大水矿山地面预注浆孔兼作冻结孔的设计与应用

程中平 庞 博

(河北钢铁集团矿业有限公司)

随着地表资源逐渐枯竭，新建地下矿山比重越来越大。目前，国内存在多个超大规模低品位铁矿床，赋存地质条件多为埋藏较深、覆盖较厚的饱和含水层，基建掘井过程受突水影响较大，井筒穿过第四系需冻结法凿井，而基岩段掘进与生产中又面临涌水量大的问题，目前最有效措施为基岩段井筒采取地面预注浆法、第四系井筒采取冻结法的特殊工艺，该方法在煤系地层矿山建设过程中已应用较为广泛，但是金属矿山较少，存在准备工期长、投资高的特点。大贾庄铁矿地表覆盖80～140 m厚的饱和含水第四系，竖井掘砌饱受突水影响，在本地区竖井掘砌过程中首次引入了地面预注浆技术凿井后[1-2],发现完成地面预注浆治水后相关注浆孔报废，冻结法凿井需重新钻进冻结孔，前后工期较长，钻孔工程利用率低，不利于工程投资控制。为此，技术人员现场针对地面预注浆和冻结孔开展一系列研究，利用地面预注浆孔兼作冻结孔，从而提高钻孔利用率，缩短工期，降低投资。

1 工程概况

大贾庄铁矿地处冀东地区，属于冶金矿床大水矿山。大贾庄矿区大部分区域被第四系地层所覆盖，由于司家营南区位于滦河超漫滩Ⅰ级阶地，地形开阔，地势较平坦；第四系地层为全新统和中更新统地层，地表岩性为粉砂、砂土、粉质黏土。局部地下水埋深大于3.0 m外，大部分区域地下水埋深均大于6.0 m，含水层岩性为粉细砂、砾卵石，上部粉细砂存在地震液化现象。1#回风井在矿床上部有厚度100～120 m的第四系覆盖层，其中，相间有3个主要饱和含水层和4个隔水层。基岩段含水层分基岩风化水、构造水与破碎带水，第四系勘探涌水量为101 875.58 m3/d，基岩段有9层破碎带，含裂隙水共涌水30 926.18 m3/d，施工影响较大。勘察孔详细情况见表1。

表1 1#回风井勘察孔主要断层及含水层

2 注浆孔兼作冻结孔设计

2.1 地面预注浆孔范围

规范中浆液扩散半径为6～8 m，设计取6 m，实践表明，浆液扩散半径在10 m左右，部分区域可扩散至更远，因此，注浆孔底孔坐落荒径内外范围由1.5 m 变为1.8 m，1#回风井井筒净直径为6.5 m，第四系支护厚度为1 300 mm，保温泡沫为75 mm，基岩段支护厚度为450 mm，即注浆孔终孔圈径在3.8～12.85 m，地面预注浆孔孔底坐落范围见图1。

图1 地面预注浆孔孔底坐落范围

因此，只要注浆孔布设圈径在此范围，并保证孔底散落在荒径内外即可，在此基础上，根据冻结孔最合理范围进行优化。

2.2 地面注浆孔基本参数

2.2.1 孔数

按《煤矿井建手册》应取6～8个注浆孔，选取6个，则孔间距为

L=πD/N，

(1)

式中，L为注浆孔间距,m；D为注浆布孔圈径，12.85 m；N为注浆孔数，6个。

计算得出L=6.7 m。

按浆液扩散半径10 m测算，6个注浆孔达到交圈要求，帷幕厚7.4 m，完全满足要求；若按浆液扩散6 m测算，尚未达到交圈要求。因此，可设置检查孔，加强观测和补充注浆。

2.2.2 孔 深

注浆帷幕要求将基岩段施工段井筒进行交圈包围，1#回风井井筒深359.33 m，第四系深156.3 m，156.3～228.0 m属于风化裂隙含水层，注浆首段岩帽高于风化层5～10 m，深度超出井筒10 m以上，本次设计取起始深度220 m，孔深375 m。

