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抛碴注浆法在深立井泥质断层突水淹井处理中的应用
2018-07-24
大贾庄铁矿主井掘砌过程中遇泥质断层突发涌水造成淹井,为封堵泥质断层涌水,稳 固井帮围岩,保证井筒顺利通过泥质断层,采用抛碴注浆法治理泥质断层,通过对碴层厚度及注浆 量的科学控制,使井筒内形成有效的注浆封水层,实现对突发涌水的封堵。疏干积水后再通过对上 层止浆垫厚度及注浆孔角度的科学设计及施工,对泥质断层进行系统注浆,形成有效注浆帷幕圈, 使井帮围岩稳固,再配合弱爆破掘进方式,最终成功实现了对泥质断层突水的封堵,保证了井筒顺 利通过泥质断层。抛碴注浆法在泥质断层破碎带突水治理中发挥较好作用,保证施工安全的同时 还能够节省工期及资金投入,为深立井泥质断层破碎带突水淹井的处理积累了宝贵的经验。
Serial No. 590 June. 2018 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 590期 2018 年 6 月第 6 期 抛碴注浆法在深立井泥质断层突水淹井处理中的应用 秦立杰 河钢集团司家营铁矿南区分公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 大贾庄铁矿主井掘砌过程中遇泥质断层突发涌水造成淹井,为封堵泥质断层涌水,稳 固井帮围岩,保证井筒顺利通过泥质断层,采用抛碴注浆法治理泥质断层,通过对碴层厚度及注浆 量的科学控制,使井筒内形成有效的注浆封水层,实现对突发涌水的封堵。 疏干积水后再通过对上 层止浆垫厚度及注浆孔角度的科学设计及施工,对泥质断层进行系统注浆,形成有效注浆帷幕圈, 使井帮围岩稳固,再配合弱爆破掘进方式,最终成功实现了对泥质断层突水的封堵,保证了井筒顺 利通过泥质断层。 抛碴注浆法在泥质断层破碎带突水治理中发挥较好作用,保证施工安全的同时 还能够节省工期及资金投入,为深立井泥质断层破碎带突水淹井的处理积累了宝贵的经验。 关键词ꢀ 深立井ꢀ 淹井ꢀ 抛碴注浆ꢀ 碴层ꢀ 止浆垫ꢀ 注浆量 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674-6082. 2018. 06. 070 ꢀ ꢀ 大贾庄铁矿主井设计深度为 689. 4 m,净径 育,断层破碎带走向为西北—东南,倾向向西,倾角 为 45°,厚度达 15 ~ 20 m。 断层破碎带充填钙质、泥 质,糜棱岩化、碳酸岩化现象普遍,且含水极为丰富。 为 6 m。 井筒掘进至标高ꢁ666. 0 ~ ꢁ670. 0 m 时,井 壁东南方向围岩出现破碎,岩石中泥质充填物较多, 井壁浇注时东南方向片帮。 鉴于井筒已进行地表预 注浆,且断层尚无明显涌水,遂采用 2. 5 m 小段高短 掘短砌配合双层钢筋混凝土浇筑施工。 当井筒掘进 至ꢁ675. 0 ~ ꢁ677. 5 m 段高准备下放模板浇注混凝 土支护时,围岩出现大面积片帮冒落,并伴大量涌 水,水 质 浑 浊 且 水 量 不 断 增 大, 导 致 上 方 井 壁 2ꢀ 方案选取及参数设计 鉴于井筒涌水量大,下部断层破碎带泥质化严 重,采用强排水施工止浆垫,排水及止浆垫施工难度 大,且施工中人员安全难以保障。 