孫曉宇　楊紅軍　董慶歡

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

?

壓水試驗(yàn)在大賈莊鐵礦地面預(yù)注漿工程中的應(yīng)用*

孫曉宇1,2楊紅軍1,2董慶歡1,2

(1.天地科技建井研究院；2.北京中煤礦山工程有限公司)

摘要壓水試驗(yàn)是一種常用的水文地質(zhì)試驗(yàn)方法，正式注漿前的打壓試驗(yàn)可檢查注漿管路的密封性、耐壓性；注漿前的壓水試驗(yàn)不僅可檢查止?jié){塞的密封效果，還可為注漿工程中注漿壓力、漿液類型、注漿時(shí)間等參數(shù)的確定提供依據(jù)，注漿后的壓水試驗(yàn)可避免注漿管路被漿液結(jié)實(shí)體堵塞；檢驗(yàn)性壓水試驗(yàn)可檢查注漿效果，并確定是否需要復(fù)注等。分別從正式注漿前的打壓試驗(yàn)、注漿過(guò)程中注漿前后的壓水試驗(yàn)、注漿完畢后的檢驗(yàn)性壓水試驗(yàn)等3個(gè)方面，詳細(xì)分析了壓水試驗(yàn)在大賈莊鐵礦地面預(yù)注漿工程中的應(yīng)用成果，為類似礦山工程提供參考。

關(guān)鍵詞打壓試驗(yàn)壓水試驗(yàn)地面預(yù)注漿

礦井井筒建設(shè)之前，井筒涌水量較大，如不采用地面預(yù)注漿工藝將井筒周圍的地下水進(jìn)行有效堵截，井筒建設(shè)工程則無(wú)法進(jìn)行。注漿前后井筒的水文地質(zhì)條件會(huì)發(fā)生較大變化，差別較大，為有效確定注漿參數(shù)，并對(duì)注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，需根據(jù)具體施工情況選擇行之有效的水文地質(zhì)試驗(yàn)方法計(jì)算井筒各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，并求解井筒涌水量，為井筒建設(shè)提供必要的依據(jù)，并較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)堵水效果[1]。在長(zhǎng)期的施工過(guò)程中，在分析對(duì)比各種水文地質(zhì)試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，本研究以大賈莊鐵礦地面預(yù)注漿工程為例，對(duì)壓水試驗(yàn)方法的應(yīng)用成果進(jìn)行探討。

1工程概況

大賈莊鐵礦位于河北省灤縣南部與灤南縣北部交接處，跨越灤縣、灤南兩縣，隸屬于灤縣響嘡鎮(zhèn)及灤南縣長(zhǎng)凝鎮(zhèn)和程莊鎮(zhèn)管轄。擬建主井鉆孔具體位于司—馬—長(zhǎng)復(fù)式向斜構(gòu)造帶東側(cè)，基巖構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為褶皺為主、斷裂屬次的特征。根據(jù)ZK1井檢孔資料，地層由老至新為太古界、第四系地層，第四系孔系含水層井筒涌水量62 644.44 m3/d，基巖風(fēng)化裂隙含水層井筒涌水量297.35 m3/d，基巖構(gòu)造裂隙含水層井筒涌水量10 546.28 m3/d。為使該井筒安全順利地穿過(guò)含水層，采用“上凍下注”法施工，注漿施工段為240～690 m，根據(jù)地層情況分為11個(gè)注漿段?？傮w設(shè)計(jì)方案：主井井筒注漿孔12個(gè)，采用雙圈布孔，內(nèi)圈布設(shè)6個(gè)孔，圈徑11 m，孔間距5.5 m，外圈6個(gè)孔，圈徑14.5 m，孔間距7.25 m。該礦地面預(yù)注漿系統(tǒng)見圖1。

圖1　注漿系統(tǒng)示意

2壓水試驗(yàn)基本原理

壓水試驗(yàn)是一種在一定壓力下將清水壓入鉆孔試驗(yàn)段巖層中的水文地質(zhì)試驗(yàn)方法，通過(guò)計(jì)算壓水段單位吸水量、含水層滲透系數(shù)等水文地質(zhì)參數(shù)，判斷注漿前后巖層裂隙發(fā)育的相對(duì)程度及滲透性，并利用有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算井筒涌水量，為井筒建設(shè)提供依據(jù)。該方法原理見圖2[2-3]。

圖2　注漿孔壓水試驗(yàn)原理

3試驗(yàn)結(jié)果

3.1打壓試驗(yàn)

