張志和

（核工業(yè)江西礦冶局，江西 南昌 330006）

我國(guó)硬巖型鈾礦主要表現(xiàn)為構(gòu)造控礦，礦體產(chǎn)狀陡傾，礦山多有構(gòu)造承壓水，對(duì)礦山工程和生產(chǎn)安全造成一定影響。特別是在礦山建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中，地壓變化對(duì)圍巖產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致巖體斷裂和裂隙發(fā)育，形成過(guò)水通道，使礦山涌水量增加。當(dāng)涌水量超過(guò)井下排水能力時(shí)，可能發(fā)生淹井事故，同時(shí)也可能誘發(fā)其他次生事故。

本文介紹的某鈾礦山為我國(guó)南方主力鈾礦山之一，其3 號(hào)充填井于1994 年建成，是該礦充填系統(tǒng)的重要生產(chǎn)設(shè)施，主要承擔(dān)由地表向井下輸送充填料的任務(wù)。充填井通達(dá)地表，井筒上部為回填層和強(qiáng)風(fēng)化層，構(gòu)造裂隙發(fā)育，地表水常年流經(jīng)充填料場(chǎng)地，形成對(duì)地下水的補(bǔ)給［1］。充填井井筒涌水量較大，經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量，涌水量旱季在18～24 m3·h-1之間，雨季在42～56 m3·h-1之間，大大增加了井下排水工作量。因近地表層巖體風(fēng)化嚴(yán)重，破碎程度高，井筒鎖口段較短，在鎖口段下部形成了7 m×24 m 的倒三角塌空區(qū)，是井筒涌水的主要通道。由于井筒和坍塌區(qū)涌水較大，在充填井內(nèi)充填料中形成部分積水段，放料時(shí)經(jīng)常產(chǎn)生瀉料現(xiàn)象，嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全。

由于1995 年該礦停產(chǎn)，礦山部門未及時(shí)對(duì)充填井涌水問(wèn)題進(jìn)行整治。2012 年該礦山生產(chǎn)技術(shù)改造工程項(xiàng)目建設(shè)期間，當(dāng)?shù)赝唤当┯晷纬缮胶槁^(guò)充填井口，通過(guò)井筒充填料漏斗口和檢查井灌入到地下242 m 中段，淹沒(méi)中段水倉(cāng)后，通過(guò)豎井井筒流向井底水倉(cāng)，水位超過(guò)92 m 標(biāo)高。當(dāng)時(shí)礦山啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，啟動(dòng)了井底全部排水設(shè)備，并在242 m 中段增加了3臺(tái)水泵，提高井下排水能力，才避免了淹井事故的發(fā)生。因此，為了保證礦山生產(chǎn)安全，必須對(duì)井筒坍塌和涌水問(wèn)題進(jìn)行處理。

1 礦山地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)及地理?xiàng)l件

礦床產(chǎn)于花崗巖巖體的內(nèi)、外接觸帶，礦床的北東面、東面和南面均為花崗巖體，主要巖性為中粗粒斑狀黑云母花崗巖、細(xì)粒斑狀黑云母花崗巖。礦床內(nèi)出露的地層為寒武紀(jì)變質(zhì)巖系，主要巖性為石英砂巖、砂巖、粉砂巖、板巖和千枚巖。巖層走向?yàn)镹EE-近EW 向，傾向SE，傾角較大。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，主要為近NW 向構(gòu)造、近SN 向構(gòu)造和新華夏系構(gòu)造，鈾礦化與后兩者關(guān)系密切。

礦區(qū)地貌屬侵蝕構(gòu)造中低山形，形態(tài)多為“V”字型山谷，地形切割強(qiáng)烈，山系走向多為NE 向，山高坡陡。當(dāng)?shù)貙儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，4～6 月為雨季，年均降雨量1 434.3 mm，最大持續(xù)暴雨降雨量125 mm·d-1，日最大降雨量200.8 mm。由于地形陡峭，大暴雨時(shí)易引發(fā)山洪和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，涌水事故風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)礦山安全構(gòu)成威脅。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

賦礦圍巖主要為斑狀黑云母花崗巖［2］，其次為石英砂巖和碳質(zhì)板巖。圍巖除構(gòu)造破碎帶外基本完整，結(jié)合其他工程地質(zhì)條件分析，礦山的工程地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類型。在開(kāi)采和掘進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)遇到構(gòu)造破碎帶和風(fēng)化帶時(shí)，需要對(duì)構(gòu)造破碎帶和強(qiáng)風(fēng)化巖進(jìn)行必要支護(hù)。

含水層按其巖性和地下水的賦存特征可分為第四系孔隙潛水、基巖裂隙潛水和構(gòu)造承壓水。其中第四系孔隙潛水不發(fā)育，基巖裂隙潛水受構(gòu)造、巖性和地形控制，富水性不強(qiáng)，這兩組潛水對(duì)礦山地下水影響不大，影響較大的是構(gòu)造承壓水［3］。礦區(qū)的含水構(gòu)造主要是北東向構(gòu)造，也是礦床的主要含水構(gòu)造，構(gòu)造裂隙承壓含水帶的含水性不均勻，其透水性、富水性沿傾向和走向變化較大［4］。