静水位抛碴注浆 可对井帮围岩形成一定的支撑,防止片帮面积进一 步扩大,且能够较好地封堵涌水,降低排水难度,保 ( ꢁ658 ~ ꢁ675 m)出现不同程度的裂痕及破损现象。 障止浆垫施工质量。 因此,最终选取静水抛碴方案 3 [1-3] 最终实测井筒最大涌水量达 147 m / h,稳定水量达 注浆封水施工方案 。 3 1 18 m / h,远超出井筒排水能力,造成淹井事故,处 2. 1ꢀ 抛碴注浆管设计 理事故迫在眉睫。 采用 3 根 ϕ73 mm 无缝钢管作为注浆管,为保证 注浆时浆液充分扩散,在井筒内形成有效的封水注浆 层,设计 3 根注浆管环形均匀布置,圈径为 4. 5 m,且 在注浆管最下端焊接一根 ϕ73 mm×2 000 mm 的花 管,花眼直径为 15 mm,眼距为 100 mm,每圈 3 个眼, 上下错开。 注浆花管及注浆管布置见图 1。 1 ꢀ 水文地质情况 大贾庄铁矿位于滦河流域平原区冲击扇及滦河 河漫滩阶地上,矿床上部有第四系覆盖层,其间有 3 个主要含水层和 4 个主要隔水层。 造成本次淹井的 为基岩构造裂隙及构造破碎带含水层,该层岩体总 体完整性较好,构造裂隙及破碎带多被钙质、泥质充 填,岩性为黑云母花岗岩形成的破碎带,岩芯构造裂 隙较发育,裂隙面微张。 2. 2ꢀ 抛碴层厚度选取 抛碴注浆中碴层厚度的选取至关全局,厚度不 足会导致碴层抗压性达不到要求,无法形成有效封 水层;碴层过厚会导致石子及注浆材料的浪费,同时 也会增加掘井工程量,延长工期。 因此,碴层厚度的 选取一定要科学合理。 本次碴层注浆设计为单液水 泥浆,水泥采用 P. O42. 5 水泥,水灰比为 1 ∶1,按水 下浇注止浆垫层公式计算: 结合突发涌水前实地观测及井筒钻孔柱状图综 合分析,此断层破碎带为灰白色-褐红色,由黑云变 粒岩、混合花岗岩碎裂而成,局部钾化,岩石裂隙发 ꢀ ꢀ 秦立杰(1988—),男,助理工程师,063500 河北省滦南县。 2 56 ꢀ ꢀ 秦立杰:抛碴注浆法在深立井泥质断层突水淹井处理中的应用ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2018 年 6 月第 6 期 图 1ꢀ 注浆花管及注浆管布置示意 2 2 2 H = [λP0 D - (4m1 CO DO + λD )h2 ] / (4C′DO + λDO ) , CO = α[σ] = αR3 ~ 7 / K , (1) (2) 式中,H 为碴层厚度,m;P0 为注浆终压,16 MPa;D 为井筒荒断面直径,8 m;λ 为超载系数,1. 1 ~ 1. 2, 取 1. 2;m1 为水下止浆垫材料工作条件系数,0. 7 ~ 0 . 8,取 0. 8;CO 为止浆垫材料的抗剪计算强度,混 凝土标号为 C15, MPa; [ σ] 为 混 凝 土 抗 压 强 度, MPa;α 为比例系数,圆形混凝土为 0. 09 ~ 0. 11,取 0 . 1;R3 ~ 7 为水泥 3 ~ 7 d 抗压强度,MPa;K 为安全 图 2ꢀ 预埋孔口管示意 系数,1. 5;DO 为井筒净直径,6 m;h2 为井壁以下止 浆垫的厚度,2. 5 m;C′为止浆垫材料与井壁的连接 强度(取其中抗剪强度),1 MPa。 1 . 2 m 井壁位置开凿出高 0. 4 m、深 0. 2 m 的环形 槽,加固止浆垫,防止底鼓漏浆,见图 3。 计算得出 H=14. 