大水礦山基建工程防治水方法實踐

孟凡偉 王金龍 冀偉杰

（河北金元礦業(yè)有限公司）

河北南部邯鄲、邢臺地區(qū)盛產(chǎn)鐵礦，礦床賦存在中奧陶統(tǒng)以石灰?guī)r為主的鈣鎂碳酸鹽巖與燕山期閃長巖接觸處，屬于二長巖為主的中酸性偏堿性巖漿雜巖接觸帶上的交代形鐵礦［1］。在礦山建設和開采過程中進行地下水治理的同時，又不影響周圍水質(zhì)生態(tài)平衡，是這一帶礦山開采中的一大課題。本項目依托金元礦業(yè)防治水實踐方法和經(jīng)驗，對大水礦床開發(fā)進行研究。

1 工程概況

河北金元礦業(yè)有限公司成立于2000年4月14日，設計生產(chǎn)能力為80萬t/a。礦區(qū)位于邯鄲市復興區(qū)康莊鄉(xiāng)南李莊村西，距邯鄲市15 km。南李莊鐵礦位于奧陶系灰?guī)r溶隙水的水文地質(zhì)區(qū)內(nèi)，是國內(nèi)典型的復雜水文地質(zhì)礦山。一直以來，水患是制約礦山建設和安全生產(chǎn)的重要因素。礦體賦存于奧陶系灰?guī)r與閃長巖接觸帶間，開采主要受灰?guī)r巖溶水的威脅，含水層厚度大，屬頂?shù)装逯苯映渌拇笏V床。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，縱向裂隙發(fā)育，局部巖溶發(fā)育，開采階段疏干排水量在平水年為52 000～53 040 m3/d，豐水年為65 000～67 950 m3/d。基建過程中，主井、副井屢次因大量涌水致使停工。

2 防治水方案

2.1 地表帷幕注漿技術(shù)

作為水患礦山治水的重要手段，礦山帷幕注漿技術(shù)應用廣泛。例如，中關鐵礦具有帷幕線規(guī)模最大的單體帷幕注漿工程，該項目實施過程中取得的成功經(jīng)驗和研究成果為該領域的技術(shù)發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗［2］。金元礦業(yè)亦采用帷幕注漿技術(shù)進行堵水防水。

2.1.1 帷幕注漿的治理方案

設計帷幕注漿的主要參數(shù)：帷幕線全長1 690.91 m（圖1），孔間距10 m，擴散半徑8.0 m，堵水率不小于80%，且礦坑涌水量不大于10 000 m3/d，帷幕厚度為10 m，帷幕體滲透系數(shù)K=0.03 m/d，防滲性能q≤2 Lu。采用130，110，75 mm 3種口徑鉆進注漿孔，最大偏斜率不大于實際孔深的0.6%。

2.1.2 實施概況

該項工程由華北工程勘察設計院承接，2012年2月開始施工，2014年2月底施工完成。帷幕注漿工程共完成注漿鉆孔168個，檢查孔22個，觀測孔20個，鉆探總進尺124 743 m。帷幕注漿實施完成后，Ⅰ序孔平均孔深650 m，注漿段平均深516 m，透水率34.48 Lu；Ⅱ序孔平均孔深602 m，注漿段平均深461 m，透水率22.54 Lu；Ⅲ序孔平均孔深602 m，注漿段平均深454 m，透水率2.74 Lu。

2.1.3 鉆孔控制

為確?？咨?，采用地質(zhì)鉆機的鉆進能力均在800 m以上；采用130 mm口徑開孔，穿過第四系見到較完整基巖，即下入φ127 mm地質(zhì)套管進行護壁；110 mm口徑鉆探到+120 m水平后，采用φ108 mm地質(zhì)套管保護孔壁；整個礦區(qū)在0 m水平以上普遍存在破碎程 度較強的蝕變地層，施工中根據(jù)該層的埋深，采用φ89 mm地質(zhì)套管進行護壁，79 mm口徑鉆進至終孔。

2.1.4 注漿控制

按照各段設計注漿壓力進行注漿，見表1。

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鑒于礦區(qū)地層較破碎，注漿采用下行式分段卡塞一次升壓法，局部地段采用上行式分段卡塞一次升壓法。注漿段從120.0 m標高開始，以鉆進中沖洗液全部漏失點為基礎，該點在10 m以內(nèi)的，注漿段長為10 m，該點在10～20 m段的，注漿段長為20 m，該點在20～30 m段的，注漿段長為30 m，該點在30～40 m段的，注漿段長為40 m，沖洗液漏失不完全，注漿段長不超過40 m。

