隱伏鐵礦床封閉不良鉆孔井下止水技術(shù)及應(yīng)用

李軍 韓雙元 韓文撐 支成龍 張偉 孟祥超 孟祥偉 尚振

摘要： 蒼繹鐵礦帶會寶嶺鐵礦床為大型隱伏沉積變質(zhì)巖型鐵礦床，礦山涌水量大、排水成本高，且對礦山安全生產(chǎn)構(gòu)成了威脅。治水前，礦山正常涌水量約530m3/h，其中已探明的封閉不良鉆孔涌水量163.5m3/h，占礦山涌水的重要組成部分。本文針對封閉不良鉆孔的涌水量、水壓、充水水源等特征進(jìn)行分析，首次在深隱伏鐵礦床中提出了孔底點注漿、分段泄壓注漿、截水墻注漿止水3種井下注漿止水技術(shù)，建立了隱伏鐵礦床封閉不良鉆孔井下注漿止水體系，并取得了較好的止水效果，對類似礦山的封閉不良鉆孔的止水工作具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 封閉不良鉆孔；孔底點注漿；分段泄壓注漿；截水墻注漿；隱伏鐵礦床；會寶嶺鐵礦

中圖分類號： ?TE822.01 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ?A ???doi：10.12128/j.issn.1672 ?6979.2023.04.005

引文格式： 李軍，韓雙元，韓文撐，等.隱伏鐵礦床封閉不良鉆孔井下止水技術(shù)及應(yīng)用［J］.山東國土資源，2023，39（4）：34 ?38. LI Jun， HAN Shuangyuan， HAN Wencheng， et al. Underground Water Stopping Technology and Application of Poorly Sealed Borehole in Concealed Iron Deposit［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：34 ?38.

0 引言

礦山水害是僅次于瓦斯事故的第二嚴(yán)重礦山事故，礦山一旦發(fā)生水害，小則導(dǎo)致含水層的破壞，增加礦山排水成本，重則造成人員傷亡害、造成巨大經(jīng)濟(jì)損失、導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。礦山的主要水害類型有頂板充水水害、底板充水水害、封閉不良鉆孔充水水害、導(dǎo)水?dāng)鄬映渌?、老空水潰入水害、地表水體潰入水害等［1］。

會寶嶺鐵礦床為大型隱伏沉積變質(zhì)巖型鐵礦床，該礦山治水前正常涌水量約530m3/h，其中已發(fā)現(xiàn)的封閉不良鉆孔涌水量163.5m3/h，占礦山涌水的重要組成部分［2 ?3］。由于封閉不良涌水點位于礦床深部，排水成本高，且對礦山對安全生產(chǎn)構(gòu)成了威脅，對其進(jìn)行止水工作迫不及待。目前國內(nèi)封閉不良鉆孔止水技術(shù)手段多樣［4 ?6］，但在隱伏鐵礦床中尚未形成成熟的止水技術(shù)及體系。本次依托會寶嶺鐵礦水文地質(zhì)補(bǔ)充勘探項目①，對會寶嶺鐵礦的封 ?閉不良鉆孔進(jìn)一步勘查研究，結(jié)合前人的封閉不良鉆孔止水技術(shù)的基礎(chǔ)上［7 ?10］，根據(jù)封閉不良鉆孔的涌水量、水壓、充水水源、工程地質(zhì)條件等因素提出了針對沉積變質(zhì)巖鐵礦封閉不良鉆孔的孔底點注漿、分段泄壓注漿、截水墻注漿3種井下止水技術(shù)，建立了隱伏鐵礦床封閉不良鉆孔防治水體系。該技術(shù)體系已應(yīng)用于本礦山并取得了較好的治水效果，也對其他類似礦山封閉不良鉆孔止水工作提供技術(shù)參考。

1 礦山基本概況

1.1 礦床概況

會寶嶺鐵礦為蒼嶧鐵礦帶東段的重要組成部分，產(chǎn)于泰山巖群山草峪組變質(zhì)巖地層中［11］，發(fā)育兩條平行展布的主礦帶，走向約282°，相向而傾，傾角75°～90°。礦床開采標(biāo)高為+60m～ ?970m，開采方式為地下巷道開采。礦山于2012年投產(chǎn)以來，礦山已建成 ?60m、 ?130m、 ?340m、 ?410m四個 ?中段開采巷道系統(tǒng)和一個 ?430m中段運(yùn)輸巷道系統(tǒng)，礦山已開采至 ?410m中段。

