謙比希銅礦東南礦體豎井防治水共性與差異性探討

王衛(wèi)生

(銅陵有色金屬集團銅冠礦山建設(shè)股份有限公司)

謙比希銅礦東南礦體豎井防治水共性與差異性探討

王衛(wèi)生

(銅陵有色金屬集團銅冠礦山建設(shè)股份有限公司)

通過對贊比亞謙比希銅礦東南礦體第二含水層的分析，在總結(jié)各井含水層的共性和差異性的基礎(chǔ)上，確定不同的鉆孔與漿液參數(shù)。根據(jù)豎井工作面預(yù)注漿原理，制定有針對性的鉆探注漿方案，穿過了總涌水量達300 m3/h的多個含水層，建成后全井殘余淋水量均不超過35 m3/h，平均堵水效率達到90%以上，順利完成了3口豎井的掘砌工程。

豎井掘砌 含水層 預(yù)注漿

謙比希銅礦位于贊比亞銅帶省謙比希鎮(zhèn)，東南礦體設(shè)計開鑿主井、副井及南風井3口豎井，均采用現(xiàn)澆混凝土支護。主井井筒中心坐標X=15 188.3 m，Y=-10 750.0 m，井口混凝土面標高1 234.05 m，井筒深1 260 m，井筒凈直徑6.5 m，掘進直徑7.3 m；副井井筒中心坐標X=15 288.3 m，Y=-10 750.0 m，井口混凝土面標高1 235.05 m，井筒深1 120 m，井筒凈直徑7.2 m，掘進直徑8.0 m；南風井井筒中心坐標X=14 133.9，Y=-9 862.8，井口標高1 218.8 m，井筒深670 m，井筒凈直徑6.5 m，掘進直徑7.3 m。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

3口豎井位于東南礦體西部相對貧礦區(qū)域，地層主要由第四系、穆瓦夏組、上羅恩組、下羅恩組組成，基底為斜長片麻花崗巖，侵入巖為輝長巖。礦區(qū)構(gòu)造以層間滑脫褶皺構(gòu)造為主。

(1)地層。礦區(qū)地層走向大致為北西向，地層沉積厚度南北較薄，主井一帶較厚，北部較南部厚度大，至南風井穆瓦夏組全部缺失。第四系巖性主要為含礫黏土，厚1～20 m，由南向北厚度增加；穆瓦夏組巖性主要為泥質(zhì)白云巖、泥質(zhì)巖互層，厚200～250 m；上羅恩組厚450～600 m，巖性由上至下為具構(gòu)造角礫的白云巖、含硬石膏的碎屑巖、燧石白云巖以及砂質(zhì)板巖和白云巖互層；下羅恩組地層厚60～150 m，巖性由上至下為石英巖、泥質(zhì)巖和石英巖互層、上層石英巖、礦化板巖、礫巖、含滑石白云巖，下盤石英巖、粗礫巖以及長石石英巖。

(2)侵入巖，主要為輝長巖。南風井23～159 m 見輝長巖,厚136 m；主井431～452 m見輝長巖,厚20 m。由于上羅恩組具構(gòu)造角礫巖底部沉積有滑石層，區(qū)域基底不均勻隆起使該地層產(chǎn)生滑脫，厚層狀泥質(zhì)白云巖、白云巖發(fā)生褶皺破碎，局部發(fā)育寬大裂隙，輝長巖熱液便沿裂隙侵入。南風井輝長巖厚度大，向北漸薄，說明輝長巖是由南向北呈巖盤狀侵入。

(3)基底。斜長片麻花崗巖，灰白色，細-中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，略顯片麻狀構(gòu)造，主要礦物成分為長石、石英，含少量黑云母等；長石，灰白色～肉紅色，粒狀，大小2～5 mm，玻璃光澤；石英，煙灰色，多渾園粒狀，大小與長石相仿，斷口油脂光澤；黑云母，黑色，片狀細絲狀。頂部古風化殼裂隙被泥質(zhì)云母充填，局部變質(zhì)為薄層片巖穿插于片麻巖中。

(4)構(gòu)造。以卡富埃背斜隆起引起的兩翼滑脫構(gòu)造為主，對上羅恩組具構(gòu)造角礫巖作用明顯，使其破碎，并為輝長巖侵入提供空間。

2 水文地質(zhì)概況

從目前掌握的資料看，3口豎井水文地質(zhì)條件均較為復(fù)雜，含水層多且出現(xiàn)多層厚度不一的隔水段，涌水量大，深部靜水壓力高。井筒開拓期間施工條件較為惡劣，涌水對施工進度、施工質(zhì)量及施工安全影響較大，局部可能發(fā)生突水危害。

根據(jù)豎井鉆孔揭露含水巖組情況，結(jié)合東南礦體其他水文地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)勘探鉆孔的對比分析，共劃分為4個含水層：①第四系風化帶裂隙潛水；②穆瓦夏組薄層白云巖溶蝕孔洞、溶蝕裂隙承壓水,該層在南風井缺失；③上羅恩組具構(gòu)造角礫泥質(zhì)白云巖溶隙裂隙承壓水；④下羅恩組上部石英巖、上層石英巖及基底古風化殼裂隙承壓水。根據(jù)地質(zhì)鉆孔勘察資料，主、副井南風井的主要含水層為第二含水層，為穆瓦青組薄層白云巖溶蝕孔洞、溶蝕裂隙承壓水。南風井主要含水層為第三含水層。

