礦山突水鉆孔孔道封堵治水技術(shù)

陳禮石

摘 要：為解決遠安祥云礦業(yè)高峰磷礦在井筒施工過程中，出現(xiàn)大量涌水導(dǎo)致礦井被淹的隱患，綜合考慮安全、工期、成功率等因素，并在分析原注漿存在的問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計采用“堵源+封口+帷幕注漿”的總體治理方案。通過施工若干鉆孔至突水孔涌水層進行大量注漿，封堵突水的水源，再施工鉆孔至突水孔孔口進行注漿封堵固化孔口砂石層，最后破除水泥固結(jié)體至原斜井迎頭，設(shè)計若干注漿孔進行大量注漿，最終形成防水帷幕。該方案實施中取得了良好的治理效果，保證了突水鉆孔孔道的有效封堵及后續(xù)掘進形成帷幕的問題。

關(guān)鍵詞：突水鉆孔 堵源 封口 帷幕注漿 治理

中圖分類號：TE358 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（c）-0079-03

遠安祥云礦業(yè)高峰磷礦位于湖北省遠安縣荷花鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計生產(chǎn)能力330萬噸/年，是亞洲單礦產(chǎn)量最大的磷礦生產(chǎn)企業(yè)，目前正處于基礎(chǔ)建設(shè)階段。目前礦井已施工井筒5個，在井筒施工過程中，水害問題比較突出，除剛開始動工的5號井以外，其余四個井均遇到較為嚴(yán)重的水害問題，嚴(yán)重影響了工程建設(shè)的進度。

2號膠帶井在施工至K0+95.5m時探水發(fā)現(xiàn)前方預(yù)掘段水害比較嚴(yán)重，后試探性向前掘進至k0+118m，掘進段巷道頂板及兩幫淋水特別嚴(yán)重，總水量約80m3/h。通過長時間的注化學(xué)漿及水泥漿，目前淋水已基本被控制，僅殘留少量滴水現(xiàn)象。分析認(rèn)為在多次的注漿中原突水孔沒有被有效封堵的可能性較大，所以解決的核心是設(shè)計具體治理方案保證突水鉆孔孔道的有效封堵及后續(xù)掘進形成帷幕的問題，以防止發(fā)生重復(fù)突水的惡性事故。

1 2號膠帶井水害情況及治理現(xiàn)狀

1.1 水害情況

2號膠帶井大轉(zhuǎn)彎平巷段50m，從變坡點下掘153.8m時進行探水，開孔點距離斜井右?guī)?.8m，距離底板0.8m左右，孔傾角-13°，方位256°，孔深23.8m，其中在孔深22.5m位置出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象。經(jīng)簡易測量，孔內(nèi)最大涌水達到1000m3/h，水質(zhì)渾濁。因水量太大，且夾雜大量砂石，導(dǎo)致孔口閥門無法關(guān)閉，最終導(dǎo)致礦井被淹，水位上漲到膠帶井井口時，測得靜水位約+512.5m（膠帶井井口標(biāo)高為+519m）。

1.2 治理措施

井筒被淹后，曾考慮過強制排水、潛水關(guān)閥、地面封堵、擴孔注漿封堵等措施[1-3]。綜合考慮安全、工期、成功率等因素，最終決定采用地面定點封堵的措施。即在膠帶井工作面退后8m的地表位置，垂直向下施工一個注漿鉆孔，通過鉆孔進行靜水灌漿，通過水泥固結(jié)后在已施工的巷道中產(chǎn)生的固結(jié)體，反壓住出水鉆孔，阻斷水流的通道，見圖1。

1.3 問題分析

目前核心的問題是注漿中鉆孔否被有效的充填，根據(jù)現(xiàn)場及資料分析，沒有被有效封堵的可能性較大，主要基于如下幾個原因：（1）鉆孔突水時水質(zhì)較為渾濁，夾雜有一定的砂石。（2）地面注漿是靜水注漿，且注漿點是在迎頭退后的巷道中，漿液不可能大量流入孔道中。（3）后期的探水注漿中發(fā)現(xiàn)，在鉆孔施工中鉆孔總有一定的出水現(xiàn)象，此水源也極有可能來自于突水鉆孔。

