礦山帷幕工程中提高砂層注漿效果方法探討

朱承敏，高 超，容玲聰

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

0 引 言

安徽省新橋礦業(yè)有限公司(以下簡稱“新橋礦”)是一座以硫為主，伴生銅、金、銀、鐵、鉛、鋅等多種金屬元素的大型露天、地下聯(lián)合開采的礦山。礦坑涌水量很大，為典型的大水礦山，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。礦區(qū)東翼原采用露天開采，目前即將達到露采最終標高。東翼露天開采期間，礦山在露天采場東北側(cè)實施了第四系帷幕和地表帷幕注漿(注漿孔底標高-180 m)，保證了露天采場的安全開采。但當(dāng)轉(zhuǎn)入地下后，因礦體傾向北西，向北西、北面、北東延伸大大超過原帷幕平面位置，開采深度也超過原帷幕注漿底界-180 m標高(井采一期擬采-230～-380 m標高的9線以西)，原帷幕作用將大大減弱。為防止露天轉(zhuǎn)地下開采過程中出現(xiàn)水害事故，新橋礦于2015年開始開展露天坑邊坡外側(cè)地表垂直封底帷幕工程施工。

1 項目介紹

新橋礦露天坑邊坡外側(cè)地表垂直封底帷幕，設(shè)計由兩排孔注漿形成，分別為外線(L2x)和內(nèi)線(L1x)，兩線相距10 m，L1x靠近露天坑內(nèi)側(cè)，兩線平均孔距3～8 m。

帷幕線外排孔的位置為A-A1-B-C-D線,長約652.16 m，68個注漿孔平均孔距為9.88 m。設(shè)計7個檢查孔帷幕線內(nèi)排孔位置為C-D線，長約248.59 m，注漿孔共26個，鉆進總進尺5319.38 m，平均孔間距為9.94 m。

內(nèi)外排注漿孔施工時分三序進行，先施工第一序孔，再施工第二序孔，最后施工三序孔。第一序孔兼幕址工程水文地質(zhì)補堪孔，鉆探過程中取芯、記錄、水文地質(zhì)試驗按勘探孔的要求進行。第二、三序孔根據(jù)第一序孔的情況并參考物探成果進行針對性布置，一方面檢驗物探的可靠性，另一方面提高主要巖溶通道的命中機率。先施工外排孔，再施工內(nèi)排孔。其中位于溶洞塌陷區(qū)域的鉆孔為L2x-41～67，L1x41～66。砂層施工情況見表1。

表1 砂層施工情況

從表1可知，盡管主要砂層區(qū)域內(nèi)外排間距縮小到3 m，但內(nèi)外砂層單位注漿量仍很大。說明漿液擴散半徑小，注漿效果差。

為提高塌陷區(qū)域深部注漿效果，并減少第四系注漿時地表冒漿，同時減少鉆孔施工事故發(fā)生的概率，采取了以下措施：

(1) 注漿起始標高控制在-10 m，-10 m以下注漿段采用花管注漿，減小長分段注漿。

(2) 注漿前后不做壓水試驗，采用高濃度、高流動性(低稠度)高結(jié)石體強度的水泥粘土漿配比1∶2∶3， 1∶1∶1.6進行注漿。以注漿結(jié)束標準來控制段注漿效果。

(3) 采用巖層注漿壓力值的80%作為控制段結(jié)束標準，防止地面跑漿、冒漿。

(4) 調(diào)整內(nèi)排孔與外排孔的間距，主要塌陷區(qū)域控制在3 m左右。

設(shè)計增加內(nèi)排孔檢查加密孔，作為注漿效果薄弱區(qū)域的補強措施。

2 施工中遇到的問題

施工過程中發(fā)現(xiàn)帷幕外線從45號孔往東以及內(nèi)線43號孔往東的注漿孔上部大片溶洞發(fā)育，頂板塌陷直接與第四系相連，底板深度不一，最深的L2x-61達209.33 m，且溶洞充填第四系塌陷土層、角礫巖、卵石、接觸帶強風(fēng)化巖層形成的碎石碎塊以及粗砂；與河流、水庫等聯(lián)通的溶洞、裂隙、斷層經(jīng)礦區(qū)開采時長期的疏導(dǎo)，主要充填河沙與粉細沙。施工難度主要為：

(1) 地層條件復(fù)雜，注漿鉆孔施工難度大，極易出現(xiàn)垮孔埋鉆燒鉆事故。

(2) 漿液的擴散半徑小，且無法采用高壓注漿。壓力提高，容易造成地面邊坡冒漿、套管擠壓變形。注漿效果差。

3 方法探索

3.1 高壓旋噴注漿方法

提高砂層注漿效果，首先考慮的是成本的增加。采用高壓旋噴注漿對第四系及砂層注漿效果較好。

高壓噴射注漿法適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、流塑、軟塑或可塑黏性土、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基。該方法被廣泛運用于既有建筑和新建建筑的地基加固處理、深基坑止水帷幕、邊坡?lián)跬粱驌跛⒒拥撞考庸獭⒎乐构苡颗c隆起、地下大口徑管道圍封與加固、地鐵工程的土層加固或防水、水庫大壩、海堤、江河堤防、壩體壩基防滲加固、構(gòu)筑地下水庫截滲壩等工程。其特點主要有：