2.1 含水層層位、層厚及涌水量對比

3口豎井含水層位、層厚及涌水量見表1。

表1 各豎井含水層層位、層厚及涌水量

2.2 含水層類型對比

主井第二含水層巖性為薄層泥質(zhì)白云巖與白云巖互層，巖層破碎，裂隙發(fā)育，含水量極豐富，為裂隙含水層；副井第二含水層巖性為泥質(zhì)白云巖夾石灰質(zhì)白云巖及泥質(zhì)條帶，該段巖層斜交錯層理發(fā)育，中厚層狀，層間輕微揉皺，發(fā)育溶蝕銹染孔隙，含水量豐富，為溶隙含水層；南風井第二含水層巖性為白云巖，呈淺紅色，塊狀、粉末狀，裂隙、溶洞處見有碳酸鹽化，偶見少量角礫，角礫主要為泥質(zhì)膠結(jié)物、方解石等，礫徑0.6～1 cm，含水量較豐富，為裂隙、溶隙含水層。

2.3 含水層化學(xué)特征對比

2.3.1 主 井

主井第二含水層地下水化學(xué)類型為HCO3Ca-Na型，溶解性總固體、總堿度及總硬度含量中等偏低，抽水試驗未見氣體排出，pH值7.27，略顯堿性。水中碳酸根、硫酸根含量很低。水中未見侵蝕性二氧化碳，對鋼材和混凝土無腐蝕性?；瘜W(xué)特征見表2。

表2 主井第二含水層化學(xué)特征 mg/L

陽離子KNaCaMgNH3TFe含量1.5740.490.618.3<0.5陰離子HCO3CO3Cl-SO4NO-3NO-2含量238<1.147.33515.42<0.004其他溶解性總固體總堿度總硬度pH含量7202384267.27

2.3.2 副 井

副井第二含水層地下水化學(xué)類型為HCO3Ca-Na型，溶解性總固體、總硬度含量中等，總堿度較低，抽水試驗未見氣體排出，pH值6.5，為中性水，但水中硫酸根含量略高，這可能與巖層黃鐵礦化有關(guān)系。水中未見侵蝕性二氧化碳，對鋼材和混凝土無腐蝕性。其化學(xué)特征見表3。

表3 副井第二含水層化學(xué)特征 mg/L

陽離子KNaCaMgNH3TFe含量3.0230.67412.3<0.01陰離子HCO3CO3Cl-SO4NO-3NO-2含量64<1.172520.70.06其他溶解性總固體總堿度總硬度pH含量374662786.5

2.3.3 南風井

南風井第二含水層地下水化學(xué)類型為HCO3Ca-Mg型，溶解性總固體含量低，抽水試驗未見氣體排出，pH值6.52，為中性水，水質(zhì)較好。水中碳酸根、硫酸根含量很低。水中未見侵蝕性二氧化碳，對鋼材和混凝土無腐蝕性。見表4。

表4 南風井第二含水層化學(xué)特征 mg/L

陽離子KNaCaMgNH3TFe含量2.4518.556.337.6<0.03陰離子HCO3CO3Cl-SO4NO-3NO-2含量64<1.1122652.40.03其他溶解性總固體總堿度總硬度pH含量10049426.52

3 防治水工程

針對3口豎井含水層賦存水量大、巖層破碎不穩(wěn)定的情況，為了確保井筒施工的安全和質(zhì)量，3口豎井掘進到含水層以上約10m時停止掘進，采用井筒工作面預(yù)注漿法治理井筒涌水。由于3口豎井含水層層位、層厚以及涌水量等特征存在差異，注漿方案設(shè)計和注漿參數(shù)設(shè)計也略有不同。就豎井施工而言，對于含水層的處理可以根據(jù)含水層的特征及涌水量的不同，分別采取地面預(yù)注漿與工作面注漿。就主副井來說，主要含水層的埋藏深度小于500m，第一含水層的埋藏深度很淺，第三及第四含水層的涌水量較小，主要含水層第二含水層的厚度較大，含水層間又有較多的隔水段。綜合考慮該含水層的特征及井筒施工工藝以及工程所在地的技術(shù)條件，結(jié)合本公司的豎井防治水的技術(shù)優(yōu)勢以及業(yè)主對工程項目建設(shè)的總體安排，本著注重效果，確保安全，節(jié)約投資的原則，決定采取工作面深孔預(yù)注漿，預(yù)注漿掘進期間采用淺孔補充探水直接堵漏注漿。井筒砌壁后如涌水量超過規(guī)定，進行壁后注漿。

