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某铁矿竖井马头门帷幕注浆工艺
2019-09-18
某铁矿基建竖井-50 m 水平马头门及巷道位于含水泥质灰岩夹褐铁矿层中,因矿层 上部有河床,河水顺导水断层进入矿区,造成施工被迫中断。为防治该断层导水,经现场勘察,对该 水平的竖井马头门及部分巷道采用帷幕注浆工艺进行了涌水封堵,快速通过含水带,取得了良好的 效果,为同类工程施工提供了借鉴。
Serial No. 604 August. 2019 现ꢀ 代ꢀ 矿ꢀ 业 MODERN MINING 总第 604期 2019 年 8 月第 8 期 某铁矿竖井马头门帷幕注浆工艺 臧润成ꢀ 臧云培 白山市友成建设有限责任公司) ( ꢀ ꢀ 摘ꢀ 要ꢀ 某铁矿基建竖井-50 m 水平马头门及巷道位于含水泥质灰岩夹褐铁矿层中,因矿层 上部有河床,河水顺导水断层进入矿区,造成施工被迫中断。 为防治该断层导水,经现场勘察,对该 水平的竖井马头门及部分巷道采用帷幕注浆工艺进行了涌水封堵,快速通过含水带,取得了良好的 效果,为同类工程施工提供了借鉴。 关键词ꢀ 竖井ꢀ 马头门ꢀ 帷幕注浆ꢀ 含水带 DOI:10. 3969 / j. issn. 1674ꢁ6082. 2019. 08. 029 1 ꢀ 工程概况 某铁矿主竖井-50 m 水平马头门设计为双向双 2. 3. 2ꢀ 注浆泵压 P泵 =(2 ~ 2. 5) P0 = 3. 3 ~ 4. 13 MPa;选定注浆 开,进、出车方向长度均为 7 m,出车方向长度 4 m。 根据已施工的井筒揭露出的岩石情况,-50 m 马头 门及巷道处在含水泥质灰岩夹褐铁矿层中,因矿层 上部有河床,河水顺导水断层进入矿区,造成施工被 迫中断。 经现场勘察,决定对竖井马头门及巷道工 作面采取预注浆施工治水处理,对井下涌水进行封 堵,以防止淹井事故发生。 压力 PC =4. 5 MPa。 2. 4ꢀ 浆液扩散半径和单孔预计注浆量 本次注浆对象主要是封堵导水裂隙,浆液扩散 半径设定为 4 m,当采用全孔一段式注浆方式时,浆 液注入量可按下列公式计算: [ 1ꢁ3] 单孔预计注浆量 : 2 Q = λπR H1 ηβ / m , (1) 3 2 ꢀ 马头门及巷道预注浆设计 式中,Q 为单孔预计注浆量,m / 孔;λ 为浆液损失系 数,取 1. 2 ~ 1. 5;R 为浆液扩散半径,m;H1 为注浆 段高,m;η 为岩层裂(孔) 隙率,0. 5% ~ 3% ;β 为浆 液在裂隙内的有效充填系数,0. 8 ~ 0. 9;m 为结石 率,与水灰比有关,见表 1。 2 . 1ꢀ 注浆深度 根据马头门设计施工长度及合同施工长度的要 求,同时考虑施工安全要求,本次马头门注浆设计注 浆深度确定为 16 m。 2 . 2ꢀ 注浆孔数目与布置 表 1ꢀ 水灰比与 m 值关系 沿断面轮廓线布置注浆孔 6 个,两侧共布置 12 水灰比 2 ∶1 1. 5 ∶1 0. 67 1 ∶1 0. 75 ∶1 0. 97 0. 5 ∶1 0. 99 个注浆孔。 m 值 0. 56 0. 85 2 2 . 3ꢀ 注浆压力 ꢀ ꢀ Q =1. 5×π×42×16×3% ×0. 9÷0. 85 . 3. 1ꢀ 静水压力 3 38. 32 m / 孔。 = 井筒所穿过的岩层基本上全部为灰岩,矿区由 预计总注浆量: 于受到地下水运动影响,大量的地下水通过 F9 断层 的导水缺口涌入矿区,河水顺导水断层进入矿区,对 矿井涌水形成补给,河床标高约在+118 m 左右,井 筒注浆计算静水压力时,应以此水位为起点,即应以 3 3 Q总 =38. 