南李莊鐵礦副井井筒掘砌防治水工程探索

焦軍凱 鄭翠敏 李小東 趙玉松

(河北金元礦業有限公司，河北 邯鄲056000)

南李莊鐵礦位于邯鄲市西部丘陵地區，礦山設計建設主井、副井和風井3 條豎井，豎井掘砌中奧灰水防治一直是制約礦山建設與安全生產的重大技術難題［1-2］。隨著鉆孔技術發展與新型注漿材料的應用［3-4］，鉆探注漿技術在副井開拓水害防治與工程加固方向均發揮出較強效用［5］。副井井筒開拓在不斷的探索和實踐中形成了一套符合本工程的防治水方案，在鐵礦后期基礎建設特別是主井施工中具有指導性意義，對類似礦山的建設具有可參考性。

1 工程背景

1.1 工程概況

南李莊鐵礦成礦類型屬熱液交代型鐵礦，礦資源儲量中等，屬中等規模礦山，礦山采用地下開采方式、豎井開拓方案，為采選聯合企業。主要施工項目有主井、副井、風井及配套設施，當前礦山處于基礎建設期，主井工程已完成地表注漿帷幕施工，風井工程井筒掘砌至－60 m，暫時處于停工狀態，副井工程位于礦區東北部，為在建工程。

礦區處于奧陶系的灰巖巖溶裂隙水文地質區內，水文地質類型為復雜，礦山防治水方案設計為地面帷幕注漿堵水為主、井下疏干為輔的綜合方案，當前該礦已完成礦體地面帷幕注漿堵水地表施工。副井工程位于礦區北部，井筒標高為+267 m，井底設計標高為－208 m，井筒凈徑5.5 m，由于歷史原因，副井工程設計施工在帷幕圈外，其井筒掘砌防治水工作難度較高。

1.2 工程建設環境

1.2.1 礦區地質特征

鐵礦床位于“祁、呂、賀蘭”山字型構造東翼邊緣弧的東側，太行山隆起帶與華北沉降帶2 個不同構造單元的過渡地帶，鼓山斷折束北部的傾沒端。礦區內出露的主要地層為奧陶系、石炭系、二迭系及第四系地層。含礦層位為中奧陶統灰巖，閃長玢巖大面積順層侵入，主礦體賦存于中。礦區內與礦床形成有關的巖漿巖主要為閃長玢巖，閃長玢巖時而平直順層，時而向上凸出灰巖中，幅度可達180 多m。礦區內構造極為發育，主要表現為褶皺和斷裂。礦床圍巖蝕變主要為大理巖化和綠泥石化，硅化少見，蝕變多分布在接觸帶或近接觸帶處。

1.2.2 礦區水文地質概況

中奧陶統石灰巖含水層是礦區的主要含水層，在灰巖出露區為潛水，非灰巖裸露區傾伏于石炭系煤系地層以下，巖層一般呈向東傾斜的單斜狀，為承壓水，巖溶發育受埋藏條件控制，隨深度的增加而減少，巖溶發育與接觸帶影響明顯，巖溶率一般為10% ～20%，巖溶發育段及富水性具明顯的垂向分帶性。

礦山地下水位標高在+100 m 左右，礦床標高為8.58 ～－423.04 m，故礦床常年埋于潛水面以下，礦床水文地質條件屬頂底板直接進水的水文地質條件復雜的大水巖溶礦床。礦區石灰巖含水層主要接受降水補給，巖溶水的徑流條件具明顯的構造控水規律性，境內巖溶水宏觀上由南向北運動，北部水力坡度大，南部較緩，天然條件下區內巖溶水以集中涌泉的形式或進入隱伏灰巖深循環帶排泄。

礦山水文地質條件:巖溶率，最大50%;裂隙率，最大19.83%;富水性，最大512.4 L/(s·m);滲透系數，平均5.954 m/d;水力梯度，0.5‰ ～1‰;富水段，+130 ～0 m 為強富水段、0 ～－150 m 為富水段;巖溶發育段，0 ～－60 m 較高、－60 m 以下減小，局部發育;水位標高，+93.8 ～+114 m。

1.2.3 副井井筒復雜地質段特征

副井井筒整體顯示地質條件、水文地質條件復雜，在－20、－60 及－129 m 水平揭露3 層尤為復雜段位，蝕變灰巖、變質和泥質灰巖、溶孔(洞)交錯產出，含水層裂隙巖溶發育，裂隙率、巖溶率高。

