北洺河鐵礦含泥砂溶洞置換注漿堵水技術(shù)

黃天瑞

（五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦，河北 武安 056300）

北洺河鐵礦含泥砂溶洞置換注漿堵水技術(shù)

黃天瑞

（五礦邯邢礦業(yè)有限公司北洺河鐵礦，河北 武安 056300）

北洺河鐵礦屬于典型的巖溶充水及含泥砂充填的復(fù)雜條件下的大水礦床。巖溶、裂隙發(fā)育，因受一系列張性斷層影響，圍巖極為破碎，風(fēng)化蝕變嚴(yán)重，溶洞發(fā)育，含溶洞水及泥砂等，給井筒掘進(jìn)造成極大困難。結(jié)合礦區(qū)開采現(xiàn)狀，成功總結(jié)出北洺河鐵礦井筒掘進(jìn)溶洞置換注漿堵水施工技術(shù)，應(yīng)用于工程實(shí)際，有效治理了水患，使井筒掘進(jìn)基建主體工程得以順利進(jìn)行。

北洺河鐵礦；注漿；水文地質(zhì)；溶洞

北洺河礦區(qū)水文地質(zhì)條件十分復(fù)雜。北洺河鐵礦建設(shè)工程的首要關(guān)鍵工程是主井、副井、西風(fēng)井及疏干排水系統(tǒng)的工程施工。在主井、副井、西風(fēng)井、措施井等井筒施工過(guò)程中，由于遇到了罕見的復(fù)雜地質(zhì)條件，在穿越厚達(dá)140多米的奧陶系石灰?guī)r中，在不同深度的施工斷面上遇到突然涌水，嚴(yán)重影響工程施工。情況最嚴(yán)重的是主井施工。主井實(shí)際揭露中奧陶統(tǒng)下段灰?guī)r及大理巖厚達(dá)140m，主要巖性為結(jié)晶灰?guī)r，大理巖、結(jié)晶花斑灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、透灰石化大理巖等，巖溶、裂隙發(fā)育，整性差別很大。因受一系列張性斷層影響，圍巖極為破碎，風(fēng)化蝕變嚴(yán)重，溶洞發(fā)育，含溶洞水及泥砂等。在主井井筒施工過(guò)程中，實(shí)際揭露出截面直徑為0.1～4.7m大小不等的溶洞29個(gè)，曾6次出現(xiàn)大量涌水，造成1次淹井，潰入井筒的最大水量為210m3/h，給井筒掘進(jìn)造成極大困難，淹井時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月。曾有專家作出由于水文地質(zhì)條件過(guò)于復(fù)雜，水淹井筒可能無(wú)法恢復(fù)的預(yù)言。

面對(duì)嚴(yán)峻的困難挑戰(zhàn)，進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，成功總結(jié)出北洺河鐵礦井筒掘進(jìn)溶洞置換注漿堵水施工技術(shù)，應(yīng)用于工程實(shí)際。于1997年7月至1999年1月，先后對(duì)石灰?guī)r涌水段主井、副井、西風(fēng)井、措施井進(jìn)行注漿工程治水。其中主井進(jìn)行6次工作面注漿，共施工止?jié){墊5個(gè)，注漿鉆孔62個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺2467.5m，注入單液水泥漿6079.33m3.共耗用水泥4958.8t，鉆注時(shí)間累計(jì)350天，有效治理了水患，使井筒掘進(jìn)基建主體工程得以順利進(jìn)行。

1 地質(zhì)概況

北洺河鐵礦位于河北省武安市上團(tuán)城村北東約1km處的北洺河河床上。礦體賦存于奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r與燕山期閃長(zhǎng)巖接觸帶，屬接觸交代型鐵礦床。礦體頂面賦存標(biāo)高＋142～－403m，大部分處在地下水位以下。礦床頂板及其圍巖為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，厚度較大。以溶隙水為主、頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水、靠近地表水體，屬于水文地質(zhì)條件較復(fù)雜的巖溶裂隙充水礦床。

礦山于1997年4月8日恢復(fù)基建，2002年4月8日投產(chǎn)。地下開采，無(wú)底柱分段崩落法采礦。目前已開拓至－230m水平，主要采礦部位在－110～－155m水平。

