高 超

（河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司）

司家營礦區(qū)基建過程采取“邊探邊掘”的技術(shù)方針，在豎井掘進和平巷掘砌時均遇到破碎帶，出水點處涌水較大時偶爾會造成淹井［1~3］。馬城鐵礦相比司家營鐵礦籌建較晚，建設(shè)過程吸取了司家營南區(qū)礦山基建的技術(shù)經(jīng)驗，豎井掘砌時采取地表預(yù)注漿技術(shù)，掘砌過程中涌水事故較少。在以往針對司家營礦區(qū)破碎帶治理的研究過程中，主要研究司家營礦區(qū)區(qū)域范圍內(nèi)的水文地質(zhì)情況，沒有考慮馬城礦區(qū)地下水運動可能對司家營礦區(qū)的影響。確定司家營南區(qū)和馬城礦區(qū)的地下水補排通道，針對不同涌水位置采取不同的靶向注漿方案，對司家營礦區(qū)防治水具有重要意義。

1 司家營—馬城礦區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

司家營—馬城礦區(qū)內(nèi)發(fā)育有多條斷層，其中馬城礦區(qū)發(fā)育有F1、F2、F33條斷層；司家營南區(qū)發(fā)育有F9~F135條斷層以及新河斷裂帶［4］。由于斷層的存在，破壞了地下含水層原有的構(gòu)造，使得地下含水層裂隙發(fā)育、隔水層存在天窗，形成了復(fù)雜的導(dǎo)水構(gòu)造。隨著司家營南區(qū)的緩建和馬城礦區(qū)的開采，2個礦區(qū)之間的地下水動態(tài)情況趨于復(fù)雜。

1.1 司家營—馬城礦區(qū)第四系含水層

（1）第四系上部強含水層。含水層上部為3~6 m厚的黏性土，下部主要為礫石、卵石層，富水性強。卵石粒徑主要為3~5 cm，級配、圓度適宜。第四系強含水層由于在礫石卵石層中存在不穩(wěn)定的黏性土層，使得其在水平和垂直方向上的滲透性和含水量分布不均勻。

（2）第四系主隔層。主隔水層巖性以泥質(zhì)黏土和粉砂質(zhì)黏土為主，橫向具有良好的連續(xù)性，但是豎向?qū)圆?，減少了第四系上、下含水層之間的水力聯(lián)系。主隔水層的層位和厚度變化很大，隔水層橫向分布于整個區(qū)域，相變劇烈，在不少地段形成了透水的天窗。

（3）第四系下部中等含水層。下部含水層巖性為透水性適中的角礫巖砂和粉砂質(zhì)黏土。由于粉質(zhì)黏土分布不均勻，連續(xù)性差，部分地區(qū)形成了天窗。這些天窗溝通了第四系與基巖段的水力聯(lián)系，形成了相互補給的導(dǎo)水通道。

1.2 司家營—馬城礦區(qū)基巖風(fēng)化裂隙含水層

（1）基巖強風(fēng)化帶。其空間分布在礦區(qū)北部淺、南部深，垂向厚度變化較大。整個巖體結(jié)構(gòu)松散，多經(jīng)歷變質(zhì)作用，顏色以黃白色和淺黃色為主。強風(fēng)化帶的風(fēng)化裂隙大部分連續(xù)充填黏土、鈣質(zhì)和砂土，富水性弱，持水能力強，滲透性強。在水頭差壓的作用下，很容易釋放出承壓水。

（2）基巖弱風(fēng)化帶。整層巖石結(jié)構(gòu)比較完整，變質(zhì)程度不高，巖心以塊狀或者短柱狀為主。斷層段多與弱風(fēng)化帶直接接觸，受擠壓影響，斷層帶與弱風(fēng)化帶在接觸部位交替出現(xiàn)。弱風(fēng)化帶的裂隙率和風(fēng)化程度隨深度的增加而減小，裂縫面多為泥質(zhì)和鈣質(zhì)充填。裂縫在弱風(fēng)化帶發(fā)育程度上差異較大，致使巖層透水性與富水性在整個基巖帶分布不均勻。

