注浆法在AT天井钻机施工中处理空洞的应用

赵景博,杜 飞

(1.山东黄金矿业股份有限公司, 山东莱州市 261400;2.山东黄金矿业股份有限公司三山岛金矿, 山东莱州市 261442)

注浆法在AT天井钻机施工中处理空洞的应用

赵景博1,杜 飞2

(1.山东黄金矿业股份有限公司, 山东莱州市 261400;2.山东黄金矿业股份有限公司三山岛金矿, 山东莱州市 261442)

介绍了注浆法在新立矿区倒段风井工程施工中处理空洞的应用,详细阐述了小断面注浆凝固法的工艺流程及应用效果。采用水泵单向阀、钻头装堵头、联合注浆的方法,处理了 5.3 m3左右的空洞,为后续工程施工处理空洞积累了宝贵的经验。

注浆法;天井钻机;空洞处理

三山岛金矿新立矿区是我国第一个进行海底采矿的硬岩矿山。矿区中岩石质地很不均匀,闪长岩和花岗岩交错分布,为了有效的降低井下施工作业中的强度,尝试采用与湖南有色重型机器有限责任公司联合开发的天井钻机进行掘进试验。试验过程中,由于该矿区施工风井工程中交错分布的岩石层之间穿插着破碎带,容易导致偏钻,影响偏斜率,并且容易导致反碴不正常。因此,在施工过程中,采用小断面注浆凝固的方法来处理岩层之间的破碎带,将空洞充填完整,使掘进试验正常的进行下去。在这类天井钻机的施工中,采用注浆法处理空洞的方法是解决岩石破碎问题的 1种创新,并且取得了良好的效果,对以后在该类岩石施工中处理空洞有良好的指导意义。

1 工程施工概况

新立矿区的工程地质条件为花岗岩,其主要的组成为正长石、石英。该段风井工程的岩石硬度相当大,风井断面也较小,故采用 AT天井钻机进行施工,主要使用下行上扩法。该风井工程的全长为155 m,其中导硐的直径为 250 mm,风井倾角为 90°,断面为 0.049 m2,于 2010年 8月 25日开始动钻。该段岩石的完整性较好,但局部发育不好,-185～-202 m为岩石破碎带,尤其是在 -194 m和 -195 m处存在较大的空洞,AT1500天井钻机在此反碴作业中形成涡流。根据该段岩石破碎、断面小等特点,采用小断面注浆凝固的方法进行处理。

2 注浆法在风井工程施工中的应用

2.1 施工工艺流程

在天井钻机钻进导硐过程中,如遇特殊情况经判断存在破碎带时,应停止钻进,用清水泵抽出小导硐内的水,使导硐内存在的砂子状碴自然沉降。然后将注浆管插入地层,将配置好的浆液注至预定的深度,再在自然状态下养护数天,待一切正常后继续开钻。导硐施工结束后,进行扩刷施工。注浆法在天井钻机施工中处理空洞的工艺流程见图1。

图1 注浆法在天井钻机施工中处理空洞工艺流程

2.2 具体施工

天井钻机顺利施工 -320～-400 m中段 85.1 m倒段风井之后,决定尝试 155 m长距离风井掘进试验。其中,天井钻机的工作硐室在设计过程中充分考虑其实用性,其设计规格为长 10 m,宽 6 m,高3.8 m,底板平整,并铺设轨距 600 mm的轨道,轨道至孔位中点处预留地脚螺栓孔位,硐室顶板要求平整,无松动岩石,便于上顶油缸支撑。该处硐室处于措施井和西风井回风大巷的交叉口,大巷汇水流向措施井方向,可以满足施工 40 m3/h的用水,避免了再次施工反水坑。

2.2.1 导硐施工

开孔质量的好坏不仅直接影响到钻机钻进的偏斜率[1],而且一旦孔口毁坏还会影响到排碴是否顺利,从而对工程的进度有所影响,同时,对钻具的寿命也有影响。工程施工首先用短钻杆开孔,先开水,用小钻压低转速开孔,压力为 15～20 kg/cm2。在断续推进的同时,上下提动钻头扫孔,及时清理孔内的岩渣。打完短钻杆后,先停机后停水。按程序装上1根钻杆,用扶钎器油缸扶住钻杆,并继续用小钻压,低转速钻进,钻孔深超过 3 m后,可按正常参数钻进[2],并且开始逐渐增加轴压,提高转速。

2.2.2 注浆施工

在导硐施工过程中共进行了 3次注浆,前两次的注浆效果不理想,在第三次注浆中调整了注浆方法,取得了较理想的效果。具体的施工过程如下。

(1)第一次注浆。在导硐施工至 -202 m位置时,第一次出现反碴异常现象,只有清水没有碴。在调整压力,并查明机械压力正常和钻头无封堵的情况下,更换水管材质,但是依然不能反碴。经过初步判断存在破碎带,停钻之后用清水泵 D46-50×3抽出小导硐内的水,导硐内存在的砂子状碴自然沉降。配置 C25混凝土 (石子为米石状),注浆至-185 m,自然状态下养护 7 d。

