一种竖井穿过软弱围岩的加固方法与流程

1.本发明属于矿业领域，具体涉及一种竖井穿过软弱围岩的加固方法，尤其是一种用于竖井穿过软弱层的预注浆与超前筋联合加固方法，适用于采用竖井开拓的地下矿山。


背景技术：

2.作为地下开采矿山最重要的开拓工程之一，竖井一般深度较大，浅则一两百米，深则超千米，在竖井掘进过程中往往要穿过多个不同岩层，而不同岩层围岩的稳定性不尽相同。当竖井穿过的围岩强度高，稳定性强时，可采用传统的掘进支护方式。但是，当竖井掘进需穿过软弱层时，若仍采用传统的掘进支护方式，则存在较大的安全风险，轻则井壁垮塌，重则井毁人亡。
3.因此，当竖井掘进至临近软弱层时，必须采取一定的措施，防止井壁垮塌，保护人员和设备安全，避免发生安全事故。
4.目前，国内外针对竖井穿过软弱层采用的主要措施有短掘掘砌、加强支护、沉井法施工以及预注浆。短掘短砌以减小单循环进尺的方式降低围岩暴露面积，效率较低，且较为被动，不能从根本上增加围岩稳定性。加强支护措施主要采取增加井筒混凝土厚度、加强配筋、施工锚杆等，成本高，效率低，且同样为被动支护。沉井法施工具有一定的局限性，适用于均质软弱地层，且成本较高，工序繁琐。传统的预注浆技术可以在一定程度上增加围岩稳定性，但在裂隙贯通性不强或粉砂岩中，效果不理想。这些因素极大地影响了竖井在软弱层中的掘进效率和安全性。