1.2 含（隔）水層劃分及富水性分級

礦區(qū)內(nèi)含水層分為上部的蓋層各含水層和下部的變質(zhì)巖裂隙含水層。蓋層含水層有李官組 ?佟家莊組砂巖類裂隙含水層和二青山組灰?guī)r ?砂巖巖溶裂隙含水層2個含水層［12］。主要隔水層有李官組的頁巖、佟家莊組的頁巖以及二青山組頁巖相對隔水層。其中變質(zhì)巖裂隙含水層為礦床的直接充水含水層，其他2個含水層通過封閉不良鉆孔、斷層破碎帶間接對礦床充水（表1）。

1.3 各含水層之間的水力聯(lián)系

各含水層之間主要通過封閉不良鉆孔、斷層破碎帶進(jìn)行水力聯(lián)系，其次通過礦山斜坡道、天井等進(jìn)行水力聯(lián)系。其中礦床東部的F3斷層、封閉不良鉆孔為上部蓋層沉積巖地層水與深部變質(zhì)巖裂隙水的重要導(dǎo)水通道。

1.4 礦山充水分布

礦山開采后，各中段坑道系統(tǒng)均有不同程度的充水現(xiàn)象，其中 ?410m及 ?430m中段坑道系統(tǒng)充水量較大，約占總充水量的80%。尤其是封閉不良鉆孔ZK3201與ZK2803均位于 ?410m中段。該兩中段總充水量約400m3/h，涌水量大、排水成本高、防治水需求緊迫。其中已探明的封閉不良鉆孔ZK3201充水量126m3/h、ZK2803充水量30m3/h。

2 封閉不良鉆孔充水水源

會寶嶺鐵礦在早期勘查及后期補(bǔ)充勘探期間，共施工地質(zhì)鉆孔99個，由于早期封孔技術(shù)不夠成熟以及后期開采中爆破作用的影響，部分鉆孔揭露后出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。目前礦山在 ?340m及 ?410m中段巷道掘進(jìn)過程中共揭露3個封閉不良鉆孔。

2.1 通過水壓分析礦井充水水源

對ZK3201、ZK2803、ZK1201三個封閉不良鉆孔進(jìn)行水壓（水頭高度）測試，其結(jié)果見表2。從水壓（水頭高度）上分析，ZK3201、ZK2803封閉不良鉆孔的水頭高度高出 ?410m中段460m、340m，基本與蓋層各含水層的水位標(biāo)高基本一致，因此從水壓上分析認(rèn)為ZK3201、ZK2803鉆孔充水水源主要來自淺部蓋層各含水層；而ZK1201封閉不良鉆孔的水頭高度較低，說明與三部蓋層水的水力聯(lián)系微弱或無聯(lián)系。

2.2 通過水化學(xué)特征分析礦井充水水源

一般來說，地下水由補(bǔ)給區(qū)到徑流區(qū)再到排泄區(qū)，由低礦化度的重碳酸鹽逐漸變化為礦化度較高的硫酸鹽水或氯化物水［13 ?16］：即地下水由補(bǔ)給區(qū)到徑流區(qū)再到排泄區(qū)，TDS、Na+、SO2 ?4、Cl ?等離子的濃度會越來越高，HCO ?3的濃度會因深部水中CO2含量的減少會越來越低。根據(jù)封閉不良鉆孔水化學(xué)特征與各含水層地下水的礦化度、Na+、SO2 ?4、Cl ?、Ca2+、HCO ?3濃度特征進(jìn)行對比分析：ZK3201封閉不良鉆孔水中Na+、SO2 ?4、Cl ?、HCO ?3的濃度、TDS與淺部蓋層的李官組砂巖 ?佟家莊組粉砂巖裂隙含水層和二青山組灰?guī)r ?砂巖巖溶裂隙的含水層中Na+、SO2 ?4、Cl ?、HCO ?3的濃度、TDS非常接近（表3）、而與變質(zhì)巖裂隙含水層的Na+、SO2 ?4、Cl ?、HCO ?3的濃度、TDS大相徑庭，說明水源主要來自淺部蓋層的兩個含水層。同樣方法對ZK2803封閉不良鉆孔水主要來源上部蓋層的兩個含水層，少量來源于變質(zhì)巖裂隙含水層。