其中，井筒－129 ～－150 m 水平工程地質、水文地質條件復雜尤為突出，在工程建設環境的復雜性中具有代表性。該段層巖性描述為:－129 ～－131 m水平為灰巖;－131 ～－134 m 水平為變質灰巖，白色，變晶結構，此段巖層呈泥狀產出，遇水發生崩解，充填物有泥沙、碎石、方解石，泥狀產出無強度，工程地質條件差;－134 ～－140 m 水平為大理化灰巖;－140 ～－146 m 水平為閃長巖，與其接觸的灰巖發生強烈蝕變，蝕變導致巖石強度喪失，工程地質條件差;－146 ～ －148 m水平為含石膏灰巖;－148 ～－150 m 水平為薄層硅化灰巖，局部含方解石和石膏條帶;在－145 ～ －148 m水平東北側揭露1 個大的洞狀導水通道;－129 ～－150 m 工程段揭露1 條走向北北東—北東擠壓破碎帶構造，是井筒涌水治理的重要隱患。

歸納－129 ～－150 m 部位地質條件特點為:

(1)－129 ～－150 m 井筒工程段所屬層位為富含水層，豎向裂隙極其發育，大致走向為北東—南西。由于閃長玢巖巖舌在－140 ～－146 m 標高的侵入，其上下接觸帶巖石發生強烈蝕變，并且受壓破碎，導致巖石強度降低，工程地質條件極差。

(2)由于閃長玢巖巖舌的侵入，使得周邊巖層發生受壓、發生扭曲現象明顯，破碎巖層及呈泥狀產出巖層與巖溶裂隙、溶孔發育巖層無規則穿插，導致注漿過程中，水泥漿液很難有效擴散，同時本段靜水壓力達2.5 MPa，存在殘余滲水(在高壓水頭作用下通過微裂隙被擠出)。

2 工程施工情況

2.1 遇到的技術難題

在地質特征明顯、礦床開采技術要求高及水文地質條件復雜的環境下，該礦副井工程作為礦山開拓系統中的主要建設項目在施工過程中遇到多項水害防治難題和攻關瓶頸，主要包括:①巖溶裂隙發育，整體富水性強，垂向富水性變化大，施工難度大;②褶皺、斷層、接觸帶、破碎帶構造及局部溶洞發育，施工方案相關技術參數取值精度要求高;③灰巖高角度裂隙發育，注漿堵水工程中漿液擴散半徑控制難度高;④蝕變灰巖、泥質灰巖微裂隙發育，注漿吃漿量小，不易形成一定強度的結石體，注漿工藝和注漿材料的適用性要求高;⑤破碎帶、蝕變灰巖及泥質灰巖巖層力學性質極差，井壁砌筑難且砌筑后受振擾穩定性差，徹底排除井壁淋水引發水害的隱患困難;⑥－20、－60 及－129 ～－150 m 水平段井筒工程地質、水文地質條件尤為復雜，其中，－129 ～－150 m 水平段自2012 年以來曾發生3 次透水事故，反復治理，一度成為施工瓶頸。

2.2 淹井事件

2012—2014 年，副井工程建設過程中先后發生了2012 年6.20、2013 年6.15 及2014 年2.11 透水事故，3 次事故均發生在井筒－129 ～－150 m 水平。

2012 年6 月20 日，副井井筒下掘至－129 m 時，在探注施工注漿過程中出水，井筒的涌水量在800 m3/h 左右，超出了井筒的最大排水能力造成淹井。

2013 年6 月15 日，副井井筒下掘至－144.5 m水平時，工程揭露－144 ～－153 m 段存在斷裂、溶洞，裂隙發育，多以高角度裂隙為主，橫向連通性一般，空隙充填物為泥狀物和碎石等，在對井底工作面出水點準備注漿處理的過程中出水，涌水量在1 000 m3/h 左右，最終無法控制造成淹井。

2013 年底，副井井筒已掘至－183 m 水平，－145 m 至－147 m 段屬蝕變灰巖層并泥化，在南李莊鐵礦副井下掘過程中，揭露－145 ～－148 m 水平存在1個大的溶洞(已被碎石及水泥結實體充填)。由于副井井壁及壁后注漿結實體在井筒下掘過程中不斷受到爆破振擾，雖經幾次封堵，但始終有滲水存在，隨著時間的推移，井壁(主要是澆筑接茬處)出水緩慢增大，逐漸由0.5 m3/h 增大至270 m3/h，期間幾次處理未取得顯著效果，2014 年2 月11 日放棄抽水導致淹井。

