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废石井主含水层第二段工作面预注浆施工方案及安全技术措施
工程概况 罗河矿业有限责任公司废石井工程井筒制定净直径5.5m，井筒全深828.45m〔含临时锁口3m段〕，井筒段为C30素混凝土及C30双层筋混凝土混合型支护,支护厚度为400mm。井口制定标高为+43m,井口实际标高为+46m。
目前该井筒已施工至337.72m深度(标高为-291.72m)，马上结束次生石英岩主含水层第一段掘砌工作，依据《废石井工程地质勘察报告》得知，下段仍处于深度为322.18m～391.23m(标高为-279.18m～-348.23m,厚度69.05m)段的主含水层之中，为确保注浆工作的正常接替，我单位经研究决定井筒施工至353.474m(－307.474m)处时停止下掘，进行第二段止浆垫浇筑工作，形成井筒围岩封闭面。(止浆垫厚3.1m,C30砼连续振捣浇筑，上部设0.2m泄压层)，待止浆垫达到养护期限后，搭设工作台〔工作台布置见附图〕，进行第二段工作面预注浆工作。依据废石井次生石英岩主含水层第一段注浆经验及教训〔注浆段高设置过高〔50m〕，在废石井次生石英岩主含水层内极其复杂的地质条件下施工，段高过高会出现反复扫孔复孔现象、造成工期延长、注浆材料浪费、注浆效果差等诸多问题，会造成徒劳无功、得不偿失的现象〕，故我单位决定将-303.97m～-348.23m含水层分为两段注浆，即：第二段注浆段高设置35m〔-304.374m～-339.374m〕，掘进段高设置为26m〔-304.174m～-330.174m〕;第三段注浆段高设置为26m(-327.174m～-353.174m),掘进段高设置为26.5m〔-326.674m～-353.174m〕；结合副井注浆状况，为防止两含水层之间裂隙互相贯穿，我单位决定第三段注浆结束后，进行超前探水工作，详见第三段注浆方案。