3 封閉不良鉆孔止水技術(shù)及應(yīng)用效果

本次在收集和研究前人封閉不良鉆孔防治水的基礎(chǔ)上［17 ?21］，針對不同封閉不良鉆孔的出水量、水壓以及水源不同，首次在深隱伏鐵礦床中分析選取了孔底點注漿、分段泄壓注漿法、截水墻注漿法三種注漿止水方式進(jìn)行注漿止水，并取得了較好的治水效果。

3.1 孔底點注漿法

3.1.1 適用背景

孔底點注漿法主要適用于水壓較小的封閉不良鉆孔及其他出水點，該注漿封堵止水方法相對較簡單，便于操作。 ?340m中段ZK1201鉆孔出水量約7.5m3/h，水壓0.5MPa，出水量及水壓均較小，宜采用該方法。

3.1.2 注漿孔施工程序及材料選擇

（1）打注漿孔。由封閉不良鉆孔孔底向上打注漿孔，注漿孔孔深為2.5m，孔徑76mm。

（2）下注漿管井進(jìn)行固管。在注漿孔內(nèi)安裝注漿鋼管，管長度2.5m，管壁厚5.5mm，管底安裝2個孔口閥，其承受壓力為38kg。

（3）安裝注漿器進(jìn)行注漿封堵。安裝注漿器，采用注漿泵進(jìn)行注漿堵水，注漿材料采用425#水泥。為了保障礦床的安全開采，注漿高度必須高出礦層高度5m。

（4）檢查注漿效果復(fù)注。檢查注漿效果，若有漏水進(jìn)行反復(fù)注漿，注漿封堵完畢后經(jīng)長時間定期觀測，無水涌出再停止注漿（圖1）。

3.2 分段泄壓注漿法

3.2.1 適用背景

分段泄壓注漿法主要適用于水壓較大、出水量較大、容易跑漿的情況，該注漿封堵止水方法相對較復(fù)雜，需反復(fù)操作。 ?410m中段ZK2803鉆孔出水量約50m3/h，水壓3.4MPa，出水量及水壓均較大，宜采用該方法。

3.2.2 注漿孔施工程序及材料選擇

（1）注漿流程。對ZK2803采用分段泄壓注漿措施，每次注漿前均施工一個泄壓孔，該泄壓孔也是下一分段注漿的注漿孔，注漿設(shè)計見圖2。通過對一孔向上注漿封堵、另一孔返水泄壓直至返漿凝固的步驟分段進(jìn)行注漿封堵，每段注漿封堵的方法與ZK2803封閉不良鉆孔注漿的方式（孔底點注漿法）相同。①0孔注漿→1孔返水泄壓→至1孔返漿時停止注漿→注漿填體A完全凝固；②1孔注漿→2孔返水泄壓→至2孔返漿時停止注漿→注漿填體B完全凝固；③2孔注漿→3孔返水泄壓→至3孔返漿時停止注漿→注漿填體C完全凝固；④3孔注漿→加壓注漿→持續(xù)注漿2t水泥后停止注漿→注漿填體D完全凝固。

（2）注漿材料。每次分段注漿與ZK2803封閉不良鉆孔注漿的方式相同，均下注漿鋼管固管，各孔均安裝孔口閥控制漿體流出，注漿材料選擇采用425#水泥（圖2）。

3.3 截水墻注漿法

3.3.1 適用背景

該注漿法主要適用于出水點周邊工程地質(zhì)條件較好的環(huán)境背景。ZK3201封閉不良鉆孔附近巖石為黑云變粒巖，通過現(xiàn)場調(diào)查，巖體完整性較好，裂隙發(fā)育弱，巖石飽和抗壓強(qiáng)度67.4～128.2MPa，凝聚力7.1～38.2MPa，巖石力學(xué)強(qiáng)度高，具備截水墻注漿施工的工程地質(zhì)條件。

