地表预注浆技术治理田兴铁矿井筒涌水.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 1 4 年0 2 月 矿冶 工 程 劓叩叼嗍GA N DM 咂T A L I ，I 璩G I C A I ．E M 团嗍E E R D i G V 0 1 ．3 4 №1 F e b n l a I y2 0 1 4 地表预注浆技术治理田兴铁矿井筒涌水① 闫满志，程晓博，刘天林，刘万富，王文才，谢道雄，王磊，吕斌 ， 河北钢铁矿业有限公司田兴铁矿，河北唐山0 6 3 7 0 0 摘要利用“s ”型钻孔技术对田兴铁矿2 。副井实行地表预注浆，在后期实现地表预注浆与井筒施工的平行作业。地表预注浆技 术在田兴铁矿的成功应用，为治理复杂地质条件下的井筒涌水和加快井筒施工速度提供了技术和经验。 关键词“S ”型钻孔技术；地表预注浆；复杂地质条件；井筒涌水 中图分类号T U 7 5 3 文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 1 ．0 0 7 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 卜0 0 2 4 一0 4 S m l ’a c eP r e - g r o u t i n gf o rG o V e r I l i n gW a t e rB 眦乱i nS h 嗣血 o fT i a n 】| 【i n gI r o nM i m Y A NM 柚．z l l i ，C H E N Gx i a o ．b o ，U UT i 孤。l i n ，U UW a l l ．f u ，W A N GW e n c a i ，X I ED a o - x i o n g ，W A N GI J e i ，蚰B i n m 眦坛舶n 胧船，胁6 e i ，r o n 口以船e Z 施以愕c oZ 础，死n 舻 口n0 6 3 7 0 0 ，m 妊，劬i 胞 A b s t 撇t W 汕‘‘S ’’帅e 出l l i n gt e c h n o l o g rlp r e ．g r o u t i n g 舶ms u r f 如ew 踮c a Ⅱi e do u tf o r2 。a u x i l i a r ys h 世i nT i a l l 【i n g h o nM i n e ，w h i c hw o u l db eap 姗I u e lo p e r a t i o n 硒t l ls h a f te x c a v a t i o ni nt l l el a t e rs t a g e ．r 1 1 l es u c c e s s f u l 印p l i c 撕o no ft l l i s t e c h n o l o g ri n t 0T i a I l 】【i n gI r o nM i n ep r o v i d e sb o t } lt e c h n o l o 舒a l l de x p e r i e n c ef o rg o V e n l i n gw a t e rb u r s tu n d e rc o m p l i c a t e d g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，b u ta l s oa c c e l e r a t e ss h a f tc o n s t