力Fig.7 Average opening pressure of grouting holes
表3 檢查孔JC1與勘察孔K2抽水試驗(yàn)成果對(duì)比表Table 3 Correlation table of pumping test results of inspection opening JC1 and exploration hole K2
表4 注漿前后井筒涌水量估算對(duì)比表Table 4 Correlation table estimation of water yield of shaft
圖8 檢查孔玄武巖節(jié)理面水泥漿充填固結(jié)良好Fig.8 Good filling consolidation of grout of joint plane
圖9 回風(fēng)井施工現(xiàn)場(chǎng)(止水效果良好)Fig.9 Job location of return-air well
通過(guò)水文地質(zhì)勘察,精確劃分出對(duì)工程影響較大的主要含水層。合理、經(jīng)濟(jì)地布置注漿孔間距、深度,優(yōu)化注漿施工工藝,現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)注漿質(zhì)量管理,根據(jù)各注漿段注漿前、后巖芯裂隙充填情況、壓水試驗(yàn)呂榮值、洗孔涌水量等分析對(duì)比,及時(shí)調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。工程實(shí)踐表明,礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜情況下,井筒開挖施工采用“下行式純壓注漿”地面預(yù)注漿技術(shù),可有效隔斷井筒與地下含水層之間的水力聯(lián)系,為井筒開挖施工創(chuàng)造良好的條件,為井筒安全、高效、快速地施工奠定基礎(chǔ),取得了良好的堵水效果和經(jīng)濟(jì)效益。
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