北洺河鐵礦地下水屬于邢臺(tái)百泉泉域巖溶水系統(tǒng)。礦區(qū)處在北洺河－郭二莊－王窯－中關(guān)－邢臺(tái)巖溶水強(qiáng)徑流帶上游，屬于近補(bǔ)給區(qū)的徑流區(qū)段［1］（圖1）。

圖1 百泉巖溶水系統(tǒng)略圖

內(nèi)巖溶地下水動(dòng)態(tài)受降水量及人為開采量所控制，地下水動(dòng)態(tài)特征為降水－開采型，表現(xiàn)為“集中補(bǔ)給、常年消耗”，地下水位呈階梯狀逐年下降的總特征。

1.1 技術(shù)基本原理

如前述，北洺河礦區(qū)垂深310～345m巖溶極其發(fā)育，被泥砂充填或半充填，且部分與奧灰水溝通。對(duì)于含泥砂溶洞，僅靠溶洞泥砂作阻水墻，強(qiáng)度大大不夠，井筒越深，水壓越大，泥砂外的水突破泥砂阻力涌入井筒的可能性就越大。在主井掘進(jìn)首次碰到含泥砂溶洞涌水時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用普通注漿堵水技術(shù)根本無(wú)法堵住溶洞涌水。經(jīng)過(guò)深入分析和研究，提出含泥砂溶洞置換注漿堵水技術(shù)，其基本原理首先采用一定技術(shù)把溶洞里的泥砂放出，然后用水泥漿置換出溶洞內(nèi)的泥砂，形成閉合帷幕，以此實(shí)現(xiàn)堵水目的。

1.2 注漿設(shè)計(jì)與施工

在主井掘進(jìn)施工過(guò)程中，曾在不同深度不同地質(zhì)條件下發(fā)生大小不同的涌水，先后采取過(guò)6次工作面注漿止水措施，分別不同的條件，實(shí)際共施工鉆孔62個(gè)，累計(jì)施工進(jìn)尺2467m，施工鉆機(jī)選用KQJ－100潛孔鉆，偶用KD－100型鉆機(jī)配合使用，鉆頭直徑為Φ130mm、Φ90mm、Φ65mm三種分別選用，鉆孔結(jié)構(gòu)，孔口管主要選用直徑Φ108mm。僅第一次注漿孔為127mm。

鉆孔采用無(wú)芯鉆進(jìn)，清水洗孔循環(huán)，給水量視鉆孔涌水量確定，以排出巖粉為主，鉆具丈量要求一定準(zhǔn)確，各項(xiàng)原始記錄要完整、清楚、準(zhǔn)確，確定鉆孔深度符合設(shè)計(jì)要求。

1.2.1 注漿孔設(shè)計(jì)

1）注漿深度的確定。根據(jù)井筒掘進(jìn)中，遇到的實(shí)際問題，包括巖層特征，巖溶、裂隙等涌水特征、出水位置及工程目的綜合考慮確定注漿深度。

2）注漿孔數(shù)的確定.根據(jù)溶洞發(fā)育情況結(jié)合注漿實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)調(diào)整開孔間距，按式（1）確定注漿孔數(shù)。

式中：N為注漿孔數(shù)；D為井筒凈直徑；A為注漿孔與井壁間距；L為孔間距。

3）鉆孔徑向傾角的確定。除直孔外，根據(jù)式（2）確定斜外徑的傾角。

式中：C為斜孔在徑向上與豎直軸的夾角；S為終孔位置在徑向超出荒徑的距離，取2m；H為注漿段高；A為注漿孔與井壁間距。

4）注漿方式。采用下列壓入式注漿方式，利用兩臺(tái)YSB250－120型液力調(diào)速注漿泵注漿。每次注漿前先進(jìn)行壓水試驗(yàn)。測(cè)定注漿段的吸水量，同時(shí)檢驗(yàn)注漿泵、各管路存在問題，確認(rèn)完好后，按設(shè)計(jì)規(guī)定的注漿濃度、流量、壓力進(jìn)行注漿，當(dāng)注漿結(jié)束后壓水清洗管路，并養(yǎng)護(hù)6～8h。之后可作掃孔壓水試驗(yàn)。耗水量大于20L/min時(shí)，仍需復(fù)注漿。直至耗水量小于20L/min，兩次注漿間隔時(shí)間為18～24h。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)注漿比原來(lái)注漿的濃度略低，注漿流量控制略小。