I u c t i o n ． K e y 、阳r d s “S ”帅ed r i U i n gt e c h n o l o g r ；s u d h c ep r e 一孕o u t i n g ；c o m p l i c a t e dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ；w a t e rb u 瑙ti ns h a f t 田兴铁矿是河北钢铁集团矿业有限公司的全资铁 矿山，设计铁矿石年采选能力20 0 0 万吨，共有1 3 条 井巷，铁矿石总地质储量为1 1 64 5 5 ．7 1 万吨，T F e 平均 品位3 0 ．9 0 ％。田兴铁矿2 4 副井由唐山开滦建设集团 承建，井筒净径6m ，井筒设计深度5 1 9 ．5m ，冲基层厚 度1 4 0m ，用冻结法施工至井深1 6 0m ，井深1 6 0m 之 后为普通法凿井。该井所在地区地质条件复杂，岩石 裂隙发育，自井深2 0 0m 开始有一条破碎带贯穿井筒， 并随井筒延伸，结束冷冻后共经过5 次工作面预注浆 和2 次壁后堵水注浆，当凿至井深2 6 0m 时工作面再 次出现8 1 ．4m 3 ／h 的突发涌水J 。根据井口地面已经 被凿井设备占用，且工作面出水比较大，地质条件复 杂，多次工作面预注浆治水效果并不明显的实际情况， 设计由开滦建设集团地矿工程处利用“S ”型钻孔技术 对该井井深2 6 0m 以下岩层进行地表预注浆治水，即 在离井盘一定距离的地面位置布置钻孔，利用定向钻 进技术，在向下钻进的同时，控制钻孔轨迹向井筒注浆 段荒径偏移，绕过已经完工的马头门和石门，达到所需 的注浆位置，具体钻孔轨迹见图1 。 M彻 | ＼ jr 1 1 1r1 r i 二 一⋯●～ ．／ -●- ＼ 一 t 图l地表预注浆钻孔施工轨迹示意 l 井筒水文地质情况 由该地区检查孔资料得知，矿区地下含水层可划 分为第四系松散岩类孔隙含水组和基岩裂隙含水层 带 。经2 。副井井筒检查孔揭露，1 3 7 ．4 ～2 5 2 ．2m 为 构造裂隙及构造破碎带集中区段，分布有破碎带6 层， ①收稿日期2 0 1 3 一0 9 1 2 作者简介同满志 1 9 6 3 一 ，男，河北献县人，硕士，高级工程师，主要从事企业管理及矿山建设工作。 万方数据 第1 期 闫满志等地表预注浆技术治理田兴铁矿井筒涌水 总厚度1 1 ．6m ，岩性为黑云变粒岩，岩芯破碎呈棱角 状、片状，碎裂面微张一张开。该区段其它黑云变粒岩 节理裂隙发育，为一承压含水、导水层段，该层段总厚 度1 1 4 ．8m ，水位埋深3 ．7m ，经抽水试验计算，渗透系 数K O ．4 ∥d ，单位涌水量g O ．4 2L ／ s m ，属中等 赋水性含水层段。井筒检查孔预计2 ’副井开挖时，当 水位降深5 1 2 ．3m 时，井筒涌水量为2 14 6 9 ．2 9m 3 ／d 8 9 5m 3 ／h ‘2 1 。 从井筒施工过程中井筒揭露的岩层来看，该井所 在地区岩石极度破碎，裂隙发育，最宽可见5 0 蛐，并 有较大涌水，自井深2 0 0m 以下有一条东西走向的破 碎带穿过井筒及马头门，见图2 ，该破碎带两侧岩石极 度风化，岩石表面有大量水锈，破碎带当中充填碎石与 泥质，该破碎带部位经常发生片帮和突发涌水，而且该 破碎带几乎成9 0 0 或全部贯穿井筒或贯穿井筒一角， 并有沿井筒继续延伸的趋势，给施工造成极大困难。 图2 穿过马头门的破碎带 2 施工难点 1 如何合理的布置钻孔，既能保证注浆效果又能 缩短注浆工期；如何保护已经施工好的钻孔，防止平行 作业过程中井筒爆破损坏钻孔。 