某大水礦山全凍結輔助井馬頭門超前探水方案研究

徐 磊,閆小新,張賀庭

(1.長沙礦山研究院有限責任公司, 湖南 長沙 410012;2.淮北徐樓礦業有限公司, 安徽 淮北市 235100)

某鐵礦輔助井井筒下掘采用全凍結法施工,馬頭門施工沒有采取凍結措施,井筒設計有6個單側馬頭門和1個單向管子道,其中馬頭門分別在－80,－130,－180,－230,－260 m和－310 m 6個中段;管子道在－310 m水平.井筒穿過的主要充水巖層為中奧陶系馬家溝組灰巖,該巖層裂隙、巖溶發育,富水性、導水性強.井壁澆筑完成后,冷凍鉆孔會停止冷凍,一旦冷凍停止,在凍結鉆孔(單個)直徑為3 m左右的環形空間內,原有巖溶裂隙通道中的“冰”逐漸融化成地下水;同時,在馬頭門掘進過程中,會穿過馬家溝組巖溶裂隙含水層,并可能遇到導水斷層破碎帶.斷層破碎帶和巖溶裂隙中的地下水對各水平馬頭門和－310 m管子道的施工造成較大的隱患,因此在掘進馬頭門和管子道的時候必須采取防治水措施,研究設計一套合理的超前探水方案,是確保馬頭門和管子道安全掘進的基礎.

1 礦山水文工程地質特征

根據地質資料可知,輔助井6個中段的馬頭門和管子道施工全部在中奧陶系馬家溝組灰巖里,其中不同的是:－80 m和－130 m馬頭門灰巖為奧陶系馬家溝組五陽山段,－180 m和－230 m馬頭門灰巖為奧陶系馬家溝組土峪段,－260 m和－310 m馬頭門及－310 m管子道灰巖為奧陶系馬家溝組北庵莊段.綜合來看奧陶系馬家溝組五陽山段巖性主要為灰巖、白云質灰巖,灰－青灰色,中厚層狀,隱晶結構,裂隙巖溶發育,巖心呈短柱狀,巖芯長度一般10~40 c m;奧陶系馬家溝組土峪段巖性以泥灰巖為主,巖心呈短柱狀,巖芯長度一般10~40 c m;奧陶系馬家溝組北庵莊段其巖性主要為灰巖、白云質灰巖,灰－青灰色,中厚層狀,隱晶結構,裂隙巖溶發育,巖心呈短柱狀,巖芯長度一般10~30 c m.根據輔助井冷凍孔現場施工資料可知:地表60 m以下基巖風化帶至374 m的巖石見有斷層、破碎帶、喀斯特溶洞、裂隙、承壓水等,部分地段漏漿嚴重,甚至在70~75 m和190~200 m深度處出現災難性漏漿;井筒巖石主要是堅硬、半堅硬的層狀巖石,硬度系數5~12.綜上所述,輔助井的位置處在灰巖含水層中,該含水層巖溶裂隙發育,裂隙導水性強,含水豐富,特別是在－130 m和－180 m施工時含水層的富水性最強,是本次治理水患的重點.

2 防治水設計方案

馬頭門及管子道掘進中超前探水技術實施方案要達到3個目的:一是掘進過程中,不發生突水淹井事故;二是方案的可操作性強;三是經濟節約、工期短、效果可靠.為此,按照“有疑必探,先探后掘”的原則,根據其擬過含水層水文工程地質特征,設計如下超前探水方案.

2.1 中深孔超前探水

2.1.1 中深孔探水的設計參數

(1)鉆孔直徑:終孔直徑不小于Ф75 mm.

(2)孔口管的結構、長度及埋深:套管采用Ф108 mm 無縫鋼管作孔口管,埋深3.5~4.0 m(－180 m水平以下采用4.0 m),若在開孔時遇到冷凍管,則該深度為孔口管埋深.所埋孔口管壁厚度大于5 mm,孔口管的上端焊接法蘭,與高壓閘板閥相接.

(3)孔口管的固結方式:對于巖層相對穩固段,開孔后孔口管埋設,采用注濃水泥漿(水灰比為0.8∶1以上)進行高壓注漿(注漿壓力為6~12 MPa)固結;對于作業面破碎巖層,除采用注濃漿固結外,尚須視情況增設錨桿加固.

(4)鉆孔深度:鉆孔設計深度為15 m,根據井筒揭露巖石情況可適當加深.

(5)鉆孔布置:馬頭門超前探水鉆孔:在井筒馬頭門掌子面原則上布置6個超前探水鉆孔(見圖1),如果6個孔探水注漿異常,應根據現場的實際情況適當增加2~3個鉆孔.圖1中1,5號孔是水平方向向外夾角為50°,垂直方向向下夾角為50°;2,4號孔是水平方向向外夾角為50°,垂直方向向上仰角為50°;3號孔是垂直方向向上仰角為60°,6號孔為水平鉆孔.

