賈豐杰

(馬鋼(集團(tuán))公司姑山礦業(yè)有限責(zé)任公司白象山鐵礦)

·實(shí)用技術(shù)·

白象山鐵礦高承壓細(xì)小裂隙含水層預(yù)注漿技術(shù)

賈豐杰

(馬鋼(集團(tuán))公司姑山礦業(yè)有限責(zé)任公司白象山鐵礦)

礦山井下治水工程一直是安全生產(chǎn)的重大難題，根據(jù)白象山鐵礦-500 m北車(chē)場(chǎng)貫通時(shí)出水點(diǎn)實(shí)際狀況，對(duì)深部細(xì)小裂隙含水層分別采用了水泥-水玻璃以及改性脲醛樹(shù)脂預(yù)注漿工藝，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：改性脲醛樹(shù)脂擴(kuò)散半徑大，注漿量大，注漿前期壓力上升幅度小，穩(wěn)定時(shí)的壓力比水泥-水玻璃小4 MPa，單孔堵水率提高了57.5%，治水效果顯著，值得推廣。

細(xì)小裂隙含水層 改性脲醛樹(shù)脂 預(yù)注漿 堵水率

白象山鐵礦位于安徽省當(dāng)涂縣境內(nèi)，青山河流經(jīng)礦區(qū)。礦區(qū)地層由新到老為第四系、白堊系下統(tǒng)火山巖組、侏羅系中下統(tǒng)象山群、三疊系上統(tǒng)黃馬青組，其中三疊系上統(tǒng)黃馬青組雜色粉砂巖為礦床的主要含水層，平均厚113 m，有效裂隙率為1.4%，礦區(qū)內(nèi)存在10條斷裂，其中有7條導(dǎo)水?dāng)嗔雅c礦床有直接關(guān)系，礦床水文地質(zhì)條件復(fù)雜，自礦建以來(lái)，井下頻繁涌水，先后發(fā)生過(guò)3次較大的突水淹井事故，防治水難度大，嚴(yán)重制約了礦山的基建工作。

我國(guó)從上世紀(jì)60年代后逐步開(kāi)始應(yīng)用化學(xué)漿液，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，注漿材料、設(shè)備、工藝都取得了巨大的進(jìn)步[1]。目前，注漿材料種類(lèi)主要分為無(wú)機(jī)系和有機(jī)系，無(wú)機(jī)系主要為水泥、水泥-水玻璃、黏土、水玻璃漿液[2-3]，有機(jī)系主要有丙烯酰胺類(lèi)、聚氨酯類(lèi)、鉻木素類(lèi)、脲醛樹(shù)脂類(lèi)[4-5]。

通過(guò)白象山鐵礦在井底車(chē)場(chǎng)前期采用水泥-水玻璃預(yù)注漿未取得預(yù)期效果的情形下，改用以改性脲醛樹(shù)脂為主的化學(xué)注漿工藝，治水效果得到很大改善，為今后金屬礦山井下治水提供了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程水文地質(zhì)條件

-500 m中段北部車(chē)場(chǎng)布置在角巖化砂頁(yè)巖中。根據(jù)勘察報(bào)告，該層屬于弱富水層，分布形態(tài)受巖體接觸帶控制，出露位置南高北低，平均厚93.5 m，背斜西翼變薄。從剖面圖上分析，角頁(yè)化砂頁(yè)巖與上部閃長(zhǎng)巖中等富水層接觸，在礦床中部，缺少閃長(zhǎng)巖中等富水層，導(dǎo)致角頁(yè)化砂頁(yè)巖與上部雜色粉砂巖強(qiáng)含水層接觸，一般堅(jiān)硬完整，以細(xì)小裂隙為主，有效裂隙率為0.15%，單位涌水量為0.014～0.032 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.012～0.058 m/d，整體含水性不均。

2 注漿設(shè)計(jì)

-500 m中段北部車(chē)場(chǎng)段位于弱富水層，目前礦山處于基建期，排水系統(tǒng)不完善，為保證巷道的順利掘進(jìn)和加快施工進(jìn)度，同時(shí)減少井下排水壓力，制定了工作面預(yù)注漿的方法加固該細(xì)小裂隙含水層。設(shè)計(jì)注漿段長(zhǎng)35 m，掘進(jìn)段長(zhǎng)30 m，保留5 m的安全距離，掘進(jìn)完成后再進(jìn)行下一段次的預(yù)注漿工作。北部車(chē)場(chǎng)巷道凈斷面為3.1 m×3.28 m，在巷道外圈布置13個(gè)注漿孔(圖1)。理論計(jì)算表明巷道擾動(dòng)影響的最遠(yuǎn)距離為其半徑的3～5倍，則需要向巷道外偏出4.5 m左右，結(jié)合該北車(chē)巷向左轉(zhuǎn)彎，所以左幫及頂部鉆孔向外偏10°，右?guī)豌@孔向外偏3°～5°，采用風(fēng)鉆施工。

工作面的13個(gè)鉆孔單孔平均涌水量約20 m3/h，工作面總涌水量約280 m3/h，水壓約3.5 MPa，采用ZJB-30型高壓注漿泵，根據(jù)涌水情況，前期決定以水泥漿液為主，輔以水泥-水玻璃漿液進(jìn)行預(yù)注漿工作。

圖1 注漿鉆孔布置

3 水泥-水玻璃注漿工藝及效果

選取水泥、水、水玻璃為原料，對(duì)上述工作面進(jìn)行注漿，其中水灰比為0.5～2.0,水泥漿與水玻璃體積比為(1∶0.5)～(1∶1)，水玻璃模數(shù)為2.4～3.4，濃度為30～50 °Bé, 設(shè)計(jì)工作面預(yù)注漿量為92 m3，單孔注漿4 m3，在預(yù)注漿期間發(fā)現(xiàn)注漿壓力較大，10 d達(dá)到預(yù)注量后，工作面局部區(qū)域出現(xiàn)反滲現(xiàn)場(chǎng)，施工檢查孔觀察，涌水量依然很大。水泥-水玻璃注漿各參數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 水泥-水玻璃注漿各參數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系