2.2.3 检查孔

按设计要求需施工检查孔，鉴于类似冶金矿床实施地面预注浆技术的研究和经验较少，为防止出现浆液扩散较小，无法形成帷幕交圈，本次增加6个检查孔，间隔于注浆孔设置，作为检查和弥补注浆。

2.3 冻结孔设计

2.3.1 冻结深度

1#回风井第四系厚156.3 m，全风化层厚39.9 m，强风化层厚31.8 m，经勘察孔可看出228～261.8 m存在破碎带，同时按规范冻结孔应深入不透水基岩10 m以上，因此，本次冻结将破碎带包含进去，深度取值276 m。

2.3.2 冻结厚度

根据地质条件，为求得安全、合理的冻结壁，设计时依据本单位类似地质条件下的施工经验。采用有限长塑性厚壁筒强度极限状态下计算冻结壁厚度，即

(2)

式中，E为冻结壁厚度,m；P为钻孔地压，2.96 MPa；h为安全掘进段高，3 m；k为安全系数，2.2；σ为动土极限抗压强度，12 MPa。

计算得出E=2.82 m。

根据计算结果并参考国内类似条件下的冻结施工经验，确定1#回风井井筒冻结壁厚度为3.0 m。

2.3.3 冻结孔布置圈径

按基岩段采用钻爆法施工，冻结孔布置圈径为[3]，

(3)

计算得出D0=13.63 m。

可看出，冻结孔按正常规范偏斜率精度设计，且已超出注浆孔终孔落孔范围12.85 m，在综合考虑当前施工水平前提下，认为可通过现场制定质量保证措施，提高一定测斜精度，从而降低偏斜率，通过研讨后决定修正偏斜率取值，位于冲积层的钻孔偏斜率不宜大于2‰，位于风化带及含水基岩的钻孔偏斜率不宜大于3‰ ，综合平均为2.43‰。计算得出D0=12.84 m。

依据计算结果可见，经过精度控制后，冻结孔终孔基本坐落注浆孔终孔落孔范围，考虑注浆孔径较大，两者兼作时冻结管可具有一定挪移空间，因此，冻结孔布置圈径直径取值为12.9 m。

2.3.4 冻结孔数及间距

冻结孔布孔圈定后，则综合确定冻结孔数和孔间距。设计冻结孔数计算公式为

(4)

式中，N′为冻结孔数，个;Ls为冻结孔开孔间距，当冻结深度小于300 m时，采用1～1.3 m，取1.3 m；D0为布孔圈径，12.9 m。

计算得出N′=31.158个，取32个，则反推冻结孔开孔合理间距为1.266 m。

2.4 注浆孔调整

2.4.1 注浆孔位置

注浆孔与注浆检查孔共12个，各孔位置应与冻结孔重合，经测算，0°、56.25°、123.75°、180°、236.25°、303.75°为6个注浆孔，33.75°、90°、146.25°、213.75°、270°、326.25°为检查孔。钻孔布置见图2。

图2 钻孔布置示意

2.4.2 注浆孔偏斜校验

注浆孔最大偏斜距离为1.166 7 m((156.3×0.2%)+(119.7×0.3%)+99×0.5%)<2.5 m。当两注浆孔相对偏斜时，也能满足注浆要求，不会出现交叉孔现象。

3 实施难点及解决办法

3.1 冻结管能量扩散不均及充填介质冻胀性处理

地面预注浆孔兼作冻结孔和普通冻结孔不同之处在于，普通冻结孔仅一条冻结钢管，而注浆孔兼作冻结孔有2条钢管，若不下放冻结管直接在注浆管内下放供液管，注浆管下部采取水泥浆封堵，极易出现注浆管低温收缩，形成封堵裂隙，造成浆液流失和进入井筒掘砌范围的风险，为确保安全，将继续采用内套冻结管，在井筒掘砌完成后拔管回收。但是注浆管内下放冻结管，则需要在两管之间填充介质，填充介质后，需要消除不同冻结孔的冻结能量扩散不均现象，解决介质在低温下在注浆管与冻结管之间发生横向切力而降低冻胀性，以保护冻结管不受影响的问题。

