中关铁矿帷幕注浆技术改进提升施工效率

一、概况

河北钢铁集团矿业公司中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，北距邢台30km，南距邯郸53km，矿体南北长2　000m，宽800m左右，平均厚度38.0m，最大厚度193.06m，埋深300～700m，储量近1亿t。

该矿位于邢台市上游，水文地质条件复杂，强行疏干不但成本极高，还会破坏大区域生态环境，危及下游几百万人的用水安全。为实现合理开采矿产资源，有效保护环境水资源，中关铁矿治水拟采用帷幕注浆堵水方案，达到既能开采矿产资源，又保护环境的目的。

帷幕注浆工程由华北有色工程勘察院承担施工，2008年6月正式动工建设，施工工期两年，帷幕线全长3　397m，全线布置300个注浆钻孔，最大孔深800m，帷幕注浆钻孔需穿越第四系、石炭—二叠系、中奥陶系及燕山期闪长岩，其中包括蚀变带、断层带、破碎带等地质情况及水文情况复杂的关键地层。同时，设计要求幕体堵水率达80%以上，幕体的防渗性和强度要求高。因此，该工程具有施工工期紧、质量要求高、施工技术难度大等特点。

QC小组成员简介详见表2－1－1、表2－1－2。

表2－1－1　小组概况

表2－1－2　QC小组成员情况

二、选择课题

（1）合同工期：中关铁矿帷幕注浆工程合同工期两年（2008年6月—2010年6月），合同工期紧。

（2）上级目标：2009年是中关铁矿帷幕注浆工程最关键的一年，必须实现钻探进尺“保10万，争11万”米的进度目标。

（3）施工现状：帷幕注浆钻孔施工工序主要包括搬家、钻探、处理事故、注浆等，根据统计结果做出排列图及岩溶注浆统计结果，图表表明施工各环节注浆耗时最长，为全孔施工时间的55%（图2－1－1），其中岩溶段注浆时间为正常值的3倍左右（图2－1－2）。

图2－1－1　施工各环节耗时比例

图2－1－2　岩溶段施工效率示意

1—岩溶段注浆时间百分比；2—正常值

（4）选择课题：针对问题之所在，我们选择了以“改进岩溶注浆工艺，提高帷幕施工效率”（图2－1－3）为本次QC活动的主题，重点突出，目标明确，切实为解决攻克工程中亟待解决的问题打下良好基础，在选定课题后，我们排列了QC活动进度计划，以保证每次活动按计划进行（表2－1－3）。

图2－1－3　选择课题示意

表2－1－3　小组活动时间进度

三、调查现状

1.各工序施工耗时调查

帷幕注浆钻孔施工主要包括搬家、钻探、处理事故、注浆等工序，对30个已完岩溶钻孔进行统计，见表2－1－4，图2－1－4。

表2－1－4　岩溶钻孔帷幕注浆各工序耗时调查（单位：%）

图2－1－4　岩溶钻孔帷幕施工各工序耗时统计排列

1—帷幕注浆钻孔耗时累计曲线；2—正常钻孔耗时累计曲线

主要问题：帷幕注浆施工过程中注浆耗时长。

2.地层岩溶裂隙发育情况调查

中关铁矿帷幕注浆工程由于帷幕线较长，施工中将帷幕线划分为3个工区，3个工区同时施工，按QC活动程序，小组成员对岩溶裂隙注浆情况进行了详细的现状调查，见图2－1－5，表2－1－5。

图2－1－5　岩芯溶蚀照片

表2－1－5　岩溶钻孔统计

主要问题：中关铁矿地层岩溶裂隙发育。

3.岩溶裂隙发育注浆段施工情况统计

对岩溶裂隙发育注浆段进行注浆统计，见表2－1－6。

表2－1－6　岩溶注浆段施工情况统计

注：D1为钻孔施工总天数，D2为溶洞施工天数。

主要问题：钻孔岩溶裂隙段注浆耗时长。

4.结论

调查结果表明，全区钻孔平均见洞率为28%，单孔溶洞段施工天数为全孔施工天数的36%，单孔溶洞段注灰量为全孔总注灰量的40%。以平均注浆钻孔深度500m计算，可划分为10个注浆段，单段注浆时间为全孔10%左右，岩溶段施工时间超出正常值3倍左右。