(1) 設(shè)備需求專業(yè)化，成套化配置。

(2) 施工現(xiàn)場要求高。

(3) 專業(yè)技術(shù)要求高，需配置專業(yè)技術(shù)人員。

由于高壓旋噴法注漿主要采用樁基工程，單根樁基一般采用間距1～2 m的多個鉆孔同時注漿加固形成。這是因為高壓旋噴漿液有效擴散半徑為1～2 m。而國內(nèi)大型帷幕工程設(shè)計孔距一般為10 m，砂層區(qū)域2～5 m。因此，在帷幕工程中運用高壓旋噴方法處理砂層時，工作量將大大提高，同時該方法單價成本遠高于普通注漿方法，所以，對帷幕堵水率要求不是非常高的情況下，一般采用普通注漿方法。

3.2 普通注漿方法

普通注漿方法要盡可能的提高砂層的注漿效果，只能根據(jù)地層情況設(shè)計合理的孔間距。

在本帷幕工程中，由于業(yè)主提供的地質(zhì)資料跟實際地層情況不符，設(shè)計10 m孔間距無法滿足要求，在施工檢查孔時5 m的間距仍無法形成帷幕墻。針對此情況，對砂層區(qū)域設(shè)計內(nèi)排鉆孔，孔距10 m，排距3 m，呈梅花型錯開布置。

具體施工方案及步驟：

(1) 鉆孔施工：大口徑開孔(方便下多層套管)，一般不低于130 mm。施工至注漿起始標高后，下第一層套管，并用水泥漿固結(jié)，防止?jié){液從地表及孔口冒出。

(2) 全孔從上之下分段注漿，段長根據(jù)地層及施工難度控制，每段一般不超過10 m。該段注漿達到結(jié)束標準后繼續(xù)施工下一段，直至成孔。

(3) 根據(jù)地層情況及工程要求，合理下第二、三層套管，不采用水泥漿固結(jié)，以便成孔后取出套管，減少材料成本。

(4) 鉆孔各段注漿達到設(shè)計要求后，取套管，封孔。

施工中易遇到的問題及處理：

(1) 地表及孔口冒漿。由于第一層套管水泥漿固結(jié)效果不好，造成孔口周邊冒漿的，在套管止水固結(jié)過程中，需確保水泥漿從孔口周邊返出，因裂隙漏水無法返漿的需先對裂隙自流注漿后再固結(jié)套管，并保證充足的水泥漿凝固時間(12 h以上或添加速凝劑)。因裂隙導(dǎo)致地表冒漿的，采用提高漿液濃度、添加速凝劑、降低注漿壓力以及間歇注漿方法。

(2) 因砂層垮孔縮徑等無法按原孔位施工。本帷幕工程采用從上至下注漿，確保上部地層得到反復(fù)注漿，但也造成掃孔工作量增大，以及成孔難度加大。在該段注漿達到設(shè)計要求后，掃孔至該段位，并下入套管穿過易垮孔縮徑地層，再繼續(xù)施工下一段。

(3) 因地層及注漿壓力因素造成套管變形斷裂等。在下套管前，確保該段注漿達到設(shè)計壓力以及套管質(zhì)量符合要求。注漿壓力的提高有利于注漿效果的提升，但是壓力過高會造成套管變形斷裂等事故。因此，在注漿過程中，施工技術(shù)人員需嚴密觀察壓力變化情況，確保不出現(xiàn)超壓注漿。同時，設(shè)計人

員需根據(jù)地層情況及時調(diào)整注漿壓力，在保證注漿質(zhì)量的前提下，減少鉆孔事故的發(fā)生。

(4) 成孔后，取套管難度較大。盡管作為護孔的套管沒有用水泥漿固結(jié)，但由于砂層中粉細沙吸附力及漿液膠結(jié)強度較大，大多數(shù)套管無法正常取出，而導(dǎo)致施工成本增大。對此，除了改善取套管的方法外，對砂層注漿施工合理的造價預(yù)算尤為重要。

4 結(jié) 論

為了提高新橋礦砂層注漿效果，探討了2種注漿方法，其中高壓旋噴是一種高效高成本高技術(shù)的施工方法，對集中砂層區(qū)域，以及小范圍內(nèi)地層加固有較好的效果。而在大型礦山帷幕工程第四系砂層處理注漿過程中，普通注漿方法能有效的節(jié)約施工成本，施工方法及操作簡單，可以在礦山帷幕中得到較好的推廣運用。該2種注漿方法均能有效地提高注漿效果。

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