在所有注漿系統(tǒng)形成之后，為驗(yàn)證注漿管路的密封性、耐壓性，需對(duì)注漿系統(tǒng)進(jìn)行打壓試驗(yàn)。鑒于注漿管路總長(zhǎng)度不超過(guò)500 m，且管道材質(zhì)相同，對(duì)整個(gè)注漿管路進(jìn)行一次性打壓試驗(yàn)即可。在注漿管路打壓過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)有局部滲漏，應(yīng)減慢升壓速度或停止加壓，對(duì)滲漏點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，并進(jìn)行檢查，在確定強(qiáng)度可靠時(shí)，可繼續(xù)加壓，以便使所有問(wèn)題暴露出來(lái)。在將所有暴露的滲漏點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)處理后，將壓水壓力逐漸提升至設(shè)計(jì)注漿終壓的1.2～1.5倍，如原滲漏點(diǎn)既無(wú)擴(kuò)大又未出現(xiàn)新的滲漏點(diǎn)，在穩(wěn)定20 min后方可投入正常運(yùn)行。

3.2注漿過(guò)程壓水試驗(yàn)3.2.1注漿前壓水

圖3　壓水持續(xù)時(shí)間與壓水壓力的關(guān)系

壓水試驗(yàn)結(jié)果一般采用單位吸水量表示。單位吸水量的大小不僅可表示巖層滲透性的大小，而且在一定程度上也表示地層可注性的高低。單位吸水量小，一般情況下可注性較差，單位吸水量大，一般情況下可注性較好，計(jì)算公式為

(1)

式中，W為單位吸水量，L/(m·m·min)；Q為壓水水量，L/min；P為壓水壓力，MPa，可換算成水柱高度，m；L為壓水段高度，m。

圖注漿孔單位吸水量的變化趨勢(shì)

3.2.2注漿后壓水

在大賈莊鐵礦主井井筒12個(gè)注漿孔的11個(gè)注漿層段注漿施工過(guò)程中，每次注漿后都進(jìn)行了壓水試驗(yàn)。注漿孔段每次注漿工作剛結(jié)束時(shí)，漿液還未凝固，此時(shí)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法用于分析注漿巖層的透水性和可注性，更無(wú)法據(jù)此判斷注漿后的地層是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的防滲標(biāo)準(zhǔn)。注漿后壓水試驗(yàn)的壓水量應(yīng)根據(jù)注漿管路內(nèi)徑及鉆桿長(zhǎng)度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，壓水水量過(guò)少注漿管路中的漿液仍會(huì)有少許留于注漿管路中，如果過(guò)多便會(huì)降低漿液在巖層中的結(jié)實(shí)率。

3.3檢驗(yàn)性壓水試驗(yàn)

3.3.1質(zhì)量檢查孔確定

3.3.2壓水試驗(yàn)孔段劃分

3.3.3壓水壓力確定

壓水試驗(yàn)壓力一般為受壓點(diǎn)靜水壓力的1.5～2.5倍，1個(gè)壓水段選擇3個(gè)壓力值，壓水壓力由小到大進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)某一壓水點(diǎn)測(cè)量的最大、最小壓力差與平均壓力的比值小于10%并保持20 min時(shí)，則認(rèn)為該壓水點(diǎn)壓力已穩(wěn)定。

3.3.4壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)公式推導(dǎo)3.3.4.1壓水試驗(yàn)公式

地面預(yù)注漿工程壓水試驗(yàn)滲透系數(shù)計(jì)算公式為

(2)

式中，K為滲透系數(shù)，m/d；r為鉆孔半徑，m；a為系數(shù)，當(dāng)含水層厚度大于1/3L時(shí)，取1.32，當(dāng)含水層厚度小于1/3L時(shí)，取0.66。

3.3.4.2裘布依公式

壓水試驗(yàn)與抽水試驗(yàn)均以裘布依理論和達(dá)西滲透定律為基礎(chǔ)，測(cè)定和計(jì)算地下巖層的滲透性和含水層的水文地質(zhì)參數(shù)的試驗(yàn)方法[4-5]。壓水水量計(jì)算公式為

(3)

由式(3)可推導(dǎo)出滲透系數(shù)的計(jì)算公式：

(4)

式(4)中，hw-h為壓水試驗(yàn)水位升高值，令P=hw-h為壓水試驗(yàn)水壓，換算為水柱高度，將式(4)中的壓水水量單位換算成L/min，便可推導(dǎo)出下式

(5)