经过大量现场试验和相关资料调查[4-6]，采用以下措施解决上述问题：

(1)由于岩土中存在着强结合水、弱结合水、毛细水和重力水4种。其冰点各不相同，所以冻土中始终存在着未冻水的成分，其含量与冻土温度、冻土类型有关。当黏土和砂土处于相同的冻结温度时，黏土中未冻结水含量较砂土中多。砂土中的重力水几乎全部冻结成为冰晶体，而黏土中的结合水仍然未冻结。由于黏土中未冻水的存在，大大影响冻土的物理力学性质，冻土中未冻水含量越高，颗粒间的黏结力也就越低，相应的强度和稳定性也越差。在热传递过程相同情况下，黏土含量越高，冻土黏结性越低，越不易对冻结管产生破坏。因此，在注浆孔兼作冻结孔内，在注浆管与冻结管间可充填一定浓度黏土浆(密度1.5 g/m3左右)来代替纯水，可避免在冻结过程中充填介质结冰对冻结管造成危害。

(2)导温系数是传热过程中的热惯性指标[3]，反映不稳定导热过程中温度变化速度。通过大量室内试验和查阅资料发现,冻土的导温系数随含水量的增加而增加，但达到一定含水量以后趋于平稳。因此,现场根据第四系含水量确定充填介质的含水量为2%左右，从而确保注浆管内外导温系数相近，使各冻结孔导温系数相近，确保各孔交圈统一性。

3.2 造孔偏斜率控制

(1)钻机平台的水平是决定后续钻塔整体稳定性和精度要求关键，现场加大混凝土灰土盘承载面积，设计采用C30混凝土结构基础，钻场水平误差不超过±5.0 mm。开孔前，对钻机认真找正，使转盘中心、钻孔中心和钻塔提升中心重合，钻机底盘和基础间隙要垫实，确保开孔垂直度；开孔误差不得超过±10 mm；钻进时定时检测并调整。

(2)规范测斜频率为第四系50 m一测、基岩段30 m一测，为控制偏斜率，改为第四系30 m一测，基岩段20 m一测，增大观测频率。

(3)增加钻铤长度和数量，钻铤作为加重设备具有不易变形特点，几条连接情况下，可确保10～15 m的钻孔直线段，从而减少钻偏概率。

(4)注浆孔固管前采用φ220mm以上钻头对第四系和风化岩段扩孔，扩孔后，在大孔内设计点下放注浆管，通过现场试验发现，该措施可以控制偏斜率在0.5%以下，效果极为显著。在冻结孔下管前进行扩孔，然后下放焊接冻结管，管内注水达到超过平衡状态即可停止，利用钻机进行起吊，调整位置，直至达到设计位置后方可下放并再次注水，并在地表孔口进行固定措施，现场调查发现该措施可使冻结管偏斜率达到0.4%以下。

3.3 片帮控制

在1#回风井实施地面预注浆孔兼作冻结孔后，效果显著，但因冻结孔间距缩小后，冻结交圈时间提前，冻土尚未扩散至掘进荒径范围，开挖时极易发生片帮塌落。为此，在其他井口实施该技术时，在冻结孔圈径内打几个冻结加强孔，孔深60 m左右，加强井口范围冻结，扩大冻土范围，从而减少初期掘砌期间的片帮塌落。

4 结 语

通过在大贾庄铁矿1#回风井设计研究和现场实践，在确保注浆帷幕厚度满足竖井治水要求前提下，利用地面预注浆孔兼作冻结孔，通过调整优化注浆孔和冻结孔参数，平衡冻结效果和注浆效果，克服一系列难题，取得成功，效果显著。同时，该技术在大贾庄铁矿其他4个井筒推广应用，28个注浆孔兼作冻结孔，节省冻结孔钻进和回收冻结管6 356 m，缩短井建准备工期，节省工程投资，具有很高的社会效益和经济效益，该技术具有广阔良好的推广应用价值。