深孔注漿堵水技術(shù)在礦井恢復(fù)中的應(yīng)用

陳海遠(yuǎn)，于正興，朱權(quán)潔，西曰峰

（1.萊鋼集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司， 山東 萊蕪市 271100；2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院， 北京100012；3.北京科技大學(xué)， 北京 100083）

深孔注漿堵水技術(shù)在礦井恢復(fù)中的應(yīng)用

陳海遠(yuǎn)1，于正興2，朱權(quán)潔3，西曰峰1

（1.萊鋼集團(tuán)萊蕪礦業(yè)有限公司， 山東 萊蕪市 271100；2.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院， 北京100012；3.北京科技大學(xué)， 北京 100083）

谷家臺(tái)鐵礦曾發(fā)生突水淹井事故。分析了該礦的突水機(jī)理，介紹了深孔注漿圍堵突水區(qū)域技術(shù)在該礦恢復(fù)工程中的應(yīng)用。針對(duì)谷家臺(tái)鐵礦現(xiàn)狀，制定相應(yīng)的圍堵突水區(qū)域深孔注漿方案，對(duì)注漿結(jié)石體長(zhǎng)度以及注漿參數(shù)和施工方式（注漿控制）等進(jìn)行了研究?，F(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，通過(guò)深孔注漿技術(shù)有效治理了該礦的突水事故，堵水率高達(dá)99.9%，使該礦生產(chǎn)得以迅速恢復(fù)。

礦井突水；深孔注漿；礦井恢復(fù)

0 引 言

突水事故會(huì)造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，是礦井生產(chǎn)過(guò)程中的重大災(zāi)害之一。在防治水和堵水方面，注漿技術(shù)得到廣泛應(yīng)用［1－6］。

山東萊蕪谷家臺(tái)鐵礦在－100m水平28A穿脈發(fā)生突水事故，僅1h45min就從－150m水平淹至＋1m水平，計(jì)算突水量超過(guò)3萬(wàn)m3/h，導(dǎo)致淹井。淹井后，立即組織搶險(xiǎn)，實(shí)施了鉆孔穿透巷道進(jìn)行注漿堵水，未能取得成功，被迫封井。依據(jù)谷家臺(tái)鐵礦突水事故發(fā)生處的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，1999年6月測(cè)得礦坑總涌水量為7000m3/d，通過(guò)分析其突水機(jī)理，提出深孔注漿圍堵突水區(qū)的礦井恢復(fù)方案，依據(jù)設(shè)計(jì)方案施工后，治理效果良好，堵水率高達(dá)99.9%，使該礦生產(chǎn)迅速恢復(fù)。

1 突水區(qū)域水文地質(zhì)條件

谷家臺(tái)突水區(qū)域的地層為第四系砂礫石層、第三系紅色砂巖層，中奧陶系馬家溝組灰?guī)r，燕山期閃長(zhǎng)巖。礦體賦存在奧陶系灰?guī)r與燕山期閃長(zhǎng)巖接觸帶之間。第四系砂礫石層富含孔隙潛水。中奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，灰?guī)r的巖溶裂隙發(fā)育具有上強(qiáng)下弱且與灰?guī)r傾向相一致的趨勢(shì)。

據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)資料及注漿鉆孔揭露，從－100m水平28A穿脈迎頭后退約6m處（即突水點(diǎn)附近），發(fā)育一寬度0.8～1.5m的斷層破碎帶，該斷層走向北北東，傾角60°左右，屬?gòu)埿?。斷層切割礦體進(jìn)入灰?guī)r巖層，且次生構(gòu)造裂隙發(fā)育，由于地下水的溶蝕作用，在礦體上盤(pán)接觸帶位置的灰?guī)r內(nèi)發(fā)育高度大于1.5m的溶洞。此外，在－100m水平28A巷道突水過(guò)程中，距突水區(qū)約170m的雙主孔有強(qiáng)烈的吸氣現(xiàn)象，并伴有刺耳的響聲，根據(jù)斷層構(gòu)造走向趨勢(shì)，表明北東向構(gòu)造裂隙與東部的雙主孔“天窗”有直接的水力聯(lián)系。