1.3 司家營—馬城礦區(qū)基巖構(gòu)造裂隙含水層

司家營南區(qū)斷裂構(gòu)造主要受F9~F13共5條斷層以及新河斷裂帶的影響，基巖受斷層影響，使得斷層帶兩側(cè)成為了地下水賦存空間和運移通道。司家營南區(qū)六大斷層帶之間聯(lián)系緊密，基巖破碎嚴(yán)重，富水性強，相互溝通，形成了以斷層連接帶為中心的斷層復(fù)合作用帶。

馬城礦區(qū)主要受F1、F2、F3這3條斷裂構(gòu)造影響，斷裂構(gòu)造影響基巖裂隙發(fā)育，基巖裂隙之間導(dǎo)水性較好，形成了以F1~F3復(fù)合作用帶為中心的降落漏斗。司家營南區(qū)基巖段水文地質(zhì)剖面見圖1，馬城礦區(qū)基巖段水文地質(zhì)剖面見圖2。

2 司家營—馬城礦區(qū)地下水運動補給關(guān)系

司家營礦區(qū)、馬城礦區(qū)抽水試驗的水文鉆孔編號均沿用華勘院提交的水文地質(zhì)勘察報告的鉆孔編號。通過2015年和2019年的基巖水位觀測數(shù)據(jù)可以看出，在馬城鐵礦豎井帷幕注漿階段，隨著司家營南區(qū)平巷工程不斷掘進，馬城礦區(qū)基巖裂隙水不斷補給到司家營礦區(qū)；隨著司家營南區(qū)的緩建以及馬城礦區(qū)豎井轉(zhuǎn)平巷工程的掘進施工，司家營礦區(qū)外圍基巖水開始作為補給源補給馬城鐵礦。司家營南區(qū)基巖水位部分觀測數(shù)據(jù)見表1，馬城礦區(qū)基巖水文部分觀測數(shù)據(jù)見表2。

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觀測數(shù)據(jù)顯示，司家營南區(qū)在2016年緩建后水位出現(xiàn)了明顯回升，馬城鐵礦平巷開始施工以后，基巖地下水水位不斷下降，并逐漸形成降落漏斗。司家營礦區(qū)的地下水與馬城礦區(qū)的地下水之間有明確的導(dǎo)水通道，基巖裂隙水在兩礦區(qū)內(nèi)形成了相互溝通的復(fù)合導(dǎo)水構(gòu)造［5］。由于基巖深部長期大量排水，司家營礦區(qū)涌水既有來自基巖含水層的側(cè)向補給，也有第四系的垂向補給，同時也有來自馬城礦區(qū)的地下水補給。通過馬城鐵礦抽水試驗、司家營南區(qū)抽水試驗和基巖水位長期觀測數(shù)據(jù)顯示，兩礦區(qū)的導(dǎo)水通道位于ZK15-4、NK26一帶。

3 豎井掘砌靶向注漿方案

司家營南區(qū)田興鐵礦2#副井施工至-260 m水平位置時，工作面出現(xiàn)81.4 m3/h的突發(fā)涌水，由于現(xiàn)場揭露的巖石比較破碎，且在基巖段掘砌時巖石裂隙發(fā)育，已進行過多次注漿，提出了地表預(yù)注漿的施工方案［6］。由于-260 m水平以上位置已施工完成凍結(jié)段、馬頭門和石門，決定采取“S”孔設(shè)計繞過馬頭門及石門位置，對-260 m水平以下位置進行靶向注漿。2#副井井筒凈徑6 m，基巖段井壁厚度700 mm，井深為519 m，本次設(shè)計圍繞井筒周圍布置鉆孔8個，“S”孔落點圈徑設(shè)計為10 m，鉆孔深度為530 m，注漿段為-260~-530 m?！癝”型鉆孔布孔及終孔落點情況見圖3。

3.1 水泥黏土漿配比

為了保證漿液擴散距離和注漿堵水效果，注漿材料選用黏度較高、流動性較好的水泥黏土漿。黏土選用塑性指數(shù)大于15的黏土，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，配以適量的結(jié)構(gòu)添加劑，選取試驗效果較好的水泥黏土漿。通過現(xiàn)場試驗及優(yōu)化配比，實際注漿過程中，原漿容量控制在1.24~1.32 kN/m3，每方漿液中水泥加入量控制為100~300 kg，結(jié)構(gòu)添加劑為10 L以上時注漿效果最佳。

