深孔注漿堵水技術在礦井恢復中的應用

陳海遠，于正興，朱權潔，西曰峰

（1.萊鋼集團萊蕪礦業有限公司， 山東 萊蕪市 271100；2.中國安全生產科學研究院， 北京100012；3.北京科技大學， 北京 100083）

深孔注漿堵水技術在礦井恢復中的應用

陳海遠1，于正興2，朱權潔3，西曰峰1

（1.萊鋼集團萊蕪礦業有限公司， 山東 萊蕪市 271100；2.中國安全生產科學研究院， 北京100012；3.北京科技大學， 北京 100083）

谷家臺鐵礦曾發生突水淹井事故。分析了該礦的突水機理，介紹了深孔注漿圍堵突水區域技術在該礦恢復工程中的應用。針對谷家臺鐵礦現狀，制定相應的圍堵突水區域深孔注漿方案，對注漿結石體長度以及注漿參數和施工方式（注漿控制）等進行了研究。現場的試驗和監測結果表明，通過深孔注漿技術有效治理了該礦的突水事故，堵水率高達99.9%，使該礦生產得以迅速恢復。

礦井突水；深孔注漿；礦井恢復

0 引 言

突水事故會造成大量人員傷亡和財產損失，是礦井生產過程中的重大災害之一。在防治水和堵水方面，注漿技術得到廣泛應用［1－6］。

山東萊蕪谷家臺鐵礦在－100m水平28A穿脈發生突水事故，僅1h45min就從－150m水平淹至＋1m水平，計算突水量超過3萬m3/h，導致淹井。淹井后，立即組織搶險，實施了鉆孔穿透巷道進行注漿堵水，未能取得成功，被迫封井。依據谷家臺鐵礦突水事故發生處的水文地質和工程地質條件，1999年6月測得礦坑總涌水量為7000m3/d，通過分析其突水機理，提出深孔注漿圍堵突水區的礦井恢復方案，依據設計方案施工后，治理效果良好，堵水率高達99.9%，使該礦生產迅速恢復。

1 突水區域水文地質條件

谷家臺突水區域的地層為第四系砂礫石層、第三系紅色砂巖層，中奧陶系馬家溝組灰巖，燕山期閃長巖。礦體賦存在奧陶系灰巖與燕山期閃長巖接觸帶之間。第四系砂礫石層富含孔隙潛水。中奧陶系馬家溝組灰巖巖溶裂隙發育，灰巖的巖溶裂隙發育具有上強下弱且與灰巖傾向相一致的趨勢。

據生產地質資料及注漿鉆孔揭露，從－100m水平28A穿脈迎頭后退約6m處（即突水點附近），發育一寬度0.8～1.5m的斷層破碎帶，該斷層走向北北東，傾角60°左右，屬張性。斷層切割礦體進入灰巖巖層，且次生構造裂隙發育，由于地下水的溶蝕作用，在礦體上盤接觸帶位置的灰巖內發育高度大于1.5m的溶洞。此外，在－100m水平28A巷道突水過程中，距突水區約170m的雙主孔有強烈的吸氣現象，并伴有刺耳的響聲，根據斷層構造走向趨勢，表明北東向構造裂隙與東部的雙主孔“天窗”有直接的水力聯系。

突水區域礦體下盤巖石蝕變強烈而且裂隙發育、巖體破碎，構成了礦井突水淹井的薄弱地段。且突水區富水性強，地下水連通性好。

2 突水機理分析

突水巷道距離礦體底板（靠近礦體尖滅端）約20m，因成礦的熱液作用形成了較厚的強蝕變帶（即矽卡巖），矽卡巖易風化，蝕變閃長巖節理裂隙發育。28A斷層（張性導水斷層）切割蝕變閃長巖、矽卡巖、礦體及礦體頂板灰巖，造成礦體及礦體底板巖石破碎松散，穩固性差。

巷道掘進開挖并揭露斷層，破壞了原有的應力平衡，引起圍巖應力重新分布，巷道圍巖的變形破壞為結構面在圍巖動態過程中一系列復雜的時間相關性力學行為和力學響應所致，使普通的噴錨支護難以維護巖體強烈變形和嚴重破壞，巷道圍巖發生嚴重冒落。