2 治理方案設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

實際問題的核心是保證突水鉆孔孔道的有效封堵及后續(xù)掘進形成帷幕的問題。為此研究采用“堵源+封口+帷幕注漿”的總體治理方案。（1）先施工若干鉆孔，鉆孔目的層位為突水鉆孔大量涌水層位位置，進行大量注漿，封堵突水的水源；（2）再施工鉆孔，鉆孔孔底位于原突水孔孔口附近，進行注漿封堵固化孔口砂石層，形成止?jié){墻（墊）；（3）最后破除水泥固結(jié)體，至原斜井迎頭，設(shè)計若干注漿孔進行大量注漿，最終形成防水帷幕，如此達到“堵源+封口+帷幕封水”的目的。本方案設(shè)計在斜井迎頭位置的右?guī)褪┕ひ蛔鳂I(yè)硐室，在硐室中鉆孔注漿，這樣既能避開埋藏的機具設(shè)備，又能避開砂石層。

2.2 作業(yè)硐室設(shè)計及施工

作業(yè)硐室設(shè)計在迎頭右?guī)臀恢?，?guī)格l×b×h=5m×5m×4m。作業(yè)硐室采用鉆爆法施工。在硐室開鑿前，先進行探水工作，探水采用釬探的形式，探水孔布置在硐室及其周邊位置，周邊探測的控制范圍不小于2.0m，探測總深度控制在7.0m左右，考慮到風(fēng)鉆的鉆進能力可采用兩輪探水的形式。如果探水過程中單孔的水量小于1.0m3/h，則可以正常開鑿硐室，如果水量大于1.0m3/h，則要對方案進行相應(yīng)調(diào)整。

2.3 “堵源”注漿設(shè)計及施工

2.3.1 鉆孔參數(shù)

原突水鉆孔突水點孔深22.5m，俯角13°，右?guī)屯馄?°，開孔點距離底板及右?guī)途鶠?.8m左右，終孔點距離斜井右?guī)?.5m，距離底板0.4m。設(shè)計三個“堵源”注漿孔，開孔點均位于作業(yè)硐室中，終孔點均在原突水孔大量涌水的層位位置，其中Y2孔設(shè)計與原突水孔在涌水層位相交，Y1、Y3孔在涌水層位斷面分別位于涌水點的上下2.0m處。設(shè)計參數(shù)如表1所列。

2.3.2 鉆孔規(guī)格

各孔采用潛孔鉆機施工，開孔采用φ120mm的鉆頭開孔，開孔深度4.5m，安裝φ108mm的孔口套管4.0m，采用雙液水泥漿或化學(xué)漿固管。待漿液充分固化后采用φ75mm的鉆頭進行鉆進。鉆進主要分兩個輪次，一個輪次各孔均鉆進至40m，然后拔鉆注漿，二輪鉆進至57m后，再進行注漿。但如果在鉆進過程中鉆孔有大量涌水現(xiàn)象（水量>40m3/h），則要及時停鉆，進行注漿。

2.3.3 注漿設(shè)計

各孔鉆進至40m時，進行第一輪次的注漿，注漿的主要目的是封堵孔道周圍的裂隙，防止后續(xù)注漿過程中中途漏漿。此段注漿可根據(jù)鉆孔水量的大小來選擇漿液，如果水量>20m3/h，則選用水泥漿，如果水量<20m3/h，則直接選用化學(xué)漿液。此段注漿注漿終壓設(shè)計為10MPa，各孔的注漿量控制在3m3之內(nèi)。

