某鐵礦強(qiáng)泥化強(qiáng)富水巷道突水治理技術(shù)研究

殷登才 孫茂貴 張清 印提軍

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司）

某鐵礦井底車場位于-500 m 水平，該鐵礦西部主井車場在掘進(jìn)過程中左側(cè)頂及幫部為泥化閃長巖，在巷道淋水作用下發(fā)生塌方，隨即突水。根據(jù)地質(zhì)資料，車場位于黃馬青組砂巖地層中，局部區(qū)域被閃長巖侵入。該區(qū)域黃馬青組砂巖為強(qiáng)富水帶，由于熱接觸及地下水的作用，閃長巖侵入體具有蝕變嚴(yán)重、遇水泥化、裂隙水含泥等特點(diǎn)。傳統(tǒng)注漿材料顆粒粒徑比泥化閃長巖中的黏粒粒徑大，注漿過程中往往因注漿量小、起壓快、細(xì)小裂隙難以被有效充填而導(dǎo)致注漿后掃孔反復(fù)出水問題，即使通過加密孔距增加注漿孔數(shù)量的方式強(qiáng)行掘進(jìn)通過，在短時(shí)間內(nèi)，巷道巖壁由少量滲水快速發(fā)展為淋水，最終發(fā)生塌方、突水現(xiàn)象。造成突水原因主要是傳統(tǒng)注漿材料無法充分有效地與泥化閃長巖顆粒膠結(jié)，漿液往往只能封堵裂隙口，無法形成有效厚度的帷幕，并且在地下水侵蝕沖刷過程中快速破碎帷幕，引起突水。

通常巷道突水后采用的治理方法為首先通過在巷道突出處后退一定距離位置構(gòu)筑擋水止?jié){墻，然后注入水泥漿液充填墻后空區(qū)，最后再針對出水源施工一些注漿孔封堵裂隙［1-5］。但由于本次突泥量大，正常施工擋水墻時(shí)其預(yù)埋的導(dǎo)水管易被泥堵塞而無法正常導(dǎo)水，且在泥化閃長巖中采用傳統(tǒng)漿液注漿難以確保漿液與泥化巖石膠結(jié)，治理完成泥化段易出現(xiàn)反復(fù)出水，難以達(dá)到理想的治理效果。

針對本次突水，本文提出了一種擋泥墻控泥、擋水墻控水的雙擋墻結(jié)構(gòu)體，化學(xué)漿充填細(xì)微裂隙，超前管棚預(yù)支護(hù)的綜合治理技術(shù)。該技術(shù)首先通過一系列措施，保障了巷道的安全通過，并有效地預(yù)防了在復(fù)雜工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下巷道掘進(jìn)施工過程中二次災(zāi)害的發(fā)生。

1 工程概述

某鐵礦井底車場在開拓掘進(jìn)中左側(cè)頂板及幫部為泥化閃長巖，由于巷道有淋水，泥化部位逐步塌方且有水滲出，隨著塌方變大出水量也變大，隨之造成突水涌泥，最終在巷道左側(cè)形成高約5 m、長約2.5 m、深度約4 m 的突水空間。經(jīng)測算，最大出水量達(dá)300 m3/h，且伴隨大量泥化閃長巖顆粒涌出（圖1）。該泥化閃長巖段在掘進(jìn)前，采用工作面帷幕注漿方法對裂隙進(jìn)行充填加固，注漿材料采用水泥單液漿，但注漿施工時(shí)，裂隙吸漿量小，帷幕擴(kuò)散半徑有限，漿液與巖石膠結(jié)差，通過對塌方碎屑觀察，未發(fā)現(xiàn)有較大漿巖膠結(jié)體，說明前期帷幕注漿效果差。突水后，前期治理方案為首先在巷道塌方處前3 m 處施工擋水墻，然后施工若干注漿孔對塌方體進(jìn)行注漿加固。但由于塌落嚴(yán)重，泥化閃長巖隨水快速涌出使得擋水墻中預(yù)埋的導(dǎo)水管全部被堵塞，墻體結(jié)構(gòu)無法達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致墻體、墻體與巖壁間的大量涌水，擋水墻被沖刷破壞。為此，要確保擋水墻順利地施工，需先建立一道擋泥墻，考慮險(xiǎn)情嚴(yán)重以及工作面有二次塌方的可能性，采用機(jī)械設(shè)備對一定范圍內(nèi)泥化閃長巖松散體剝離并置換為石子、巖塊等，然后快速采用袋裝水泥壘積成一道擋泥墻。險(xiǎn)情基本控制后，再對出水區(qū)域巖體進(jìn)行注漿加固。

