張紀(jì)堂 宋 陽(yáng) 左世曉

（臨沂會(huì)寶嶺鐵礦有限公司，山東 臨沂 277712）

我國(guó)地下礦山地質(zhì)、水文地質(zhì)條件總體上十分復(fù)雜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在華北地區(qū)受水害威脅的礦井達(dá)230 多個(gè)[1]?，F(xiàn)階段礦山涌突水的注漿治理工作因注漿技術(shù)尚停留在經(jīng)驗(yàn)發(fā)展階段，沒(méi)有科學(xué)成熟的理論指導(dǎo)，這不僅給井下采掘工程帶來(lái)了安全威脅，增加了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，浪費(fèi)國(guó)家資源，也一定程度地破壞了生態(tài)環(huán)境。因此提出一套科學(xué)的注漿治水方法，對(duì)礦井防治水工作的開(kāi)展具有重要意義。

1 礦井概況

會(huì)寶嶺鐵礦位于山東省蘭陵縣城西20km，屬蒼嶧礦區(qū)，為隱伏礦床，礦體賦存于泰山巖群山草峪組變質(zhì)巖層中，發(fā)育有兩條主礦帶共4 個(gè)礦體，平均厚度41.2m，主采深度+10m～ -410m，為低品位磁鐵礦。

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

礦區(qū)位于尼山凸起與嶧城凸起的交匯部位，二者以棗莊斷裂為界，北為尼山凸起，南為嶧城凸起。基底主要發(fā)育褶皺構(gòu)造，蓋層表現(xiàn)為總體向北東緩傾斜的單斜構(gòu)造，傾角10°～26°，斷層構(gòu)造發(fā)育。區(qū)內(nèi)泰山群變質(zhì)地層經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的變質(zhì)變形作用形成了一系列復(fù)式倒轉(zhuǎn)背斜和復(fù)式倒轉(zhuǎn)向斜，具有相間出現(xiàn)、平行產(chǎn)出的特征。自北向南依次發(fā)育太（太平村）白（白水牛石）向斜和石（石門(mén)）閆（小閆莊）背斜及辛莊向斜、后大窯背斜等。在巖層中有緊閉褶皺正、倒韻律層的重復(fù)出現(xiàn)。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

礦區(qū)位于西至白水牛石斷裂或山草峪組地層、北至文峰山斷裂、南至棗莊斷裂、東至龍輝大斷裂的水文地質(zhì)單元內(nèi)。除了西邊界為相隔透水邊界外，其余邊界均為透水邊界。礦區(qū)位于該水文地質(zhì)單元的補(bǔ)給、徑流區(qū)。區(qū)域內(nèi)地下水主要賦存于蓋層地層中的砂巖、粉砂巖和灰?guī)r中，整個(gè)蓋層地層分布較為穩(wěn)定，呈近南北走向分布，向東傾斜為單斜構(gòu)造產(chǎn)出，向南北走向及向東傾向方向上展布較廣。礦區(qū)水文地質(zhì)類型總體為中等型。

1.3 礦區(qū)主要含隔水層特征

根據(jù)含水介質(zhì)地層巖性組合特征及地下水賦存條件、富水程度，礦區(qū)由上到下劃分為四個(gè)含水層：第四系松散巖類孔隙含水層、李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層、二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層、變質(zhì)巖裂隙含水層。

其中主要含水層為李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層、二青山組灰?guī)r-砂巖巖溶裂隙含水層。各含水層水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 會(huì)寶嶺鐵礦主要含水層特征

