复杂地层掘井技术探讨与实践

杨福军 程中平 李志鹏 张海鹏

(河北钢铁集团司家营铁矿大贾庄铁矿有限公司)

·实用技术·

复杂地层掘井技术探讨与实践

杨福军 程中平 李志鹏 张海鹏

(河北钢铁集团司家营铁矿大贾庄铁矿有限公司)

以大贾庄铁矿为例，介绍了大水矿床竖井建设中含水大破碎带复杂地层的安全掘井技术，为其他大水矿山竖井安全掘砌提供了参考。

竖井开拓 复杂地层 注浆治水

大贾庄铁矿位于司家营铁矿南区，属超大规模低品位铁矿床。矿体埋藏较深，上部为含水量极为丰富的第四系，卵砾石层较厚大，地下水受河流影响较大，基岩裂隙含水与上部水层存在沟通联系，井巷掘砌受突水威胁影响较大。该矿进风井净直径6.5 m，地面标高16.65 m，井筒深度499 m。表土及风化基岩段深169.6 m，基岩段含6条破碎带，其中最上部为基岩构造裂隙含水层，厚度33.8 m，最大断层厚度为35.3 m，标高-109.25～-149.95 m，主要由黑云变粒岩挤压破碎而成，岩芯呈碎块状，少量片状，碎裂面见钙质、泥质、绿泥石及少量铁质，部分碎裂面见钙质溶蚀沟痕。在竖井工程勘察中发生大小卡钻事故6次，漏浆、跑浆等事故时有发生，通过抽水试验，发现井筒涌水量为1 472.65 m3/h。为确保竖井掘砌安全进行，采用多种治水手段，获得了良好的治理效果。

1 第四系治水方案

目前第四系竖井施工技术较为成熟。一般采用冻结凿井法，单圈孔布置，圈径13.0 m，孔间距1.2 m，长短孔布置，短孔160 m，主要负责第四系冻结，长孔246 m，负责下部风化层与上部基岩构造裂隙含水层，测温孔2个，视打钻情况布置，水文孔1个，避开提升机方位，布置在水流动性最强的含水层。如图1所示。

通过附近矿山10余条竖井冻结效果看，该方法在流动性较大、含水量极为丰富的卵砾石层冻结效果不甚理想，在冻结初期和完成冻结段掘砌后均有淹井事故案例，为避免类似情况发生，采取以下措施：

(1)与规范相比，执行更高标准的造孔精度，要求在风化层以上偏斜率必须在0.2%以内。

图1 大贾庄进风井冷冻钻孔平面

(2)固管。冷冻管与冷冻孔之间存在环状间隙，极易沟通第四系与基岩裂隙，在冻结解冻后，成为上下水沟通通道。为此在下放冻结管前采取固管技术，用水泥浆替换基岩与风化层段环状间隙内的黏土浆，截断上下水联系。

(3)冻结参数。考虑地下水流动影响，适当降低孔间距，加大冻结能力，满足冷能量要求。

(4)调整冻结方式。统计每日温度，绘制各水平温度变化曲线，适时调整盐水流向，采取正循环和逆循环相结合方式，加强对卵砾石层的冻结。

(5)井筒掘砌。支护采用双层井壁设计，中间设放水泡沫板，严格按照逆鱼鳞方式钉装，适当加大刃角角度，并加强浇筑混凝土振捣，减少接茬间隙。

(6)井壁注浆。在冻结段完成2个月后，解冻井壁会出现局部出水点，必须对其进行井壁注浆。壁基(座)段采取壁后、壁间注浆相结合的方式，对上部双层井壁段采取壁间注浆方式封堵。壁后注浆要求注浆孔穿过井壁深入基岩1 m以上，注浆压力高于静水压力0.5～1.5 MPa，终压为4.5～5 MPa，布孔间距为1.5 m，上下交错分布；壁间注浆要求注浆孔要穿透内层井壁，注浆压力为1.5～2 MPa，孔间距为1 m，主要布置在井壁接茬及出水点位置。

冻结段井筒完全解冻后，井壁涌水量约38 m3/h，完成井筒壁间、壁后注浆后，冻结段井壁干燥，无淋水，治水效果明显。

2 掘井前预治水方案

目前煤矿治水已广泛使用地表预注浆技术，但金属矿床高角度裂隙发育、褶皱多，且无地表预注浆施工经验，为此，对预注浆方案进行了适当调整，以适应金属矿山地质条件。

2.1 注浆参数

采取双圈孔6+6梅花式布孔方式。注浆孔超出井深10 m，与冷冻段交叉保护段13 m，确保形成上下岩帽。采取下行压入注浆方式，在下行结束后进行一次整体复注，提高注浆压力(断层带注浆结束压力2.5～3倍静水压力、其他段为3～3.5倍静水压力)，以加大浆液扩散范围。 见图2。

