淺談礦山滲井注漿型鑿井施工方法

何 剛

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

礦山工程建設中，施工立井時經常會遇到井筒涌水量很大的情況。由于井筒涌水量很大，許多礦井不得不采用特殊鑿井法。立井特殊鑿井法是指在松軟不穩定的含水層或在穩定的、但涌水量很大的裂隙巖層或破碎帶中，預先采取特殊的技術措施改善立井施工的地質條件，再進行井筒施工的方法稱為特殊鑿井法。例如凍結法[1-5]、注漿法、帷幕法、沉井法等都是特殊鑿井的施工方法，特殊鑿井法特點就是投資很大，不過風險很小。

注漿分為地面預注漿、工作面預注漿。由于很多地區含水層為孔隙水，施工時直接進行注漿，無法保證注漿效果，而且容易出現漏漿、跑漿的情況。技術不可控，投資也大，有失敗的案例，在西部地區很少應用[6-10]。

目前西部地區對于井筒涌水量很大的立井普遍采用施工方法為凍結法。凍結法施工技術可控，不過投資巨大[11-13]。另外立井井壁支護厚度大，有一些礦井的井壁厚度已經達到2 m多。由于采用高標號混凝土，水化熱問題沒有得到很好的解決，具有內層井壁厚度大、立井井壁需要綁扎鋼筋量大、工人勞動強度大、井壁施工工期長等缺點，井壁施工質量不易保證。井壁重量增加后，容易造成井壁脫落、井壁發生斷裂等情況的發生[14-17]。

1 礦山滲井注漿型鑿井施工方法

為保證立井井筒施工的順利進行，必須確保井筒涌水量要小，不影響井筒的施工質量及安全。目前能實現該方法的特鑿主要是4種方法，分別是鉆井法、凍結法、帷幕法和沉井法。

鉆井法是用鉆頭破碎巖石，用泥漿洗井排砟和護壁，待井筒鉆至設計直徑和深度以后，在泥漿中下沉預制井壁的機械化鑿井方法。

凍結法是利用人工制冷技術，使地層中的水結冰，把天然巖土變成凍土，增加其強度和穩定性，隔絕地下水與地下工程的聯系，以便在凍結壁的保護下進行井筒或地下工程掘砌施工的特殊施工技術。

帷幕法是在設計井筒周圍形成一封閉圓筒狀、深度穿過含水不穩定地層進入穩定基巖的混凝土帷幕，從而在其保護下安全進行井筒掘砌作業。

沉井法是在土層開挖前，把預先制好的一段6～7 m長的整體井壁，靠自重局部沉入土中，然后在它的掩護下，邊掘進邊下沉，相應砌筑井壁。

礦山滲井注漿型鑿井施工方法是在井下巷道已建成的前提條件下，再施工新增井筒。該方法利用滲井原理將目標含水層(井筒要穿過的涌水量很大的含水層)的水排至井下要疏泄的含水層。再通過井下巷道的疏水泄壓鉆或千米定向鉆對井筒周圍要疏泄的含水層進行疏水降壓，這樣就形成了疏水漏斗，同時形成了環形的截水井，井筒可以采用普通鉆爆法進行干井作業。待井筒通過目標含水層一定距離后，采用滲井里面的注漿管對滲井及圍巖進行注漿封堵，或通過工作面預注漿對周圍圍巖進行注漿，也可待井筒施工完畢后再進行注漿。

2 礦山滲井注漿型鑿井施工方法設計

根據井筒直徑大小、涌水量、含水層厚度，利用干擾井群的計算公式計算滲井的個數；在井筒周圍布置滲井(圖1)；利用滲井將目標含水層排至井下要疏泄的含水層；通過井下巷道的疏水泄壓鉆或千米定向鉆對井筒周圍該含水層進行疏水降壓(圖2)；鉆爆法開挖井筒并施工井壁；待井筒施工過目標含水層后，采用滲井里的注漿管對滲井及周邊圍巖進行注漿封堵，也可以利用工作面預注漿[5-6]對滲井及周邊圍巖進行注漿封堵。再通過埋設在滲井里的注漿管對滲井及圍巖進行注漿形成帷幕[7](圖3、圖4)。其中1-滲井；2-圍巖；3-井筒；4-目標含水層；5-隔水層；6-疏水泄壓含水層；7-隔水層；8-含水層；9-疏水泄壓鉆或千米定向鉆；10-立井井壁；11-注漿帷幕。

