會寶嶺鐵礦不良鉆孔封堵技術研究

張紀堂 宋 陽 左世曉

（臨沂會寶嶺鐵礦有限公司，山東 臨沂 277712）

我國地下礦山地質、水文地質條件總體上十分復雜。據統計，僅在華北地區受水害威脅的礦井達230 多個[1]。現階段礦山涌突水的注漿治理工作因注漿技術尚停留在經驗發展階段，沒有科學成熟的理論指導，這不僅給井下采掘工程帶來了安全威脅，增加了企業的經濟負擔，浪費國家資源，也一定程度地破壞了生態環境。因此提出一套科學的注漿治水方法，對礦井防治水工作的開展具有重要意義。

1 礦井概況

會寶嶺鐵礦位于山東省蘭陵縣城西20km，屬蒼嶧礦區，為隱伏礦床，礦體賦存于泰山巖群山草峪組變質巖層中，發育有兩條主礦帶共4 個礦體，平均厚度41.2m，主采深度+10m～ -410m，為低品位磁鐵礦。

1.1 區域地質構造

礦區位于尼山凸起與嶧城凸起的交匯部位，二者以棗莊斷裂為界，北為尼山凸起，南為嶧城凸起。基底主要發育褶皺構造，蓋層表現為總體向北東緩傾斜的單斜構造，傾角10°～26°，斷層構造發育。區內泰山群變質地層經過強烈的變質變形作用形成了一系列復式倒轉背斜和復式倒轉向斜，具有相間出現、平行產出的特征。自北向南依次發育太（太平村）白（白水牛石）向斜和石（石門）閆（小閆莊）背斜及辛莊向斜、后大窯背斜等。在巖層中有緊閉褶皺正、倒韻律層的重復出現。

1.2 礦井水文地質條件

礦區位于西至白水牛石斷裂或山草峪組地層、北至文峰山斷裂、南至棗莊斷裂、東至龍輝大斷裂的水文地質單元內。除了西邊界為相隔透水邊界外，其余邊界均為透水邊界。礦區位于該水文地質單元的補給、徑流區。區域內地下水主要賦存于蓋層地層中的砂巖、粉砂巖和灰巖中，整個蓋層地層分布較為穩定，呈近南北走向分布，向東傾斜為單斜構造產出，向南北走向及向東傾向方向上展布較廣。礦區水文地質類型總體為中等型。

1.3 礦區主要含隔水層特征

根據含水介質地層巖性組合特征及地下水賦存條件、富水程度，礦區由上到下劃分為四個含水層：第四系松散巖類孔隙含水層、李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層、二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙含水層、變質巖裂隙含水層。

其中主要含水層為李官組砂巖-佟家莊組粉砂巖裂隙含水層、二青山組灰巖-砂巖巖溶裂隙含水層。各含水層水文地質參數見表1。

表1 會寶嶺鐵礦主要含水層特征

2 礦井水害類型分析及治理方法

礦區的水害主要來自不良鉆孔導通上部蓋層含水層造成的工作面掘進、回采施工過程中的涌水。

會寶嶺鐵礦在詳查勘探期間共布設勘探線10余條，施工地質鉆孔90 余個，地面布設的勘探鉆孔直接穿過上覆含水蓋層。在封孔過程中由于蓋層含水層水壓大及早期封孔技術不成熟，導致大量鉆孔封閉不良，給礦井生產造成安全隱患。在治理不良鉆孔水害過程中根據涌水量、水壓等參數的變化情況，會寶嶺鐵礦分別運用了孔底點注漿、分段泄壓注漿及截水墻注漿等方法進行鉆孔水害治理，并提出一套科學的注漿治水的方案。注漿方案見表2。

表2 注漿方案匯總

2.1 孔底點注漿

2.1.1 適用情況

孔底點注漿法適用于水壓、水量較小的出水點封堵，治理方法簡單，操作方便，參與人員較少。

2.1.2 出水情況判定

會寶嶺鐵礦-340m 水平34444 礦房中深孔施工過程中出水，出水量約22.5m3/h，水壓3.4MPa，為不良鉆孔導通上覆含水層出水。出水點水量、水壓較小，宜采用孔底點注漿法。