圖1 馬頭門中深孔超前探水孔布置

管子道超前探水鉆孔在掌子面上原則布置5個超前探水鉆孔(見圖2),如果5個孔探水注漿異常,應根據現場的實際情況,在適當位置增加1~2個鉆孔.圖2中1,4號孔是水平方向向外夾角為50°,垂直方向向下夾角為50°;2,3號孔是水平方向向外夾角為50°,垂直方向向上仰角為50°;6號孔為水平鉆孔.

圖2 管子道中深孔超前探水孔布置

(6)深孔探水安全裝置:除了保證臨時水倉的排水能力不小于100 m3/h外,還要在探水過程中根據鉆孔設備及自身施工經驗設計孔口安全裝置.

2.1.2 探水鉆孔的施工

馬頭門超前探水孔施工順序:先施工1,3,5號孔,后施工2和4號孔,最后施工6號孔;管子道超前探水孔施工順序:先施工1,3號孔,后施工2和4號孔,最后施工5號孔.

當鉆進過程中遇巖溶裂隙水,且涌水量大于30 m3/h或者遇到破碎帶(嚴重塌孔)時,立即停止鉆進,及時進行注漿堵水,直至達到注漿結束標準,方可進行下一工序.

2.2 淺孔超前探水

淺孔超前探水注漿的目的是防止馬頭門及管子道在開口(4 m以內)處出現大的涌水,而無法采用有效的措施進行封堵,主要針對的是含水層巖溶導水裂隙和冷凍鉆孔本身存在的含水環形空間.

(1)馬頭門及管子道掘進作業面淺孔探水:沿馬頭門(管子道)邊緣向內200 mm的周線及中心點布設7(9)個超前探水孔(其中8,9號孔為馬頭門前4.5 m施工時探水孔),探水孔布置形式見圖3、圖4.其中1,5號孔是水平方向向外夾角為100°,垂直方向向下夾角為100°;2,4,(8,9)號孔是水平方向向外夾角為100°,垂直方向向上仰角為100°;3號孔是垂直方向向上仰角為100°;6號孔是垂直方向向下俯角為100°;7號孔為水平孔;探水孔采用炮孔,孔徑為 Ф42 mm,孔深為4.0~4.5 m.施工順序為先1,3,5,(8,9)號孔,后2,4,6號孔,最后施工7號檢查孔.

作業面的探水孔總出水量小于5 m3/h,且為非集中出水時,正常掘進.如果超前探水炮孔單孔的涌水量大于3 m3/h,要在探孔的兩側加密探孔.

圖4 管子道淺孔超前探水孔布置

(2)馬頭門及管子道冷東孔環形空間淺孔探水:在馬頭門開口斷面布置3排水平鉆孔,排距1.5 m,每排5個鉆孔呈扇形向外布置,原則以探到冷東孔環形空間為結束標準,深度不超過4 m,探水孔布置形式見圖5;在管子道開口斷面布置3排水平鉆孔,排距1.0 m,每排4個鉆孔呈扇形向外布置,原則以探到冷東孔環形空間為結束標準,深度不超過4 m,探水孔布置形式見圖5.

若未探到環形空間,可根據實際情況適當增加鉆孔數量.

在施工中深孔探水前,先施工淺孔探水,掘進作業面和冷凍孔環形空間淺孔探水可同時施工作業,為保證探水效果,鉆孔嚴格按照設計角度和深度施工,如遇特殊情況,可根據現場情況做調整.

圖5 馬頭門及管子道冷東孔環形空間淺孔超前探水孔布置

考慮到冷凍鉆孔至井筒的距離,鉆孔解凍的時間,灰巖含水層強富水性特點以及各水平馬頭門和－310 m水平管子道的技術要求等因素,在防治水設計中,要求澆筑完井壁后,先不停止冷凍孔工作,從下至上在各個馬頭門及管子道埋設完孔口管后再停止冷凍孔工作,等井筒完全解凍后,再實施“長短結合”的探水方法和常規的注漿方法進行掘進.

3 結 論

在輔助井筒埋好設計孔口管,解凍后,經過3個月的時間,各個水平的馬頭門和管子道均成功探水注漿完畢,后面馬頭門及管子道掘進順利,尤其是經過環形空間位置時沒有受到水患的影響.本次超前探水的成功應用說明:對于大水礦山全凍結法施工的井筒,馬頭門如果沒有采取凍結措施,采取該種方法治理水患問題能取得比較好的效果,該種方法值得在同類礦山施工中應用和推廣.

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