3.2 “S”孔鉆進技術(shù)

“S”型注漿孔由上直孔段、定向段和下直孔段組成。定向段由增斜段、穩(wěn)斜段和降斜段組成；降斜段下部應(yīng)進入設(shè)計靶域，并且最終段鉆孔角度要與豎井井壁平行［7］。定向鉆進的核心技術(shù)是確?！癝”型鉆孔遵循設(shè)計規(guī)定的鉆孔軌跡，直至到達預(yù)期目標(biāo)區(qū)域，需要人為精準(zhǔn)控制鉆井軌跡（圖4）。在鉆進施工過程中，通過對定向鉆孔鉆進過程中偏差的準(zhǔn)確性進行測試，配備高精度陀螺儀對鉆進軌跡進行跟蹤。一般設(shè)置為每30 m測一次，距孔底段改為每1~2 m測一次，以跟蹤鉆進軌跡的趨勢。為了使下一段鉆井軌跡的設(shè)計更加可靠，有必要對鉆孔的測斜數(shù)據(jù)進行研究、分析和比較，并計算出鉆進過程中實際的造斜率和反扭矩角，確定鉆進方向的趨勢。

3.3 注漿參數(shù)的設(shè)計

注漿段高一般破碎巖層≤30 m，一般地層≤80 m，穩(wěn)定地層或重復(fù)注漿≤150 m。巖帽段高一般為10~20 m。注漿終壓的影響因素包括地下水壓力、巖石的裂隙率、裂隙開度，同時也要考慮注漿段高、漿液配比及性能等因素。注漿巖帽段注漿終壓值應(yīng)大于靜水壓力值的1.5倍；注漿段水泥黏土漿注漿終壓值：對孔深≤420 m的注漿段注漿終壓宜在靜水壓力值的3倍以內(nèi)；對孔深>420 m的注漿段注漿終壓宜在靜水壓力值的2.5倍以內(nèi)。田興鐵礦2#副井注漿段高、注漿壓力、漿液類型見表3。

漿液注入量一般根據(jù)井筒注漿段高、漿液有效擴散半徑、巖層平均裂隙率、漿液結(jié)石率等參數(shù)進行計算，其計算公式為

式中，Q為漿液注入量，m3；A為漿液消耗系數(shù)，水泥—水玻璃漿取1.5，水泥黏土漿取1.8；R為漿液有效擴散半徑，水泥—水玻璃漿取12 m，水泥黏土漿取16 m；H為注漿總段高，按表3注漿段高劃分為9段，總段高270 m；η為漿液結(jié)石率，水泥—水玻璃漿取0.82，水泥黏土漿取0.93；β為漿液充填系數(shù)，取0.93；m為巖層平均裂隙率，結(jié)合水文地質(zhì)資料綜合取值4.2%。

依據(jù)表3中段高及漿液類型，由上式計算得出田興鐵礦2#副井8個“S”靶向注漿孔的漿液總注入量為32 490 m3，與原設(shè)計注漿量23 067 m3相比超出9 423 m3。其原因為巖石裂隙發(fā)育程度超出預(yù)期，導(dǎo)致達到設(shè)計擴散半徑所需漿體體積增大，增加了注漿過程中漿液的整體消耗量［8］。

3.4 注漿效果檢驗

從表3的注漿段高、注漿壓力計算所得的注漿總量、檢查孔出水量分析來看，注漿后的堵水能力取得較高水平。利用提升注漿壓力、擴大穩(wěn)定時間和增加注入量等方式，對重要含水層區(qū)段和破碎帶地段取得了顯著的注漿效果。根據(jù)井筒實際揭露圍巖情況，漿液完全填充巖層的裂隙，而且豎井井壁和馬頭門工作面沒有顯著的出水點，治理破碎帶和堵水效果非常理想，井筒掘砌過程中，實測剩余涌水量為3.37 m3/h，也充分證明了注漿效果。

4 平巷掘砌靶向注漿方案

治理巷道底板涌水采用常規(guī)鉆孔施工時，底板鉆孔難度大、覆蓋面積小，必要時還需澆筑止?jié){墊；采用定向長鉆孔施工，能夠在巷道未揭露破碎巖層情況下進行超前注漿鉆孔，保證鉆孔軌跡在破碎層內(nèi)沿設(shè)計方向延伸，通過注入漿液充填巖石裂隙，在含水層之上加固1層隔水層，確保底板巖層強度，在巷道掘進時保證承壓水不涌現(xiàn)。