32 m / 孔×12 孔=459. 84 m 。 当采用分段注浆方式时,浆液注入量可按表 2 选取。 2 . 5ꢀ 预留止浆岩柱 + 118 m 作为静水位,注浆部位标高-50. 35 m。 为防止受压浆液和裂隙水从工作面涌出,并保 3 静水压力:P0 = γ水 H = 1 t/ m ×168. 35 m = 168. 3 5 t/ m ≈1. 65 MPa。 证浆液在最大注浆压力作用下沿裂隙有效扩散,注 [ 4] 3 浆前,应在工作面设置止浆墙 。 止浆墙一般有人 工砌筑的混凝土止浆墙和预留的止浆岩柱两种,由 于预留岩柱最简单,有条件时应优先选用,根据本工 ꢀ ꢀ 臧润成(1977—),男,工程师,134304 吉林省白山市。 8 7 总第 604 期 现代矿业 2019 年 8 月第 8 期 置,止退装置为钢结构,采用锚杆帮壁固定。 程地质条件及施工条件,确定止浆墙采用止浆岩柱。 表 2ꢀ 浆液注入量选取 3. 2ꢀ 注浆施工 裂隙含水岩层浆液注入量 破碎岩层浆液注入量 3. 2. 1ꢀ 注浆孔钻凿 注浆孔 涌水量 (L/ min) 分段长度 注浆孔冲洗 浆液 选用 KD100ꢁ2 坑道钻机钻孔, 开孔直径 ϕ75 mm,终孔直径 ϕ75 mm。 正常情况下,每个孔应按设 计钻至设计位置与深度,安装止浆器、连接好注浆管 路,转入注浆作业。 浆液注入量 液漏失量 注入量 3 3 / / m / (L/ (min / m)) / (m / m) < 100 3 ~ 5 10 ~ 30 30 ~ 50 50 ~ 70 2 ~ 3 3 ~ 4 4 ~ 5 1 00 ~ 200 00 ~ 500 5 ~ 10 2 10 ~ 15 15 ~ 20 20 ~ 30 3. 2. 2ꢀ 压水试验 5 00 ~ 1 000 为了检查注浆泵、管路等是否正常,冲洗管路、 岩石裂隙中的泥浆及充填物,畅通注浆通道,提高浆 液结石体与岩石裂隙面的粘结强度及抗渗能力,并 根据压水试验取得的泵压和吸水量结果,确定注浆 参数,检查注浆效果,每个注浆孔正式注浆前及最后 一个注浆孔注浆完毕,均须进行压水试验,做法是: 注浆前先用 1 台泵压清水,其流量由小逐渐增大,当 钻孔耗水量大、泵的流量虽已全量,而压力仍然很低 时,则可采用 2 台泵压水,尽量使压力控制在比注浆 终压高 0. 5 MPa 左右,压水时间一般 20 min,复注 20 ~ 30 min,在破碎或大裂隙岩层中,取用较短的压 水时间。 根据压水试验记录资料,利用下式计算单 位钻孔吸水量: 1 000 ~ 2 000 ꢀ ꢀ 止浆岩柱厚度计算: B = PSλ / ([τ]L) , 式中,B 为止浆岩柱厚度,m;P 为注浆终压,MPa,取 (2) 2 2 4 . 5 MPa;S 为岩柱断面积,m ,取 18. 62 m ;λ 为过 载系数,一般取 1. 1 ~ 1. 2,取 1. 15;[τ]为岩石允许 抗剪强度,MPa,泥质灰岩取中硬灰岩下限值 2. 37 MPa;L 为巷道周边长度,m,取 17. 07 m。 B = 4. 5 × 18. 62 × 1. 15 / (2. 37 × 17. 07) = 2. 38 m . ꢀ ꢀ 取止浆岩柱厚度≥2. 5 m。 马头门处帷幕掩护筒的长度为 7. 8 m,马头门 q = Q/ H , (3) 掘进长度 4 m,尚余岩柱 3. 8 m,满足要求。 式中,Q 为压水最大压力时的流量,L/ min;H 为注浆 段高,m。 2 . 