第二輪次鉆進原則上是鉆進揭露強含水層位，即在鉆進時，如果鉆孔出現(xiàn)大量涌水現(xiàn)象，則停鉆注漿即可。此段注漿的直接目地是“堵源”，主要選用水泥漿液，可輔助采用雙液漿[4]。注漿終壓設(shè)計為10MPa，各孔的注漿量暫不設(shè)計，主要根據(jù)具體涌水情況再設(shè)計，原則上以量大為準(zhǔn)。純水泥漿及雙液漿配比如表2、表3所示。

2.4 “封口”注漿設(shè)計及施工

2.4.1 鉆孔參數(shù)

原突水鉆孔開孔點距離底板及右?guī)途鶠?.8m左右。“封口”的目的點就在原突水孔的開孔點附近。設(shè)計兩個“封口”注漿孔，開孔點均位于作業(yè)硐室中，終孔點均在原突水孔孔口附近位置，距離開孔點最近僅0.3m。設(shè)計參數(shù)如表4所列。

2.4.2 鉆孔規(guī)格

鉆孔規(guī)格同“堵源”一致，但鉆進主要分三個輪次，一個輪次各孔均鉆進至28m，然后拔鉆注漿，二輪鉆進至32m后，再進行注漿，第三輪次為掃孔至原孔深度，再進行注漿。但如果在鉆進過程中鉆孔有大量涌水現(xiàn)象（水量>20m3/h），則要及時停鉆，進行注漿。

2.4.3 注漿設(shè)計

各孔鉆進至28m時，進行第一輪次的注漿，注漿的主要目的是封堵孔道周圍的裂隙，防止后續(xù)注漿過程中中途漏漿。此段注漿可根據(jù)鉆孔水量的大小來選擇漿液，如果水量>20m3/h，則選用水泥漿，如果水量<20m3/h，則直接選用化學(xué)漿液。此段注漿注漿終壓設(shè)計為10MPa，各孔的注漿量控制在2m3之內(nèi)。

第二輪次鉆進原則上是鉆進穿過砂石層（水泥結(jié)石體）進入巖層，然后停鉆注漿即可。此段注漿的直接目地是“封口”，在突水孔孔口位置形成一止?jié){墻（墊）。注漿主要選用水泥漿液，可輔助采用雙液漿。注漿終壓設(shè)計為10MPa，各孔的注漿量暫不設(shè)計，主要根據(jù)具體涌水情況再決定，原則上以量大為準(zhǔn)。純水泥漿及雙液漿配比如表3、4所示。

第三輪次為掃孔至原孔深度，注化學(xué)漿，主要目的是使?jié){液充分?jǐn)U散，增加帷幕的整體性。單孔化學(xué)漿用量控制在3t左右，注漿終壓設(shè)計為10MPa。

2.5 恢復(fù)掘進

上述工作進行完后，則可恢復(fù)水泥結(jié)石體的破除工作，在破除過程中要堅持探掘結(jié)合，邊探測邊掘進。探測主要的位置依然是底板位置，可采用風(fēng)鉆進行。探測過程中如果探測孔無穩(wěn)定水量>5m3/h的現(xiàn)象，則可繼續(xù)掘進。另外在掘進最后10m段時，要做到邊掘進邊測試，測試的主要參數(shù)是工作面的涌水量，如果水量有逐步增大的現(xiàn)象，則要及時停止掘進，聯(lián)系方案設(shè)計方進行后續(xù)設(shè)計。

2.6 帷幕注漿

水泥結(jié)石體破除完成后，即巷道達到原迎頭時，則可進行帷幕注漿工作，帷幕注漿控制深度45m，注漿后可保障安全掘進35m左右。帷幕注漿依然堅持“多輪次+多次延伸+水泥漿化學(xué)漿結(jié)合”的總體控制方案。具體帷幕注漿的設(shè)計方案待水泥結(jié)石體破除完成再進行設(shè)計。

2.6.1 鉆孔布置

共布置兩個輪次的注漿孔，每個輪次注漿孔10個，首輪孔為主注孔，二輪孔為檢查補注孔。兩輪次孔呈內(nèi)外兩層布置，插花狀。首輪孔主要布置于外層，終孔位置距離斜井?dāng)嗝婵刂圃?m左右；檢查補注孔則主要用于內(nèi)層，終孔位置控制在距離斜井外斷面2.5m左右。布控示意圖見圖2。