突水區(qū)域礦體下盤(pán)巖石蝕變強(qiáng)烈而且裂隙發(fā)育、巖體破碎，構(gòu)成了礦井突水淹井的薄弱地段。且突水區(qū)富水性強(qiáng)，地下水連通性好。

2 突水機(jī)理分析

突水巷道距離礦體底板（靠近礦體尖滅端）約20m，因成礦的熱液作用形成了較厚的強(qiáng)蝕變帶（即矽卡巖），矽卡巖易風(fēng)化，蝕變閃長(zhǎng)巖節(jié)理裂隙發(fā)育。28A斷層（張性導(dǎo)水?dāng)鄬樱┣懈钗g變閃長(zhǎng)巖、矽卡巖、礦體及礦體頂板灰?guī)r，造成礦體及礦體底板巖石破碎松散，穩(wěn)固性差。

巷道掘進(jìn)開(kāi)挖并揭露斷層，破壞了原有的應(yīng)力平衡，引起圍巖應(yīng)力重新分布，巷道圍巖的變形破壞為結(jié)構(gòu)面在圍巖動(dòng)態(tài)過(guò)程中一系列復(fù)雜的時(shí)間相關(guān)性力學(xué)行為和力學(xué)響應(yīng)所致，使普通的噴錨支護(hù)難以維護(hù)巖體強(qiáng)烈變形和嚴(yán)重破壞，巷道圍巖發(fā)生嚴(yán)重冒落。

斷層與巖體內(nèi)的節(jié)理裂隙導(dǎo)水，使巖石的不連續(xù)面的摩擦阻力減小，降低了圍巖的穩(wěn)定性，蝕變閃長(zhǎng)巖的冒落使得矽卡巖巖層暴露，在地下水的軟化、風(fēng)化作用下，產(chǎn)生了矽卡巖由固態(tài)向塑態(tài)的弱化效應(yīng)，使矽卡巖巖體的力學(xué)性能降低，由于支護(hù)的不及時(shí)、支護(hù)措施不當(dāng)，加劇了巷道圍巖失穩(wěn)冒落。

在礦體上盤(pán)靠近斷層附近的灰?guī)r內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，成為地下水儲(chǔ)存與逕流的良好通道，使該區(qū)域的灰?guī)r富水性強(qiáng)、連通性好。在高靜水壓、張性斷層、裂隙等誘因作用下，使導(dǎo)水通道的地下水壓力迅速傳導(dǎo)，突破了內(nèi)蝕變帶巖體與礦體的臨界抗壓能力，導(dǎo)致巖（礦）體的迅速跨塌，在地下水的沖刷及壓力作用下，突然大量涌水，形成了不可抗拒的突水災(zāi)害。

3 深孔注漿技術(shù)的應(yīng)用

3.1 圍堵突水區(qū)域深孔注漿方案

針對(duì)谷家臺(tái)的突水災(zāi)害，研究分析后采用深孔注漿方式圍堵突水區(qū)域處理突水問(wèn)題。實(shí)施注漿的目的是為了將突水區(qū)域的導(dǎo)水通道和富水空間進(jìn)行充填、密實(shí)、封堵，切斷含水層對(duì)突水點(diǎn)及礦井的水力補(bǔ)給，加固突水區(qū)域的巖體，提高－100m水平28A穿脈巷道圍巖的穩(wěn)固性，保證礦井順利恢復(fù)排水。

突水區(qū)域注漿堵水具體方案為在以突水點(diǎn)為中心直徑20m的圓周上布置8個(gè)鉆孔，相鄰注漿孔間距為6～11m，注漿鉆孔深度以揭露完整閃長(zhǎng)巖3～5m為準(zhǔn)，鉆孔深度270～275m。突水區(qū)域注漿鉆孔布置如圖1所示。

圖1 注漿鉆孔布置示意

間隔施工注漿鉆孔，分段下行式驅(qū)水注漿，使?jié){液在突水區(qū)域有效范圍內(nèi)的巖溶裂隙等導(dǎo)水通道內(nèi)沉淀、充塞、凝固、密實(shí)，封堵突水區(qū)域的所有導(dǎo)水通道，加固突水區(qū)域巖體，達(dá)到圍堵突水點(diǎn)的目的。

