司家营铁矿南区某竖井缓凝水泥浆充填施工技术

范天文 刘 辉 李成斌

(河北钢铁集团矿业公司)

司家营铁矿南区某竖井缓凝水泥浆充填施工技术

范天文 刘 辉 李成斌

(河北钢铁集团矿业公司)

司家营铁矿南区竖井冷冻施工采用缓凝水泥浆充填技术，成功地将注浆孔固管段套管和冷冻管之间的间隙水置换出来，避免了间隙水冻结后膨胀破坏冷冻管的事故，取得了良好的施工效果，同时也降低了冷冻施工造孔费用，缩短了冷冻施工工期。

缓凝水泥浆 充填 冷冻施工 竖井

近年来，随着钢铁行业的迅速发展，地表及浅部埋藏的铁矿床逐渐枯竭，逐步转向深部铁矿床开采。深部矿体多位于第四系表土层厚大且地下水系发达、破碎带极多的岩层中，地质条件极为恶劣。因此，在掘砌深井前，为了确保施工安全，宜采用地表预注浆和冷冻施工进行治水。

地表预注浆和冷冻施工为两个独立的施工项目，采用不同的施工单位施工时，存在注浆施工单位的清场、撤场与冷冻施工单位的进场，导致施工工期延长；由同一施工单位施工，存在地表预注浆和冷冻施工的费用浪费。所以，越来越多的矿山正在将地表预注浆和冷冻施工联系起来，利用地表预注浆的注浆孔作为冷冻孔，以减少冷冻孔造孔费用,同时可缩短工期。

1 竖井施工存在的问题

一般竖井注浆孔的孔径均大于冷冻孔设计直径，在利用注浆孔作为冷冻孔时，注浆孔固管段套管和冷冻管之间存在间隙，该间隙会迅速因第四系表土层中含水层的存在充满裂隙水，同时也存在残余的泥浆。在安装冷冻管之后，该间隙水和部分残余泥浆会极大的影响积极冷冻的热量传递效果，延长积极冷冻工期，额外增加冷冻施工费用。

当竖井采用长短腿冻结时，由于钻孔偏斜情况不一、周围地质结构情况复杂，会导致注浆孔固管段上部间隙水和残余泥浆先结冰膨胀，将注浆孔固管段套管和冷冻管之间的间隙封闭后，下部间隙水和残余泥浆冻胀后压力无法释放，出现了挤压破坏冷冻管现象。

采用细砂浆充填注浆孔固管段套管和冷冻管间隙，将间隙水和残余泥浆挤压置换出来。但在充填细砂的作业过程中，并不能确保将套管与冷冻管间隙填实，也不能确保细砂充填到注浆孔底部，导致间隙无法排尽。在开机进行积极冷冻后，套管上部细砂不密实的且含有间隙水的部位会优先结冰，与冷冻管紧密结合，形成一个封闭的“帽子”，使注浆孔固管段下部的间隙水和残余泥浆膨胀后压力无处释放，从而挤扁冷冻管，冷冻管内盐水流量不均，造成该处冷冻交圈不完全或不交圈等事故。严重的将导致注浆孔内的冷冻管挤扁堵死直至破裂，出现冷冻管内盐水泄露等事故。

2 水文地质条件

2.1 矿区地质条件概况

司家营铁矿南区马城铁矿属于复杂开采条件的地下矿山[1]，矿坑涌水量大，为水文地质条件复杂的、以裂隙充水为主的矿床。马城矿体为隐伏矿体，矿体顶部被第四系覆盖，第四系含水层为沙砾石强含水层，与地表水体联系密切，自上而下开采易沟通，导致开采技术条件恶化，易受水灾威胁。

矿区基岩深埋于第四系之下，基岩地下水为承压水，水位埋深为3.5～7.5 m。天然条件下，矿区基岩地下水补给来源主要为基岩含水层侧向径流补给。在矿区北部山区，特别是京山铁路以北，基岩出露面积较大，风化裂隙较发育，有利于降雨入渗补给。基岩地下水在北部山区接受降雨入渗补给后，侧向径流补给矿区基岩含水层，由于本区属变质岩地区，基岩渗透性总体较差，基岩地下水径流条件一般。

2.2 竖井水文地质条件

司家营铁矿南区马城铁矿某竖井处场地内第四系钻孔揭露覆盖厚度为133.8 m，主要为冲洪积形成的沙土、碎石土二元沉积结构土层。

基岩构造裂隙含水层中结构裂隙发育，但整体结构面贯通能力较差，多呈闭合—微张状态，且被泥质、钙质充填，不利于地下水的相互补给，以网状承压水的形式赋存，多属弱富水性。只有在构造破碎带及结构破碎带两侧影响带张显性的部位，地下水相互渗流补给，多呈脉状、层状承压水形式赋存，属弱富水性。

