高壓富水開拓巷道防治水技術(shù)與模擬分析

孫茂貴，殷登才

(安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司， 安徽 馬鞍山市 243181)

0 引言

在我國(guó)，隨著越來越多的水文地質(zhì)復(fù)雜礦床被開發(fā)，礦山水害問題已成為威脅礦山安全開采的主要問題之一，特別是井建期間受制于工作條件及礦山排水能力，礦井水害易造成淹井事故。近年來諸多專家針對(duì)井巷掘進(jìn)水害問題進(jìn)行了研究，并取得了豐碩的研究成果，如張海波等提出了多種鉆孔聯(lián)合注漿治理技術(shù)，解決了高壓富水破碎帶水害問題[1-4]；王小坡等提出了深淺孔聯(lián)合注漿治理手段，張光德，姜志海，馬新平等[5-7]提出了采用瞬變電磁超前探測(cè)技術(shù)，超前探測(cè)巷道擬掘進(jìn)區(qū)的富水段，提前制定針對(duì)性的治理措施，避免突水事故發(fā)生。但是，各個(gè)礦山的水文地質(zhì)特征千差萬別，如何針對(duì)特定礦山水文地質(zhì)條件制定有效的防治水方案，并分析其實(shí)施效果，以指導(dǎo)防治水方案的實(shí)施，仍是各個(gè)礦山井巷掘進(jìn)防治水工作中面臨的重要問題[8-9]。

1 礦山概況

姑山鐵礦位于安徽省馬鞍山市當(dāng)涂縣，青山河緊靠礦區(qū)東側(cè)穿過，并與長(zhǎng)江相連。自1954年開始，礦區(qū)采用露天開采，主要開采27線至16線的礦體，到2016年，露天采場(chǎng)已開采至設(shè)計(jì)最低標(biāo)高-148 m，形成一個(gè)東西寬約750 m，南北寬約1000 m的露天坑，露天坑?xùn)|部邊緣距青山河最近處不足80 m。露天采坑的長(zhǎng)期疏干排水使得礦區(qū)已形成以采坑為中心的疏干漏斗，漏斗中心水位標(biāo)高約-165 m。礦山目前已轉(zhuǎn)入井下開采，地下開采部分設(shè)計(jì)開采規(guī)模為 70萬 t/a，設(shè)計(jì)利用資源量為4797.69萬 t。設(shè)計(jì)采用豎井開拓（設(shè)置主副井、充填井及回風(fēng)井），井下共設(shè)5個(gè)中段：-148 m（回風(fēng)）中段、-200 m中段、-250 m中段、-300 m中段、350 m中段，其中首采中段為-350 m中段，預(yù)測(cè)正常涌水量為12 900 m3/d（537.5 m3/h），最大涌水量為36 700 m3/d（1529 m3/h）。在井下-300 m平巷掘進(jìn)過程中多次出現(xiàn)60 m3/h及以上突水事故，嚴(yán)重影響巷道的安全掘進(jìn)。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含水層

（1）第四系孔隙含水層。上部為粉質(zhì)黏土層，下部為砂卵石層，分布于礦床四周，一般厚40～60 m，含水層的富水性隨深度而遞增，地下水水位一般在地面以下1～2 m，標(biāo)高7 m左右。

（2）火山巖裂隙含水層。巖性為凝灰?guī)r及安山巖類，分布于礦區(qū)7線以西，總體北西傾向?yàn)橹?，為礦體的頂板或間接頂板，巖體裂隙發(fā)育，滲透系數(shù)K=0.083 m/d，單位涌水量q=0.046 L/（s·m），水質(zhì)類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型水。

（3）砂頁巖含水層。該含水層呈楔形不整合于火山巖裂隙含水層之下，分布于礦區(qū)北東端，尖滅于礦山7線附近，為構(gòu)造尖滅。含水巖性為紫色、灰紫、白色粉砂質(zhì)頁巖、中粗粒石英砂巖等，裂隙發(fā)育一般，裂隙多充填方解石，其次為硅質(zhì)、鐵質(zhì)、泥質(zhì)等。滲透系數(shù)K=0.10～0.16 m/d，單位涌水量q=0.11～0.16 L/（s·m），局部裂隙發(fā)育區(qū)的滲透系數(shù)可達(dá) 3.1 m/d，為富水巖層，水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg 型水。

2.2 隔水層

侵入巖隔水層巖性為輝長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖，似鐘狀普遍分布于整個(gè)采場(chǎng)，遠(yuǎn)離礦體蝕變逐漸減弱，巖體新鮮而完整，裂隙不發(fā)育，單位涌水量q=0.004～0.012 L/（s·m），滲透系數(shù)K=0.004～0.0086 m/d，為隔水層，水質(zhì)類型為HCO3-Ca·Mg型水。