3.2 充填結(jié)石體有效長(zhǎng)度分析

為了保證注漿充填結(jié)石體有效長(zhǎng)度具有抵抗水壓力的能力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室注漿結(jié)石體參數(shù)計(jì)算臨界充填長(zhǎng)度，計(jì)算模型［7］如圖2所示。

圖2 結(jié)石體計(jì)算模型

已知靜水壓力情況下，假設(shè)：

（1）結(jié)石體的自重可以忽略不計(jì)；

（2）裂隙被漿液結(jié)石體完全充填；

（3）忽略結(jié)石體與巖體的粘結(jié)力。

根據(jù)圖2，列出受力平衡方程式：

式中：S——裂隙周長(zhǎng)；

F——裂隙斷面積；

τ——剪切強(qiáng)度。

根據(jù)莫爾理論：

將（2）式代入（1）式，經(jīng)整理后得到：

沿結(jié)石體面積作用的靜水壓力與其反作用力的平衡方程式為：

積分后得：

式中：K——側(cè)壓系數(shù)；

f——結(jié)石體的摩擦系數(shù)；

q——靜水壓力；

C——結(jié)石體內(nèi)聚力；

H——臨界充填長(zhǎng)度。

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入式（5），用迭代法計(jì)算臨界充填長(zhǎng)度H，如表1所示。

計(jì)算結(jié)果表明：計(jì)算值比實(shí)測(cè)值小得多，因此，可以認(rèn)為裂隙注漿的實(shí)際結(jié)石體充填有效長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算的臨界長(zhǎng)度，具有相當(dāng)大的安全儲(chǔ)備。

3.3 施工方式與注漿參數(shù)

注漿材料以單液水泥漿為主，地面建注漿站，集中連續(xù)造漿，注漿設(shè)備選擇BW－250型、BW－320型、2TGZ－105/120型注漿泵。第四系、第三系鉆孔內(nèi)下套管，對(duì)第三系上下巖層接觸部位進(jìn)行有效止水。通過(guò)高壓管連接注漿泵與孔口管。主要對(duì)灰?guī)r含水層實(shí)施注漿，為了降低注漿難度，提高注漿質(zhì)量，注漿堵水與加固段采用分段下行式注漿方式，即確定注漿段高，上一段注漿結(jié)束待漿液初凝后，掃孔并鉆至下一段深度，再注漿，直至鉆孔揭露3～5m完整閃長(zhǎng)巖并封孔。鉆孔結(jié)構(gòu)為第四系開(kāi)孔直徑Φ219mm，第三系鉆孔直徑Φ150mm，奧陶系灰?guī)r、閃長(zhǎng)巖鉆孔直徑Φ110mm。

表1 注漿充填結(jié)石體有效長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果

考慮到注漿鉆孔深度較大等因素的影響，為了達(dá)到有效封堵突水區(qū)域?qū)ǖ赖淖{目的，合理選擇注漿參數(shù)至關(guān)重要。根據(jù)灰?guī)r注漿的實(shí)踐并借鑒其它礦山地表帷幕注漿經(jīng)驗(yàn)，主要注漿參數(shù)選擇如下。

（1）注漿段高：注漿段高不宜太大，一般確定在10～30m。根據(jù)鉆孔簡(jiǎn)易水文試驗(yàn)確定，若灰?guī)r的巖溶裂隙極為發(fā)育，可適當(dāng)減小注漿段高。

（2）注漿終力：在地面孔口設(shè)立壓力表，終壓控制在4～5.5MPa。

（3）漿液濃度：水灰比控制在1∶1～0.5∶1。

（4）擴(kuò)散半徑：漿液擴(kuò)散半徑取大于10m。

（5）凝膠時(shí)間：采用魯碧公司生產(chǎn)的425＃鋼渣散裝水泥，由實(shí)驗(yàn)確定的凝膠時(shí)間作為注漿過(guò)程使用數(shù)據(jù)。水泥凝膠時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 水泥凝膠時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

此外，由于注漿鉆孔較深，現(xiàn)場(chǎng)控制難度較大，因此，需要對(duì)每一注漿段取巖芯進(jìn)行認(rèn)真分析并進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn)，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇注漿的控制方法。注漿方法分為3類(lèi)：

（1）注漿段巖溶裂隙發(fā)育情況一般，壓水吸水量小于12m3/h，為了使?jié){液擴(kuò)散達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用高壓稀漿進(jìn)行壓注；