2 充填井工程概況

3 號(hào)充填井地表場(chǎng)地位于礦區(qū)363 m 標(biāo)高的山垇處，屬中低山地貌。場(chǎng)地利用地勘單位掘進(jìn)的380 m 中段1 號(hào)探礦巷道廢石回填為主，部分填土堆填，將山垇沿山坡填平形成一個(gè)堆積量約4 000 m2的堆積場(chǎng)地。下部堆積較厚，平均厚度約6 m，適合充填料開(kāi)采和堆積存放。

井筒地面標(biāo)高為314 m，規(guī)格為2.5 m×2.5 m，充填井上井口用鋼筋混凝土鎖口，鎖口段9.7 m，規(guī)格為3.2 m×3.2 m，井口距242 m 中段底板72 m（圖1）。

圖1 3 號(hào)充填井剖面示意圖Fig.1 Sketch of filling shaft No.3

3 “修復(fù)3 號(hào)充填井”方案

為解決3 號(hào)充填井涌水問(wèn)題，礦山和礦山設(shè)計(jì)部門經(jīng)過(guò)調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，根據(jù)3 號(hào)充填井的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，在充分了解3 號(hào)充填井井筒坍塌現(xiàn)狀、井筒充填料存量及料面標(biāo)高后，提出了“修復(fù)3 號(hào)充填井”工程治理方案。方案采用封堵井筒坍塌區(qū)、帷幕注漿堵水、山坡截洪溝工程等聯(lián)合治理措施，建設(shè)周期3 個(gè)月。

1）井筒坍塌區(qū)封堵工程

在242 m 中段溜放3 號(hào)充填井充填料，清理坍塌區(qū)浮石至正常巖石段，充填料面距井口34 m。分段在井筒的左右壁加固錨桿，錨桿頭錨入正常巖層，施工澆筑混凝土，然后回填廢石至坍塌區(qū)，直至接頂處理，最后封閉井壁坍塌區(qū)。清理塌方碎石和充填料共計(jì)158 m3，錨桿長(zhǎng)度為40.6 m，混凝土工程量為47.44 m3

2）帷幕注漿堵水工程

按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》DL/T5 148—2012［5］要求進(jìn)行施工，圍繞充填井口和井筒上段坍塌區(qū)布置鉆孔，鉆孔孔深超過(guò)原巖層或破碎巖層，下入灌漿管，自下而上灌漿，最后封閉孔口［5］。灌漿過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿等情況，及時(shí)查明原因采取封堵措施，采用低壓濃漿、限量、間歇性灌漿方法進(jìn)行處理，漏漿量較大時(shí)可在漿液中摻入適量的速凝劑［6］。鉆孔工程量為1 518 m。

3）山坡截洪溝工程

3 號(hào)充填井上部山坡匯水面積較大，沿山溝修筑一條長(zhǎng)度為220 m 的截洪溝，將地表水引出充填料場(chǎng)區(qū)，提高充填料井口標(biāo)高高度2 m，預(yù)防山洪直接灌入充填井。

4 “修復(fù)3 號(hào)充填井”工程實(shí)施

4.1 井筒坍塌區(qū)封堵工程

做好技術(shù)交底，作業(yè)人員熟悉施工方案，掌握施工順序，提出工程質(zhì)量和安全生產(chǎn)的相關(guān)要求。施工過(guò)程中，加強(qiáng)技術(shù)指導(dǎo)和安全監(jiān)管，落實(shí)安全技術(shù)措施。施工前先將井口浮石、雜物清理干凈［7］，使用氧氣、乙炔氣割將井口鋼軌格篩拆除。井口四周設(shè)置防護(hù)欄，懸掛警示標(biāo)志，搭好井口遮擋雨棚，井口周邊挖好排水溝，及時(shí)清除地表水。

在充填井口搭設(shè)起吊架，安裝提升設(shè)備。根據(jù)工程特點(diǎn)和井筒現(xiàn)場(chǎng)情況架設(shè)作業(yè)平臺(tái)，作業(yè)平臺(tái)隨工作面變化而調(diào)整。人工清理充填井井筒坍塌區(qū)，在242 m 中段漏斗口將充填料放出，料面標(biāo)高273 m 停止，廢石量為158 m3。

調(diào)運(yùn)設(shè)備、錨桿、水泥材料。錨桿材料為螺紋鋼，直徑25 mm。在充填井左右兩壁分12 段打錨桿孔插入錨桿，錨桿長(zhǎng)度在1.8～4.2 m 之間，間距介于1.5～3.1 m 之間，錨桿孔用水泥封堵，錨桿總長(zhǎng)度為40.6 m。然后分段澆筑混凝土墻，墻體厚度介于0.20～1.2 m 之間，混凝土量為47.44 m3。

混凝土墻施工時(shí)，每個(gè)分段完成后，使用吊桶運(yùn)送充填料將塌空區(qū)充平。最后塌空區(qū)正上方鉆孔3 個(gè)，孔深約10 m，注入水泥接頂處理?；炷粮魤ν瓿珊?，將充填井大部分充填料放出，防止注漿時(shí)漿液流入充填井，造成充填料膠結(jié)，工程量詳見(jiàn)表1。