2.6.2 注漿孔結(jié)構(gòu)

鉆孔規(guī)格同“堵源”一致待漿液充分固化后采用φ75mm的鉆頭進行鉆進。鉆進主要分多個輪次，以涌水量作為停鉆注漿標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)單孔水量大于10m3/h時，則要及時停鉆，進行注漿。然后繼續(xù)掃孔復(fù)注，直至達到設(shè)計孔深。

2.6.3 注漿工藝控制

鉆進主要分多個輪次，以涌水量作為停鉆注漿標(biāo)準(zhǔn)，如鉆進過程鉆孔出水，水量≥10m3/h時，要及時提鉆進行注漿，達到停注壓力后停止注漿，漿液固結(jié)后再繼續(xù)按設(shè)計方案進行鉆孔、注漿。注漿時初注單液漿，如注入漿液（水泥單液漿）超過6m3，孔口壓力升高值小于2.0MPa，則可及時換注水泥雙液漿，如注入漿液（水泥單液漿）超過6m3孔口壓力升高值小于2.0MPa，則增加以及雙液漿配比，依次類推；如注漿在5min時間內(nèi)注漿壓力升高待升壓大于2.0MPa，則降低以及雙液漿配比。注漿量接近單孔控制量是，及時調(diào)整漿液配比進行封孔。

2.6.4 注漿過程控制

（1）注漿順序。

總體采用插孔注漿方式，施工總體分兩個大輪次進行，1-10號孔為第一輪次，11-20號孔為第二輪次。在第一輪次的十個注漿孔在細(xì)分成兩個輪次，先注單號孔，再注復(fù)數(shù)號孔；第二輪次的10個孔同樣分兩個小輪次，先注復(fù)數(shù)孔，再注單號孔。首輪注漿起到主注作用，二輪注漿起到檢查補注的作用。

（2）停注壓力。

結(jié)合以往工程經(jīng)驗，結(jié)合實際的注漿泵的機械性能考慮，考慮到注漿目的巖層的靜水壓力，一般注漿設(shè)計終壓為注漿所處地層壓力的2～2.5倍，計算的本次注漿終孔壓力為11～14MPa（孔口壓力），再結(jié)合注漿區(qū)域地下水動力條件及鄰近井巷的放水釋壓，確定本次注漿的設(shè)計終壓為10～12MPa（孔口壓力），注漿過程的瞬間沖擊壓力可控制在12～14MPa范圍。

（3）漿液擴散。

根據(jù)以上布孔方案，終孔斷面孔間距約為3m。據(jù)以往注漿經(jīng)驗，在裂隙連通程度較差情況下，10Mpa泵壓可以保證水泥漿的擴散形成交圈。

（4）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

以注漿壓力達到終壓水平的穩(wěn)定時間超過5min，或注漿壓力持續(xù)升高超過終孔壓力20%作為停注標(biāo)準(zhǔn)。

（5）封孔。

單個注漿孔注漿終結(jié)后，用水泥、水玻璃雙液漿封孔。

3 結(jié)論

遠安祥云礦業(yè)高峰磷礦針對2號膠帶井突水鉆孔孔道的有效封堵問題，在分析資料與現(xiàn)場觀察的基礎(chǔ)上，設(shè)計采用了“堵源+封口+帷幕注漿”的總體治理方案。該方案通過封堵突水的水源；以及封堵固化孔口砂石層，形成止?jié){墻（墊），在原斜井迎頭進行大量注漿形成防水帷幕的方式，確保了突水鉆孔孔道的有效封堵及后續(xù)掘進形成帷幕的問題。2號膠帶井水害成功治理的經(jīng)驗，不僅可以用來治理高峰磷礦其余三個井的水害問題，也可以推廣到其他礦山上解決類似水害問題，在礦山水害治理中具有很好的借鑒意義。

參考文獻

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