2.3 礦坑充水因素

礦山為露天轉(zhuǎn)井下開采，主要充水水源為大氣降水、地表水體和地下水徑流，青山河等地表溝渠補(bǔ)給量??；充水通道主要有構(gòu)造破碎帶和結(jié)構(gòu)面裂隙發(fā)育區(qū)，具體分述如下。

（1）露天采場(chǎng)的影響。姑山露天采場(chǎng)經(jīng)過多年的疏干排水，在礦區(qū)形成了一定范圍的降落漏斗。在其降落漏斗范圍內(nèi)，地下水運(yùn)移暢通?，F(xiàn)階段對(duì)本礦山的影響主要為降低礦山開采排水量。若礦坑積水，可能形成地下礦山開采排水的補(bǔ)給源。

（2）斷裂構(gòu)造的影響。根據(jù)各含水層的性質(zhì)、礦體及圍巖的富水性較弱，斷裂構(gòu)造具導(dǎo)水性質(zhì)，溝通上部含水層，增加了礦體及圍巖的給水性。特別是這些斷裂構(gòu)造均為成礦后斷層，斷層具張性，如F8斷層破碎帶就溝通了黃馬青組裂隙含水巖組。

（3）結(jié)構(gòu)面的影響。礦體與圍巖之間形成結(jié)構(gòu)面，受成礦后斷裂構(gòu)造的影響，圍巖內(nèi)部也形成了不易勘查的軟弱結(jié)構(gòu)面，輝長(zhǎng)巖體上侵過程中冷凝收縮形成了放射狀裂隙，不同結(jié)構(gòu)面之間的貫通，會(huì)對(duì)礦山開采排水產(chǎn)生一定的影響。

2.4 開拓巷道突水因素

（1）水文地質(zhì)條件因素影響。礦山-300 m中段巷道主要位于火山巖裂隙含水層中，該含水層裂隙發(fā)育，工作面掘進(jìn)時(shí)多次揭露60 m3/h及以上涌水，最大揭露涌水量超過了100 m3/h，同時(shí)巷道掘進(jìn)期間面臨的水壓高達(dá)2 MPa，富水破碎巖體在高水壓條件下極易發(fā)生突水垮塌事故。

（2）工作環(huán)境因素影響?；ㄏ锏蓝酁楠?dú)頭掘進(jìn)，巷道整體排水系統(tǒng)尚未形成，排水能力有限，不具備較強(qiáng)的抗突水能力，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)礦山基建開拓工程防治水經(jīng)驗(yàn)，在工作面涌水量超過20 m3/h較難組織施工，工作面面臨被淹的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，受制于礦山水文地質(zhì)條件因素和基建工程防、排水特點(diǎn)影響，巷道開拓工作面揭露較大涌水時(shí)將嚴(yán)重限制礦山基建工作，同時(shí)給后期治理帶來較大困難，因此必須采用適宜的防治水治理方案，從而避免突水事故的發(fā)生，同時(shí)改善作業(yè)條件，提高作業(yè)安全掘進(jìn)效率。

3 方案簡(jiǎn)述

根據(jù)礦山水文地質(zhì)條件和基建工程防治水的特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)基建開拓工程的防治水經(jīng)驗(yàn)，采用工作面超前探水和帷幕注漿的方案，對(duì)擬掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行超前探查和針對(duì)性的注漿封堵，大幅減少工作面涌水量，方案簡(jiǎn)述如下。

（1）在工作面布設(shè) 5個(gè)超前探水孔，其中頂板1個(gè)，側(cè)幫2個(gè)，底板2個(gè)，鉆孔長(zhǎng)度為100 m，外偏3°，如圖1所示。

圖1 注漿探查孔剖面（單位：mm）

（2）鉆孔開孔Φ130 mm，下6 m長(zhǎng)的Φ108 mm套管并固管。凝固24 h后進(jìn)行掃孔耐壓試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)壓力不低于8 MPa，持續(xù)時(shí)間不低于20 min。

（3）注漿材料采用單液水泥漿，水灰比為1.5:1，1:1，0.8:1三種，注漿終壓取靜水壓力的3倍，目前井下中段靜水壓力在2 MPa左右，注漿終壓為6 MPa。

4 方案模擬及治理效果預(yù)測(cè)

4.1 模擬分析原理

地下水滲流一般符合達(dá)西（Darcy）定律，在穩(wěn)定流條件下通過巖土體的滲透量是滲透系數(shù)、水力坡降以及橫斷面積之間的乘積，如式（1）所示。