技术实现要素：

5.本发明提供一种竖井穿过软弱围岩的加固方法，要解决的技术问题是：解决上述在软弱层中掘进竖井的方法存在的不足，从根本上增强围岩的稳定性，提升竖井掘进施工安全。
6.为了解决以上技术问题，本发明提供了一竖井穿过软弱围岩的加固方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
7.步骤1：竖井施工至距软弱层一定位置停止下掘，预留一定厚度的原岩止浆垫，在井筒底部浇筑一定厚度的混凝土，形成止浆垫混凝土；
8.步骤2：待混凝土达到设计强度后，进行钻孔作业，开孔圈径与竖井直径相同，设计钻孔8～12个，孔径φ60～80mm，沿开孔圈均匀布置，终孔圈径为竖井直径+2～4m，开孔圈、终孔圈与竖井同心，孔深超过软弱层5m；
9.步骤3：待钻孔达到设计孔深后，向孔内投入钢筋，长度与钻孔深度相同，然后对该孔进行最后一次注浆；
10.步骤4：单个孔注浆结束后，就近施工下一个孔，钻孔注浆依次进行，直至全部结束。
11.有益效果：本发明工艺简单，施工效率高，安全性强，将原有的破碎软弱层改良为
稳定岩体，将可能的涌水挤压至井筒外围，对软弱围岩稳定性提升明显，可有效增加竖井在软弱层中掘进施工速度和安全性。水泥浆液注入软弱层后，可将软弱围岩胶结为一个整体，增加围岩强度，提高稳定性。同时，高压浆液将可能的涌水挤压至井筒外围，从而将原来的破碎软弱层改良为稳定岩体隔水层，减低井筒涌水量。另外，注浆孔内置入钢筋，当竖井掘进至注浆与超前筋联合加固后软弱层时，竖直方向对围岩起到悬吊作用，防止围岩竖向下滑；在水平方向，钢筋起到抗挤压作用，可有效阻止围岩侧向滑移。
附图说明
12.图1是注浆钻孔俯视图；
13.图2是注浆钻孔正视图。
14.其中：1是井筒(开孔圈)，2是终孔圈，3是钻孔，4是浇筑混凝土止浆垫层，5是预留原岩止浆垫层，6是软弱层，7是钻孔超深原岩。
具体实施方式
15.为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
16.本发明提供一种竖井穿过软弱围岩的加固方法，其特征在于，所述方法包含两部分，一是软弱层预注浆，二是安装超前筋，两者联合作用加固竖井软弱围岩，具体包括以下步骤：
17.步骤1：竖井施工至距软弱层3～5m位置停止下掘，在井筒底部浇筑1～2m厚c30混凝土，软弱层上部3～5m厚原岩和1～2m厚混凝土共同组成注浆止浆垫层，用于防止注浆过程浆液渗漏。
18.若止浆垫围岩为iv类或v类，则在浇筑混凝土前，距井筒底板0.5～1m(混凝土厚度一半)位置，沿井壁一周均匀施工一排锚杆(直径φ25～38mm，长度2～4m)，间距1～2m，锚杆长度一半进入井壁，外部预留一半长度浇筑于混凝土止浆垫内，从而将混凝土止浆垫与围岩锚固为一个整体，防止注浆压力将止浆垫层顶松。止浆垫围岩指的是止浆垫周围的原岩。
19.步骤2：止浆垫混凝土养护3天后，搭设钻机操作平台，材料为φ89～114mm无缝钢管，平台高度为1～2m，上部用钢筋网等材料封闭，并采用30～50mm厚木板对钻机底座与作业平台之间进行固定，搭设钻机操作平台的目的一是便于人员操作，防止跌落；二是用于固定和移设钻机；三是一旦出现涌水，操作平台下部可作为缓冲空间，便于人员采取紧急措施。
20.步骤3：待止浆垫混凝土达到设计强度后，进行钻孔作业，开孔圈径与竖井直径相同，设计钻孔8～12个，孔径φ60～80mm，沿开孔圈均匀布置，终孔圈径为竖井直径+2～4m，开孔圈、终孔圈与竖井同心，钻孔垂深为5m止浆垫+软弱层厚度+5m，即孔深超过软弱层5m。
21.孔口5m段采用φ110～150mm钻头钻进，埋设5m长φ108～119mm硬质钢管孔口管，并用浓密快凝水泥浆将孔口管外壁与钻孔之间的空隙充满，养护36h后进行扫孔，再采用1.5倍注浆终压对孔口管进行耐压抗渗试验，确认无泄漏后进行φ60～80mm正常段钻进。当软弱层厚度较大，钻进困难或塌孔严重时，可分段钻进，即钻进
‑
注浆
‑
扫孔循环进行，分段高度5～10m，直至钻孔达到设计深度。
22.步骤4：待钻孔达到设计孔深后，向孔内置入φ20～40mm钢筋，长度与钻孔深度相同。
23.步骤5：采用p.o42.5普硅水泥配制单液水泥浆，水灰比为4～1:1，水泥与水玻璃的配比为1:0.3～0.5，水玻璃模数2.8～3.4，浓度宜为35～45波美度，终孔压力为静水压力的3～5倍，但不低于6mpa。
24.步骤6：单个孔注浆结束后，就近施工下一个孔，钻孔注浆依次进行，直至全部结束，注浆体养护周期为7天。
25.实施例：
26.某矿山掘进副井直径7.5m，根据工勘资料显示，井深111m～140m段29米井筒围岩为断层泥，属于v类围岩，工勘岩芯呈散体状，遇水即可快速崩解，局部泥柱状，手可捏碎，rqd值为0，为软弱带，且弱含水，可能形成流沙层，围岩稳定时间仅为数分钟至数小时，极易片帮垮塌。若不提前采取加固措施而进行常规掘砌，极有可能发生井壁或围岩垮塌事故，存在较大的安全风险，现场对该段进行预注浆与超前筋联合加固技术处理，具体为：
27.步骤1、浇筑止浆垫。施工至108m深后停止掘进，预留3m厚原岩止浆垫，首先在距离井筒底板0.5m高位置沿井壁均匀施工一圈锚杆，锚杆规格φ25mm*2000mm，间距1m，锚杆进入围岩1m，然后在井筒内浇筑1m厚c30混凝土止浆垫，养护3d。
28.步骤2、搭设钻机操作平台。为保证钻机快速移位安装，同时确保钻孔遇水提钻后能迅速关闭阀门，作业面设立操作平台。平台搭建选用φ108无缝钢管，高度为2m，上部用钢筋网等材料封闭。为防止钻进过程中出现突水冲倒钻机的情况出现，钻机底座与操作平台之间采用3cm厚木板进行固定。
29.步骤3、钻孔。预注浆孔12个，孔径φ64mm，孔垂深38.0m，开孔圈径7.5m，终孔圈径9.5m，开孔圈、终孔圈与竖井同心，钻孔沿开孔圈均匀布置，孔口距1.9m，终底距2.5m，钻孔角度为径向外偏2
°
，孔口5m段采用φ130mm钻头钻进，埋设φ108
×
4mm
×
5m硬质钢管孔口管，并用浓密快凝水泥浆将孔口管外壁与钻孔之间的空隙充满，养护36h后进行扫孔，采用9mpa压力对孔口管进行耐压抗渗试验，确认无泄漏后进行正常段钻进。单个钻孔分四段进行钻进，即钻进
‑
注浆
‑
扫孔循环进行，分段高度9～10m，直至钻孔达到设计深度。
30.步骤4：待钻孔达到设计孔深后，向孔内投入φ30mm钢筋，长度与钻孔深度相同，然后对该孔进行最后一次注浆。
31.步骤5、注浆。采用p.o42.5普硅水泥配制单液水泥浆，水灰比为1:1，水泥与水玻璃的配比为1:0.3，水玻璃模数3.1，终孔压力6mpa。
32.步骤6：单个孔注浆结束后，就近施工下一个孔，钻孔注浆依次进行，直至全部结束，注浆体养护周期为7d。
33.步骤7、效果验证。在井筒中心施工一个φ64mm
×
38m垂直钻孔，取芯进行强度试验，用于验证加固效果。
34.本发明通过预留原岩止浆垫层、浇筑混凝土止浆垫层、搭设操作平台、钻孔、置入钢筋、注浆、效果验证等步骤，将原来的软弱层改良为稳固的围岩，以利于竖井快速掘进施工。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形
也应视为本发明的保护范围。