井筒含水层段水文地质概况 表达依据：《废石井工程地质勘察报告》
井筒围岩的地层岩性特征 (1)次生石英岩〔325.18～394.23m〕
 深灰～灰白色，致密块状，矿物成分主要为石英，岩石软硬不均，裂隙、孔隙发育。孔深325.88～328.68 m、335.26～340.27 m、349.97～352.97 m、355.71～357.93 m、361.20～390.27 m处，裂隙发育，沿裂隙见孔洞〔洞径0.5～2cm〕岩芯破碎，多呈碎块状。层厚69.05m。
    (2)含角砾粗安岩(394.23～407.20m)
黄褐色，灰白色，斑状结构，块状构造，角砾状构造。斑晶主要为钾长石，斜长石，少量黑云母、辉石。长石斑晶大小1×2～2×4mm，约占40%，黑云母、辉石斑晶少量。角砾呈次圆状，大小1～3cm不等，为粗安岩，含量约占45%，基质隐晶质。岩石具较强高岑石化、硅化、黄铁矿化、绿泥石化、绿帘石化，高岑石化自上而下逐渐变弱，硅化主要见于394.23～398.07 m。岩石裂隙局部发育，无规则。孔深394.23～401.10 m处，岩芯较为破碎，其它部分岩芯较完整。多以短柱状为主。层厚12.97m。
(3)粗安岩〔407.20～435.57m〕
灰褐色，黄褐色，斑状结构，块状构造。斑晶主要为斜长石、钾长石及少量黑云母、辉石等。长石斑晶1×2～2×4mm，约占60%，基质隐晶质。岩石较新鲜，蚀变较弱，岩石裂隙不发育，岩芯完整,多呈长柱状。局部地段(孔深431.16～435.57m处)岩芯破碎呈块状.层厚28.67m。
(4)高岑石化凝灰质粗安岩〔435.57～467.81m〕
岩石呈黄褐色，黄绿色，斑状结构，块状构造，斑晶主要为斜长石，钾长石及少量辉石。斑晶大小1×2～2×3mm，含量约35%。此外岩石还含一些凝灰质成分，基质隐晶质。裂隙不发育，岩心较完整，多呈短柱状，局部地段〔孔深453.08～457.00 m、464.21～466.50 m处〕，岩石具较强高岑石化，岩芯较破碎。层厚26.19m。
(5)次生石英岩〔467.81～479.27m〕
灰白色，青灰色，致密结构，矿物成分主要为石英，局部可见原岩的残留成分与组构(原岩为粗安岩)。岩石软硬不均，破碎，裂隙、孔隙发育。岩芯较完整，多呈短柱状。孔深475.87～479.27 m段岩心破碎呈碎粒状和粉状。层厚11.46m。
  (二)、废石井含水层〔段〕特性及赋水特征
依据本次废石井钻探施工岩性编录、简易水文观测、现场简易水文地质试验等工作，结合收集的区域及矿区“详勘地质报告〞成果资料综合分析，废石井含水层〔段〕特征及赋水性如下：
次生石英岩含水层位置：325.18m～394.23m，层厚69.05m；467.81m～479.27m，层厚11.46m。该含水层分为两段，累计厚度80.51m。各含水段裂隙、孔洞发育，岩芯破碎，多呈碎块状。钻进时漏水，孔内水位上升、下降起伏大，冲洗液消耗量大。水力性质属承压水。
粗安岩含水层位置：101.76m～234.28m，厚度132.52m；264.12m～269.54m，厚度5.42m；279.69m～289.00m，厚度9.31m。该含水层分为三段，累计厚度147.25m。各含水层段裂隙较发育，裂隙中充填有白色碳酸盐脉及绿黄铁质泥质。钻进过程中，孔内水位上升、下降起伏较大、冲洗液消耗量变化较大。水力性质属承压水。
该井筒次生石英岩含水层中孔洞裂隙水因水量较大，是井筒施工充水的主要来源。
综上所述，废石井井筒主含水层岩石主要为次生石英岩〔69.05m〕，而次生石英岩层，基质主要为钙质、凝灰质物质，胶结不紧密。围岩裂隙发育、岩石极易破碎，稳固性差，主要为破碎带含水。此段水文地质条件较复杂，且伴随着井筒深度逐渐加深，水压逐渐增大，导致本段注浆工作更加困难。
编制说明 安徽马钢罗河矿业有限责任公司废石井工程由我单位负责承建施工。截止2021年12月24日该井筒已施工350.174m。主含水层第一段掘砌工作已接近尾声，马上进入主含水层-304.374m～-339.374m段工作面预注浆工作。依据《废石井工程地质勘察报告》查看得知，该段含水层矿物成分主要为石英，岩石软硬不均，裂隙、孔隙发育，且孔隙、裂隙水含水量较大，是井筒充水的主要来源。依据废石井主含水层第一段井筒注浆治水施工经验可知，该段含水层水文地质条件复杂，注浆治水工作比较困难，为确保安全有效的进行注浆治水工作，特制定第二段工作面预注浆施工组织制定。
         四、主含水层第二段注浆方案
结合《废石井工程地质勘察报告》及以往我单位在施工副井、废石井第一段工作面注浆时所累积的注浆经验分析，经项目部研究，该含水层第二段工作面预注浆方案确定为：
井底工作面设3.1m浇筑止浆垫〔见附图〕，止浆垫上设泄压层，搭设工作平台〔附图2〕，潜孔钻钻孔埋设Φ108mm孔口管并安装高压阀门。拟采纳以化学浆为主液，水泥单液浆或水泥加水玻璃双液浆为辅液,采纳“高压力，反复注浆、反复扫孔复注〞的方法对称施工注浆孔进行工作面探水注浆工作。先探后注，注浆结束后施工检查孔，检查达到制定要求后，在超前探水的前提下，进行废石井含水层第二段井筒掘进工作。
五、具体施工方案及浆液类型选择
5.1、止浆垫参数
5.1.1 止浆垫结构形式与厚度计算
鉴于该段复杂的水文地质状况，为确保止浆垫在注浆时能承受较大的注浆压力，止浆垫设置为平底倒楔形结构，上部直径 Φ6300mm，下部直径Φ7500mm〔止浆垫施工见附图〕
参照《建井手册》第四卷有关部分要求，止浆垫厚度采纳下式计算：
   Bn=〔P0×r/[δ
 式中     Bn—止浆垫厚度，m
          P0—注浆终压，Mpa 取目前采纳的16Mpa。
 r—井筒掘进平均断面半径，m，止浆垫段井筒掘进平均半径为3.45m。
[δ]—混凝土3～7d的极限抗压强度〔取28d标准强度的70%〕，Mpa;制定混凝土强度等级为C30，即：32 Mpa。[δ]=32×50%=22.4 Mpa。
计算得，Bn=16××3.45=3.5m。