2 治理工藝

2.1 塌方區(qū)域泥化閃長巖置換

由于巷道左側(cè)堆積大量泥化閃長巖，在注漿過程中水泥結(jié)石體無法與泥化閃長巖較好地膠結(jié)形成完整帷幕，該部位始終處于極薄弱狀態(tài)，在后期掘進(jìn)中極易出現(xiàn)反復(fù)塌方出水。因此，需先對塌方區(qū)泥化閃長巖置換。采用井下挖機(jī)與鏟運(yùn)機(jī)相配合，將向巷道左側(cè)約3 m范圍內(nèi)底板1 m以下的泥化閃長巖清理干凈，然后用石子、大塊圍巖將底部填平，之后在左側(cè)靠近巷道處預(yù)留1 m 左右空區(qū)，其他均用石子、大塊圍巖逐步堆至巷道肩窩處（圖2）。

2.2 施工擋泥墻

擋泥墻施工的目的是防止塌方體中大量的閃長巖泥質(zhì)涌出堵水擋水墻的引水管。在泥化閃長巖置換完成后，緊貼巷道左側(cè)，采用袋裝水泥砌筑一道長度與巷道左側(cè)塌方長度相同、寬0.5 m、高2 m 的擋泥墻。選用袋裝水泥，一方面井下儲(chǔ)備充足，另一方面搬運(yùn)以及壘砌快速便捷，同時(shí)，水泥浸水后硬化，使得墻體具有一定強(qiáng)度（圖2）。

2.3 施工擋水止?jié){墻

根據(jù)巷道塌方位置及前期探水水壓為0.3 MPa，本次擋水墻在巷道塌方后方8 m 處施工，擋墻厚度根據(jù)計(jì)算為3 m。擋水墻施工之前對巷道底板進(jìn)行清底，清底需清至硬底圍巖，由于出水水壓較低，為提高施工效率，節(jié)約搶險(xiǎn)時(shí)間，本次擋水墻不在巷道周圍刻槽，而是采用后期對擋墻加固。在擋水墻施工時(shí)要預(yù)埋導(dǎo)水管，根據(jù)擋墻厚度及出水量確定埋設(shè)7根長為5 m、直徑108 mm 的無縫鋼管，鋼管一頭焊接Dg89的法蘭盤，按照底板以上0.5 m處均勻埋設(shè)3根，底板上方2 m 處埋設(shè)2根，頂板下方0.5 m 處埋設(shè)2 根（圖3）。

擋墻前后模板用袋裝水泥向上碼，中間采用強(qiáng)度等級C35 混凝土澆筑，澆筑時(shí)要分層振搗，保證混凝土凝析時(shí)間。施工完成后要對擋水墻實(shí)施不少于3 天時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，之后用YT-28 風(fēng)鉆打眼注漿的方式對墻體薄弱處加固至墻體不出現(xiàn)較大漏點(diǎn)。之后對墻體內(nèi)空區(qū)充填至注漿壓力達(dá)到2 MPa。

2.4 封堵出水源細(xì)小裂隙

在巷道斷面左側(cè)開挖輪廓線內(nèi)約500 mm處，布設(shè)4 個(gè)注漿孔，其中Z1孔孔位距巷道底板約500 mm高度，其余每個(gè)孔按間距1m 由下至上均勻布置（圖4），注漿孔深14 m，鉆孔參數(shù)見表1。

由于泥化閃長巖中裂隙細(xì)小，且裂隙中為泥水混合液，因此，在此類裂隙中注漿，需選擇注漿材料顆粒粒徑要小于裂隙中混合液的黏土顆粒，普通硅酸鹽水泥無法達(dá)到理想的堵水效果。在空區(qū)充填完成后，本次注漿材料采用化學(xué)漿分別為改性脲醛樹脂（A 液）與草酸（B 液），對巷道左側(cè)巖體實(shí)施注漿加固，該漿液類型為化學(xué)溶液，能夠有效封堵塌方處泥化閃長巖中的細(xì)微裂隙。

按照廠家說明書，注漿前需先獲得適合本次注漿需求化學(xué)漿液的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，即進(jìn)行不同凝結(jié)時(shí)間的配比試驗(yàn)（表2）。首先，分別配制出A液和B液，然后按不同體積比進(jìn)行攪拌混合。根據(jù)本次鉆孔的深度，以及不低于5 m 有效擴(kuò)散半徑的要求，最終確定本次化學(xué)漿液的配比為A液與B液的體積比1∶0.4。注漿方式采用下行式分段注漿，段長不超過5 m，同時(shí)鉆孔遇水即停鉆注漿，注漿壓力為靜水壓的2倍，達(dá)到注漿壓力后停止注漿并待凝，待凝時(shí)間為相應(yīng)配比的終凝時(shí)間，然后再掃孔以及下一段鉆進(jìn)施工，依此循環(huán)施工直至終孔位置。另外，若因巖層破碎，在鉆進(jìn)過程中發(fā)生卡鉆、報(bào)鉆等，無法正常鉆進(jìn)等問題，則需先采用水泥漿進(jìn)行注漿加固鉆孔孔壁，再采用化學(xué)漿注漿封堵細(xì)小裂隙的方法。