2 礦井水害類型分析及治理方法

礦區(qū)的水害主要來(lái)自不良鉆孔導(dǎo)通上部蓋層含水層造成的工作面掘進(jìn)、回采施工過(guò)程中的涌水。

會(huì)寶嶺鐵礦在詳查勘探期間共布設(shè)勘探線10余條，施工地質(zhì)鉆孔90 余個(gè)，地面布設(shè)的勘探鉆孔直接穿過(guò)上覆含水蓋層。在封孔過(guò)程中由于蓋層含水層水壓大及早期封孔技術(shù)不成熟，導(dǎo)致大量鉆孔封閉不良，給礦井生產(chǎn)造成安全隱患。在治理不良鉆孔水害過(guò)程中根據(jù)涌水量、水壓等參數(shù)的變化情況，會(huì)寶嶺鐵礦分別運(yùn)用了孔底點(diǎn)注漿、分段泄壓注漿及截水墻注漿等方法進(jìn)行鉆孔水害治理，并提出一套科學(xué)的注漿治水的方案。注漿方案見(jiàn)表2。

表2 注漿方案匯總

2.1 孔底點(diǎn)注漿

2.1.1 適用情況

孔底點(diǎn)注漿法適用于水壓、水量較小的出水點(diǎn)封堵，治理方法簡(jiǎn)單，操作方便，參與人員較少。

2.1.2 出水情況判定

會(huì)寶嶺鐵礦-340m 水平34444 礦房中深孔施工過(guò)程中出水，出水量約22.5m3/h，水壓3.4MPa，為不良鉆孔導(dǎo)通上覆含水層出水。出水點(diǎn)水量、水壓較小，宜采用孔底點(diǎn)注漿法。

2.1.3 注漿孔施工及材料選擇

注漿孔由出水中深孔兼做，單孔深為2.5m，孔徑76mm。安裝注漿管長(zhǎng)度2.5m，壁厚5.5mm 無(wú)縫鋼管，孔底安裝2 個(gè)孔口閥，孔口閥承受壓力38kg。

注漿材料選擇普通硅酸鹽水泥（采用425#水泥），水玻璃模數(shù)2.8～3.4，濃度38～40Be′。

圖1 注漿管結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.4 注漿流程

打孔→下注漿管→固管→安裝注漿泵→攪拌機(jī)→安裝注漿器→壓水試壓→注漿堵水→檢查注漿效果→復(fù)注。

2.1.5 注漿效果

按孔底點(diǎn)注漿擴(kuò)散半徑計(jì)算公式[2]進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中：

R-注漿擴(kuò)散半徑；n-巖層孔隙率；

ξ-考慮注漿孔與不透水巖層或井壁連通時(shí)系數(shù)，取0.5；

Q-單位時(shí)間的注漿量；

t-注漿持續(xù)時(shí)間。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：

注漿完全封堵了不良鉆孔，注漿高度大于采礦段高，符合采礦需求。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間定期觀測(cè)，無(wú)水涌出，注漿效果良好。

2.2 分段泄壓注漿法

2.2.1 適用情況

分段泄壓注漿法適用于水量適中、水壓較大、需要高壓注漿且容易跑漿的出水點(diǎn)封堵。

2.2.2 出水情況判定

會(huì)寶嶺鐵礦-410m 水平41337 礦房鑿巖巷施工過(guò)程中揭露鉆孔出水，出水量50m3/h，水壓5.0MPa。水壓較大，宜使用分段泄壓注漿法封堵。

2.2.3 注漿孔施工及材料選擇

注漿孔布孔采用深孔、淺孔協(xié)調(diào)布設(shè)的方式，設(shè)定深孔孔深為15m，淺孔孔深為5m。

注漿孔沿不良鉆孔中心線延伸方向布孔。施工淺孔1 個(gè)，下注漿孔口管1.5～2m；施工深孔2 個(gè)，下注漿孔口管2～2.5m。各孔均安裝孔口閥，注漿材料選擇普通硅酸鹽水泥（采用425#水泥），水玻璃模數(shù)2.8～3.4，濃度38～40Be′。