4.1 巷道底板定向長鉆孔設(shè)計

根據(jù)巷道底板出水點和巖層走向情況，分析底板巖層產(chǎn)狀變化，先計算出鉆孔鉆進的每個控制點和鉆孔靶向注漿的漿液擴散方位，根據(jù)揭露情況計算出鉆孔軌跡傾角，再根據(jù)每個控制點和靶向注漿的擴散半徑，運用插值計算方法，設(shè)計中間點的各參數(shù)值。本次巷道底板定向長鉆孔加固注漿共設(shè)計6個定向鉆孔，所有鉆孔的軌跡偏差均控制在設(shè)計范圍以內(nèi)，豎向鉆孔深度最大約8 m，最大單孔進尺45 m。

4.2 定向長鉆孔施工工藝

為了保證鉆進軌跡滿足設(shè)計要求，有必要利用可控定向鉆進技術(shù)和測斜儀對鉆進軌跡進行精確控制。定向長鉆孔的鉆具組合采用鉆頭+螺桿鉆+定向接頭+鉆桿。在施工過程中，通過定向鉆進技術(shù)與陀螺測斜儀的精確配合，實現(xiàn)了按照設(shè)計的軌跡準(zhǔn)確鉆進目標(biāo)區(qū)域。為了保證能精確探測含水層位置，隨鉆測量一般每隔5 m進行1次，并嚴(yán)格控制鉆孔軌跡的偏差，確保鉆孔軌跡盡可能沿設(shè)計軌跡延伸［9］。鉆孔達到設(shè)計深度后進行巷道底板注漿，漿液以水泥黏土漿為主。當(dāng)鉆孔出現(xiàn)偏差后，需要進行糾偏作業(yè)，使鉆孔軌跡大致沿著設(shè)計軌跡進行。

4.3 注漿效果檢驗

注漿時采取了漿液超擴散措施：一是選取自適應(yīng)性較好的水泥黏土漿作為注漿材料；二是注漿初期采用較低的注漿壓力，根據(jù)漿液注入量及擴散情況盡量取較小的注漿壓力；三是采用單次定量、多次重復(fù)的注漿方式，單次注漿量控制在100 m3以內(nèi)，待漿液凝固后再進行二次掃孔注漿。施工過程中，配合測斜儀器精確控制鉆孔軌跡，成功對底板破碎帶圍巖進行了注漿加固，在后續(xù)工作面掘進過程中，未出現(xiàn)底板起鼓或突水現(xiàn)象。利用定向鉆孔軌跡控制技術(shù)，能夠確保鉆孔軌跡沿預(yù)定探測區(qū)域延伸，對斷層破碎帶裂隙進行精準(zhǔn)靶向注漿。

5 結(jié) 論

（1）對比分析司家營礦區(qū)和馬城礦區(qū)的抽水試驗觀測數(shù)據(jù)，明確了司家營礦區(qū)基巖裂隙水與馬城礦區(qū)的基巖裂隙水相互補給，兩個礦區(qū)之間的地下水導(dǎo)通通道位于ZK15-4、NK26一帶。

（2）司家營南區(qū)田興鐵礦2#副井“S”型鉆孔地表預(yù)注漿技術(shù)成功繞過了凍結(jié)段、馬頭門及石門位置，實現(xiàn)了精準(zhǔn)靶向注漿?！癝”型鉆孔布孔設(shè)計、鉆進偏斜控制、注漿段高和注漿壓力的確定均取得了成功。從注漿效果看，優(yōu)化后水泥黏土漿很好地充填了巖石裂隙，起到了隔水層的作用。

（3）平巷定向長鉆孔受控鉆進注漿，通過技術(shù)手段將漿液控制在有效的擴散半徑內(nèi)，實現(xiàn)了靶向注漿堵水效果。司家營南區(qū)礦井涌水綜合治理措施的實施，為礦業(yè)公司下屬其他礦山地下水綠色治理開創(chuàng)了新模式、新途徑。