2 如何确定合理的注浆段高，既能保证注浆效果 又能缩短注浆工期；如何选择浆液种类和控制注浆过 程中的浆液配比，在保证注浆效果的前提下减少注浆 材料的消耗并缩短注浆时间。 3 如何采取有效的措施防止注浆过程中浆液进 入井筒造成串浆，以及如何处理井筒串浆。 3 施工过程 3 ．1 钻孔的布置和保护 实行地表预注浆，注浆孔的数量以3 6 个为宜旧J 。 这一规定对水平节理发育的地层来说是合适的，考虑到 此区高角度裂隙发育，岩石硬度变化较大且后期要进行 平行作业，钻孔离井筒要有一定距离，为了最大几率的 钻中裂隙，决定对钻孔进行加密，共布置8 个孔，孔深 5 3 0m ，初始靶域注浆圈径1 0m ，终孔靶域注浆圈径7 m ，单孔靶域精度范围4m ，注浆深度2 6 0 ～5 3 0m 。为了 缩短井筒建设工期，8 个钻孔分两组施工当施工现场 具备基本入场条件后开始施工一序孔1 ’、3 ’、5 ’、7 ’四个 孔，随后二序孔2 、4 ’、6 。、8 4 四个孔入场施工。 当一序孑L 完工后拆除钻机设备，为井口腾出场地， 井口附近开始恢复安监室、溜矸槽等设施，井筒内开始 为平行作业作准备。当二序孔完成3 7 5m 以上部位的 注浆后，对该段钻孔下入套管、固管，使其能承受注浆 过程中的浆液压力，保证井筒内爆破产生的冲击波不 会损坏钻孔。此时套管底部距离井筒内部的止浆垫已 经有一百多米，并且有三个注浆段的保护，能形成防止 浆液上窜的有效保护层。为了减少建井工期，此时井 筒内部开始拆除止浆垫，实现井筒掘砌和地表预注浆 的平行作业。 3 ．2 注浆段高的划分和浆液配制 3 ．2 ．1注浆段高的划分及注浆压力 田兴铁矿2 。副 井的地表预注浆，注浆起止深度为2 6 0 5 3 0m ，注浆段 长2 7 0m ，为了保证注浆效果，根据注浆工艺、含水层 特征、岩性以及注浆设备、注浆材料品种等因素划分6 个注浆段高，其中2 6 0 一2 7 0m 为岩冒段，详见表1 。 表1注浆段高划分一览表 注浆段高确定后，经过以下公式计算各个注浆段 合适的注浆终压M 1 岩帽段P 岩帽 2 P 嘴 注浆段P 注浆 3 4 P 噼 式中P 岩帽为岩帽段注浆终压；P 注浆为注浆段注浆终压； P 嘴为注浆段相应的静水压力。 注浆终量Q ≤2 5 0L ／m i n 岩帽段Q ≤1 0 0L ／m i n 稳定时间r ≥2 0 m i n 3 ．2 ．2 注浆材料岩帽是限制浆液上窜的屏障，它能 把注浆段和已经完工的井筒进行隔离，是整个注浆工 作的基础，必须选择强度高、终凝时间短的浆液，才能 符合施工的要求。该工程岩帽段注浆全部采用单液水 泥浆，并根据各孑L 注浆条件、注浆压力的变化情况和浆 液消耗量的不同配置了不同浓度的单液浆，在施工中 万方数据 矿冶工程第3 4 卷 根据现场情况灵活掌握并适量加入添加剂，具体单液的实际注浆量进行了对比，详见表4 。 浆配比见表2 。 表2 每立方米单液浆配制表 根据基岩注浆段注浆压力大、注浆段高较高、注浆 浆液消耗量大的特点，在岩冒段以下的注浆过程中主 要采用了由粘土、水泥、水玻璃组成的成本低、适宜高 效注浆的粘土水泥浆，又叫c L C 型浆。 粘土是一种含水硅铝酸盐，其主要矿物成分为高 岭石、伊利石、蒙脱石等，它具有吸收水分形成凝胶的 能力。在制备好的粘土浆中加入水泥、水玻璃作为水 硬性材料，其水解过程对C L C 型浆液凝结性影响最 大水玻璃为浆液的速凝剂，它能使水泥颗粒更快水 化，在浆液结构形成的过程中起加速剂作用；水泥主 要是为了增强浆液的后期强度，增强浆液凝固体的持 久性∞J 。