5.1.2、浇筑止浆垫
合计现场施工条件及注浆终压，结合相关施工经验，止浆垫选用强度等级C30 砼，振捣连续浇筑，浇砼高度3.1，砼量115.92m3。
5.2、接缝注浆〔加固止浆垫〕
止浆垫养护7天后实施止浆垫接缝注浆，注浆材料选用纯水泥浆-水玻璃双液浆，浆液量按实际发生计量。
5.3、钻孔注浆参数  
5.3.1、钻孔布置
     依据业主单位提供的《废石井工程地质勘察报告》，结合实际施工状况及以往注浆治水工作经验，为防止井筒围岩存在纵向裂隙或微小裂隙时浆液有效扩散半径偏小，井筒下掘时出现局部涌水量较大的状况，因此，本次制定决定采纳单圈多量布孔方式，估计布孔48个｛初步暂布24个孔作为探水注浆孔〔钻孔布置见附图〕，可依据钻孔过程中揭露的岩石状况及涌水量来有针对性的增加探孔，效果不显然就将探孔增加至50个或更多｝。
5.3.2、布孔圈参数
为使探水、注浆孔尽可能多揭露裂隙，采纳径向斜孔。
钻孔中心距井壁荒径700mm〔井筒荒径6300mm〕，暂布孔24个〔从小模板开始顺时针旋转均匀分布〕，开孔直径为4.9m,孔间距0.64m，钻孔终孔位置在井筒荒半径以外1.75m处，终孔直径9.8m，终孔间距1.28m，钻孔顶角为4°。假设注浆效果不显然时，孔数可适当增加。
中心点暂设检查孔1个。无角度钻孔。为了防止井筒下掘时涌水增大事故，依据岩石的揭露状况及涌水量数据，待注孔工作结束后必需依据实际状况增设假设干检查孔。
5.3.3、浆液有效扩散半径
    浆液有效扩散半径取决于注浆材料、注浆压力、含水层构造的互相连通程度等因素。从以往副井及废石井主含水层第一段注浆状况来看，使用脲醛树脂化学浆，有效扩散半径有时只能达到0.5m～0.6m，不能满足施工要求，如果该段含水层仍出现上述状况，则可以通过调节布孔形式和在止浆垫抗压同意的状况下适当增加注浆压力的方法予以补救。

 从废石井主含水层第一段注浆状况及《废石井工程地质勘察报告》来分析，该含水层注浆段仍然是岩石松散破碎带，微细裂隙发育。一般水泥浆可注性很差，有效扩散半径极小，因此，本次注浆使用化学浆，如裂隙、孔隙过大则采纳水泥单液浆或水泥-水玻璃双液浆进行灌注。

  参照以往浆液配比，该段化学浆主液配比为丙烯酰胺:脲醛树脂=3:100；化学浆辅液配比为草酸:水=3:100，实际操作中，依据钻孔的吸浆量来调制浆液。
  水泥浆液的水灰比取0.5～1.5；水玻璃为辅液，实际操作中，依据钻孔的吸浆量来调制浆液。
  浆液的配比在地面进行，依据井下压水试验结果，配制所必需的浆液，浆液的浓度应先稀后浓，假设压力上升不快，吸浆量变化不大，应逐渐增加浆液浓度，反之则降低浓度，已确保有足够的注入量，在涌水较大，必需要及时封堵时，可用双液浆注浆，注浆结束后，注入一定量清水，把管路清洗干净，孔内浆液凝固后，再扫空做压水试验，当吸水量小于20L/min时，可停止，大于则复注。

    依据《矿山井巷工程施工及验收规范》，注浆终压按下试计算：Pz=ＫPｓ         
式中:Pz –注浆终压，MPa
Ｋ－系数，〔一般Ｋ＝２～４〕，取Ｋ＝4
Pｓ-静水压力,取4MPa       Pz=4×4=16MPa
制定注浆终压为：注化学浆13～15MPa，水泥浆14～16MPa 。

六、施工设备配置与工艺
6.1、施工设备配置
  钻孔设备：钻孔选用KQJ-100B型潜孔钻机两台〔一台备用〕，最大成孔深度80m，耗风量18m3/min；
  注浆设备：型号为ZTG-60/21双液调速注浆泵一台〔一台备用〕。
6.2、施工工艺