3 地表预注浆和冷冻施工技术

3.1 地表预注浆和冷冻施工技术设计参数

该竖井地表标高+15.87 m[2]，设计井筒深度560.3 m，井筒直径8 m；设计冷冻深度230.87 m，冷冻孔33个，布置圈径13.3 m，冷冻管直径133 mm。

固管段200 m，固管段下φ178 mm无缝钢管；注浆起止深度200～566 m，注浆段高366 m，孔径132 mm，裸孔；注浆孔8个，布置圈径13.3 m。

3.2 缓凝水泥浆试验配比

缓凝水泥浆固结过程中结石率不能达到100%，往往会出现下部凝结、充填完全，上部未能充填，有间隙水存在的现象。所以，在对注浆孔固管段套管和冷冻管间隙进行充填之前，应对缓凝水泥浆配比进行试验，选取较为合理的缓凝水泥浆配比。缓凝水泥浆配比应按照现场实际条件和要求进行：①地表预注浆固管深度200 m；②钻具扫孔后注浆应2 h内完成；③安装冷冻管应4 h内完成；④缓凝水泥浆初凝时间大于10 h；⑤充填结石高度不低于238 m(可低于灰土盘1 m)；⑥对缓凝水泥浆的强度没有要求。

经过现场多次试验，选出较优的2个缓凝水泥浆的配比和样品，结果见表1，该竖井单孔缓凝水泥浆理论配比见表2所示。

表1 缓凝水泥浆配比

表2 单孔缓凝水泥浆配制

水泥浆密度为1.6 t/m3，水泥标号425，黏土为钠基膨润土，三聚磷酸钠为工业级，葡萄糖酸钠浓度在99%以上。

由于缓凝水泥浆结石率仅为83%，凝结后不能完全充填该间隙。因此，该竖井8个注浆孔缓凝水泥浆的计量应提高20%，以满足充填结石高度不低于238 m，如表3所示。

3.3 缓凝水泥浆充填工艺

(1)扫孔。利用钻具对8个注浆孔逐一扫孔，扫孔深度为设计冷冻深度，清除注浆孔内部分堵塞的泥浆或砂石，确保注浆孔畅通，保证充填料和冷冻管能完全安装到设计位置。

表3 竖井8孔缓凝水泥浆的配制

(2)洗孔。清洗注浆孔，减少扫孔浆液中夹杂的砂石含量，避免在安装冷冻管的过程中，砂石嵌入固管段套管和冷冻管之间，影响施工。

(3)充填缓凝水泥浆。将配制好的缓凝水泥浆一次性注入注浆孔内，注满为止，采用从孔底向孔口上行式充填。

(4)安装冷冻管。在缓凝水泥浆注满后立即提出钻具，即刻组织注浆孔的冷冻管安装工作。

(5)冷冻管试压试验。对冷冻管进行打压试验，以确保冷冻管的完整性。如冷冻管试压不合格，立即换管，重新安装。

(6)二次充填。在间隔第一次充填24 h后开始对固管段套管和冷冻管间隙进行二次充填。该充填断面应从第一次充填的结石面开始，选用φ14 mm×2 mm钢管作为下料口。如此反复充填，直至缓凝水泥浆的结石高度不低于238 m为止。

3.4 注意事项

为确保充填效果，在缓凝水泥浆充填注浆过程中应特别注意以下问题：①缓凝水泥浆配比试验应模拟注浆孔的内环境，主要是考虑温度的影响；②充填过程中缓凝水泥浆有一定的损失，所以，一次配比的剂量要充足;③务必确保注浆泵、钻机等其他关键设备完好，避免缓凝水泥浆充填注浆过程中出现设备故障;④多次充填，一般3次充填注浆可以确保缓凝水泥浆的结石高度不低于要求高度。

4 结 语

缓凝水泥浆在一定程度解决了利用注浆孔作为冷冻孔时的充填问题，且充填效果良好，在工程费用、工期等方面具有借鉴意义。但缓凝水泥浆存在结石率不高的问题，需要进一步试验研究其配比，以取得更好的掘进效果。

[1] 刘戌晨，何幸福.河北钢铁集团矿业有限公司司家营铁矿矿区1～4号回风井工程勘察报告[R].唐山：中冶地勘岩土工程有限责任公司，2012.

[2] 于宝前.河北钢铁集团矿业有限公司司家营铁矿矿区采选工程初步设计说明书[R].大连：中冶北方(大连)工程技术有限公司，2013.

2014-11-11)

范天文(1987—)，男，技术员，063701 河北省唐山市滦县响嘡镇。