超前小导管探注掘砌施工工艺在竖井掘支过程中的应用

马晓博

【摘要】邯郸县金源铁矿顶底板直接进水的水文地质条件复杂的矿床，在矿山副井掘进过程中在井筒荒面井壁上密集沿井筒纵向以外插的方式凿眼打孔，孔内安装超前小导管，采用水泥浆与双液浆注浆封堵地下水，并结合小导管形成锚固作用进行提前堵水和支护，然后硬质岩层采取爆破方式下掘，软岩层采取人工风镐挖掘的方式进行掘进，采用现浇双层钢筋混凝土支护，顺利通过破碎段。

【关键词】大水矿山；竖井掘支；注浆

一、工程概况

邯郸县金源铁矿矿区位于河北省邯郸市西15km，隶属邯郸市所辖，为邯郸县和武安市交界处，属丘陵半丘陵地区，地势西高东低。矿区处于奥陶系的灰岩岩溶裂隙水文地质区内，为相对独立的水文地质单元，中奥陶统灰岩含水层矿区的主要含水層，其呈带状展布，南北长约25000m，东西宽约6500m左右，以溶隙为主，溶孔次之，总厚584m，含丰富的裂隙岩溶潜水。矿体计划开采最低边界标高在-175m，而该地区地下水位标高在114m～122m间，矿床常年埋于潜水面以下106m～114m，属顶底板直接进水的水文地质条件复杂的矿床。

矿山副井井径为Φ5.5m，地表开口标高为+267m，设计深度475m，井底标高-208m，采用工作面预注浆方式进行堵水。在进行-129m～-159m（段高30m）的工作面预注浆工作时，通过探孔注浆发现，-129m工作面以下2m～15m（-131m～-144m）段，岩石为变质灰岩：呈灰白色，结晶结构，层状构造，岩石极破碎，岩溶裂隙发育，存在大小不一小型溶洞，溶洞中半充填方解石，半充填泥岩；整段裂隙较发育，沟通性好，涌水量较大；其中，-132m～-139.5m岩石破碎，出水为乳白色；-139.5m～-140.5m岩石呈灰黑色；-140.5m～-144m为溶洞，出水量大，水中有泥沙、带10-30mm的石块。从工作面预注浆后的检查孔钻探情况可知，此段地质条件复杂，地质条件差，有较大范围的软弱岩层，并且软弱岩层厚度大，出水量大，在井筒掘支过程中有可能发生井壁垮塌、突水淹井等安全事故。

为顺利通过（-132m～-146m）岩石破碎段，防止出现安全事故，加快施工进度，在施工过程中，针对-129m～-147m段（段高18m，超过破碎带深度2m），采用超前小导管探注掘砌施工工艺进行超前支护施工。

二、超前小导管探注掘砌施工工艺介绍

超前小导管探注掘砌施工工艺就是在掘进爆破前，在井筒荒面井壁上密集沿井筒纵向以外插的方式凿眼打孔，孔内安装超前小导管；超前小导管全部安装好后，采用水泥浆与双液浆注浆封堵，利用双液浆进行堵水，同时结合小导管形成锚固作用，最终对掘进段形成超前探水与注浆保护作用，保证施工安全。采用超前小导管注浆工艺进行井筒掘支作业，工艺可分为超前小导管注浆施工与井筒掘支两个阶段。

2.1 超前小导管注浆施工

超前小导管注浆施工内容主要包括封闭工作面、钻孔、安设小导管、注浆、效果检验等工序。其施工工艺流程见下图：

小导管施工工艺

本次在矿山副井掘支施工过程中，设计小导管总长度6.1米，注浆段长度4.7米，有效注浆堵水深度4米，为了减少岩石裸露时间，采用小模板支护方式掘进1米、支护1米的短掘短砌施工方法；实现超前探水、探注结合综合治水施工。

2.1.1小导管制作

小导管采用鱼鳞管内套用DN25无缝钢管加工成的花管，以便注浆。小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲。中间部位钻Ф8mm溢浆孔，呈梅花形布置（防止注浆出现死角），间距15cm，尾部1.3m范围内不钻孔以防漏浆，末端加工螺纹，用于上高压球阀。小导管加工成形见下图：

注浆花管示意图

2.1.2小导管安装

在井底以上约0.3米（-128.7m）井壁部位起及以下每三米处，按向间距环30㎝一圈，采用YT-28型凿岩机，4m钻杆，Φ42mm钻头的打孔，孔向外倾角5°，钻探过程中出现涌水和泥浆时，要及时安装准备好的小导管，小导管用水麻缠绕，井壁用Φ36mm圆钢打入进行加固，以防涌水压力过大将注浆管顶出。小导管布置图见下图：

2.1.3 注浆堵水

注浆浆液以单液浆为主，涌水压力比较大时，采用适当的双液浆封堵，单液浆-双液浆的配比按照由稀-稠的顺序进行（1.0：1.5～1.0：1.0），注意周边围岩的变化。在初期注浆压力条件下，吸浆量为吸水量的80%，可视为正常，否则，可稀释一级。当连续注入30分钟压力不变，可调浓一级。当压力缓慢上升，吸浆量逐渐减少为正常，一直到终止，在浆液浓度不超过1：1时，吸浆量不大于35升/分，稳定20分钟即可结束注浆。