6ꢀ 注浆材料及配比 本次注浆采用单液(C 液)、双液( CS 液)。 水 注浆后压水试验采用 1 台泵,其结果可作为鉴 定注浆效果的依据之一。 泥采用 P. O32. 5R 级新鲜普通硅酸盐水泥,水玻璃 用模数 2. 7 ~ 3. 5、浓度 28 ~ 45 波美度的中性水玻 璃。 水泥浆水灰比(质量比) 为(0. 6 ∶1. 0) ~ (1. 2 ∶ 注浆完毕,也可以通过打检测孔做压水试验来 鉴定注浆效果。 1 . 0),水泥与水玻璃体积比为 1. 0 ∶(0. 3 ~ 1. 0)。 . 7ꢀ 注浆设备选择与布置 3 . 2. 3ꢀ 注浆方式 2 根据压水试验结果,确定注浆方式:当每米钻孔 选用 KD100ꢁ2 坑道钻机钻孔, 开孔直径 ϕ75 吸水量为 7 L/ (min·m)以下时,可采用单液注浆;当 每米钻孔吸水量大于 7 L/ (min·m)时,可采用双液 注浆;当每米钻孔吸水量大于 7 L/ (min·m),但设 备、材料不易解决时,也可以采用单液注浆;当单液注 入量接近预计注入量的 40% ~ 50% ,其压力不升、进 浆量不减时,可采用低压、间歇注浆的方法达到注浆 终压。 mm,终孔直径 ϕ75 mm;注浆机采用 BWꢁ250 型注浆 泵和 QZBꢁ50 / 6 气动注浆泵;浆液搅拌采用 HJ300 灰浆搅拌机。 搅拌机布置在井口,搅拌好的灰浆通过溜灰管 溜放,水玻璃用供水管溜放或用桶装卷扬机下放。 注浆泵、蓄浆(水)桶、坑道钻机等设备、设施布 置在工作面,坑道钻机用锚杆固定,横撑加固。 本方案确定:在排水能力允许情况下,应尽可能 采用下行全孔一段式注浆方式,即自顶部开始下行 注浆,每钻成一孔,即采用止水器封孔后对全孔段进 行注浆,但是,当钻孔涌水量较大,超过排水能力或 有突水可能时,必须改用分段前进式注浆方式,分段 长度 5 ~ 10 m,具体分段长度根据现场钻孔钻进情 况确定。 3 ꢀ 注浆施工 3 . 1ꢀ 搭设钻机工作平台 下放小吊盘至注浆位置,利用锚杆托固小吊盘, 在小吊盘下面加点柱加固支撑,钻机底座固定在小 吊盘,钻机上端加横向支撑梁加固。 为防止钻进注浆孔遇到高压水及突水时发生安 全事故,确保安全钻进,必须架设钻机、钻杆止退装 注浆浆液采用先单液、后双液,单液为主、双液 8 8 ꢀ ꢀ 臧润成ꢀ 臧云培:某铁矿竖井马头门帷幕注浆工艺ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2019 年 8 月第 8 期 为辅的注浆方式。 表 4ꢀ 注浆结束标准 3 . 2. 4ꢀ 注浆压力调整 裂隙岩层 破碎岩层 在注浆过程中,注浆压力可分为初期、正常及终 1 . 实际浆液注入量大于或接 1 . 实际浆液注入量大于或接近 近设计计算的注入量 压 3 个阶段变化。 一般,当初始浓度确定之后,用人 为的方法控制泵量、调整浆液浓度及凝胶时间等使 压力达到初压、正常和设计终压值,并达到预计的注 入量。 设计计算的注入量 2 2. 注浆压力呈规律性增加,并 . 注浆压力呈规律性增加,并 达到注浆设计终压 3. 达到注浆终压时,水灰比为 达到注浆设计终压 3 . 达到注浆终压时的最小吸浆 0. 8 ∶1 泵量不大于 60 L/ min 量分别为 单液:40 ~ 60 L/ min 4. 维持注浆终压和终量的时 双液:60 ~ 120 L/ min 间为 5 ~ 10 min。 . 维持注浆终压和最小吸浆量 5. 最后一次扫孔,压水后的注 3 . 2. 5ꢀ 浆液的调配 1)根据压水试验单位吸水量,按表 3 确定注 4 ( 的时间为 10 ~ 15 min。 