2.1.5 注漿效果預測

當前隨著基建工程推進，井下不斷排水，但是遠不及原設計疏干水的排水能力，故無法在地表觀察孔觀測水位和采礦工程中驗證帷幕注漿的封堵效果，但可參考周邊地區(qū)、相似地質(zhì)條件、同一施工單位、相同施工工藝礦山帷幕注漿效果。如中關鐵礦帷幕注漿，帷幕內(nèi)外水位的高差（表2）說明其帷幕注漿已經(jīng)有效減少地下水向礦區(qū)涌入，起到堵截地下水的效果［3］。

注：CG21、CG31為帷幕內(nèi)鉆孔，CG22、CG32為帷幕外鉆孔。

2.2 靜水注漿防治水

帷幕注漿在論證階段，出于成本、工期等因素考慮，主井、副井均未在帷幕圈內(nèi)，在副井井筒施工過程中，屢次出現(xiàn)涌水導致施工中斷的情況，嚴重影響施工進度。根據(jù)實際狀況，最終確定采用靜水注漿技術(shù)進行涌水治理，避免了強排水量及涌水量不確定因素和二次施工止?jié){墊［4-5］。

2.2.1 實施概況

2014年初，發(fā)現(xiàn)井壁淋水增大，約270 m3/h，出水集中在-146 m原出水點溶洞處及-153 m水平澆筑接茬處，同時在-146 m水平處井壁有膨裂現(xiàn)象，面積約1.5 m2，為確保安全，采取了增大排水能力、井壁加固等措施。針對井壁出水點集中、水壓較大以及井壁支護鋼筋混凝土變形加大這種現(xiàn)象，通過專家論證，一致認為采用靜水注漿方案是符合實際的最佳方案，確定了靜水注漿的工作思路。

分析屢次涌水事件，-129～-150 m標高段井筒出水頻率明顯偏高，綜合各方面信息歸納該部位地質(zhì)條件特點如下。

（1）-129～-150 m井筒所屬層位為富含水層，豎向裂隙極其發(fā)育，大致走向為北東—南西。由于閃長玢巖巖舌在-140～-160 m標高侵入，其上下接觸帶巖石發(fā)生強烈蝕變，工程地質(zhì)條件極差。

（2）由于閃長玢巖巖舌的侵入，導致破碎巖層及呈泥狀產(chǎn)出巖層與巖溶裂隙、溶孔發(fā)育巖層無規(guī)則穿插，注漿過程中水泥漿液很難注入，同時本段靜水壓力達2.5 MPa。

2.2.2 工程實施

靜水注漿工作思路確定后，經(jīng)過多次的論證和優(yōu)化，最終采用中煤科工集團西安研究院有限公司制定的井筒涌水治理工程方案。按該方案設計，井筒用骨料填充，其中-183～-153 m水平、-140～-135 m水平為中細沙，-153～-140 m為公分石子，-135～-129 m段為水泥漿巖冒。在方案確定后開始施工，最終累計填充砂子約1 260 m3，石子730 t，除出管道堵塞影響36 h外，累計用時230 h，平均骨料填充量為7.6 m3/h，比設計的10 m3/h以上相差較大。水泥漿落入速度與設計的10 t/h相符合。共灌注水泥約160 t（水泥漿巖帽）。地表施工鉆孔主孔1個，分支孔12個：主孔進尺428.05 m，分支孔進尺為898.55 m。于6月4日完成地表注漿，各鉆孔共注水泥1 788 t，止?jié){墊用水泥160 t，累計注入水泥1 948 t。

2.2.3 工程效果

靜水注漿結(jié)束之后，2014年6月4日副井井筒恢復建設，于2015年2月5日完成，井筒施工-181～-208 m時，井筒涌水施工控制在設防能力范圍內(nèi)，且在掘進過程中，周圍巖石裂隙的充填情況較好，驗證了靜水注漿的良好效果。

2.3 舊地質(zhì)鉆孔封堵

2.3.1 實施概況

隨著井巷工程的推進，在平巷探水過程中，-60 m水平巷道個別探水孔出現(xiàn)大量涌水，單孔涌水量預計至少會達到50 000 m3/d以上。通過在井巷工程以上或附近舊地質(zhì)鉆孔、觀測孔添加著色劑，觀察井下出水情況，觀測到-60 m水平巷道、副井井壁出水明顯含有著色劑，充分說明舊地質(zhì)鉆孔對上下含水層的導通作用。舊地質(zhì)鉆孔縱向貫通了奧陶系灰?guī)r地層，使得本就是含水層的地層縱向?qū)訒惩ǎ瑖乐匚：椭萍s了礦山的基建任務，對礦體范圍內(nèi)的舊地質(zhì)鉆孔封堵，是消除井下突涌水隱患的重要手段之一。