2.1.3 注漿孔施工及材料選擇

注漿孔由出水中深孔兼做，單孔深為2.5m，孔徑76mm。安裝注漿管長度2.5m，壁厚5.5mm 無縫鋼管，孔底安裝2 個孔口閥，孔口閥承受壓力38kg。

注漿材料選擇普通硅酸鹽水泥（采用425#水泥），水玻璃模數2.8～3.4，濃度38～40Be′。

圖1 注漿管結構示意圖

2.1.4 注漿流程

打孔→下注漿管→固管→安裝注漿泵→攪拌機→安裝注漿器→壓水試壓→注漿堵水→檢查注漿效果→復注。

2.1.5 注漿效果

按孔底點注漿擴散半徑計算公式[2]進行計算，公式如下：

式中：

R-注漿擴散半徑；n-巖層孔隙率；

ξ-考慮注漿孔與不透水巖層或井壁連通時系數，取0.5；

Q-單位時間的注漿量；

t-注漿持續時間。

代入數據計算得：

注漿完全封堵了不良鉆孔，注漿高度大于采礦段高，符合采礦需求。經長時間定期觀測，無水涌出，注漿效果良好。

2.2 分段泄壓注漿法

2.2.1 適用情況

分段泄壓注漿法適用于水量適中、水壓較大、需要高壓注漿且容易跑漿的出水點封堵。

2.2.2 出水情況判定

會寶嶺鐵礦-410m 水平41337 礦房鑿巖巷施工過程中揭露鉆孔出水，出水量50m3/h，水壓5.0MPa。水壓較大，宜使用分段泄壓注漿法封堵。

2.2.3 注漿孔施工及材料選擇

注漿孔布孔采用深孔、淺孔協調布設的方式，設定深孔孔深為15m，淺孔孔深為5m。

注漿孔沿不良鉆孔中心線延伸方向布孔。施工淺孔1 個，下注漿孔口管1.5～2m；施工深孔2 個，下注漿孔口管2～2.5m。各孔均安裝孔口閥，注漿材料選擇普通硅酸鹽水泥（采用425#水泥），水玻璃模數2.8～3.4，濃度38～40Be′。

2.2.4 注漿流程

通過一孔注漿、一孔泄壓返漿的步驟分段進行注漿。注漿效果如圖2 所示。

0 孔底注漿→1 淺孔返水泄壓→1 淺孔返漿→停止注漿（漿液凝固，形成充注漿填體A）；

1 淺孔注漿→2 深孔返水泄壓→2 深孔返漿→停止注漿（漿液凝固，形成充注漿填體B）；

2 深孔注漿→3 深孔返水泄壓→3 深孔返漿→停止注漿（漿液凝固，形成充注漿填體C）；

3 深孔注漿→增加注漿壓力→計算吃漿量→持續注漿2t 水泥后停止注漿（漿液凝固，形成充注漿填體D）。

2.3 截水墻注漿法

2.3.1 適用情況

截水墻注漿法用于水壓大、涌水量大、壓力無法卸掉的鉆孔出水。

2.3.2 出水情況判定

會寶嶺鐵礦-410m 水平41343 礦房揭露鉆孔出水，出水量126m3/h，水壓5MPa，采用自然疏干法進行疏水降壓，72h 后觀測該鉆孔，出水量及壓力穩定沒有變化。鉆孔水量、水壓大，宜采用截水墻法進行降壓截水處理。

2.3.3 工程地質情況

施工擋水墻前首先查明施工地點工程地質情況。41343 礦房附近巖石為黑云變粒巖，巖體較完整至完整，為Ⅰ～Ⅲ級巖體，巖石堅硬，巖石飽和抗壓強度68.1～229MPa，抗剪強度6.16～37.3MPa，巖石力學強度較高，為堅硬巖類，巷道掘進一般不需要支護。截水墻處斷面及支護情況如表3 所示。

表3 截水墻處斷面及支護情況

2.3.4 截水墻設計

截水墻厚度計算基礎：經現場實際測得水壓5MPa，設計按5.5MPa。按圓柱形墻體厚度計算法[3]：

S=r/（k/p）-1

式中：

S-截水墻墻體厚度，m；

k-建筑材料或巷道圍巖的安全抗壓強度，設計采用400 號砼，其抗壓強度為19.2MPa；

p-水壓，MPa；

r-墻體圓柱內半徑，按f=3～4 時，r=1.2B；

B-巷道凈寬度，m。

代入數據計算得：

S=1.2×3.9/[（19.2/5.5）-1]=1.88m。

考慮安全因素，截水墻最終設計墻體厚度2m，可滿足注漿堵水需要。截水墻頂部用錨桿加固，底部和幫部開挖溝槽（1×1m），整個截水墻按300×300mm 間距綁扎Φ28mm 螺紋鋼，在墻上安設9 根6m 排水管，外漏1m，安裝高壓法蘭盤。截水墻截面如圖2 所示。截水墻經過養護期，達到設計要求的抗壓能力后，方可注漿。

圖2 41337 礦房分段泄壓注漿效果圖

圖3 截水墻斷面設計圖

2.3.5 注漿流程

注漿材料選擇普通硅酸鹽水泥（采用425#水泥），水玻璃模數2.8～3.4，濃度38～40Be′。采用12MPa 高壓注漿泵進行注漿，注漿前期首先對墻體與巷道交接處進行注漿加密，防止后期漏漿跑水。因墻體內部含流動水，空間較大，采取從下而上的注漿方式，下部注漿，上部排水，累計注入水泥107t、水玻璃4.8t 后注漿完成，墻體無滲水。

3 結語

通過對會寶嶺鐵礦不良鉆孔注漿治理，總結注漿經驗，為礦井防治水工作提供科學指導，不斷加強礦井水害治理技術研究，保證地下礦山的安全開采，提高社會和經濟效益。