3.3.4.3公式優(yōu)化

由式(2)、式(5)對(duì)比分析可知，若將式(5)中的M替換為L(zhǎng)，R替換為aL后，兩者則完全一致。根據(jù)相關(guān)規(guī)程，壓水試驗(yàn)段高通常不超過(guò)5 m，但大賈莊鐵礦主井井筒地面預(yù)注漿工程壓水試驗(yàn)分3段，分別將240～440 m、440～550 m、550～703 m段作為壓水段進(jìn)行壓水試驗(yàn)，含水層厚度分別為20.9，11.1，83.4 m，通過(guò)分析可知壓水段高和含水層厚度相差較大，采用式(2)計(jì)算主井井筒涌水量顯然不準(zhǔn)確。為此，對(duì)于大賈莊主井井筒涌水量的計(jì)算，可將式(5)中的R替換為aL，含水層厚度不作替代，便可得出優(yōu)化后的計(jì)算公式：

(6)

3.3.5井筒涌水量計(jì)算

根據(jù)理論分析及以往施工經(jīng)驗(yàn)，井筒涌水量計(jì)算公式為[4-6]

(7)

式中，QJ為預(yù)計(jì)井筒涌水量，m3/d；Sw為含水層最大降深，m；rJ為井筒荒半徑，m。

3.3.6數(shù)據(jù)分析

表1　大賈莊鐵礦主井井筒地面預(yù)注漿檢查孔壓水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

由表1可知：采用式(2)、式(7)計(jì)算的井筒涌水量為1.71 m3/h，采用式(6)、式(7)計(jì)算的井筒涌水量為5.35 m3/h，目前井筒開挖工作已完畢，實(shí)測(cè)井筒涌水量為5.6 m3/h，符合《礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中“注漿結(jié)束后井筒掘進(jìn)漏水量不應(yīng)大于6 m3/h”的要求，可見，大賈莊鐵礦主井井筒地面預(yù)注漿效果較好。

4結(jié)語(yǔ)

以大賈莊鐵礦地面預(yù)注漿工程為例，分別從正式注漿前的打壓試驗(yàn)、注漿過(guò)程中的注漿前后壓水試驗(yàn)、注漿完畢后的檢驗(yàn)性壓水試驗(yàn)等3個(gè)方面，分析了壓水試驗(yàn)在地面預(yù)注漿工程中的應(yīng)用效果，并對(duì)井筒涌水量的計(jì)算公式進(jìn)行了優(yōu)化，可供類似礦山工程參考。

參考文獻(xiàn)

[1]李勛千，楊春來(lái)，周慶芬.井筒涌水量預(yù)測(cè)及注漿堵水[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.

[2]叢山.礦山帷幕注漿堵水工程設(shè)計(jì)與施工[M].北京：地質(zhì)出版社，2011.

[3]趙宏偉.鉆孔壓水試驗(yàn)預(yù)測(cè)井筒涌水量的研究與實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012(8)：100-103.

[4]薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1997.

[5]陳崇希，林敏.地下水動(dòng)力學(xué)[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1999.

[6]武強(qiáng).煤礦防治水手冊(cè)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2013.

(收稿日期2016-04-05)

Application of Ground Pre-grouting Engineering of Dajiazhuang Iron Mine of Water Pressure Test

Sun Xiaoyu1,2Yang Hongjun1,2Dong Qinhuan1,2

(1.Institute of Mine Construction, Tiandi Science & Technology Co., Ltd.;2.Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd.)

AbstractWater pressure test is a common hydrogeological test method,the impermeability and durability of grouting pipes can be checked by the pressure test before the formal grouting;the water pressure test before the formal grouting can check the sealing effect of the grouting plugs,but also can provide reference for the determination of the grouting parameters of grouting pressure,grouting types and grouting time,the pipes can be avoided to be blocked by serous junction entities by the water pressure test after grouting;the grouting effects can be checked effectively and the repetitive grouting can be determined by the inspectability water pressure test.The application results of the water pressure tests of the ground pre-grouting engineering in Dajiazhuang iron mine are is analyzed from the aspects of the pressure test before the formal grouting,the water pressure tests before or after grouting during the grouting process and the inspectability water pressure test after grouting to provide some reference for the similar mine engineering.

KeywordsPressure test,Water pressure test,Ground pre-grouting

*天地科技技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(編號(hào)：KJ-2014-BJZM-03)。

孫曉宇(1985—)，男，工程師，碩士，100013 北京市朝陽(yáng)區(qū)和平里青年溝東路5號(hào)。