司家營南區1#回風井井筒防治水方案

李志鵬

(河北鋼鐵集團礦業公司)

司家營南區大部分區域被第四系地層覆蓋，屬于灤河超漫灘Ⅰ級階地，地形開闊，地勢較平坦。區內第四系地層為全新統和中更新統地層，地表巖性為粉砂、砂土、粉質黏土。礦區除局部地下水埋深大于3.0 m外，大部分區域地下水埋深均大于6.0 m，含水層巖性為粉細砂、礫卵石，上部粉細砂存在地震液化現象。第四系下部巖層經勘察發現較多破碎帶及裂隙，掘進較困難。考慮到上部第四系含水層豐富，埋藏較深，下部巖石結構破碎，為確保掘井順利進行，采用第四系凍結基巖段地表預注漿施工工藝。

1 地表預注漿方案

司家營南區1#回風井156.3～228.0 m水平屬于風化裂隙含水層，228.0～261.8 m屬于構造裂隙含水層，本研究注漿方案確定為上部關鍵部位注漿加固，下部巖性較好層位注漿堵水。注漿段選取為220～375 m，其中220～260 m為關鍵加固層位，因為裂隙發育，巖性較破碎，故采用單液水泥漿、小段高、大泵量、高壓力的注漿方案；下部260～375 m巖性較好，采用黏土水泥漿堵水加固方案，同時對該注漿段范圍內的破碎帶進行小段高、高壓力注漿加固處理。

1.1 注漿材料

固管及關鍵部位加固注漿段采用單液水泥漿。因黏土水泥漿成本低，適宜高效注漿，故擬在下部基巖注漿段主要采用黏土水泥漿。但根據施工需要，下部地層中的局部破碎帶、不穩定地層或加固段采用黏土水泥漿堵水單液水泥漿加固措施。其中，黏土水泥漿是由黏土、水泥、水玻璃組成的懸浮液，主要成分為黏土。

1.2 注漿段高及注漿壓力

注漿段高一般依據注漿工藝、含水層特征、巖性以及注漿設備、注漿材料品種等因素劃分[1]。根據文獻[2]，并參考礦區當地其他井巷地表預注漿經驗，本研究設計的注漿壓力為2.0～3.0倍靜水壓。對于黏土水泥漿，Q≤250 L/min為合格標準，穩定時間大于20 min；對于單液水泥漿，Q≤1 000 L/min為合格標準，穩定時間大于20 min。

1.3 注漿施工順序及注漿方式

本研究采用分組施工順序，根據現場施工條件和總體工程量，施工分為3個序次。注漿方式采取分段下行及上行相互配合的方式，根據施工的實際情況進行合理安排。具體注漿施工流程為：采集黏土→制漿→攪拌加入水泥、水玻璃等→注漿泵→注漿管路→孔口裝置→鉆桿→止漿塞→地層→掃孔→下一段或復注。造孔工藝流程為：安裝設備開孔→測定鉆孔頂角及方位→定向設計→下入定向鉆具→定向操作→定向鉆進→測定鉆孔頂角及方位→定向設計(或終孔)。

1.4 漿液使用及配比

固管采用單液水泥漿；220～260 m水平為加固段，采用單液水泥漿，但遇強含水層或漏失嚴重時，可適當采用粘土水泥漿，260～375 m水平原則上采用黏土水泥漿。個別破碎嚴重坍塌的地層中，可注入單液水泥漿加固孔壁。單液水泥漿是將水泥加水配制而成的懸浮液，加入適量的早強劑可提高早期強度、縮短養護時間、提高注漿效率，水灰比為0.5∶1～1.25∶1。黏土水泥漿是由黏土、水泥、水玻璃組成的漿液，主要成分為黏土[3]。黏土水泥漿中水泥加入量為(100～300)kg/m3，水玻璃加入量為10～40 L/m3，其余增加的材料類型和添加量視地層實際情況而定。

1.5 地表預注漿孔布設范圍

漿液擴散半徑一般為6～8 m，但經過實踐發現漿液擴散半徑約為10 m，部分區域可擴散至更遠，因此，將注漿孔底孔坐落荒徑由1.5 m調整為1.8 m，1#回風井井筒凈直徑為6.50 m，第四系支護厚度1 300 mm，保溫泡沫厚度75 mm，基巖段支護厚度450 mm，即注漿孔終孔圈徑為3.8～12.85 m。因此，注漿孔布設圈徑只要在此范圍，并保證孔底散落于荒徑內外即可。

1.6 凍結孔設計

當沖積層厚度為200～300 m時，立井開孔間距一般取值為1.3 m，主要考慮偏斜率控制和凍結交圈時間的平衡性，同時取決于現場鉆孔施工偏斜率的控制水平和開孔數量

1#回風井第四系厚度156.3 m，全風化層厚度39.9 m，強風化層厚度31.8 m，經勘察孔可看出228～261.8 m水平存在破碎帶，同時按相關規范，凍結孔應深入不透水基巖10 m以上，因此本研究凍結深度取值為276 m。