式中，q為單位面積的滲流量；k為滲透系數(shù)；i為水力坡降。

為便于模擬分析，將巖體簡(jiǎn)化為連續(xù)介質(zhì)，在不考慮水的密度變化條件下，基于達(dá)西定律的非均質(zhì)各向同性中三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

式中，H為總水頭；k為滲透系數(shù)；Q為源匯項(xiàng)；θ為體積含水率；t為時(shí)間。

4.2 模型建立

依據(jù)礦山水文地質(zhì)及采掘設(shè)計(jì)構(gòu)建符合礦山實(shí)際情況的數(shù)值模型，因此選取-300 m中段開拓巷道作為研究對(duì)象，巷道斷面尺寸為4.5 m×3.9 m。根據(jù)類似礦山井巷工作注漿經(jīng)驗(yàn)，一般注漿擴(kuò)散半徑為2～3 m，結(jié)合礦山水文地質(zhì)條件，取巷道工作面帷幕注漿厚度為 2 m[10]。模型尺寸為 24 m×20 m× 1 m，采用混合四邊形網(wǎng)格剖分，如圖2所示。-300 m中段開拓工程位于火山巖裂隙含水層，滲透系數(shù)K=0.083 m/d。地下水水壓為2 MPa，故模型兩側(cè)的總水頭邊界取200 m。

圖2 模型概化與網(wǎng)格剖分

模擬分為兩步進(jìn)行，第一步分析原始條件下開挖單位長(zhǎng)度巷道的涌水量（工況1），第二步分析注漿后開挖單位長(zhǎng)度巷道的涌水量（工況2），然后對(duì)比分析工作面帷幕注漿的效果。

4.3 模型預(yù)測(cè)分析

如圖3所示，巷道開挖后在巷道周邊形成一個(gè)地下水的泄壓區(qū)，地下水自巷道周邊向巷道匯流，巷道成為了含水層中地下水排泄點(diǎn)。泄壓區(qū)呈橢圓形，主要向頂部發(fā)展，說明受重力影響，地下水主要從巷道拱頂部分涌出。帷幕注漿后巷道周邊形成2 m厚的穩(wěn)定帷幕體，封堵了地下水通道，相比于直接開挖，其因巷道開挖而形成的地下水泄壓區(qū)主要集中在帷幕體內(nèi)部區(qū)域，范圍大幅減小，說明帷幕體的堵水效果明顯。

圖3 不同工況開挖后的地下水云圖

兩種工況分別計(jì)算巷道開挖時(shí)的涌水量為24.8 m3/d和0.5 m3/d，在工況1的條件下100 m巷道的涌水量將達(dá)到2480 m3/d，大量涌水將導(dǎo)致基建開拓工程無法正常掘進(jìn)，而帷幕注漿后堵水率達(dá)到了98%，100 m巷道的涌水量將大幅減小到50 m3/d，有效地保障了基建開拓工程的安全掘進(jìn)。

5 效果

礦山在-300 m中段巷道開展了工作面帷幕注漿試驗(yàn)，試驗(yàn)段參數(shù)如上文所示，施工中5個(gè)注漿兼探查孔的涌水量多分布在20～60 m3/h之間，最大涌水量達(dá)到了120 m3/h左右，水壓2 MPa。工作面帷幕注漿后巷道安全掘進(jìn)90 m（留設(shè)10 m巖帽）時(shí)的總涌水量約 50 m3/d，有效地保障了基建巷道工程的安全掘進(jìn)，避免了突水事故的發(fā)生。同時(shí)巷道掘進(jìn)期間的實(shí)測(cè)涌水量與預(yù)測(cè)涌水量基本相符，說明模型基本反映了巷道掘進(jìn)期間的水文地質(zhì)狀況，可有效地指導(dǎo)工作面帷幕注漿工程。

6 結(jié)論

（1）在高壓富水的水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦山，涌水量大，且受工作條件限制，排水能力有限，直接開挖極易出現(xiàn)突水事故，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)工作。

（2）采用工作面探注結(jié)合的帷幕注漿方案能有效地封堵巷道周邊的過水通道，大幅縮小巷道開挖而引起的含水層泄壓區(qū)影響范圍，巷道涌水量減小97.98%，提高了基建期井下防排水系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，有效地保障了基建巷道的安全掘進(jìn)。

（3）依據(jù)礦山開拓巷道水文地質(zhì)條件構(gòu)建基建開拓工程數(shù)值模型，能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同工況條件下巷道開挖后的地下水流場(chǎng)變化情況和涌水量，可指導(dǎo)方案對(duì)比和工程實(shí)施。