（2）注漿段巖溶裂隙極為發(fā)育，壓水吸水量特別大，吸漿量大，為了控制漿液擴(kuò)散距離，采用濃漿低壓力進(jìn)行控制注漿，適當(dāng)采用間歇注漿。根據(jù)壓力升高幅度，轉(zhuǎn)換漿液濃度，使?jié){液充滿過(guò)漿通道并充分密實(shí)；

（3）注漿段巖溶裂隙、吸水量介于上述二者之間，采用先稀后濃再稀的漿液進(jìn)行壓注，根據(jù)單位注入量控制注漿壓力升高速度，以確保注漿質(zhì)量。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工與效果檢查

4.1 注漿施工

該注漿堵水工程共施工注漿鉆孔2181.31m，檢查孔248.26m，掏水泥進(jìn)尺744.79m，累計(jì)注入水泥量15206.58t。

4.2 礦井抽水試驗(yàn)與排水

注漿接近尾聲時(shí)，在注漿區(qū)域灰?guī)r巖溶裂隙最發(fā)育、導(dǎo)水通道最暢通的位置布置了相應(yīng)的檢查孔進(jìn)行檢驗(yàn)，并進(jìn)行了壓水試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)檢查孔取得的灰?guī)r段巖芯進(jìn)行分析得出，該處巖溶裂隙特別發(fā)育，但充滿了水泥結(jié)實(shí)體，檢查孔灰?guī)r段巖芯采取率為85%，鉆探?jīng)_洗液消耗量少。經(jīng)壓水試驗(yàn)得出，其壓水壓力為3MPa，吸水率為q＝0.0024 L/min.m.m，由此可以得出，注入的水泥漿與巖體有效連接加固，起到了良好的堵水作用。

注漿質(zhì)量檢查完成后，在東副井采用泵量100 m3/h、揚(yáng)程162m的潛水泵2臺(tái)，下至深度142m進(jìn)行抽水試驗(yàn)，抽水總量為10.2萬(wàn)m3，通過(guò)水文地質(zhì)比擬法、相關(guān)分析法等進(jìn)行計(jì)算，礦井的動(dòng)水量在320～340m3/h之間，與突水前的礦坑涌水量非常接近，判定圍堵突水點(diǎn)深孔注漿堵水效果顯著，確定礦井排水可以實(shí)施。

礦井排水采用大型潛水泵、泵與泵接力、井底喂水的聯(lián)合排水方案，排水持續(xù)時(shí)間443h，排水總量達(dá)340萬(wàn)m3。通過(guò)井下測(cè)定確認(rèn)，礦坑涌水量為320m3/h，基本達(dá)到淹井前礦坑涌水量，圍堵突水點(diǎn)深孔注漿堵水率達(dá)到了99.9%，為礦井恢復(fù)工程的順利進(jìn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ 朱志彬，王 平，劉曉春.大水礦區(qū)堵水方法及其應(yīng)用結(jié)果［J］.黃金科學(xué)技術(shù)，2005，13（6）：35－38.

［2］ 孫翠華，曾先貴.某鐵礦井下近礦體帷幕注漿堵水及其效果評(píng)價(jià)［J］.采礦技術(shù)，2011，11（4）：95－96.

［3］ 周裕華.注漿堵水在文家背井的應(yīng)用［J］.江西煤炭科技，2008（2）：64－65.

［4］ 江中樂(lè)，孫 冰.帷幕注漿技術(shù)在豐紀(jì)果園煤礦堵水工程中的應(yīng)用［J］.煤炭工程，2010（11）：25－27.

［5］ 辛小毛，王 亮.大水金屬礦山防治水綜合技術(shù)方法的研究［J］.礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，2009，29（2）：78－81.

［6］ 任富強(qiáng).冬瓜山銅礦床水患治理淺析［J］.采礦技術(shù)，2011，11（2）：63－64.

［7］ 付士根，何治亭，張乃寶，等.礦山帷幕注漿堵水隔障機(jī)理研究［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5（3）：51－55.

2012－05－08）

陳海遠(yuǎn)（1973－），男，山東萊蕪人，工程師，主要從事采礦技術(shù)和管理工作，Email：lkchenhy＠163.com。