1.2.2 注漿參數(shù)

1）注漿壓力。設(shè)計(jì)注漿壓力，一般為終孔靜水壓力的1.3～3.0倍，視注漿段高度調(diào)節(jié)。同一孔注漿壓力的變化一般由低→高→低→高至終壓。

2）注漿濃度。一般選用1.5∶1、1.25∶1、1∶1、0.8∶1、0.75∶1、0.6∶1等6種濃度，其中高濃度漿液用量最大。

3）注漿量。分單液水泥漿及水泥漿加水玻璃配置2種，后者增加速凝效果，提高初期強(qiáng)度。具體注漿量，視注漿目的要求而定。1.2.3 止?jié){墊與濾水層注漿

根據(jù)工作面巖性特點(diǎn)，止?jié){墊無(wú)法由圍巖支撐。為此，在止?jié){墊與井壁接合處，刷出兩道“u”型槽切口。施工止?jié){墊前先鋪0.7m厚碎石，放置好濾水筒后，鋪1.4m碎石濾水層，在濾水層上施工砼止?jié){墊。

濾水層注漿。在高壓球閥上接無(wú)縫鋼管，經(jīng)快速接頭與注漿高壓管相聯(lián)，利用地面注漿站YSB250－120型注漿泵對(duì)濾水層進(jìn)行注漿。如止?jié){墊漏漿，先用雙液漿快速加固止?jié){墊，對(duì)濾水層注漿原則是高濃度、低壓力、小泵量。

1.2.4 孔口注漿管埋設(shè)

濾水層注漿結(jié)束后埋設(shè)注漿孔口管。按設(shè)計(jì)要求安裝好鉆機(jī)，用 Φ130mm沖擊器鉆進(jìn)2.5～2.8m，埋設(shè)Φ108×4.5mm帶法蘭無(wú)縫鋼管作注漿管，管長(zhǎng)3.5m，管外壁車成馬牙扣，以防注漿頂出，用1∶1水泥砂漿固管。埋設(shè)24h后，用風(fēng)動(dòng)注漿泵對(duì)孔口管試壓，壓力為5MPa，若管外漏水，注入水泥－水玻璃雙漿加固，直到符合要求。

1.2.5 探溶洞與放泥砂

探測(cè)是否有溶洞和泥砂，主要是鉆進(jìn)時(shí)靠鉆孔返水情況及鉆進(jìn)速度來(lái)判斷。因此，要求當(dāng)班工人及技術(shù)人員密切注意鉆孔返水異常及鉆進(jìn)速度變化，若出現(xiàn)孔內(nèi)返黃泥砂水或鉆進(jìn)速度突然變化，要及時(shí)停鉆測(cè)量，準(zhǔn)確記錄溶洞位置。

若是鉆孔下部有溶洞且充滿泥砂，僅靠溶洞泥砂作阻水墻，強(qiáng)度大大不夠，井筒越深，水壓越大，對(duì)泥砂的壓力越大，泥砂外的水突破泥砂阻力涌入井筒的可能性就越大。此時(shí)，必須考慮利用止?jié){墊打鉆孔，用水泥漿置換出溶洞內(nèi)的泥砂，形成閉合帷幕，方可保證井筒掘砌時(shí)安全。

溶洞內(nèi)的泥砂必須放出，當(dāng)鉆孔內(nèi)流砂在水壓力作用下自然涌出且量大時(shí)，要安裝兩套高壓球閥以防閥門關(guān)閉不嚴(yán)。當(dāng)鉆孔內(nèi)見流砂而不能自然排出時(shí)，要采用壓風(fēng)洗孔或從相鄰孔壓水以排出溶洞內(nèi)流砂。

2 技術(shù)要求及安全措施

1）確保砼止?jié){墊連續(xù)施工，砼強(qiáng)度按C30配制，并加入水泥重量3%的HT－2型砼早強(qiáng)劑減水，以增加止?jié){墊早期強(qiáng)度。

