某大水礦山全凍結輔助井馬頭門超前探水方案研究

徐 磊,閆小新,張賀庭

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012;2.淮北徐樓礦業(yè)有限公司, 安徽 淮北市 235100)

某鐵礦輔助井井筒下掘采用全凍結法施工,馬頭門施工沒有采取凍結措施,井筒設計有6個單側馬頭門和1個單向管子道,其中馬頭門分別在－80,－130,－180,－230,－260 m和－310 m 6個中段;管子道在－310 m水平.井筒穿過的主要充水巖層為中奧陶系馬家溝組灰?guī)r,該巖層裂隙、巖溶發(fā)育,富水性、導水性強.井壁澆筑完成后,冷凍鉆孔會停止冷凍,一旦冷凍停止,在凍結鉆孔(單個)直徑為3 m左右的環(huán)形空間內(nèi),原有巖溶裂隙通道中的“冰”逐漸融化成地下水;同時,在馬頭門掘進過程中,會穿過馬家溝組巖溶裂隙含水層,并可能遇到導水斷層破碎帶.斷層破碎帶和巖溶裂隙中的地下水對各水平馬頭門和－310 m管子道的施工造成較大的隱患,因此在掘進馬頭門和管子道的時候必須采取防治水措施,研究設計一套合理的超前探水方案,是確保馬頭門和管子道安全掘進的基礎.

1 礦山水文工程地質(zhì)特征

根據(jù)地質(zhì)資料可知,輔助井6個中段的馬頭門和管子道施工全部在中奧陶系馬家溝組灰?guī)r里,其中不同的是:－80 m和－130 m馬頭門灰?guī)r為奧陶系馬家溝組五陽山段,－180 m和－230 m馬頭門灰?guī)r為奧陶系馬家溝組土峪段,－260 m和－310 m馬頭門及－310 m管子道灰?guī)r為奧陶系馬家溝組北庵莊段.綜合來看奧陶系馬家溝組五陽山段巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,灰－青灰色,中厚層狀,隱晶結構,裂隙巖溶發(fā)育,巖心呈短柱狀,巖芯長度一般10~40 c m;奧陶系馬家溝組土峪段巖性以泥灰?guī)r為主,巖心呈短柱狀,巖芯長度一般10~40 c m;奧陶系馬家溝組北庵莊段其巖性主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,灰－青灰色,中厚層狀,隱晶結構,裂隙巖溶發(fā)育,巖心呈短柱狀,巖芯長度一般10~30 c m.根據(jù)輔助井冷凍孔現(xiàn)場施工資料可知:地表60 m以下基巖風化帶至374 m的巖石見有斷層、破碎帶、喀斯特溶洞、裂隙、承壓水等,部分地段漏漿嚴重,甚至在70~75 m和190~200 m深度處出現(xiàn)災難性漏漿;井筒巖石主要是堅硬、半堅硬的層狀巖石,硬度系數(shù)5~12.綜上所述,輔助井的位置處在灰?guī)r含水層中,該含水層巖溶裂隙發(fā)育,裂隙導水性強,含水豐富,特別是在－130 m和－180 m施工時含水層的富水性最強,是本次治理水患的重點.

2 防治水設計方案

馬頭門及管子道掘進中超前探水技術實施方案要達到3個目的:一是掘進過程中,不發(fā)生突水淹井事故;二是方案的可操作性強;三是經(jīng)濟節(jié)約、工期短、效果可靠.為此,按照“有疑必探,先探后掘”的原則,根據(jù)其擬過含水層水文工程地質(zhì)特征,設計如下超前探水方案.

2.1 中深孔超前探水

2.1.1 中深孔探水的設計參數(shù)

(1)鉆孔直徑:終孔直徑不小于Ф75 mm.

(2)孔口管的結構、長度及埋深:套管采用Ф108 mm 無縫鋼管作孔口管,埋深3.5~4.0 m(－180 m水平以下采用4.0 m),若在開孔時遇到冷凍管,則該深度為孔口管埋深.所埋孔口管壁厚度大于5 mm,孔口管的上端焊接法蘭,與高壓閘板閥相接.

(3)孔口管的固結方式:對于巖層相對穩(wěn)固段,開孔后孔口管埋設,采用注濃水泥漿(水灰比為0.8∶1以上)進行高壓注漿(注漿壓力為6~12 MPa)固結;對于作業(yè)面破碎巖層,除采用注濃漿固結外,尚須視情況增設錨桿加固.

(4)鉆孔深度:鉆孔設計深度為15 m,根據(jù)井筒揭露巖石情況可適當加深.

(5)鉆孔布置:馬頭門超前探水鉆孔:在井筒馬頭門掌子面原則上布置6個超前探水鉆孔(見圖1),如果6個孔探水注漿異常,應根據(jù)現(xiàn)場的實際情況適當增加2~3個鉆孔.圖1中1,5號孔是水平方向向外夾角為50°,垂直方向向下夾角為50°;2,4號孔是水平方向向外夾角為50°,垂直方向向上仰角為50°;3號孔是垂直方向向上仰角為60°,6號孔為水平鉆孔.