2.3 工程建設情況分析

礦山自開工建設以來，副井工程建設過程中曾多次發生透水淹井事故，幾家施工單位先后因水害影響停工撤場，水對副井工程建設的影響凸顯。副井開拓防治水工程的探索與實踐扎根于各項基礎資料的分析，不斷總結經驗教訓，在困難重重的環境中持續推進。面對施工過程中的種種難關，副井工程建設者想盡辦法提高施工隊業務素質、加強工程監管力度，工程防治水工作在尊重客觀條件和事實存在的前提下不斷地探索和認知，復雜的工程建設條件和施工環境嚴重阻礙和制約了礦山正常的建設施工，客觀上對工程管理和施工技術提出了更高的要求。

3 防治水工程技術方案研究和實施

3.1 突水機理分析

副井井筒標高為+267 ～－208 m，實測副井地下水位+98 m 左右，井筒揭露富水含水層標高+130 ～－180 m，礦區劃分+130 ～0 m 為強富水段，0 ～－150 m 為富水段，副井井筒工程除底部－167 m 水平開始進入的相對穩定閃長玢巖基巖為相對隔水層外，其他部分均在奧陶系灰巖含水層中，該厚層含水層的富含水是工程建設透水事件的突水水源。

降水是區內地下水的唯一補給來源，補給形式是通過廣大灰巖裸露區的分散深入補給，礦區巖溶水受構造控水影響由南向北運移，天然條件下區內巖溶水以集中涌泉的形式或進入隱伏灰巖深循環帶排泄，是工程建設透水事件突水水源的賦存和運移背景。

隨著井筒掘砌深度的加深，采掘工作面周圍水體靜水壓力作用越來越大，高水壓是引發突水的重要條件，當水壓很大時，對裂隙產生楔劈作用，逐漸形成強滲通道，加之本工程高角度裂隙發育，井筒上下水力聯系好，也形成了涌水隱伏在井筒周圍的充水通道。構造面及其物理狀態對突水起決定作用，即“突水必有隙，有隙不一定突水”，副井施工環境中斷裂發育，在井筒下掘及注漿改造含水層形成截流井壁的過程中，具有阻水作用的斷層構造、充填泥質物的巖溶結構以及泥質灰巖、蝕變灰巖層在掘砌活動影響下失去原力學平衡，巖體結構破壞，強含水層巖溶水賦存條件改變，裂隙采動活化形成充水通道。

突水水源巖溶水在原賦存和運移環境下，井下采掘活動破壞天然平衡致使斷裂等構造面及巖性物理狀態改變形成大沖刷力的充水通道［6］，巖水滲流規律改變，演化為以點—線—面的發展趨勢沿充水通道向力學性質薄弱區域集中涌去，當充水通道到達工作面完全充水形成突水點，達到一定程度超出控制范圍，便形成透水事故。

3.2 技術方案研究和實施

通過深入研究前期現有勘察資料和施工過程中的統計資料，系統分析井筒透水機理，從井建注漿掘砌的新技術、新工藝、新設備、新材料的角度出發，基于“探、堵、截”的綜合理念，形成副井井筒掘砌施工的系統性防治水技術方案。

3.2.1 有掘必探

副井井筒工程堅持有掘必探，短探、長探結合，各方案均依據探水孔信息，設計施工注漿方案，僅在－129 ～－150 m 井筒段短探、長探孔(含復鉆)共計鉆進6 024 m，通過多次探注，最終井筒掘進至設計井深－208 m 水平，共計掘進475 m。

3.2.2 S 孔探注

基于帷幕截流技術應用煤礦水害防治用大型注漿設備進行副井井筒地表帷幕注漿，針對高角度裂隙發育和富水方位設計施工直孔、S 型分支孔結合探注。基本思路是在井筒內管注骨料充填壓密，形成具有一定強度和密實度的“骨料阻水塞”，同時結合地面定向分支鉆孔群對主要用水點進行分序次探查封堵，然后再對井筒東側進行帷幕注漿。

地表注漿工程共施工鉆孔主孔1 個，分支孔12個，直孔進尺428.05 m，斜孔進尺為898.55 m。各鉆孔共注水泥1 788 t。工程施工完成后經過排水試驗及探水等工作，判斷井筒涌水得到有效控制。