2）止?jié){墊凝固7d后，試塊強(qiáng)度代表值大于150kg/cm2方可開鉆。

3）所有注漿管路、管接頭、三通閥門、逆止閥、壓力表等均應(yīng)做耐壓試驗(yàn)，試壓不小于8.0MPa，維持20min不滲水方可正常使用。

4）鉆孔施工中維持220m3/h的排水能力。

5）使用YS5250/120注漿泵時(shí)，要裝安全閥，施工人員嚴(yán)格按設(shè)計(jì)配制泵液，注漿施工要存?zhèn)溆盟础?/p>

6）鉆孔揭露溶洞后盡量充分放砂，以利于溶洞內(nèi)泥砂被水泥漿液充分置換。

7）注漿前工作面清理干凈，注漿時(shí)設(shè)專人觀察井壁，以防注漿擠裂井壁。

8）嚴(yán)格按要求配制漿液濃度。

9）鉆進(jìn)及注漿過(guò)程中，技術(shù)員必須及時(shí)、準(zhǔn)確、詳細(xì)記錄和收集多項(xiàng)原始資料，以備查考。

10）加強(qiáng)安全教育，模范執(zhí)行各項(xiàng)安全規(guī)程，防止各類事故的發(fā)生。

3 注漿效果分析

主井掘進(jìn)工程中，通過(guò)工作面前后6次注漿堵水，使得極為破碎的閃長(zhǎng)巖層得以固結(jié)，并具一定強(qiáng)度，使井筒掘進(jìn)能順利通過(guò)破碎的閃長(zhǎng)巖段；對(duì)于斷層破碎帶、巖溶或溶洞充水、流砂和涌水地段，通過(guò)注漿治理，排砂堵水、溶洞充填等，使井筒掘進(jìn)順利落底，最終成功地通過(guò)了含大量溶洞，流砂等惡劣地質(zhì)條件的厚大石灰?guī)r層。和主井工程一樣，應(yīng)用注漿堵水也同樣使副井、西風(fēng)井、措施井等復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)工程均已成功順利地完成，從而保障了北洺河鐵礦主體工程的建設(shè)工期。

通過(guò)井筒掘進(jìn)工作面注漿堵水工程攻關(guān)的實(shí)踐，可以得到以下結(jié)論：對(duì)于含溶洞、流砂涌水地層注漿，必須考慮針對(duì)重點(diǎn)地段，密集布孔，注漿參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)要使注漿孔的深淺結(jié)合、徑向傾角大、小結(jié)合。必須最大限度的充分地置換流砂，鉆進(jìn)時(shí)要有防噴（噴水、噴砂）設(shè)施、采用高濃度、低壓、多次注漿等方法，方能取得成功。同時(shí)，由于含巖溶、流砂地層復(fù)雜和未知，礦井掘進(jìn)時(shí)要先探后掘，才能確保工程質(zhì)量。

4 結(jié)論

針對(duì)含溶洞、流砂涌水地層，可采用探溶洞、置換流砂的注漿方法，能有效治理水患，使井筒掘進(jìn)工程得以順利進(jìn)行。

［1］葉和良，郝美鈞，張永交，等.河北省武安市北洺河鐵礦坑道降水疏干試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告［R］.石家莊：華北有色地質(zhì)勘查局517大隊(duì)，2002.

Contains sediment cave replacement as grouting technology in minmetals Hanxing mining Beiminghe iron mine

HUANGT Tian－rui
（Minmetals Hanxing Mining Beiminghe Iron Mine，Wuan 056300，China）

Beiminghe iron ore deposit in waters under complex conditions are typical of karst waterfilled and contains sediment filling the.Karst，fractured，due to a series of extensional faults affect surrounding rock is very broken，weathered severe alteration，cave development，with cave water and silt，etc.，to the wellbore driving causing great difficulties.The present situation of mining，construction technology successfully summed Beiminghe Iron Shaft excavation cave replacement as Grouting，applied to engineering，effective management of the flood，the main wellbore tunneling infrastructure projects can be carried out smoothly.

Beiminghe iron；grouting；hydrogeology；cave

黃天瑞（1963－），男，本科，1984年畢業(yè)于廣西桂林冶金地質(zhì)學(xué)院礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，高級(jí)工程師，主要從事礦山地質(zhì)工作。E－mail：1298315618＠qq.com。

TD853

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1004－4051（2014）S2－0074－03

2014－08－08