     钻孔分两序施工，原则上先施工奇数孔，后施工偶数孔。
6.2.1.1、孔口管段钻孔施工及孔口管预埋
    采纳KQJ-100B型潜孔钻机配备直径Φ130mm钻头钻进，钻进深度7m。钻孔施工结束后，清除孔内岩屑，将Φ108×5×6000〔mm〕无缝钢管加工的孔口管〔孔口管用Ф108×5的无缝钢管制作，长度6m，管外壁用10#铁丝缠成螺旋形并点焊，点焊间距100mm，孔口管上焊高压法兰盘，并用ø22螺栓紧固连接，法兰盘上装4寸高压球阀。〕埋入孔内6m，并泵送浓密快凝水泥浆经养护36h后扫空。扫孔后采纳1.2倍注浆终压对孔口管进行耐压抗渗试验，确认无泄漏方可转入正常钻进，否则须注浆加固。
6.2.1.2、正常孔段的钻进
采纳KQJ-100B型潜孔钻机配备直径Φ90mm钻头钻进，要求钻进时必必需通过安装在孔口上的4寸高压球阀的阀腔内钻井，以确保碰到大水时能够迅速拔钻，关闭阀门。
钻孔过程中，采纳“单孔见水就注，反复注浆〞的方式进行注浆工作。
钻孔分两序进行〔分奇、偶数孔〕，每序均按对称方式进行交替施工。
6.2.1.3、钻孔复孔
    本次注浆采纳“反复扫孔复孔〞的方式进行注浆工作，复钻原则上确定在注浆结束后4～6小时内进行。
6.2.1.4、检查孔施工
    全部钻孔注浆结束后，依据岩石揭露、涌水量、注浆记录、各注浆孔资料等状况，有针对性的施工检查孔。孔深35m，无角度钻孔，当检查孔涌水量超出制定指标则必需进行加孔注浆。确定合格后方可进行井筒掘砌工作。
6.2.2、注浆工艺

    选用合格的改性脲醛树脂，按照制定的配比进行造浆工作。先在地面上进行浆液搅拌，然后将配好的各类浆液运用吊桶下放至井底注浆工作面。并依据实际状况，在井下进行配比调试。
6.2.2.2 注浆
    当碰到大量超扩散状况时，则使用水泥-水玻璃双液浆，并且与单液纯水泥浆交替灌注。遵循先稀后浓、逐级变化的原则进行。起始水灰比要依据裂隙的开度及单位涌水量等确定。浆液起始水灰比选0.5，当采纳某一配比连续灌注30分钟，且压力不上升时，应将浆液浓度提升一级。
    当碰到岩石松散破碎带，微细裂隙发育带。一般水泥浆可注性很差，难以注入，且有效扩散半径极小，则使用改性脲醛树脂化学浆注浆材料
    注浆前应向孔内压住清水，以提升裂隙的可注性，并准确测定钻孔内的水压、单位涌水量。必要时，采纳压水、放水互相交替方式排放岩层裂隙内的充填物。
    复注亦按相同方法进行灌注。
6.2.3、止浆垫施工
    止浆垫必需与井壁连成一体，浇筑前，井壁及底板松动围岩必必需敲砸干净，并用清水冲洗。止浆垫砼浇筑好后必需养护7天方能进行探治水工作。
6.3、井筒掘进时超前探水
    当检查孔确定无水后即进行井筒掘砌工作，掘进段高设置为26m〔-304.174m～-330.174m〕。掘进使用DXSJZ6.7型伞钻进行。为确保施工安全，每茬炮掘进前必必需进行超前探水,孔深4.5m，孔数10个，如探水孔出水则适当增加探水孔数量，炮眼深度2.2m，孔径55mm，径向顶角6°。

七、注浆效果分析与检查
注浆是隐蔽性工程，为确保工程质量，以获得合格的封堵效果，应从施工一开始，到注浆结束，对全过程的每一孔段都具体记录，对注浆效果的分析提供资料。
1、技术资料的分析
对每个孔的每一孔段注浆中的注浆压力、流量、浆液浓度，吸水量的变化进行分析，推断注浆施工是否合格。
2、检查孔资料分析
  注浆结束后，在井筒布置圈径之内，结合本次注浆实际状况，布置假设干检查孔，钻孔一次达到终孔深度，检查钻孔涌水量，涌水量假设均小于5m3/h，就可以认为裂隙的浆液充填饱满，密实，可结束注浆。