3.2.3 井壁超前小導管支護

針對井壁蝕變灰巖、泥質巖層難支護及井壁穩定性堪憂的狀況，通過分析井筒－129 ～－149 m 段井壁巖層遇水易崩解導致力學性質喪失、工程地質條件極差的特殊性質，大膽突破傳統支護方法，本段設計采用小導管支護等技術方案，體現了該項目防治水工程的創新點。

設計施工小導管用魚鱗管套DN32 無縫鋼管探注加固圍巖4 m，每2 m 進行1 次小導管圍巖加固，在掘進爆破前，密集沿井筒縱向鑿巖打孔，孔內安裝超前小導管，超前小導管分序安裝，分序用水泥漿與雙液漿注漿封堵，為了減少巖石裸露時間，采用掘1 m、支護1 m(小模板支護)的短掘短砌，超前探水、探注結合綜合治水施工方案進行施工，形成超前探水與注漿保護，最后進行工作面掘砌。施工段高20 m，小導管用300 根，通過該方案的設計施工，井筒－129 ～－149 m 段井壁加固效果明顯。

3.2.4 止水墊、止漿墊設計

針對井筒掘砌施工中的各透水事故誘發原因、產生后果的異同，靜水注漿方案中止水墊設計參數選取、工藝流程及疏排水方案不斷改進優化。

井筒－129 m 水平處，設計施工10 m 厚度的混凝土止水墊和3.5 m 厚度的鋼筋混凝土止漿墊，后期拆除過程中發現墊層與井壁黏結性有薄弱環節;井筒－145.5 m水平處，設計施工平底型止水墊9 m，止漿墊巖帽3 m，在止漿墊養護至7 d 時，進行加固，加固分2 次進行。第1 次用鑿巖機打孔，深度為2 m，埋設1 m 魚鱗管，用雙液漿注漿，對止漿墊與井壁相接處進行加固;第2 次在第1 次孔的附近打孔，深為3.5 m，對止漿墊下部荒斷面進行加固;井筒－144 ～－148 m水平處，進行砂石充填，第1 層填砂標高為－144 m 水平，其上充填9 m 碎石，標高為－135 m 水平，第2 次填砂標高為－130 m 水平，其上沉淀6 m止水墊;井筒－150 m 水平處，在井筒出水部位形成靜水止水墊，沉淀后實測墊厚度為9.6 m，止水墊面的標高為－140.4 m。

3.2.5 攔截注漿

針對副井井筒壁后水運移縱向水力聯系密切的問題，在對出大水部位中深孔注漿治理的技術路線中，先采用壁后注漿方式對其上部的井壁壁后圍巖攔截注漿、再對出水部位進行治理的治水思路，以防止中深孔注漿時向上返漿壓裂井壁。

在－140 ～－150 m 井筒段防治水方案的設計施工中，先采用壁后注漿方式對－138.4 ～－140.4 m水平的井壁壁后圍巖攔截注漿，以防止中深孔注漿時向上返漿壓裂井壁，再對－138.4 ～－150 m 標高段采用中深孔探注，對副井井筒－140.4 ～－150 m 水平反復出水復雜地質段進行治理，形成先截后探再堵的治理新思路，實施效果明顯。

3.2.6 材料適用

針對副井井筒反復出水部位地質特征及其涌水量大、不易封堵、微裂隙部位注漿堵水的擴散半徑難以保證的特點，副井工程在材料選用上進行深入研究［7］。

注漿材料選用原則:材料來源廣，價格低;凝膠時間可調;結石體強度高;結石率高;黏度低，可注入性好;毒性小，對環境污染小。

在－140 ～－150 m 井筒段工程選用注漿材料為水泥、水泥+水玻璃、ZK －Ⅲ型孔隙溶膠(高分子樹脂)。

注漿材料適用原理為先采用水泥－水玻璃雙液漿固定孔口管，后利用水泥單液漿封堵寬大孔裂隙，再使用高分子樹脂(孔隙溶膠)插孔注漿，充填微裂隙，從而達到治水目的。

單液漿采用P.042.5 級普通硅酸鹽水泥，雙液漿采用水泥+40Be 水玻璃。漿液配制見表1 及表2。

表1 單液水泥漿配制Table 1 Preparation of single-liquid cement slurry

表2 雙液漿配制Table 2 Preparation of double-liquid cement slurry

化學漿選用ZK－Ⅲ型孔隙溶膠(高分子樹脂)，由A 液、B 液及專用改性添加劑組成，其化學漿液性能指標見表3。注漿過程中，須根據注漿壓力、現場井壁滲漏情況適時靈活地隨時調節A、B 液配比，以合理控制漿液的滲透性。