井筒凍結壁厚度計算公式為

(1)

式中，P為地壓值，2.96 MPa；h為安全掘進段高，3 m；k為安全系數，2.2；σ為凍土極限抗壓強度，MPa。經計算，E=3.0 m。

凍結孔布置圈徑計算公式為

(2)

可見，若凍結孔按正常規范測斜偏斜率精度設計，則會超出注漿孔的終孔落孔范圍，礦對偏斜率取值進行了修正：位于沖積層的鉆孔偏斜率不宜大于2‰，位于風化帶及含水基巖的鉆孔偏斜率不宜大于3‰，綜合平均2.43‰。經式(3)計算，D0=12.84 m。考慮到注漿孔孔徑較大，兼做凍結孔時具有一定錯動，因此，本研究凍結孔布置圈徑取12.9 m。

凍結孔布孔直徑確定后，可按下式綜合確定凍結孔數

(3)

式中，Ls為凍結孔開孔間距，當凍結深度小于300 m時，取1.3 m。經計算，N=31.158，本研究凍結孔孔數取值為32個，反推出凍結孔開孔的合理間距為1.266 m。

1.7 注漿孔設計

(1)注漿孔間距及注漿孔位置。注漿孔開孔圈徑與凍結孔布孔圈徑相同，為12.9 m，注漿孔數為6個，注漿孔間距L=6.75 m<10 m。可見，注漿孔間距小于漿液擴散半徑，因此注漿設計地面預注漿孔數為6個。為檢驗和增強注漿效果，增加高角度裂隙和微裂隙的揭露率，增加了6個檢查孔，與注漿孔交錯布置，起到檢查和彌補注漿效果作用，同時增加帷幕厚度，各孔位置應與凍結孔重合。井筒斷面上0°、56.25°、123.75°、180°、236.25°、303.75°位置布置注漿孔，33.75°、90°、146.25°、213.75°、270°、326.25°位置布置檢查孔。

(2)注漿孔偏斜率檢驗。1#回風井井筒深度359.33 m，第四系厚度為156.3 m，156.3～228.0 m標高屬于風化裂隙含水層，因此注漿孔巖帽高于風化層5～10 m，設計取起始深度220 m，深度超出井筒深度10 m以上，本研究取375 m。因此，注漿孔最大偏斜距離為1.166 7 m<2.5 m。可見，當2個注漿孔相對偏斜時，也能滿足注漿要求，不會出現交叉孔現象。

2 造孔偏斜率控制措施

(1)鉆機平臺設計采用C30混凝土結構基礎，鉆場水平誤差不超過±5.0 mm。開孔前，需對鉆機認真找正，使得轉盤中心、鉆孔中心與鉆塔提升中心重合，鉆機底盤和基礎間隙應墊實，確保開孔垂直度；開孔誤差不宜超過±10 mm；正常鉆進時應定時進行檢測并調整[4-5]。

(2)相關規范中規定測斜頻率為第四系50 m一測[4]，基巖段30 m一測，為避免偏斜率過大，本研究修正為第四系30 m一測，基巖段20 m一測，同時督促施工單位采購最新型管內陀螺儀，實現適時數據更新。

(3)增加鉆挺長度和數量，鉆挺作為加重設備，具有不易變形的特點，在數條鉆挺連接的情況下，可以確保10～15 m長的鉆孔不偏斜，從而減少鉆偏概率。

(4)注漿孔固管前采取擴孔鉆(直徑220 mm以上)進行擴孔，對易擴孔的第四系和風化巖段進行擴孔，擴孔后，在大孔內設計點下放注漿管，經現場試驗發現可將注漿管的偏斜率控制在0.5‰以下。在凍結孔鉆孔時，可在下管前進行擴孔，在擴孔后進行凍結管下放焊接，完成下放后，管內注水達到超過平衡狀態即可停止，利用鉆機進行起吊調整位置，并進行測斜檢測，直到達到設計位置后方可下放并再次注水，并在地表孔口進行固定，經現場調查發現可使凍結管的偏斜率不超過0.4%。

(5)增購糾偏設備(如5LZ146×7.0螺桿動力鉆具、長短扶正器、斜向儀微機等)，對偏斜過大鉆孔進行糾偏。

3 結 語

結合地表預注漿工藝，對司家營南區1#回風井井筒防治水方案進行了設計。該方案采用了11個地面預注漿孔(7個凍結深孔、4個凍結淺孔)兼作凍結孔，減少了凍結孔鉆孔進尺2 727 m。在凍結段掘砌完成解凍后，該部分凍結管可以直接拔出回收利用，按合同凍結造孔單價310元/m、鋼管140元/m計算，可節省經濟成本122.7萬元。