7 m,实际抛碴厚度取 15 m,需 3 要 20 ~ 40 mm 粒级石子 432 m 。 2 . 3ꢀ 碴层注浆量控制 本次注浆为保证碴层注浆质量,严格控制水泥 浆注入量,计算公式为 Q = λVηβ / m , (3) 3 式中,Q 为注浆量,m ;λ 为浆液消耗系数,1. 5; V 为 3 碴层体积,423 m ; η 为充填裂隙率,40% ;β 为充填 图 3ꢀ 上层止浆垫示意 止浆垫采用 C35 混凝土浇筑,止浆垫厚度计算 公式: 系数,0. 9;m 为结石率,85% 。 3 计算得出 Q=274 m 。 2 . 4ꢀ 孔口管参数设计 Bn = Po R / [σ] + 0. 3r , (4) 考虑到碴石层注浆结石强度不能满足探水注浆 式中,Bn 为止浆垫厚度,m;Po 为注浆终压,14 MPa; R 为井筒掘进半径,4. 25 m;[σ] 为允许抗压强度, 要求,须在碴层上再浇筑一层止浆垫并预埋 10 根孔 口管为泥质断层探水注浆做准备。 孔口管采用 ϕ108 mm×4 500 mm×4. 5 mm 无缝钢管,管外面焊 2 3. 3 MPa。 计算得出 Bn =3. 88 m,取 4 m。 # # 钢筋箍或倒刺。 10 根孔口管分别标记为 1 ~ 10 , 3 ꢀ 抛碴注浆施工 # # # # 径向布置,其中 1 ~ 6 为注浆孔,7 ~ 10 为检查孔, 3 . 1ꢀ 施工工序 # # # # # # 1 3 、3 、4 、5 、6 孔向外倾角为 5°,2 孔向外倾角为 °,孔口管布孔圈径为 4. 8 m,设计孔深 33. 5 m。 预 抛碴注浆施工工序:待井筒水位涨至静水位;在 井筒内敷设 3 根注浆管(ϕ73 mm)至工作面;井筒抛 碴;利用预埋注浆管进行碴层注浆并养护 5 ~ 7 d;井 筒排水至碴层位置;施工止浆垫,进行工作面探水注 浆;破除止浆垫及碴层,进行井筒掘砌。 埋孔口管见图 2。 2 . 5ꢀ 上层止浆垫厚度选取 由于井筒掘进较深,深层地压加之不稳定的泥 质断层带使得止浆垫抗压强度面临极大挑战,为此, 在 浇注止浆垫前,在抛碴层上0 ~ 0. 4 m﹑0 . 8 ~ 3 . 2ꢀ 抛碴及碴层注浆 井筒蓄水期将吊盘随水位上升提至安全位置, 2 57 总第 590 期 现代矿业 2018 年 6 月第 6 期 水,2 桶水玻璃冲孔,再注入水泥浆。 井筒水位蓄至静水位后下放注浆管,采用稳车钢丝 绳悬吊 下 入, 注 浆 管 采 用 螺 纹 连 接, 逐 根 下 放, 每 5 m 用卡子固定于钢丝绳上,注浆管下端下放至 距工作面 2 m,上端接头露出井口地面 1. 0 m,以便 连接注浆软管。 注浆管下放完成后,改造吊盘。 用 钢板封住喇叭口,中间预留 ϕ800 mm 圆孔,采用自 卸式吊桶向井筒内抛碴。 抛碴达到设计深度后,进 行碴层注浆。 (5)注浆压力的大小直接影响浆液的扩散距离 及水泥胶结密实程度。 根据本井筒情况,实测终孔 后静水压力,注浆终压取静水压力的 2 倍。 初压大 于静水压力,终压取 14 MPa。 (6) 注浆过程中浆液浓度应先稀后浓遂级调 节。 当某一级浓度的浆液注入一定量后,吸浆量不 减或者压力不升时,提高一级浆液浓度。 当浆液浓 度提高到 1 ∶2 且注入一定量水泥浆仍不见升压时, 则停 6 ~ 7 h 后再注,即停一段时间再注一段时间; 若压力上升则必须连续进行注浆,直至达到设计终 压。 