從圖2可以看出，采用水泥-水玻璃注漿后，隨著時(shí)間的推移，注漿壓力急劇增大，出現(xiàn)注漿困難，側(cè)面反映了對(duì)微小裂隙含水層物理注漿時(shí)，由于其充填物顆粒大，擴(kuò)散半徑小等原因，很難在這類(lèi)圍巖含水層中充分?jǐn)U散，不易進(jìn)入細(xì)小裂隙深處，預(yù)注漿效果不顯著，而施工結(jié)束后的檢查孔平均涌水量高達(dá)13 m3/h，充分驗(yàn)證了這一點(diǎn)。由于水泥-水玻璃漿液在細(xì)小裂隙層預(yù)注漿效果不理想，所以參照原注漿方案使用化學(xué)漿液代替。

4 改性脲醛樹(shù)脂工藝及效果

4.1 漿液性能與配比

根據(jù)脲醛樹(shù)脂物理性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，其密度為1.18 g/cm3，其在甲醛與尿素摩爾比為2合成時(shí)的壓縮強(qiáng)度為5.2 MPa，一般情況下化學(xué)漿液可以灌注寬度不足10 μm的裂隙，而以三聚氰胺、聚乙烯醇合劑(8%)改性后的脲醛樹(shù)脂壓縮強(qiáng)度可達(dá)9 MPa，且改進(jìn)后的漿液會(huì)降低原漿液中甲醛含量，更具有環(huán)保性[6]，由于白象山鐵礦水的pH值為6.9～7.7,主體呈弱堿性，配以一定量堿性物質(zhì)，使得堵劑注入含水層后，其溫度不會(huì)過(guò)快升高，對(duì)施工安全性起到了一定的保護(hù)作用。

4.2 注漿效果

按照上述配比進(jìn)行預(yù)注漿，設(shè)計(jì)工作面13個(gè)注漿孔總注漿量為213 m3，單孔注漿量為36 m3，平均單位注漿量為16.5 m3，注漿過(guò)程中動(dòng)態(tài)檢測(cè)注漿壓力，化學(xué)注漿各參數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 化學(xué)注漿各參數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系

從圖3可以看出，改用改性脲醛樹(shù)脂后，其注漿壓力上升幅度比用水泥-水玻璃注漿要小，當(dāng)兩者壓力達(dá)到平衡時(shí)，后者比前者小約4 MPa；且注漿量在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上也都高于前者。不難看出，改性脲醛樹(shù)脂擴(kuò)散半徑要大于普通的物理注漿介質(zhì)，更有利于進(jìn)入巖層破碎帶深處，大大增強(qiáng)了其封堵出水點(diǎn)的能力；同時(shí)，從檢查孔平均涌水量與時(shí)間變化關(guān)系可得出，施工的檢查孔平均涌水量為0.5 m3/h，說(shuō)明漿液已經(jīng)很好地滲入細(xì)小裂隙中，起到了良好的封堵作用。

5 結(jié) 論

(1)針對(duì)白象山鐵礦深部承壓細(xì)小裂隙含水層采用傳統(tǒng)的水泥漿液或水泥-水玻璃漿液治理時(shí)，由于裂隙開(kāi)度小，漿液難以進(jìn)入，導(dǎo)致升壓快，注入量小，采用水泥-水玻璃物理注漿的單孔平均堵水率為40%，采用改進(jìn)后的改性脲醛樹(shù)脂的單孔平均堵水率為97.5%，整體單孔堵水率提高了57.5個(gè)百分點(diǎn)；改性后的脲醛樹(shù)脂復(fù)合藥劑中的三聚氰胺對(duì)甲醛游離基具有中和作用，降低了其化學(xué)毒性，同時(shí)使其壓縮強(qiáng)度提高了72.4個(gè)百分點(diǎn)。

(2)采用改進(jìn)后的化學(xué)注漿工藝治水后，巷道掘進(jìn)中僅少量滲水，無(wú)明顯的集中涌水現(xiàn)象，30 m掘進(jìn)段完成后，僅局部頂板、側(cè)幫有部分淋水現(xiàn)象，該段總涌水量為2 m3，堵水效果超過(guò)了預(yù)期，保證了開(kāi)拓工程的順利進(jìn)行。

[1] 郭密文.高壓封閉環(huán)境孔隙介質(zhì)中化學(xué)漿液擴(kuò)散機(jī)制試驗(yàn)研究[D].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2010.

[2] 李利平,李術(shù)才,崔金聲.巖溶突水治理漿材的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(12):28-32.

[3] 殷金虎,賀子奇.地下工程注漿材料與注漿技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J].建筑技術(shù)與應(yīng)用,2007,9(1):13-15.

[4] 李冬林,姜振泉.深井高傾角微裂隙圍巖防滲化學(xué)注漿治理[J].煤田地質(zhì)與勘探,2005,33(4):25-28.

[5] 姜振泉,吳圣林,李冬林,等.趙莊礦斜井微裂隙圍巖防滲化學(xué)預(yù)注漿治理[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2005,33(4):15-17.

[6] 洪曉東,孫 超,牛 鑫,等.改性脲醛樹(shù)脂的合成及性能[J].化工進(jìn)展2013,32(4):848-851.

2015-03-26)

賈豐杰(1981—),男，副礦長(zhǎng)，工程師,243000 安徽省馬鞍山市。