礦區(qū)范圍內(nèi)共有待封堵舊地質(zhì)鉆孔21個（圖2），計劃封堵深度共10 452 m，其中無障礙掃孔9 599 m，新開孔150 m，分支孔703 m。對于距離井巷工程距離較近的舊地質(zhì)鉆孔，在封堵時嚴格控制注漿段高，通過加壓方式形成一定的擴散，擴大封堵范圍，而距離工程較遠的地質(zhì)鉆孔則完全以封堵為目的，封堵過程中可添加一定骨料。該項工程由河北省水文工程地質(zhì)勘察院承接，于2020年4—10月份結(jié)束。

2.3.2 鉆孔控制

根據(jù)地層條件和鉆孔最大目的孔深，施工設備選用XY-44型工程鉆機，配套BW250型泥漿泵輸送沖洗液；鉆具依據(jù)原有鉆孔直徑和新開孔孔徑設計選擇，選用φ50 mm鉆桿配套鉆鋌、φ108 mm巖芯管及各型號無芯鉆頭。

根據(jù)鉆進施工情況，合理安排孔深測量頻率，結(jié)合現(xiàn)場情況，確定每鉆進50 m時應校正一次孔深，以后每25 m校正一次，每次校正誤差不應大于0.05 m。按照要求進行孔深校正，如發(fā)現(xiàn)誤差大于要求，及時調(diào)整并記錄。對孔深和分層界線測量誤差控制在±0.05 m，丈量鉆機機上余尺時，鉆機停止鉆進，使機上鉆桿處于靜止狀態(tài)；丈量鉆機高度（立軸頂部或磨盤的卡盤上部）的基準點并隨時記錄，發(fā)現(xiàn)機高有變化，及時調(diào)整。對下入孔內(nèi)的鉆具在提鉆時逐根丈量，認真記錄鉆桿的長度，當鉆具或者鉆頭有消耗時，把消耗的長度記錄到班報表上，調(diào)整鉆具總長。

分支施工過程中應做到每30 m測斜一次，及時確定分支鉆孔與舊地質(zhì)鉆孔間距，做到及時糾偏。新開孔在原地質(zhì)鉆孔坐標開孔，終孔水平坐標在開孔處1 m半徑范圍內(nèi)。

2.3.3 注漿控制

由于施工區(qū)內(nèi)地下水埋深大（130.0～176.0 m），可能會出現(xiàn)漿液自重壓力大于設計壓力的情況。在孔口安設監(jiān)控壓力表，計算注漿壓力的管路損失，保證注漿壓力達到設計要求。

2.3.4 鉆孔注漿封堵效果

隨著舊地質(zhì)鉆孔的逐步封堵，其對上下地層導水通道封堵效果在已揭露工程部位逐步顯現(xiàn)。在風井-60 m水平臨時水泵房、水倉掘進過程中，CG4鉆孔封堵之后，風井井壁淋水、水倉掘進水量明顯變少，可以排除季節(jié)性降水減少對地下水的影響。原副井井壁及變電所出水約為430 m3/h，隨著距離副井60 m的舊地址鉆孔CK16封堵完成，井壁及變電所出水降低至不足120 m3/h。由此可見，地質(zhì)鉆孔的封堵對上下地層導水通道起著較好的封堵效果。

3 結(jié)語

礦床地質(zhì)狀況、地表環(huán)境的不同，決定著每座礦山防水治水工作重點的不同。金元礦業(yè)在基建過程中不斷探索，通過帷幕注漿、靜水注漿、舊地質(zhì)鉆孔封堵等治水方式，為礦山恢復建設提供了前提保障。尤其舊地質(zhì)鉆孔封堵，是公司技術(shù)人員通過不斷觀察、試驗、實踐，突破舊地質(zhì)鉆孔導水對礦山基建的影響。金元公司的防治水經(jīng)驗，對其他礦山井筒涌水和縮短大水礦山建設工期提供了很好的技術(shù)和經(jīng)驗，但復雜條件下井建施工，仍應注意以下幾個細節(jié)。

（1）對礦區(qū)范圍內(nèi)的長觀孔需加強日常觀測，尤其注意帷幕內(nèi)外水位變化情況。

（2）井筒施工堅持有疑必探的原則，才能從根本上防止突發(fā)涌水。

（3）除對井筒、巷道涌水量的觀測之外，也應對水質(zhì)情況、溫度變化進行詳細記錄，加強對水文地質(zhì)條件的認識。