图2 进风井地表预注浆孔位布置

2.2 注浆材料

针对冶金矿床断层带多夹层泥的现状，选用单液浆、黏土水泥浆和超细水泥浆作为注浆材料。根据注浆前压水试验数据分析岩石裂隙吸水率，确定注浆材料。当吸水率大于7 L/(min·m)时，采用大浓度黏土水泥浆，在升压后逐步加大水泥密度，结束前全部更换为单液浆；当吸水率为2～7 L/(min·m)时，直接采用单液浆；当吃水不吃浆现象发生后，吸水率小于2 L/(min·m)，则采用低浓度超细水泥浆，并适当加大压力。主要注浆配比见表1，表2。

2.3 注浆措施

①针对某些大断层破碎带不升压的现象，首先调节浆液材料及配比浓度，每隔30 min提高一个等级，对吃浆量大不升压情况可采取间歇式复注模式，停歇6 h待水泥初凝后再进行扫孔、复注；②为加快注浆进度，针对下行式注浆特点，并结合金属矿山高角度微张裂隙、串浆可能性较小的特点，采取双孔平行作业，两注浆孔同时注浆或者边注浆边钻进，减少注浆工序，缩短了时间，但是其适应条件较为苛刻，必须是在两孔压水试验时没有沟通方可；③为防止上下水对竖井施工的影响，设计上下岩帽，上部岩帽设计厚度为30 m，与冷冻段交叉20 m，下部岩帽厚度10 m，确保注浆后整个井筒施工在一个封闭的环境内。

表1 单液浆配比

表2 黏土水泥浆配比

2.4 验收与封孔

为检验注浆效果，在终孔后对最后一个注浆孔进行压水试验，以获取岩层在注浆后的吸水情况，从而推算出整个井筒在基岩段的涌水量。注浆后涌水量选用承压转无压稳定流大井法计算：

(1)

(2)

完成压水试验后，对所有注浆孔采取上行分段复注的方式进行压力封孔，封孔浆液为水灰比1∶1的单液水泥浆。

3 掘井后工作面治水

地表预注浆时发现夹层泥含量较大，断层破碎带吃浆量小，且极易升压，为此，分析了地质条件的特殊性，进行了一系列技术攻关，制定了针对性的注浆治水方案。

(1)调整注浆压力。为确保浆液扩散完全，微细裂隙得到充分充填，注浆终压取静水压力的4倍以上；更换大功率低流量注浆泵，在保证流量不增加的前提下提高注浆压力；将注浆泵安置在地表进行注浆，以便利用落差提高注浆压力。

(2)修改注浆参数。对止浆垫校核加厚，并对井壁进行壁后注浆加固，预防井壁漏浆；在原工作面注浆孔圈径基础上增加注浆孔14个，倾角为 84.2°，孔底超出开挖边界3.0 m，在不同水平面上形成双圈孔布置，分三序进行注浆；根据钻探情况，无特殊情况下孔深超出设计注浆深度3 m，适当扩大注浆造孔孔径，开口位置采用130 mm口径，钻进一定深度更换90 mm口径；缩小注浆分段高度，单次注浆深度为5 m；调整浆液浓度，由稀变浓，从水灰比1∶0.5开始。

(3)变换注浆材料。由普通硅酸盐水泥变为超细水泥，并在浆液中增加少量膨润土，增加浆液悬浮性，延缓凝固时间。

(4)注浆方式。注浆前对注浆孔反复放水、注水，洗孔后注浆；在浆液凝固时间完成后进行扫孔，重新压水，直至吸水率为零，无法注浆为止。

(5)掘砌方案：①破碎塌方段采取边短掘、短砌(1 m模板)、边探水注浆方式施工，每次施工前先在周边轮廓位置布置11～15个探水孔，采用长 5.0 m，φ22 mm钻杆进行探水，间距1.5～2.0 m，倾角87°，对出水孔注浆，钻孔时尽量避开工作面预注浆孔;②掘进爆破时，炮孔深1.7 m，爆破段长1.5 m，全断面一次爆破，周边眼间距不大于0.4 m，周边眼与辅助眼距离为0.35 m，确保光面爆破效果，允许裸露段高0.5 m;③掘进后发现漏水点用引水管引出模板外，在完成浇筑支护一段时间后再进行封堵。

4 结 语

大贾庄铁矿进风井掘砌完成后，整个井筒涌水量为4.1 m3/h，冻结段经过壁后、壁间注浆后井壁干燥，无淋水，表明冻结段治水方案较为合理，固管措施得当，完全阻断了第四系水进入基岩段井筒；基岩段6大破碎带，仅一条在地表预注浆后还有出水现象，表明地表预注浆可以应用于冶金大水矿山的竖井治水，但对于夹层泥含量较大的断层破碎带，地表预注浆效果不佳时，必须改变注浆参数、注浆材料，采用短掘短砌配合钻孔探水注浆，可作为含夹层泥断层破碎带的补充治水手段。

2015-04-08)

杨福军(1963—)，男，高级工程师，063701 河北省唐山市滦县。