3.3.2 截水墻設(shè)計

（1）截水墻厚度設(shè)計?，F(xiàn)場測的水壓4.6MPa，考慮安全因素，設(shè)計按5.5MPa計算截水墻厚度，公式如下：

S=r/［（k/p）-1］ ?（1）

式中： S —截水墻厚度（m）； k —截水墻的安全抗壓強(qiáng)度，設(shè)計采用400號混凝土，其抗壓強(qiáng)度為19.2MPa； p —封閉不良鉆孔水壓（MPa）； r —墻體圓柱內(nèi)半徑（m）， r 取1.2B（B為巷道凈寬度，m），現(xiàn)場測得為3.9m。將以上數(shù)據(jù)代入圓柱形墻體厚度計算得 S 等于1.88m。綜合考慮安全因素，截水墻厚度取2m。

（2）截水墻其他參數(shù)。截水墻嵌入兩壁及底板基巖0.5m、頂部采用錨桿錨固；墻體內(nèi)部按0.3m×0.3m間距綁扎螺紋鋼，螺旋鋼管直徑不小于Φ28mm；在墻上安置9根臨時泄水管（注漿管），該臨時泄水孔在截水墻施工期間、擋水墻凝固期間以及注漿期間起到臨時泄水減壓的作用；外漏1m并安裝高壓閥（圖3）。

3.3.3 注漿孔施工程序及材料選擇

（1）截水墻施工。按照截水墻的設(shè)計要求進(jìn)行截水墻施工，施工過程中臨時泄水管（注漿管）均處于打開狀態(tài)，以便于施工。

（2）注漿施工。注漿前期先對墻體與兩壁，底板圍巖交接處進(jìn)行加密注漿，以防止后期加壓注漿過程中出現(xiàn)開裂跑水或漏漿現(xiàn)象。待截水墻完全凝固后采用高壓注漿泵從臨時泄水管（注漿管）進(jìn)行注漿。注漿材料采用425#水泥。

3.4 應(yīng)用效果

通過對不同的封閉不良鉆孔采取孔底點注漿、分段泄壓注漿法、截水墻注漿法3種注漿止水方式進(jìn)行注漿止水，其治理效果見表5。

可以看出，3種注漿止水技術(shù)均取得了良好的止水效果，也減輕了礦山開采對蓋層含水層的破壞。其中ZK3201封閉不良鉆孔通過泄水管留設(shè)5m3/h的涌水量作為 ?410m中段施工用水，既綜合利用了水資源，也緩解了封閉不良鉆孔的水壓對截水墻的壓力。

4 結(jié)論

（1）通過水壓測試、水化學(xué)成分分析，準(zhǔn)確找到了封閉不良鉆孔的充水水源及水頭壓力大小，為封堵止水技術(shù)方式選擇及參數(shù)計算提供了重要的依據(jù)。

（2）首次在深隱伏鐵礦床中提出了孔底點注漿、分段泄壓注漿法、截水墻注漿法3種注漿止水方式進(jìn)行注漿止水，取得了較好的治水效果，建立了一套系統(tǒng)的適用于類似礦山的封閉不良鉆孔井下止水體系。

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Underground Water Stopping Technology and Application of ???Poorly Sealed Borehole in Concealed Iron Deposit

LI Jun，HAN Shuangyuan，HAN Wencheng，ZHI Chenglong， ZHANG Wei，MENG Xiangchao，MENG Xiangwei，SHANG Zhen

（Lu'nan Geo ?engineering Exloration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources），Shandong Yanzhou 272100， China）

Abstract： ?Huibaoling iron deposit is a large concealed sedimentary metamorphic rock type iron deposit， with large water inflow， high drainage cost and a threat to mine safety production. Before water control， the normal water inflow of the mine is about 530m3/h， including 163.5m3/h of the water inflow of the discovered poorly closed boreholes， which accounts for an important part of the mine water inflow. In this paper， characteristics of water inflow， water pressure and water filling source of the poorly closed borehole have been analyzed， and three underground grouting technologies， namely， grouting at the bottom of the borehole， staged pressure relief grouting and grouting with water cut ?off wall have been put forward for the first time in the deep concealed iron deposit， and the underground grouting water stop system of the poorly closed borehole in the concealed iron deposit has been established. It has achieved good water stopping effect， which has important guiding significance for water stopping of poorly closed boreholes in similar mines.

Key words： ?Sealing bad drilling holes; hole bottom point grouting; sectional pressure relief grouting; grouting cut ?off wall; hidden iron deposit; Huibaoling iron deposit