斷層與巖體內的節理裂隙導水，使巖石的不連續面的摩擦阻力減小，降低了圍巖的穩定性，蝕變閃長巖的冒落使得矽卡巖巖層暴露，在地下水的軟化、風化作用下，產生了矽卡巖由固態向塑態的弱化效應，使矽卡巖巖體的力學性能降低，由于支護的不及時、支護措施不當，加劇了巷道圍巖失穩冒落。

在礦體上盤靠近斷層附近的灰巖內巖溶裂隙發育，成為地下水儲存與逕流的良好通道，使該區域的灰巖富水性強、連通性好。在高靜水壓、張性斷層、裂隙等誘因作用下，使導水通道的地下水壓力迅速傳導，突破了內蝕變帶巖體與礦體的臨界抗壓能力，導致巖（礦）體的迅速跨塌，在地下水的沖刷及壓力作用下，突然大量涌水，形成了不可抗拒的突水災害。

3 深孔注漿技術的應用

3.1 圍堵突水區域深孔注漿方案

針對谷家臺的突水災害，研究分析后采用深孔注漿方式圍堵突水區域處理突水問題。實施注漿的目的是為了將突水區域的導水通道和富水空間進行充填、密實、封堵，切斷含水層對突水點及礦井的水力補給，加固突水區域的巖體，提高－100m水平28A穿脈巷道圍巖的穩固性，保證礦井順利恢復排水。

突水區域注漿堵水具體方案為在以突水點為中心直徑20m的圓周上布置8個鉆孔，相鄰注漿孔間距為6～11m，注漿鉆孔深度以揭露完整閃長巖3～5m為準，鉆孔深度270～275m。突水區域注漿鉆孔布置如圖1所示。

圖1 注漿鉆孔布置示意

間隔施工注漿鉆孔，分段下行式驅水注漿，使漿液在突水區域有效范圍內的巖溶裂隙等導水通道內沉淀、充塞、凝固、密實，封堵突水區域的所有導水通道，加固突水區域巖體，達到圍堵突水點的目的。

3.2 充填結石體有效長度分析

為了保證注漿充填結石體有效長度具有抵抗水壓力的能力，根據實驗室注漿結石體參數計算臨界充填長度，計算模型［7］如圖2所示。

圖2 結石體計算模型

已知靜水壓力情況下，假設：

（1）結石體的自重可以忽略不計；

（2）裂隙被漿液結石體完全充填；

（3）忽略結石體與巖體的粘結力。

根據圖2，列出受力平衡方程式：

式中：S——裂隙周長；

F——裂隙斷面積；

τ——剪切強度。

根據莫爾理論：

將（2）式代入（1）式，經整理后得到：

沿結石體面積作用的靜水壓力與其反作用力的平衡方程式為：

積分后得：

式中：K——側壓系數；

f——結石體的摩擦系數；

q——靜水壓力；

C——結石體內聚力；

H——臨界充填長度。

將實測數據代入式（5），用迭代法計算臨界充填長度H，如表1所示。

計算結果表明：計算值比實測值小得多，因此，可以認為裂隙注漿的實際結石體充填有效長度遠遠大于計算的臨界長度，具有相當大的安全儲備。

3.3 施工方式與注漿參數

注漿材料以單液水泥漿為主，地面建注漿站，集中連續造漿，注漿設備選擇BW－250型、BW－320型、2TGZ－105/120型注漿泵。第四系、第三系鉆孔內下套管，對第三系上下巖層接觸部位進行有效止水。通過高壓管連接注漿泵與孔口管。主要對灰巖含水層實施注漿，為了降低注漿難度，提高注漿質量，注漿堵水與加固段采用分段下行式注漿方式，即確定注漿段高，上一段注漿結束待漿液初凝后，掃孔并鉆至下一段深度，再注漿，直至鉆孔揭露3～5m完整閃長巖并封孔。鉆孔結構為第四系開孔直徑Φ219mm，第三系鉆孔直徑Φ150mm，奧陶系灰巖、閃長巖鉆孔直徑Φ110mm。

表1 注漿充填結石體有效長度計算結果

考慮到注漿鉆孔深度較大等因素的影響，為了達到有效封堵突水區域導水通道的注漿目的，合理選擇注漿參數至關重要。根據灰巖注漿的實踐并借鑒其它礦山地表帷幕注漿經驗，主要注漿參數選擇如下。