2.2.4 注漿流程

通過(guò)一孔注漿、一孔泄壓返漿的步驟分段進(jìn)行注漿。注漿效果如圖2 所示。

0 孔底注漿→1 淺孔返水泄壓→1 淺孔返漿→停止注漿（漿液凝固，形成充注漿填體A）；

1 淺孔注漿→2 深孔返水泄壓→2 深孔返漿→停止注漿（漿液凝固，形成充注漿填體B）；

2 深孔注漿→3 深孔返水泄壓→3 深孔返漿→停止注漿（漿液凝固，形成充注漿填體C）；

3 深孔注漿→增加注漿壓力→計(jì)算吃漿量→持續(xù)注漿2t 水泥后停止注漿（漿液凝固，形成充注漿填體D）。

2.3 截水墻注漿法

2.3.1 適用情況

截水墻注漿法用于水壓大、涌水量大、壓力無(wú)法卸掉的鉆孔出水。

2.3.2 出水情況判定

會(huì)寶嶺鐵礦-410m 水平41343 礦房揭露鉆孔出水，出水量126m3/h，水壓5MPa，采用自然疏干法進(jìn)行疏水降壓，72h 后觀測(cè)該鉆孔，出水量及壓力穩(wěn)定沒(méi)有變化。鉆孔水量、水壓大，宜采用截水墻法進(jìn)行降壓截水處理。

2.3.3 工程地質(zhì)情況

施工擋水墻前首先查明施工地點(diǎn)工程地質(zhì)情況。41343 礦房附近巖石為黑云變粒巖，巖體較完整至完整，為Ⅰ～Ⅲ級(jí)巖體，巖石堅(jiān)硬，巖石飽和抗壓強(qiáng)度68.1～229MPa，抗剪強(qiáng)度6.16～37.3MPa，巖石力學(xué)強(qiáng)度較高，為堅(jiān)硬巖類，巷道掘進(jìn)一般不需要支護(hù)。截水墻處斷面及支護(hù)情況如表3 所示。

表3 截水墻處斷面及支護(hù)情況

2.3.4 截水墻設(shè)計(jì)

截水墻厚度計(jì)算基礎(chǔ)：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得水壓5MPa，設(shè)計(jì)按5.5MPa。按圓柱形墻體厚度計(jì)算法[3]：

S=r/（k/p）-1

式中：

S-截水墻墻體厚度，m；

k-建筑材料或巷道圍巖的安全抗壓強(qiáng)度，設(shè)計(jì)采用400 號(hào)砼，其抗壓強(qiáng)度為19.2MPa；

p-水壓，MPa；

r-墻體圓柱內(nèi)半徑，按f=3～4 時(shí)，r=1.2B；

B-巷道凈寬度，m。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：

S=1.2×3.9/[（19.2/5.5）-1]=1.88m。

考慮安全因素，截水墻最終設(shè)計(jì)墻體厚度2m，可滿足注漿堵水需要。截水墻頂部用錨桿加固，底部和幫部開(kāi)挖溝槽（1×1m），整個(gè)截水墻按300×300mm 間距綁扎Φ28mm 螺紋鋼，在墻上安設(shè)9 根6m 排水管，外漏1m，安裝高壓法蘭盤(pán)。截水墻截面如圖2 所示。截水墻經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)期，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的抗壓能力后，方可注漿。

圖2 41337 礦房分段泄壓注漿效果圖

圖3 截水墻斷面設(shè)計(jì)圖

2.3.5 注漿流程

注漿材料選擇普通硅酸鹽水泥（采用425#水泥），水玻璃模數(shù)2.8～3.4，濃度38～40Be′。采用12MPa 高壓注漿泵進(jìn)行注漿，注漿前期首先對(duì)墻體與巷道交接處進(jìn)行注漿加密，防止后期漏漿跑水。因墻體內(nèi)部含流動(dòng)水，空間較大，采取從下而上的注漿方式，下部注漿，上部排水，累計(jì)注入水泥107t、水玻璃4.8t 后注漿完成，墻體無(wú)滲水。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)會(huì)寶嶺鐵礦不良鉆孔注漿治理，總結(jié)注漿經(jīng)驗(yàn)，為礦井防治水工作提供科學(xué)指導(dǎo)，不斷加強(qiáng)礦井水害治理技術(shù)研究，保證地下礦山的安全開(kāi)采，提高社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。