白象山鐵礦高承壓細小裂隙含水層預注漿技術(shù)

賈豐杰

(馬鋼(集團)公司姑山礦業(yè)有限責任公司白象山鐵礦)

·實用技術(shù)·

白象山鐵礦高承壓細小裂隙含水層預注漿技術(shù)

賈豐杰

(馬鋼(集團)公司姑山礦業(yè)有限責任公司白象山鐵礦)

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北車場貫通時出水點實際狀況，對深部細小裂隙含水層分別采用了水泥-水玻璃以及改性脲醛樹脂預注漿工藝，對比發(fā)現(xiàn)：改性脲醛樹脂擴散半徑大，注漿量大，注漿前期壓力上升幅度小，穩(wěn)定時的壓力比水泥-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。

細小裂隙含水層 改性脲醛樹脂 預注漿 堵水率

白象山鐵礦位于安徽省當涂縣境內(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條導水斷裂與礦床有直接關(guān)系，礦床水文地質(zhì)條件復雜，自礦建以來，井下頻繁涌水，先后發(fā)生過3次較大的突水淹井事故，防治水難度大，嚴重制約了礦山的基建工作。

我國從上世紀60年代后逐步開始應用化學漿液，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，注漿材料、設(shè)備、工藝都取得了巨大的進步[1]。目前，注漿材料種類主要分為無機系和有機系，無機系主要為水泥、水泥-水玻璃、黏土、水玻璃漿液[2-3]，有機系主要有丙烯酰胺類、聚氨酯類、鉻木素類、脲醛樹脂類[4-5]。

通過白象山鐵礦在井底車場前期采用水泥-水玻璃預注漿未取得預期效果的情形下，改用以改性脲醛樹脂為主的化學注漿工藝，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。

1 工程水文地質(zhì)條件

-500 m中段北部車場布置在角巖化砂頁巖中。根據(jù)勘察報告，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，角頁化砂頁巖與上部閃長巖中等富水層接觸，在礦床中部，缺少閃長巖中等富水層，導致角頁化砂頁巖與上部雜色粉砂巖強含水層接觸，一般堅硬完整，以細小裂隙為主，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

-500 m中段北部車場段位于弱富水層，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和加快施工進度，同時減少井下排水壓力，制定了工作面預注漿的方法加固該細小裂隙含水層。設(shè)計注漿段長35 m，掘進段長30 m，保留5 m的安全距離，掘進完成后再進行下一段次的預注漿工作。北部車場巷道凈斷面為3.1 m×3.28 m，在巷道外圈布置13個注漿孔(圖1)。理論計算表明巷道擾動影響的最遠距離為其半徑的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°，采用風鉆施工。

工作面的13個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-水玻璃漿液進行預注漿工作。

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，對上述工作面進行注漿，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)計工作面預注漿量為92 m3，單孔注漿4 m3，在預注漿期間發(fā)現(xiàn)注漿壓力較大，10 d達到預注量后，工作面局部區(qū)域出現(xiàn)反滲現(xiàn)場，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)隨時間變化關(guān)系見圖2。

圖2 水泥-水玻璃注漿各參數(shù)隨時間變化關(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)面反映了對微小裂隙含水層物理注漿時，由于其充填物顆粒大，擴散半徑小等原因，很難在這類圍巖含水層中充分擴散，不易進入細小裂隙深處，預注漿效果不顯著，而施工結(jié)束后的檢查孔平均涌水量高達13 m3/h，充分驗證了這一點。由于水泥-水玻璃漿液在細小裂隙層預注漿效果不理想，所以參照原注漿方案使用化學漿液代替。

4 改性脲醛樹脂工藝及效果

4.1 漿液性能與配比

根據(jù)脲醛樹脂物理性能指標測試結(jié)果，其密度為1.18 g/cm3，其在甲醛與尿素摩爾比為2合成時的壓縮強度為5.2 MPa，一般情況下化學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%)改性后的脲醛樹脂壓縮強度可達9 MPa，且改進后的漿液會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，其溫度不會過快升高，對施工安全性起到了一定的保護作用。

4.2 注漿效果

按照上述配比進行預注漿，設(shè)計工作面13個注漿孔總注漿量為213 m3，單孔注漿量為36 m3，平均單位注漿量為16.5 m3，注漿過程中動態(tài)檢測注漿壓力，化學注漿各參數(shù)隨時間變化關(guān)系見圖3。

圖3 化學注漿各參數(shù)隨時間變化關(guān)系

從圖3可以看出，改用改性脲醛樹脂后，其注漿壓力上升幅度比用水泥-水玻璃注漿要小，當兩者壓力達到平衡時，后者比前者小約4 MPa；且注漿量在每個時間節(jié)點上也都高于前者。不難看出，改性脲醛樹脂擴散半徑要大于普通的物理注漿介質(zhì)，更有利于進入巖層破碎帶深處，大大增強了其封堵出水點的能力；同時，從檢查孔平均涌水量與時間變化關(guān)系可得出，施工的檢查孔平均涌水量為0.5 m3/h，說明漿液已經(jīng)很好地滲入細小裂隙中，起到了良好的封堵作用。

5 結(jié) 論

(1)針對白象山鐵礦深部承壓細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，由于裂隙開度小，漿液難以進入，導致升壓快，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%，采用改進后的改性脲醛樹脂的單孔平均堵水率為97.5%，整體單孔堵水率提高了57.5個百分點；改性后的脲醛樹脂復合藥劑中的三聚氰胺對甲醛游離基具有中和作用，降低了其化學毒性，同時使其壓縮強度提高了72.4個百分點。

(2)采用改進后的化學注漿工藝治水后，巷道掘進中僅少量滲水，無明顯的集中涌水現(xiàn)象，30 m掘進段完成后，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，堵水效果超過了預期，保證了開拓工程的順利進行。

[1] 郭密文.高壓封閉環(huán)境孔隙介質(zhì)中化學漿液擴散機制試驗研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2010.

[2] 李利平,李術(shù)才,崔金聲.巖溶突水治理漿材的試驗研究[J].巖土力學,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)的研究應用現(xiàn)狀[J].建筑技術(shù)與應用,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預注漿治理[J].煤炭科學技術(shù),2005,33(4):15-17.

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

2015-03-26)

賈豐杰(1981—),男，副礦長，工程師,243000 安徽省馬鞍山市。