(2)第二次注浆。继续开钻至 -200 m时,又一次出现无反碴的情况,故停止作业。仍采用相同的注浆方法,注浆至 -185 m水平,养护 7 d。

(3)第三次注浆。继续开钻至 -203 m时,再一次出现无反碴的情况,停止作业。用标记好尺寸的线绳绑住手电筒,放至井下随时甩动,发现 -194 m和 -195 m水平时手电筒灯光消失在导硐内,故判断在该处存在较大空洞。在注浆前,先在清水泵上安装 1个 KA-50单向阀,在钻头位置安装 1根长螺杆弹簧,螺杆一头是用聚氨酯棒做的堵头,堵头利用钻杆内一段带锥度的内径,停水时在弹簧力的作用下堵头堵住水使水和渣无法倒入钻杆,进水时利用水压顶开堵头,水进入钻头进入孔内。这次注浆过程与前两次有所不同,在注浆至 -192 m水平时,下放钻杆,用正压力排挤混凝土向空洞内流动,每注浆 1 m下放一次钻杆,依次进行到 -188 m水平。自然凝固 14 d,开钻之后减小机械回转压力,尤其是在 -194 m和 -195 m水平。待穿过水泥层之后进入基岩,回转压力调整为正常值。

2.2.3 扩刷施工

在 250 mm导硐钻通之后,将用于扩孔的刀盘运至天井的下部,将刀盘和钻杆用吊具连接起来。首先要确保待扩天井的下部工作面平整,以使刀盘滚刀有一个良好的受力状态,以减小扩孔刀盘的冲击。然后,在扩孔开始时,若接触面不平整,则应缓慢的断续向前推进,以产生合理的控制拉力和转速,待刀盘的所有滚刀接触岩石后,方可按正常压力进行扩孔[3]。

2.3 技术性能指标

在 -320 m中段观测 250 mm钻头偏离巷道中心线 0.775 m,即偏斜率为 0.5%,远远低于天井钻进公司设计的初步目标 1.5%。对 3次注浆量进行核实,其总量为 16.7 m3,而 3次正常导硐的体积为0.89 m3,则可以证明被高压水涮空的空洞体积为5.3 m3左右。

3 注浆法应用效果分析

使用AT1500天井钻机进行开采具有明显的优势,并有良好的节能减排效果,其他作业方法不可比拟。在以往施工过程中,尤其在 250 mm的小断面内注浆,难度大。采用水泵单向阀、钻头装堵头、联合注浆的方法,攻克了施工难题,避免了此项工程的失败。同时,钻机硐室处于措施井和西风井回风大巷的交叉口,大巷汇水流向措施井方向,可以满足施工 40 m3/h的用水,避免了再次施工 10 m3的反水坑,同时利用井下流水充当反水,节约了成本。

使用AT1500天井钻机施工,尤其在独头掘进的过程中,对井下工作环境影响很小,由于不使用炸药和炮烟,做到无炮烟无粉尘,从而对井下员工的职业病有着有效的预防作用,社会效益显著[4]。此外,天井钻机在定位好之后,测量人员对 -165 m风井上口和 -320 m风井下口进行测量,坐标进行校核,准确无误后不需要再次测量,机械会根据斜撑缸调整角度,另外在钻杆中加稳定杆。这次试验偏斜率为 0.5%,效果良好[5]。

4 结 论

AT1500天井钻机在三山岛金矿新立矿区 -165～-320 m中段 123线倒段风井工程施工中,由于该段岩石质地不均匀,岩层交错分布,穿插着破碎带,导致天井钻机反碴不正常,并影响偏斜率。停机后采用小断面注浆凝固的方法进行处理,通过连续 3次的注浆试验,取得了良好的效果。此次应用注浆法在AT1500天井钻机施工中处理空洞是一次解决岩石破碎的创新,取得了一定的社会效益与经济效益,为后续工程施工处理空洞积累了宝贵的经验。

[1] 阮文军.注浆扩散与浆液若干基本性能研究[J].岩土工程学报,2005,27(1):69-73.

[2]尹复辰,任 巍.深天井钻进设备及工艺[J].矿业研究与开发,2006.26(S1):98-102.

[3] 王红喜,张高展,丁庆军,等.碱激发工业废渣双液注浆材料性能研究[J].建筑材料学报,2006,10(3):374-378.

[4] 田京城,代学灵,李国富.软岩巷道化学锚注技术研究[J].中国煤炭,2004,(8):25-26.

[5] 裴启涛,陈建宏.双楔形掏槽方法和光面爆破技术的综合设计[J].矿业研究与开发,2009,(1).

2011-04-19)

赵景博 (1985-),男,山东济南人,研究生,助理工程师,从事矿山生产管理工作,Email:jingbo416@163.com。