表1 井筒坍塌區(qū)封堵工程主要工程量Table 1 Main construction quantities of closing the collapsed area

4.2 鉆孔帷幕注漿工程

鉆孔帷幕注漿工程工藝流程為：鉆機(jī)就位→鉆孔→攪拌制漿→灌漿→閉漿→檢查→結(jié)束。在3 號(hào)充填井周邊鉆孔66 個(gè)，開(kāi)孔孔徑100 mm，終孔直徑100 mm，按梅花樁布孔，孔間距為1 m，最深孔深低于表土回填層和井筒坍塌區(qū)底部標(biāo)高，單個(gè)孔深介于10～34 m之間，總進(jìn)尺1 518 m。開(kāi)孔位置和終孔深度與設(shè)計(jì)的偏差不超過(guò)10 cm，鉆孔為垂直孔，其頂角偏差不超過(guò)1.5°。

采用一次性成孔后，使用普通攪拌機(jī)攪拌制漿，自下而上灌漿，成孔后下入灌漿管，灌漿采用全孔一次性灌漿，灌漿孔分兩序，按照分序加密的原則，采用純壓法進(jìn)行，孔口用水泥封閉處理。主要設(shè)備及施工量見(jiàn)表2。

表2 鉆孔帷幕注漿工程主要設(shè)備和工程量Table 3 Main equipment and construction quantities of curtain grouting project

灌漿采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為425 MPa；灌漿用水滿足拌制水砼用水要求；漿液制備攪拌時(shí)間不少于3 min，漿液由稀變濃，逐級(jí)變漿，水泥漿液的水灰比采用2：1、1：1 和0.5：1 三個(gè)等級(jí)；灌漿時(shí)1 序孔壓力為0.7 MPa，2 序孔壓力為0.9 MPa；灌漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，注入率小于或等于0.4 L·min-1時(shí)，繼續(xù)灌注20 min 結(jié)束灌漿［8-9］；灌漿壓力保持不變而注入率持續(xù)較少，或注入率不變而壓力持續(xù)增高時(shí)，不改變水灰比；某一級(jí)漿液注入量達(dá)到100 L以上，或灌注時(shí)間達(dá)到1 h而灌漿壓力和注入率無(wú)改變或改變不明顯時(shí)，可加濃一級(jí)［10］（表3）。

表3 帷幕注漿工程主要技術(shù)指標(biāo)Table 3 Main technical indicators of curtain grouting project

按照總孔數(shù)的10%布置檢查孔，本次布孔7個(gè)，檢查孔取巖心檢查巖心采取率和水泥交結(jié)情況。

4.3 山坡截洪溝工程

在3 號(hào)充填井上部充填料場(chǎng)地和山溝修建一條截洪溝，將地表水通過(guò)截洪溝引出充填料場(chǎng)地，排入下游排水溝。截洪溝長(zhǎng)為220 m，斷面設(shè)計(jì)為等腰梯形，斷面尺寸為下底0.6 m，高0.8 m，坡度2：1。井筒井口施工鋼筋混凝土抬高高度為2 m，混凝土工程量為8.4 m3，安裝格篩，鋼軌規(guī)格15 kg·m-1，總重量為0.8 t，格篩網(wǎng)度為350 mm×350 mm。

4.4 涌水治理工程效果

治理工程按工程設(shè)計(jì)組織施工，嚴(yán)格現(xiàn)場(chǎng)管理，保證了施工人員人身安全和工程質(zhì)量。工區(qū)技術(shù)科在不同季節(jié)對(duì)充填井涌水量進(jìn)行了測(cè)量，旱季在1.5～2.3 m3·h-1之間，雨季在3.1～4.4 m3·h-1之間，與治理前相比涌水量大大減少，符合安全生產(chǎn)要求。坍塌區(qū)封堵和帷幕注漿堵水工程起到較好的防涌水作用，山坡截洪溝工程亦有效減少了地表水對(duì)地下水和充填井的影響，總體治理效果達(dá)到預(yù)期目的。

5 結(jié)論

1）充填井井筒坍塌引發(fā)地下裂隙水和地表水涌入，導(dǎo)致礦井排水量增加，產(chǎn)生安全隱患?！靶迯?fù)3 號(hào)充填井”治理方案施工量小，投資少，治理措施成熟，操作簡(jiǎn)單，建設(shè)周期短，安全條件好，具有針對(duì)性和可操作性；

2）建設(shè)的井筒坍塌區(qū)封閉工程、帷幕注漿堵水工程和山坡截洪溝工程，有效減少了地下裂隙水和地表水涌入量，其應(yīng)用效果在實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證，保障了充填井的使用安全，該方案為類似礦山地質(zhì)環(huán)境中井筒涌水的工程治理提供了參考；

3）在礦山充填井地表選址的過(guò)程中，要充分考慮充填井所處的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和地形地貌條件，盡量避免水文地質(zhì)條件復(fù)雜、巖層風(fēng)化嚴(yán)重和地表水影響較大的地帶。