注浆时应注意对注浆压力的控制，出现跑浆、漏浆的情况及时处理，采用双液浆时避免堵管现象的发生，终孔压力控制在2.2～2.5MPa，注浆全部结束后，水泥浆液凝固保养一段时间，进行掘进施工。

2.2井筒掘支

2.2.1 掘进爆破

在超前小导管注浆护壁的条件下，根据不同岩层条件采用不同的井筒掘进方式。硬质岩层采取爆破方式下掘，爆破总体要求多打眼、少装药、浅眼松动爆破方式，且采用分段爆破方式下掘施工，方法采用光面爆破技术（视岩石情况一个断面可分次爆破），光爆层炮眼间距不超过400mm，光爆层抵抗线不超过600mm，光爆层装药密度限制在最小限度以减少对围岩的破坏。每次施工时，凿眼爆破的深度，根据现场岩石情况而定，一茬炮的进尺最大不超过2m。

凿岩机具采用12台YT-28型凿岩机，直径为38mm“一”字型合金钻头，钻杆选用φ22中空六角钢钎杆，长度1～2.5m。每次8台凿岩机同时作业，4台备用。

采用楔形掏槽，光面爆破，按照光面爆破的要求确定炮眼的参数。炮眼呈同心圆布置，圈间距一般为0.5～1.5m；掏槽眼深2.5m，圈径1.5m，呈圆锥形布置，倾角为800；辅助眼眼深2.3m，倾角为900，眼间距一般为0.7～1.0m；周边眼深2.0m，倾角为900，距井帮设计位置约为0.1m，眼间距0.4m。选用1～11段毫秒延期非电导爆管起爆。炸药选用2#岩石水胶炸药。规格为每卷φ32×350mm（重量：0.40kg/卷），连续装药结构，反向起爆，起爆电源为500A，在地表距井口50m以外设置起爆器联接，经井筒悬吊的放炮电缆进行起爆。

爆破原始条件表

序号 名 称 单位 参数 备注

2 净断面 m2 23.76 ￠=5.5

3 掘进断面 m2 33.18 ￠=6.5

4 岩石硬度系数 f 8

5 凿岩设备 台 12 YT-28

6 炸药品种 kg 0.4kg/卷 2#岩石水胶炸药

7 雷管种类 發 1—11段

爆破参数表

眼

号 圈

径

（m） 炮眼

数目（个） 炮眼角度

（度） 炮眼深度（m） 炮眼位置 装药量（kg） 起 爆

顺 序 联线

方式

单个炮眼 小 计 眼距

（m） 圈距

（m） 单个

炮眼 每圈

炮眼

1～6 1.5 6 80 2.5 15 0.75 0.75 2 12 Ⅰ 并联

7～14 2.5 8 90 2.3 18.4 0.805 0.50 2.0 16 Ⅱ 并联

15～30 3.5 16 90 2.0 32 0.687 0.50 1.2 19.2 ⅢG 并联

30～48 5.1 18 90 2.0 36 0.89 0.75 1.2 21.6 Ⅳ 并联

48～98 6.3 50 90 2.0 100 0.396 0.60 0.4 20 Ⅴ 并联

合计 98 194.6 88.8

软岩层-131m～-144m段原则上采取人工风镐挖掘，必要时可少量装药放炮处理。

井筒内采用HZ-6中心回转式抓岩机装碴，装岩能力为40～50 m?/h ， 主提吊桶为2m3，座钩翻矸。

2.3、支护：

针对于特别破碎段，采用现浇双层钢筋混凝土支护，横筋HRB335Ф20@200、竖筋HRB335Ф16@200、拉筋HPB235Ф8@600，支护厚度500㎜。采用1米高小模板支模，支模时根据垂线中心立模，并检查模板安置的正确性。用半圆仪或其他仪器，其误差不得大于±20mm，模板外缘到井中心的距离不得小于设计规定。同一圈模板应保持水平，其误差不得大于±50mm。用装载机上料，PLD800配料机配料（生产能力达50 m?/h），TS600搅拌机进行集中搅拌，砼用1.6m3底卸式吊桶下料，采用机械振捣，每层厚度不得超过400mm。

3、作业循环方式

作业循环方式：采用一超前小导管探注、三掘、三砌的循环作业方式，掘支护段高为1m。主要工作循环如下：

1、交接班及准备—打眼进行超前小导管探注—清底

2、打炮眼—凿岩—装药联线—放炮—通风—安全检查—出碴找平—钢筋绑扎—支模—搭平台—浇筑砼—封口。浇砼结束，出碴、清底，准备掘进施工。

成井三模后进行第一步超前小导管探注。

三、结论

通过采用超前小导管探注掘砌施工工艺，邯郸县金源铁矿矿山副井-129m～-159m段掘支过程中未发生井壁垮塌、突水淹井等安全事故，采用小导管对井壁的提前锚固支护，保证了井筒掘支过程快速，平稳。总体来说，在水文地质条件复杂矿山竖井掘支过程中，通过采用超前小导管探注掘砌施工工艺，可以在进行工作面预注浆的基础之上进一步加强地下水的防治，并且利用小导管起到的锚固作用，对井壁进行掘进前预支护，保证施工安全，减少竖井掘支过程中发生突水淹井的可能。