圖1 滲井平面布置Fig.1 Plane layout of seepage well

圖2 滲井疏排目標含水層剖面Fig.2 Profile of drainage target aquifer of seepage well

圖3 注漿形成帷幕平面Fig.3 Plane of curtain formed by grouting

圖4 注漿形成帷幕剖面Fig.4 Profile of curtain formed by grouting

舉例說明：據某礦井筒要穿過地層有第四系(Q)，白堊系洛河組(K1l)、宜君組(K1y)，侏羅系中統安定組(J2a)、直羅組(J2z)、延安組(J2y)和侏羅系下統富縣組(J1f1)，其中第四系、白堊系洛河組、侏羅系中統延安組(J2y)為主要含水層，其它為相對隔水層。

根據礦井水文地質條件，K1l及J2y含水層為無限承壓含水層，隨著井筒開拓及井筒排水，承壓水頭降至含水層以下時，則由承壓轉為無壓。故選用承壓轉無壓公式計算。井筒涌水量計算公式如下

式中，Q為井筒涌水量，m3/d；k為滲透系數，m/d；H為水頭(柱)高度，m；h為剩余水頭高度，m；M為含水層厚度，m；R為影響半徑，m；r0為大井引用半徑，m；R0為引用影響半徑，m。

設計采用滲水井的直徑為600 mm，注漿管直徑為150 mm。滲井深度580 m。由于K1l、J2y的2層含水層涌水量很大，因此2層為目標疏水含水層。根據布置鉆孔個數，確定干擾井[8-9]的涌水量，使得干擾井的涌水量小于等于井筒涌水量。

計算公式如下

式中，K為滲透系數，從表1中可知，目標含水層4的滲透系數為0.179 44 m/d，注水的含水層6的滲透系數為0.239 47 m/d；M為含水層厚度，從表1中可知，目標含水層4的厚度為99.69 m，注水的含水層6的厚度為42.91 m；RO為影響半徑，K1l含水層影響半徑為1 417.86 m，J2y含水層影響半徑為2 711.83 m；n為滲井個數，35個；sw為抽水井中水位降深，K1l含水層為334 m，J2y含水層為554 m；Q為井筒涌水量，K1l含水層為5 164.45 m3/d，J2y含水層為5 028.21 m3/d；r為設計井筒凈半徑2.5 m。

井筒涌水量計算結果見表1。

表1 井筒涌水量計算結果Table 1 Calculation results of shaft water inflow

3 礦山滲井注漿型鑿井施工優點

與注漿法相比，由于采用滲井原理，將目標含水層的水排至可疏泄的含水層，鑿井時可實現打干井，且在疏水過程中滲井周圍含水層中的孔隙會不斷增大，后期進行注漿時則更容易形成環形封閉空間(帷幕)。

與凍結法相比，由于施工時通過注漿管對滲井及圍巖進行注漿加固，形成帷幕，相當于增大了井壁厚度，大大增強了抵抗水壓的能力。立井井壁仍然為普通鉆爆法[18-22]施工的設計，井壁支護厚度小，混凝土標號低，具有質量可控，投資少的優點。

4 結論

(1)滲井注漿型鑿井施工方法，可降低立井井筒施工期間的井筒涌水量，再采用普通法進行井筒施工，由于帷幕的形成，直接封閉了外部水源，相當于增大了立井井壁的厚度，井筒施工具有質量可控、工人勞動強度小、工期可控、投資少等優點。

(2)滲井注漿型鑿井法適用于井筒比較淺，或者井筒深度較大，井下有排水巷道或可施工定向鉆對注水含水層進行疏降水的礦井，尤其適用于已建成礦井后期新增井筒的施工。