主要问题：中关帷幕注浆工程地层岩溶裂隙发育，吃浆量较大，注浆耗时长。

四、设定目标

目标确定：根据现状调查及现场施工经验，采取有效措施及优化施工工艺后，溶洞注浆时间可减少为原来的50%，即溶洞平均注浆时间为全孔时间的15%左右（图2－1－6）。

目标可行性论证：以500m深度钻孔平均施工效率为例，统计结果表明，500m深度钻孔平均施工时间为45d，其中单段注浆段施工天数为2～4d。

溶洞平均高度为2m时，根据公式（2－1）计算可得需要注灰量V1为155m3（图2－1－7）；根据公式（2－2）计算可得一天的注灰量V2为54m3，由此可知，溶洞注浆时间为3d左右，完成既定目标：注浆时间、注灰量减少50%，从理论上可以实现。

图2－1－6　设定目标

1—岩溶段注浆时间百分比；2—正常值

图2－1－7　溶洞注浆示意

式中：L1为钻孔间距，12m；L2为帷幕厚度，10m；H为溶洞高度，取2m；β为经验系数，取1.5；α为浆液结实率，取0.85。

式中：L为注浆泵浆量，100L／min；t为1天内的注浆时间，取15h；n为1m3浆液中水泥含量系数，取0.6。

五、分析原因

因果分析见图2－1－8。(www.xing528.com)

图2－1－8　“注浆效率低”因果分析

六、确定要因

影响浆液凝结时间的因素见表2－1－7。

表2－1－7　影响浆液凝结时间的因素

七、制定对策

对策、目标及措施的制定见表2－1－8。

表2－1－8　影响浆液凝结时间的因素

八、对策实施

制定出对策以后，关键在于严格按照制定出的对策、措施去执行，本次攻关课题成功与否，就在于施工过程中实施的好与坏，所以我们小组在2009年10月14日以后进行严格实施，具体步骤如下所述。

1.岩溶裂隙分类

根据对中关地层的详细调查，可以将中关吃浆量较大的地层大致分为三类：①水位以上大裂隙地层；②水位以下大裂隙地层；③大溶洞。其中大溶洞根据其大小、地下水流速及溶洞连通性可划分为不同的等级，进而采取不同的措施，采用表2－1－9的分类法。

表2－1－9　溶洞特性等级划分

2.注浆材料选用

（1）速凝浆液注浆工艺。根据实验结果，可在不同注浆阶段采用不同配比的水泥速凝浆液，一般结束注浆前采用在0.8∶1的水泥浆液中添加5%（体积）的40°Be的水玻璃。同时为了提高结石体的早期强度也可采取在0.8∶1的水泥浆液中添加0.05%三乙醇胺和0.5%的氯化钙，室内实验如图2－1－9所示。

图2－1－9　室内实验过程

（2）混合浆液注浆工艺。根据试验结果，水固比0.8∶1、尾矿砂添加量为20%的混合浆液具有现场可操作性和较好的注浆堵水效果（表2－1－10～表2－1－12，图2－1－10）。

表2－1－10混合浆液试验结果

表2－1－11　尾矿砂细度模数计算

表2－1－12　尾矿砂颗粒组成计算

（3）粗骨料注浆工艺。对中关铁矿帷幕注浆过程中所遇到的溶洞，根据其不同的特点进行了相应的处理，具体操作如下：①详细调查溶洞特征，确定溶洞顶底板高度及透水连通情况；②经过理论计算确定首次注浆量，根据注浆后扫孔情况判定溶洞的连通性后采取不同措施；③添加粗骨料遵循“分次添加，间歇注浆”的原则，以保证骨料充分地扩散及固结。

图2－1－10尾矿砂颗粒级配曲线

3.注浆方式优化与改进

QC小组在完善注浆施工工艺方面主要考虑了以下方面：①浓浆及混合浆液使用；②井口注浆；③上行式注浆。

4.注浆设备改进

中关铁矿帷幕注浆工程，通过室内及现场试验采用速凝浆液、混合浆液、粗骨料等优化后的注浆工艺，成功解决了大裂隙和溶洞地层注浆难题，同时根据施工要求设计加工了一批特殊地层注浆配套设备。