3.1 注漿方案

根據(jù)3口豎井井筒實際揭露的巖層及含水層特征，綜合考慮實際施工探水注漿孔涌水情況，確定主井采用一次分層注漿，副井采用二次分解注漿，南風井采用一次全注漿。

(1)主井。第二含水巖層裂隙主要為層間裂隙，且局部為較陡傾的節(jié)理裂隙，該段含水巖層賦存水量極豐富。為了達到有效堵水的目的，確定36個注漿孔分層注漿，以使水泥漿液充分注入含水裂隙。在井深128m止?jié){墊上施工第一層探水注漿孔，設(shè)計鉆孔深度15m，注漿孔數(shù)36個，待第一層注漿結(jié)束后開始第二層注漿，第二層探水注漿孔設(shè)計鉆孔深度37m(包括對第一層注漿孔掃孔)。

(2)副井。第二含水巖層發(fā)育溶蝕孔隙且透水性良好，在140～160m有一相對隔水層。為了達到良好的注漿效果，對該含水層進行分解注漿，上部114～140m賦存水量較下部160～175m豐富，故確定第一次注漿孔數(shù)為48個，在井深105m止?jié){墊上施工設(shè)計鉆孔深度35m；掘進20m后在井深160m止?jié){墊上施工第二次探水注漿孔，設(shè)計鉆孔深度20m，注漿孔數(shù)24個。

(3)南風井。南風井第二含水層裂隙、溶隙發(fā)育，含水層層厚和賦存水量與主、副井第二含水層相比較小，故對該含水層進行一次注漿，在井深180m止?jié){墊上施工探水注漿孔，設(shè)計鉆孔深度30m，設(shè)計注漿孔數(shù)24個。

3.2 注漿方式

工作面深孔預(yù)注漿為孔內(nèi)分段下行式注漿，即打一段注一段，經(jīng)掃孔復(fù)鉆后繼續(xù)鉆孔注漿。這種注漿方式的最大優(yōu)點是注漿效果好，每一段注漿都起到對上一段注漿起到復(fù)注作用；工作面淺孔探水注漿全孔一次鉆進注漿。

3.3 注漿參數(shù)

3.3.1 注漿壓力

根據(jù)GBJ213-90規(guī)定，注漿壓力按照2～4倍靜水壓力確定。在實際注漿作業(yè)中，主井第二含水層第一層注漿壓力為5～7MPa，第二層注漿壓力為8～11MPa；副井第二含水層第一次的注漿壓力為5～8MPa，第二次注漿壓力為8～10MPa；南風井第二含水層注漿壓力為6～8MPa。從3口豎井的注漿壓力參數(shù)可以看出，主井與副井含水層水壓較南風井大，說明主、副井含水層注漿難度較大。但工作面預(yù)注漿所選壓力不宜過大，否則可能會破壞圍巖穩(wěn)定性，使注漿工作難度加大。

3.3.2 注漿漿液類型與配比

由于工程所在地的材料供應(yīng)限制，3口豎井第二含水層的注漿漿液類型均為水泥漿液。根據(jù)3口豎井第二含水層的裂隙、溶隙發(fā)育程度和連通性，注漿漿液配比見表5。

表5 注漿漿液配比對比

3.4 注漿效果

鉆孔檢查注漿效果，檢查孔數(shù)量4～5個。檢查鉆孔原則上布置在井筒東、西、南、北及中心，但是在實際施工時應(yīng)根據(jù)各個鉆孔的注漿情況綜合分析。當發(fā)現(xiàn)某一部位的注漿存在問題時，還應(yīng)在注漿效果最不利部位增加檢查孔。

為了對3口豎井第二含水層的注漿效果進行直觀地分析對比，3口豎井在注漿作業(yè)開始前、含水層段掘砌結(jié)束后，均采用淹井法實測整個井筒涌水量，3口豎井井筒涌水量對比見表6。

表6 井筒涌水量 m3/h

名稱注漿前注漿后主井30035副井(第一次)25025副井(第二次)22030南風井12020

4 結(jié) 論

注漿結(jié)束后，3口豎井開始掘進作業(yè)，在實際揭露的含水巖層中可發(fā)現(xiàn)水泥呈塊狀、條帶狀充填于含水裂隙、溶隙中，井壁僅有少量出水且整個井筒涌水量在井筒排水能力范圍內(nèi)，成功地將地下水驅(qū)至井筒外圍。

針對不同特征的含水層段選擇合理的注漿方案，不僅關(guān)系到防治水工程的成敗，對于井筒施工的安全、質(zhì)量和工期等方面均有重要意義。

[1] 馬 楚.淺析五溝煤礦三個井筒注漿工程技術(shù)[C]∥礦山建設(shè)工程新進展—2006全國礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會議文集(下冊).昆明：中國煤炭學(xué)會煤礦建設(shè)與巖土工程專業(yè)委員會，2006：96-98.

[2] 崔云龍.簡明建井工程手冊[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2000.

[3] 趙興國.贊比亞謙比希銅礦床地質(zhì)特征[J].地質(zhì)與勘探,2010,46(1):183-190.

[4] 徐 寧.試論謙比希銅礦地下主含水層和副含水層的水力聯(lián)系[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2005(9)：19-21.

2015-01-20)

王衛(wèi)生(1970—)，男，副經(jīng)理，高級工程師，244000 安徽省銅陵市北京西路29號。