表3 化學漿液性能指標Table 3 Performance of chemical slurry

按照以上化學漿液的選用原則，對－140 ～－150 m 水平段的探注共消耗化學漿液50 t，設計施工的單孔涌水量均控制在5 m3/h 以內。

4 施工探索

副井井筒在不斷完善技術方案的基礎上，施工過程始終強調事前分析、事中控制和事后總結的探索之路，對施工進程中的每一個關鍵環節和步驟的相關基礎資料詳細編錄整理，從而把實踐中獲取的經驗和客觀認識應用在下一步工作環節的技術方案研究中。

隨著施工過程中的經驗、剖析點及認知度的不斷積累，技術方案指導防治水工程的施工過程中先后遇到歷史遺留上部井壁淋水較大、局部井壁支護鋼筋混凝土變形、化學漿液初次應用失敗、兩模混凝土澆筑接茬處出現裂隙滲漏水、局部井壁呈膨裂、凸鼓現象、局部井壁及壁后注漿結實體在井筒下掘過程中不斷受到爆破震動和振擾反復出水以及等現象。

針對這些施工障礙，井筒掘進過程中根據現場施工條件先后采取了井壁變形、破裂或凸鼓處主動破除并精細修補、提高探注施工工藝、靜水注漿、地表結合工作面注漿及小導管支護井壁面等方法對策，特別是在治理－129 ～－150 m 水平復雜地質段施工時，采用了溶膠樹脂漿液注漿進行井壁截流，對井筒泥質灰巖地段及反復治理的破碎帶進行井壁支護治理，采取安裝支護井圈并對井圈后灌注漿和壁后注漿等方法點面結合精細施工。

該鐵礦副井井筒掘砌防治水工程在施工過程中采取的各項措施和辦法均烙下了探索的腳印，施工探索過程艱難。

5 效果分析

該鐵礦副井井筒掘砌防治水工程經過充分的技術方案研究和施工探索，針對各項難題制定技術方案并嚴格實施，3 次出水事件均達到了較好的涌水治理效果，在技術方案研究和施工過程中積累了經驗，副井堅持有掘必探、基于帷幕截流技術應用煤礦用大型注漿設備進行副井井筒地表注漿帷幕、靜水注漿、高角度裂隙注漿、微裂隙注漿、蝕變灰巖層的注漿、支護、對井筒泥質灰巖地段進行井壁支護治理，采取安裝支護井圈并對井圈后灌注漿和壁后注漿及化學漿液的成功應用等各項內容初步形成了對副井井筒掘砌防治水工程的系統性方案。

施工中克服建設環境差的各項難題，歷時4.75 a建設的該鐵礦副井井筒掘砌工程施工最終完成，并取得了良好治水效果，特別是在井筒－129 ～－150 m水平復雜地質段，設計施工的24 個探注孔單孔中出水有2 個涌水量控制在0.1 m3/h 以內。

6 結 論

(1)南李莊鐵礦副井井筒地質、水文地質等客觀條件復雜，－129 ～－150 m 水平段極復雜。副井工程建設面臨富水性強、構造發育、高角度裂隙發育、微裂隙發育、存在力學性質極差巖層及極復雜段井筒部位極易反復出水需反復治理等水害防治難題。

(2)水害防治一直是制約礦山建設與安全生產的重大技術難題，副井工程整體顯示施工難度大、技術要求高的特點。該礦山充足的透水水源、良好的水源賦存、運移環境及高水壓與采掘環境下充水通道的形成揭示了該鐵礦副井掘砌多次引發透水事故的突水機理。

(3)技術方案研究進程中積極探索新技術、新工藝、新設備、新材料，各階段方案綜合體現了“探、堵、截”防治水理念。工程嚴格按照技術方案進行施工，施工過程中采取多項方法和措施最終完成副井井筒的掘砌施工，防治水效果良好，同時反證了防治水工程相應技術方案的可靠性。

(4)南李莊鐵礦副井井筒掘砌防治水工程中積累了大量寶貴的基礎資料，為礦山水文地質條件再分析提供了條件。該鐵礦副井井筒工程的完成對礦山其他項目的建設有借鑒意義，鑒于大水巖溶礦山水文地質條件的復雜性，副井工程的建設條件不能完全代表整體礦區的建設環境。

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