（1）速凝浆液配套设备。图2－1－11所示为速凝浆液配套设备，该设备主要用于速凝浆液注浆，能够进行单管双液注浆，在注浆工程中可同时输送水玻璃、水泥浆以及三乙醇胺、氯化钙、水泥浆等混合速凝浆液。

图2－1－11　速凝浆液配套设备

图2－1－12　溶洞粗骨料添加设备

（2）溶洞粗骨料添加设备。图2－1－12所示为溶洞粗骨料添加设备，该设备主要用于在溶洞注浆过程中添加粗骨料，在粗骨料添加过程中为了防止粗骨料堵塞钻孔，常常需要带水填料，靠水流润滑钻孔、冲刷填料。该设备可用于Φ91mm、Φ75mm口径钻孔添加粗骨料。

（3）溶洞注浆移动搅拌设备。该设备主要用于移动输送水泥－尾矿砂混合浆液。由于尾矿砂粒径及硬度较大，常规使用的注浆泵不能长时间输送水泥－尾矿砂混合浆液。同时，水泥－尾矿砂混合浆液具有离析时间短，沉淀快的特点，因此，不适宜利用现有的注浆泵及长距离的注浆管路进行输送。鉴于此，项目部设计加工了移动搅拌设备（图2－1－13），该设备运输方便、使用灵活，能够适应水泥－尾矿砂混合浆液的注浆要求。

图2－1－13　移动搅拌站设备

九、检验效果

自QC小组活动以来，在中关铁矿帷幕注浆工程中多次应用QC活动成果，在很大程度上提高了大裂隙、岩溶注浆效率，提高了帷幕整体施工效率（表2－1－13，图2－1－14）。

表2－1－13　QC活动后溶洞注浆施工情况

注：D1为钻孔施工总天数，d；D2为溶洞施工天数，d。

根据现状调查及现场施工经验，采取有效措施及优化施工工艺后，溶洞注浆时间可减少为原来的50%，即溶洞平均注浆时间为全孔施工时间的15%左右。

图2－1－14为QC小组活动后的岩溶注浆时间统计，图中数据表明，溶洞平均注浆时间为全孔施工时间的11%左右，达到并超出了预定目标QC小组活动效果显著。

图2－1－14　QC小组活动后岩溶注浆时间统计

十、巩固措施，继续开展活动

对于部分行之有效的对策措施，QC小组通过讨论，最终形成了标准化的规章制度，通过制度的贯彻落实，有效地解决了制约提高注浆效率的因素，加快了施工进度，达到并超过了预期设定目标，顺利完成了QC小组的任务。

（1）编制注浆工艺指导书。

（2）完善注浆工艺理论。根据掉钻的情况判断溶洞及裂隙的大小，进而确定采取相应的注浆手段，如果溶洞尺寸较大，经多次间歇注浆无效果时，可采取向钻孔内加入一定粒料的方式，将孔内的浆液流动形式由管道流向渗流转化（图2－1－15～图2－1－16）。采取措施时的注浆量可根据下式确定：

式中：α为经验调整系数；R为浆液扩散半径；L为注浆段长度；h为回次岩芯长度；ni为裂隙宽度。

图2－1－15　管道流浆液扩散方式

图2－1－16　渗流浆液扩散方式

本次岩溶注浆QC活动小组取得了丰硕的成果，在这个过程中，每位成员得到了学习和锻炼，增加了小组成员的施工经验，提高了自身业务水平和素质。我们小组决心把QC活动深入开展下去，继续采用QC的原理对施工其他环节进行质量控制。

中关铁矿帷幕注浆工程施工完成后要求有80%的堵水率，但是调查发现，由于帷幕注浆施工为新兴治水手段，其施工质量的有效检查手段比较匮乏，因此，中关铁矿帷幕注浆工程拟利用QC活动原理对帷幕注浆施工质量进行检查改进，这将是我们小组的下一步工作目标。