为了保证最佳注浆效果，本次注浆过程中的 粘土为工业广场耕土以下含砂量小于5 ％、塑性指数 大于1 7 的粘土。水泥使用冀东P 0 4 2 ．5 普通硅酸盐水 泥。水玻璃模数2 ．8 3 ．4 ，浓度3 8 4 2B e 波美度 。 在注浆过程中根据压力、浆量等变化随时调整粘土水 泥浆的配比，并通过调节水玻璃的加入量来控制浆液 的凝固时间，力求达到最佳的注浆效果，粘土水泥浆使 用的配比详见表3 。 3 。3 注浆材料消耗 为了经济合理并保证良好的堵水效果，本次地表 预注浆的浆液有效扩散半径为2 0m ，在实行地表预注 浆之前对注入的浆液进行了预测吲，并与注浆结束后 表4 注浆量统计表 预测浆液消耗量计算公式为 Q A 可R j H 幛／m 式中Q 为浆液体积，m 3 ；A 为浆液消耗系数，取1 ．7 ； 尺为扩散半径，取2 0m ；日为注浆段长，取2 7 0m ；n 为 岩层平均裂隙率，取4 ％；口为浆液充填系数，取0 ．8 5 ； m 为浆液结石率，取0 ．8 5 。 浆液注入量是分析、评价注浆质量的重要指标，是 保证堵水帷幕质量的关键J ，通过对钻进过程中和注 浆过程各类数据的分析，推测出造成实际注浆量较大 的原因跟随井筒延伸的破碎带的发育程度超过了预 期，造成前三个注浆段浆液消耗量较大；注浆范围内岩 石裂隙发育程度超过了预期，而且井筒周围存在较多 小型破碎带，增加了注浆过程中的整体浆液消耗量；井 筒范围内地质条件复杂，岩石倾角较大，裂隙发育不规 则，造成达到设计扩散半径所需要的浆液量增加。 3 ．4 井筒串浆的防治 3 ．4 ．1 止浆垫的施工及井筒观测由于注浆过程的 压力能达到静水压的4 倍，因此必须采取有效的措施 防止地表预注浆过程中的浆液进入井筒，导致浆液无 法充填岩石裂隙，影响注浆效果。在井深2 6 0m 位置 施工了可靠的止浆垫，根据工作面实际情况，采用单级 平底型止浆垫，混凝土强度为C 3 0 ，止浆垫厚度按以下 公式进行计算旧J 。 B P 。r ／[ 盯] o ．3 r 式中B 为止浆垫厚度；P 。为注浆终压，这里取P 。 1 3 为防止注浆过程中浆液随破碎带上串损坏止浆垫， 采用2 7 0 ～3 2 0m 注浆段的注浆终压 ；r 为井筒掘进半 径，这里取r 3 ．4 ；[ 矿] 为混凝土的允许抗压强度，这 里取[ 盯] 1 0M P a 。 经计算得B 5 ．5m 。 为了防止钻孔向井筒串浆和钻孔破坏井壁，在拆 除止浆垫之前每班都安排专门人员负责井下观测，但 地面注浆和井下观察不得同时进行。 3 ．4 ．2 井筒串浆及处理在第二注浆段和第三注浆 段的注浆过程中共有4 次由钻孔向井筒内串浆，串浆 位置出现在井深2 0 0 ～2 3 2m 位置，均位于东北、西南 方向，现象是注浆过程中注浆压力突降，并且持续注 浆后注浆压力不上升，启动井筒内部的排水设备，排出 一 一一一一ⅢⅢ协㈣mⅢ曼一一 一 ／ 一 一 万方数据 第1 期闫满志等地表预注浆技术治理田兴铁矿井筒涌水 的水十分浑浊且呈泥黄色。 考虑到井筒止浆垫和2 6 0 ～2 7 0m 的岩冒段已经 形成，串浆方位在贯穿井筒的破碎带方向，且该破碎带 内岩石极度破碎，部分地点岩石风化严重，强度较低， 易形成浆液上行的通道，分析串浆是由于注浆压力升 高造成浆液穿过破碎带的薄弱环节，沿裂隙上升后通 过井筒上部井壁的施工缝或者壁后注浆遗留的钻孔进 入井筒造成的。 