圖1 馬頭門中深孔超前探水孔布置

管子道超前探水鉆孔在掌子面上原則布置5個超前探水鉆孔(見圖2),如果5個孔探水注漿異常,應根據(jù)現(xiàn)場的實際情況,在適當位置增加1~2個鉆孔.圖2中1,4號孔是水平方向向外夾角為50°,垂直方向向下夾角為50°;2,3號孔是水平方向向外夾角為50°,垂直方向向上仰角為50°;6號孔為水平鉆孔.

圖2 管子道中深孔超前探水孔布置

(6)深孔探水安全裝置:除了保證臨時水倉的排水能力不小于100 m3/h外,還要在探水過程中根據(jù)鉆孔設備及自身施工經(jīng)驗設計孔口安全裝置.

2.1.2 探水鉆孔的施工

馬頭門超前探水孔施工順序:先施工1,3,5號孔,后施工2和4號孔,最后施工6號孔;管子道超前探水孔施工順序:先施工1,3號孔,后施工2和4號孔,最后施工5號孔.

當鉆進過程中遇巖溶裂隙水,且涌水量大于30 m3/h或者遇到破碎帶(嚴重塌孔)時,立即停止鉆進,及時進行注漿堵水,直至達到注漿結束標準,方可進行下一工序.

2.2 淺孔超前探水

淺孔超前探水注漿的目的是防止馬頭門及管子道在開口(4 m以內(nèi))處出現(xiàn)大的涌水,而無法采用有效的措施進行封堵,主要針對的是含水層巖溶導水裂隙和冷凍鉆孔本身存在的含水環(huán)形空間.

(1)馬頭門及管子道掘進作業(yè)面淺孔探水:沿馬頭門(管子道)邊緣向內(nèi)200 mm的周線及中心點布設7(9)個超前探水孔(其中8,9號孔為馬頭門前4.5 m施工時探水孔),探水孔布置形式見圖3、圖4.其中1,5號孔是水平方向向外夾角為100°,垂直方向向下夾角為100°;2,4,(8,9)號孔是水平方向向外夾角為100°,垂直方向向上仰角為100°;3號孔是垂直方向向上仰角為100°;6號孔是垂直方向向下俯角為100°;7號孔為水平孔;探水孔采用炮孔,孔徑為 Ф42 mm,孔深為4.0~4.5 m.施工順序為先1,3,5,(8,9)號孔,后2,4,6號孔,最后施工7號檢查孔.

作業(yè)面的探水孔總出水量小于5 m3/h,且為非集中出水時,正常掘進.如果超前探水炮孔單孔的涌水量大于3 m3/h,要在探孔的兩側加密探孔.

圖4 管子道淺孔超前探水孔布置

(2)馬頭門及管子道冷東孔環(huán)形空間淺孔探水:在馬頭門開口斷面布置3排水平鉆孔,排距1.5 m,每排5個鉆孔呈扇形向外布置,原則以探到冷東孔環(huán)形空間為結束標準,深度不超過4 m,探水孔布置形式見圖5;在管子道開口斷面布置3排水平鉆孔,排距1.0 m,每排4個鉆孔呈扇形向外布置,原則以探到冷東孔環(huán)形空間為結束標準,深度不超過4 m,探水孔布置形式見圖5.

若未探到環(huán)形空間,可根據(jù)實際情況適當增加鉆孔數(shù)量.

在施工中深孔探水前,先施工淺孔探水,掘進作業(yè)面和冷凍孔環(huán)形空間淺孔探水可同時施工作業(yè),為保證探水效果,鉆孔嚴格按照設計角度和深度施工,如遇特殊情況,可根據(jù)現(xiàn)場情況做調(diào)整.

圖5 馬頭門及管子道冷東孔環(huán)形空間淺孔超前探水孔布置

考慮到冷凍鉆孔至井筒的距離,鉆孔解凍的時間,灰?guī)r含水層強富水性特點以及各水平馬頭門和－310 m水平管子道的技術要求等因素,在防治水設計中,要求澆筑完井壁后,先不停止冷凍孔工作,從下至上在各個馬頭門及管子道埋設完孔口管后再停止冷凍孔工作,等井筒完全解凍后,再實施“長短結合”的探水方法和常規(guī)的注漿方法進行掘進.

3 結 論

在輔助井筒埋好設計孔口管,解凍后,經(jīng)過3個月的時間,各個水平的馬頭門和管子道均成功探水注漿完畢,后面馬頭門及管子道掘進順利,尤其是經(jīng)過環(huán)形空間位置時沒有受到水患的影響.本次超前探水的成功應用說明:對于大水礦山全凍結法施工的井筒,馬頭門如果沒有采取凍結措施,采取該種方法治理水患問題能取得比較好的效果,該種方法值得在同類礦山施工中應用和推廣.

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