2.5 超前管棚預(yù)支護(hù)

在上述施工步驟完成后并且待凝養(yǎng)護(hù)7 d后，開始掘進(jìn)施工。掘進(jìn)至距離塌方點(diǎn)3 m 位置停止，開始超前管棚施工。本次管棚加強(qiáng)支護(hù)范圍重點(diǎn)針對巷道左側(cè)泥化閃長巖區(qū)域，自巷道底板至巷道頂部共布置17 個(gè)鉆孔。鉆孔施工前先對巷道左幫進(jìn)行刷擴(kuò)，刷擴(kuò)深度0.5 m，便于管棚鉆孔布置與巷道開挖輪廓線外，確保掘進(jìn)時(shí)不被破壞。刷擴(kuò)完畢后施工超前管棚鉆孔，管棚鉆孔間距為300 mm，鉆孔直徑為75 mm，終孔孔深控制為穿過泥化閃長巖段進(jìn)入硬巖內(nèi)3 m 位置，根據(jù)前期鉆孔資料，設(shè)計(jì)管棚孔孔深約為10 m。鉆孔施工完畢后，孔內(nèi)下放直徑50 mm 鋼管作為超前支護(hù)管棚（圖5），鋼管長度10 m，最后采用水灰比1∶1的水泥漿液進(jìn)行注漿封堵，確保管棚鋼管與巖層固結(jié)為一整體。

3 治理效果

該巷道在所有工藝施工完成3 d后，開始掘進(jìn)施工，掘進(jìn)至原巷道塌方處時(shí)，可見袋裝水泥之間間隙被漿液完全充填固結(jié)，形成一完整墻體，較好地起到擋泥作用。同時(shí)，剝開袋裝水泥擋泥墻后，大塊圍巖、泥化閃長巖與漿液膠結(jié)較好，通過手持回彈儀檢測，其強(qiáng)度可達(dá)10 MPa，完全滿足掘進(jìn)要求。巷道掘進(jìn)至原迎頭時(shí)，掌子面左下角揭露泥化閃長巖，可明顯看出左側(cè)管棚與塊狀膠結(jié)體連接緊密。再掘進(jìn)3 m后，左側(cè)均為砂巖，管棚孔均穿過泥化閃長巖且進(jìn)入硬質(zhì)砂巖，起到了良好的預(yù)支護(hù)作用。整個(gè)掘進(jìn)過程中，巷道巖壁均無滲水。治理3 個(gè)月后，該泥化閃長巖塌方部位支護(hù)結(jié)構(gòu)基本無變形，說明該段突水塌方治理效果明顯。

4 結(jié)論

（1）強(qiáng)泥化、強(qiáng)富水的復(fù)雜水文地質(zhì)條件下，常因注漿效果差，在巷道掘進(jìn)至該區(qū)域時(shí)，易發(fā)生因片幫、冒頂及塌方，進(jìn)而導(dǎo)通軟弱圍巖外部水體而引發(fā)突水。通過建擋水墻以及灌注傳統(tǒng)水泥漿，經(jīng)常會(huì)因涌水中含泥量大而導(dǎo)致注漿效果不理想，且治理后往往因?yàn)橄锏缼r壁滲水量小，忽略了泥化閃長巖被地下水侵蝕的速度，支護(hù)方式不合理或支護(hù)強(qiáng)度難以支撐大體積的松散塌方體重量時(shí)，引發(fā)二次突水事故。

（2）根據(jù)某鐵礦在塌方突水后，通過詳細(xì)分析突水原因，制定了一種擋泥、擋水的雙擋墻+化學(xué)漿充填細(xì)微裂隙+超前管棚預(yù)支護(hù)的綜合治理方案，有效的攻克了在強(qiáng)泥化、強(qiáng)富水地層中巷道掘進(jìn)施工易發(fā)生塌方突水的難題。在突水治理過程中，因搶險(xiǎn)時(shí)間緊迫，以及防止在施工擋泥墻時(shí)發(fā)生二次塌方造成人員傷亡，而選擇采用原料充足、施工速度快捷的壘積袋裝水泥墻的方法。

（3）擋泥、擋水的雙擋墻+化學(xué)漿充填細(xì)小裂隙+超前管棚預(yù)支護(hù)的綜合治理技術(shù)充分體現(xiàn)了具體問題具體分析的原則，施工工藝成熟便捷，在應(yīng)對相似工況的突發(fā)險(xiǎn)情時(shí)能快速安全地完成施工。在礦山、隧道工程中，對于各類軟弱巖石、泥化閃長巖細(xì)微裂隙等復(fù)雜的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下的圍巖加固，能有效防止片幫、冒頂及突水，具有較大推廣意義。