根据串浆的形成原因和井筒的实际条件确定了如 下的堵漏方案在井筒内找出漏浆的具体地点，用木楔 堵塞住漏浆点，并将木楔处理到与井壁平齐，在木楔周 围大致均匀布设1 2 1 6 个螺栓，把lm lm 小模板 用螺栓紧紧固定在井壁上，并用棉纱塞住模板与井壁 接触的缝隙，随后向引起串浆的钻孔内注入高浓度粘 土浆或者高浓度水泥浆，采用间歇重复注浆的方式，即 每次少量注浆，待上次浆液凝固后再进行下次注浆，如 此重复直至堵住漏浆点。 4 地表预注浆的效果 4 ．1 注浆效果 从后期井筒掘砌过程中揭露的井筒岩石来看，地 表预注浆所使用的粘土水泥浆不仅很好的充填了井筒 周围岩石的裂隙 见图3 ，而且很好的充填了贯穿井 筒的破碎带 见图4 ，在井筒周围形成了很好的隔水 帷幕，为井筒掘砌创造了良好的条件。 图3 浆液充填岩石裂隙效果图 图4 浆液充填破碎带效果图 4 ．2 施工进度 从2 0 1 0 年4 月一2 0 1 2 年7 月共8 5 0d ，田兴铁矿 2 副井井筒共掘砌1 0 6m ，期间经历了5 次工作面预注 浆和2 次壁后注浆，但是由于工作面预注浆压力低，破 碎带中大量泥状杂质限制浆液扩散半径，造成工作面 预注浆效果不太明显。经过地表预注浆后，在地质条 件同样复杂的情况下，由于地表预注浆封堵了井筒涌 水，改善了井筒周围的岩石条件，在一序孔撤场后实行 平行作业的5 0d 里仍能达到完成2 6 0 一3 0 0m 井筒、一 个单侧马头门 马头门5m ，石门1 0m ，绕道7m 和一 个双侧马头门 东西马头门各5m ，绕道1 1 ．5m ，石门 共2 0m 的旖工进度。 5 结语 1 田兴铁矿2 。副井实行的地表预注浆，在井口被 凿井设备占用的情况下，利用井盘外围的地面空闲场 地摆放造孔设备，利用“S ”型钻孑L 定向钻进技术，成功 绕过已经施工完成的井筒及马头门，对井筒深部进行 地表预注浆，避免了重复注浆，缩短了治水总工期，创 造了良好的施工综合效率。 2 地面预注浆过程中使用的粘土水泥浆很好的 解决了工作面预注浆过程中注浆强度低、浆液扩散范 围小、造孔困难、易出安全事故等问题，而且节省了大 量材料，该浆液还有很好的隔水性、抗震性和耐久性， 较好的解决了使用水泥浆注浆后由于放炮造成新生裂 隙、发生突发涌水的问题。 3 地表预注浆和井筒掘砌平行作业的施工方法 在田兴铁矿2 ’副井的应用，对其它矿山治理井筒涌水 和缩短大水矿山建设工期提供了很好的技术和经验， 但在复杂地质条件下的井筒经过地表预注浆后仍要坚 持“有疑必探”的原则才能从根本上防止突发涌水的 发生。 参考文献 [ 1 ] 程晓博，闫满志，刘万富，等．地表预注浆治理井筒涌水实践[ J ] ． 现代矿业，2 0 1 3 5 8 3 8 5 ． [ 2 ] 河北钢铁集团矿业公司司家营铁矿南区竖井工程地质勘查报告 [ R ] ．秦皇岛天元五一钻探工程有限公司，2 0 0 8 ． [ 3 ] G B 5 0 2 1 3 2 0 1 0 ，煤矿井巷工程施工质量验收规范[ s ] ． [ 4 ] M r ／T 1 0 5 7 2 0 0 8 ，立井井筒地面预注浆效果压水试验检验方法 [ s ] ． [ 5 ] M T ／T 1 0 5 8 2 0 0 8 ，立井井筒地面预注浆粘土水泥浆技术规范 [ s ] ． [ 6 ] G B 5 0 5 1 1 2 0 l o ，煤矿井巷工程施工规范[ s ] ． [ 7 ] 万全，何忠明．超前全断面帷幕预注浆治理高压断层永技术研 究[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 3 5 1 7 2 0 ． 万方数据