（1）注漿段高：注漿段高不宜太大，一般確定在10～30m。根據鉆孔簡易水文試驗確定，若灰巖的巖溶裂隙極為發育，可適當減小注漿段高。

（2）注漿終力：在地面孔口設立壓力表，終壓控制在4～5.5MPa。

（3）漿液濃度：水灰比控制在1∶1～0.5∶1。

（4）擴散半徑：漿液擴散半徑取大于10m。

（5）凝膠時間：采用魯碧公司生產的425＃鋼渣散裝水泥，由實驗確定的凝膠時間作為注漿過程使用數據。水泥凝膠時間實驗結果如表2所示。

表2 水泥凝膠時間實驗結果

此外，由于注漿鉆孔較深，現場控制難度較大，因此，需要對每一注漿段取巖芯進行認真分析并進行壓水實驗，最后根據實驗結果選擇注漿的控制方法。注漿方法分為3類：

（1）注漿段巖溶裂隙發育情況一般，壓水吸水量小于12m3/h，為了使漿液擴散達到設計要求，采用高壓稀漿進行壓注；

（2）注漿段巖溶裂隙極為發育，壓水吸水量特別大，吸漿量大，為了控制漿液擴散距離，采用濃漿低壓力進行控制注漿，適當采用間歇注漿。根據壓力升高幅度，轉換漿液濃度，使漿液充滿過漿通道并充分密實；

（3）注漿段巖溶裂隙、吸水量介于上述二者之間，采用先稀后濃再稀的漿液進行壓注，根據單位注入量控制注漿壓力升高速度，以確保注漿質量。

4 現場施工與效果檢查

4.1 注漿施工

該注漿堵水工程共施工注漿鉆孔2181.31m，檢查孔248.26m，掏水泥進尺744.79m，累計注入水泥量15206.58t。

4.2 礦井抽水試驗與排水

注漿接近尾聲時，在注漿區域灰巖巖溶裂隙最發育、導水通道最暢通的位置布置了相應的檢查孔進行檢驗，并進行了壓水試驗。通過對檢查孔取得的灰巖段巖芯進行分析得出，該處巖溶裂隙特別發育，但充滿了水泥結實體，檢查孔灰巖段巖芯采取率為85%，鉆探沖洗液消耗量少。經壓水試驗得出，其壓水壓力為3MPa，吸水率為q＝0.0024 L/min.m.m，由此可以得出，注入的水泥漿與巖體有效連接加固，起到了良好的堵水作用。

注漿質量檢查完成后，在東副井采用泵量100 m3/h、揚程162m的潛水泵2臺，下至深度142m進行抽水試驗，抽水總量為10.2萬m3，通過水文地質比擬法、相關分析法等進行計算，礦井的動水量在320～340m3/h之間，與突水前的礦坑涌水量非常接近，判定圍堵突水點深孔注漿堵水效果顯著，確定礦井排水可以實施。

礦井排水采用大型潛水泵、泵與泵接力、井底喂水的聯合排水方案，排水持續時間443h，排水總量達340萬m3。通過井下測定確認，礦坑涌水量為320m3/h，基本達到淹井前礦坑涌水量，圍堵突水點深孔注漿堵水率達到了99.9%，為礦井恢復工程的順利進行打下了堅實的基礎。

［1］ 朱志彬，王 平，劉曉春.大水礦區堵水方法及其應用結果［J］.黃金科學技術，2005，13（6）：35－38.

［2］ 孫翠華，曾先貴.某鐵礦井下近礦體帷幕注漿堵水及其效果評價［J］.采礦技術，2011，11（4）：95－96.

［3］ 周裕華.注漿堵水在文家背井的應用［J］.江西煤炭科技，2008（2）：64－65.

［4］ 江中樂，孫 冰.帷幕注漿技術在豐紀果園煤礦堵水工程中的應用［J］.煤炭工程，2010（11）：25－27.

［5］ 辛小毛，王 亮.大水金屬礦山防治水綜合技術方法的研究［J］.礦業研究與開發，2009，29（2）：78－81.

［6］ 任富強.冬瓜山銅礦床水患治理淺析［J］.采礦技術，2011，11（2）：63－64.

［7］ 付士根，何治亭，張乃寶，等.礦山帷幕注漿堵水隔障機理研究［J］.中國安全生產科學技術，2009，5（3）：51－55.

2012－05－08）

陳海遠（1973－），男，山東萊蕪人，工程師，主要從事采礦技術和管理工作，Email：lkchenhy＠163.com。