注浆以单液浆为主,最后双液浆封孔。 (7)注浆施工为隐蔽性工程,为保证注浆质量 和堵水效果,每一孔段注浆都必须达到终压和注入 量的设计要求。 在达到设计终压后,泵的流量在 30 L/ min,稳定 20 ~ 30 min,方可结束该孔段的注浆。 3. 4ꢀ 止浆垫及碴层破除 碴层注浆是关键施工,应严格注意以下事项: ( 1)注浆期间注浆管随着注浆进程逐步上提, 应根据碴层注浆量计算值平均到每米所需注入的量 提升注浆管。 ( 2)碴层注浆须连续,中途不得停止,达到注入 量后或设计压力(12 MPa),即可停止注浆工作。 3)注浆结束后上提注浆管,及时用清水冲洗 管路,防止堵塞。 ( ( ( 4)碴层止浆垫养护 5 ~ 7 d 即可排水。 5)向下排水时,每 15 m 实测一次井筒涌水 注浆施工达到设计要求后,进行止浆垫破除掘 进施工,采用“多打眼,少装药,弱爆破”原则。 在抛 碴层破除施工中,原则上不采用爆破施工,如在风镐 挖掘不动的情况下,采用中间放松动炮,配合人工用 风镐挖刷的方式掘进,以减少对注浆帷幕及井壁的 震动和破坏。 量,与蓄水期间井筒涌水量进行对比,判断井筒工作 面出水点是否被封堵。 3 . 3ꢀ 上层止浆垫施工及泥质断层注浆 止浆垫浇筑前应设置 0. 3 m 厚滤水层,滤水层 四周高,中心低,并在井筒设置滤水桶,敷设水泵。 孔口管预埋时,利用角度尺和水准仪确定空口管的 角度,然后利用钢筋加固,浇筑止浆垫。 止浆垫浇筑 完成后养护 1 周,进行工作面探水、注浆,本次探水 注浆采取小段高(5 m) 自上至下分段注浆,直至达 到设计深度,以保障井帮围岩固化及封水效果。 6 个注浆孔全部施工结束后,施工井筒检查孔,若孔内 岩石破碎,塌孔严重,则提钻进行注浆加固,直至检 4ꢀ 结ꢀ 语 本次抛碴注浆有效地形成了注浆帷幕,对泥质 断层的突发涌水进行了成功封堵,且较好地固结了 井帮断层破碎带岩石,保证了井筒最终顺利通过泥 质断层。 由此可见,抛碴注浆法能够在深立井泥质 断层破碎带的治理中发挥较好作用,保障施工安全 的同时还节省工期及资金投入,为类似条件井筒施 工提供了宝贵的经验。 3 查孔的涌水量小于 3 m / h。 止浆垫浇筑及泥质断层探水注浆注意事项: 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 ( 1)止浆垫应一次浇筑完成,中途不得停止,否 则将严重影响止浆垫强度。 2)止浆垫浇筑过程中要加强振捣,特别是对 环形槽周围的振捣。 [ [ 1]ꢀ 刘继明. 矿井涌水抛渣注浆封底治理技术[J]. 金属材料与冶 金工程,2009,37(5):49-52. ( 2]ꢀ 段ꢀ 萌,荣ꢀ 辉. 抛碴注浆技术在深井井筒工作面封水施工中 的应用[J]. 采矿技术,2017,17(2):38-39. ( 3)止浆垫养护完成后应对止浆垫收缩缝及滤 [3]ꢀ 董军庭. 井筒抛碴注浆法在马坑铁矿的应用[ J]. 矿业快报, 2008(7):54-57. 水层注浆封水,保证止浆垫不渗水。 ( 收稿日期 2018-03-21) ( 4) 各 钻 孔 施 工 至 指 定 段 高 后, 须 注 入 10 ~ 20 min 清水,若注浆量小,可采取注入 30 min 清 2 58
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