浆孔失量不大于 20 L/ min 也 浆双液起始配比和浓度,按设计调节注浆泵压力,进 可以结束注浆 行注浆。 表 5ꢀ 注浆施工顺序 表 3ꢀ 浆液浓度选取 考虑的因素 注浆顺序 单位钻孔吸水量 (L/ (min·m)) 水玻璃与水泥浆 (体积比) 水灰比 在巷道中先钻注水流上方的 注浆孔,后钻注水流下方的注 浆孔 / 当地下水流速和流向对注浆效 果影响大时 3 5 7 8 9 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 2 ∶1 1. 5 ∶1 0. 3 ∶1 一般先钻注布置在巷道顶板 上的注浆孔,后钻注巷道两侧 孔,最后钻注巷道底板孔 1 1 . 25 ∶1 . 25 ∶1 浆液扩散的一般规律是向上易 扩散,向下不易扩散 0 . 5 ∶1 1 ∶1 1 ∶1 按上述顺序, 先钻注内圈孔, 后钻注外圈孔 多圈布孔时 0 . 8 ∶1 . 8 ∶1 . 6 ∶1 1 1 3 0 0 1 先对冒落漏斗充填注浆,后对 破碎带或岩石裂隙注浆 工作面附近冒落时 > 15 ꢀ ꢀ (2)在初期注浆压力条件下,吸浆量为吸水量 的 80% ,可视为正常,否则调浓或调稀一级。 3)当压力不变,连续注入 30 min 后吸浆量不 变,可调浓一级。 ꢀ ꢀ 本次注浆采用先顶、再帮、最后底板的下行注浆 顺序。 ( 3. 4ꢀ 注浆工艺流程 打钻→下孔口止水器→连接注浆管路→压水试 验(20 ~ 30 min)→正式注浆→单孔注浆结束→关闭 孔口阀门→拆卸冲洗注浆泵和管路 ( 4)当压力缓缓上升,吸浆量逐渐减少为正常, 一直达到终压按结束注浆标准结束。 ( 5)注浆过程中应及时按上述要求调整双液配 比和水泥浆液浓度。 根据本次所配备的 2 台 BWꢁ 50 注浆泵实际情况,双液配比的调整可以通过及 4 ꢀ 结ꢀ 论 采用上述帷幕注浆施工方法,安全、快速地通过 2 了主井-50 m 水平马头门含水带,大大缩短了建井 工期,为矿山早日投产赢得了宝贵的时间。 同时,该 种井筒马头门的注浆施工方法也为同类条件下的工 程施工提供了借鉴。 时换级变档来实现。 在实际操作中,须设专人观测 记录双液的不同消耗量,根据所需配比和浓度,随时 调整注浆泵,保证双液按比例混合注入(例如,注浆 起始阶段,注浆泵通过换级变档实现双液不同配比, 起压后,再通过换级变档为同压同级)。 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 [ [ [ [ 1]ꢀ 沈ꢀ 季,崔云龙,王介峰,等. 建井工程手册[M]. 北京:煤炭工 业出版社,1984. ( 6)单孔注浆结束标准:当注浆符合表 4 标准 时,可结束注浆。 ꢀ (7)全段结束注浆标准:工作面预注浆工作完 2]ꢀ 崔云龙. 简明建井工程手册[ M]. 北京: 煤炭工业出版社, ꢀ 2 003. 3]ꢀ 东兆星,吴士良. 井巷工程[ M]. 徐州:中国矿业大学出版社, 004. 成后,综合各孔放、压水实验资料,注浆材料消耗统 计表,各孔注浆终压、终量统计表,经综合评价验收 后,即可结束该段注浆。 2 4]ꢀ 吕ꢀ 斌,潘ꢀ 杰,霍胜强,等. 帷幕注浆技术在某矿特大型硐室 中的应用[J]. 现代矿业,2017(12):43ꢁ47. 3 . 3ꢀ 注浆顺序 注浆顺序可参照表 5 选定。 (收稿日期 2019ꢁ03ꢁ08ꢀ 责任编辑ꢀ 徐志宏) 8 9
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