高壓富水開拓巷道防治水技術與模擬分析

孫茂貴，殷登才

(安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司， 安徽 馬鞍山市 243181)

0 引言

在我國，隨著越來越多的水文地質復雜礦床被開發，礦山水害問題已成為威脅礦山安全開采的主要問題之一，特別是井建期間受制于工作條件及礦山排水能力，礦井水害易造成淹井事故。近年來諸多專家針對井巷掘進水害問題進行了研究，并取得了豐碩的研究成果，如張海波等提出了多種鉆孔聯合注漿治理技術，解決了高壓富水破碎帶水害問題[1-4]；王小坡等提出了深淺孔聯合注漿治理手段，張光德，姜志海，馬新平等[5-7]提出了采用瞬變電磁超前探測技術，超前探測巷道擬掘進區的富水段，提前制定針對性的治理措施，避免突水事故發生。但是，各個礦山的水文地質特征千差萬別，如何針對特定礦山水文地質條件制定有效的防治水方案，并分析其實施效果，以指導防治水方案的實施，仍是各個礦山井巷掘進防治水工作中面臨的重要問題[8-9]。

1 礦山概況

姑山鐵礦位于安徽省馬鞍山市當涂縣，青山河緊靠礦區東側穿過，并與長江相連。自1954年開始，礦區采用露天開采，主要開采27線至16線的礦體，到2016年，露天采場已開采至設計最低標高-148 m，形成一個東西寬約750 m，南北寬約1000 m的露天坑，露天坑東部邊緣距青山河最近處不足80 m。露天采坑的長期疏干排水使得礦區已形成以采坑為中心的疏干漏斗，漏斗中心水位標高約-165 m。礦山目前已轉入井下開采，地下開采部分設計開采規模為 70萬 t/a，設計利用資源量為4797.69萬 t。設計采用豎井開拓（設置主副井、充填井及回風井），井下共設5個中段：-148 m（回風）中段、-200 m中段、-250 m中段、-300 m中段、350 m中段，其中首采中段為-350 m中段，預測正常涌水量為12 900 m3/d（537.5 m3/h），最大涌水量為36 700 m3/d（1529 m3/h）。在井下-300 m平巷掘進過程中多次出現60 m3/h及以上突水事故，嚴重影響巷道的安全掘進。

2 水文地質條件

2.1 含水層

（1）第四系孔隙含水層。上部為粉質黏土層，下部為砂卵石層，分布于礦床四周，一般厚40～60 m，含水層的富水性隨深度而遞增，地下水水位一般在地面以下1～2 m，標高7 m左右。

（2）火山巖裂隙含水層。巖性為凝灰巖及安山巖類，分布于礦區7線以西，總體北西傾向為主，為礦體的頂板或間接頂板，巖體裂隙發育，滲透系數K=0.083 m/d，單位涌水量q=0.046 L/（s·m），水質類型為HCO3·SO4-Ca·Mg型水。

（3）砂頁巖含水層。該含水層呈楔形不整合于火山巖裂隙含水層之下，分布于礦區北東端，尖滅于礦山7線附近，為構造尖滅。含水巖性為紫色、灰紫、白色粉砂質頁巖、中粗粒石英砂巖等，裂隙發育一般，裂隙多充填方解石，其次為硅質、鐵質、泥質等。滲透系數K=0.10～0.16 m/d，單位涌水量q=0.11～0.16 L/（s·m），局部裂隙發育區的滲透系數可達 3.1 m/d，為富水巖層，水質類型為HCO3-Ca·Mg 型水。

2.2 隔水層

侵入巖隔水層巖性為輝長閃長巖、閃長巖，似鐘狀普遍分布于整個采場，遠離礦體蝕變逐漸減弱，巖體新鮮而完整，裂隙不發育，單位涌水量q=0.004～0.012 L/（s·m），滲透系數K=0.004～0.0086 m/d，為隔水層，水質類型為HCO3-Ca·Mg型水。

2.3 礦坑充水因素

礦山為露天轉井下開采，主要充水水源為大氣降水、地表水體和地下水徑流，青山河等地表溝渠補給量小；充水通道主要有構造破碎帶和結構面裂隙發育區，具體分述如下。

（1）露天采場的影響。姑山露天采場經過多年的疏干排水，在礦區形成了一定范圍的降落漏斗。在其降落漏斗范圍內，地下水運移暢通。現階段對本礦山的影響主要為降低礦山開采排水量。若礦坑積水，可能形成地下礦山開采排水的補給源。

（2）斷裂構造的影響。根據各含水層的性質、礦體及圍巖的富水性較弱，斷裂構造具導水性質，溝通上部含水層，增加了礦體及圍巖的給水性。特別是這些斷裂構造均為成礦后斷層，斷層具張性，如F8斷層破碎帶就溝通了黃馬青組裂隙含水巖組。

（3）結構面的影響。礦體與圍巖之間形成結構面，受成礦后斷裂構造的影響，圍巖內部也形成了不易勘查的軟弱結構面，輝長巖體上侵過程中冷凝收縮形成了放射狀裂隙，不同結構面之間的貫通，會對礦山開采排水產生一定的影響。

2.4 開拓巷道突水因素

（1）水文地質條件因素影響。礦山-300 m中段巷道主要位于火山巖裂隙含水層中，該含水層裂隙發育，工作面掘進時多次揭露60 m3/h及以上涌水，最大揭露涌水量超過了100 m3/h，同時巷道掘進期間面臨的水壓高達2 MPa，富水破碎巖體在高水壓條件下極易發生突水垮塌事故。

（2）工作環境因素影響。基建巷道多為獨頭掘進，巷道整體排水系統尚未形成，排水能力有限，不具備較強的抗突水能力，結合國內相關礦山基建開拓工程防治水經驗，在工作面涌水量超過20 m3/h較難組織施工，工作面面臨被淹的風險。

綜上所述，受制于礦山水文地質條件因素和基建工程防、排水特點影響，巷道開拓工作面揭露較大涌水時將嚴重限制礦山基建工作，同時給后期治理帶來較大困難，因此必須采用適宜的防治水治理方案，從而避免突水事故的發生，同時改善作業條件，提高作業安全掘進效率。

3 方案簡述

根據礦山水文地質條件和基建工程防治水的特點，結合國內相關基建開拓工程的防治水經驗，采用工作面超前探水和帷幕注漿的方案，對擬掘進區域進行超前探查和針對性的注漿封堵，大幅減少工作面涌水量，方案簡述如下。

（1）在工作面布設 5個超前探水孔，其中頂板1個，側幫2個，底板2個，鉆孔長度為100 m，外偏3°，如圖1所示。

圖1 注漿探查孔剖面（單位：mm）

（2）鉆孔開孔Φ130 mm，下6 m長的Φ108 mm套管并固管。凝固24 h后進行掃孔耐壓試驗，耐壓試驗壓力不低于8 MPa，持續時間不低于20 min。

（3）注漿材料采用單液水泥漿，水灰比為1.5:1，1:1，0.8:1三種，注漿終壓取靜水壓力的3倍，目前井下中段靜水壓力在2 MPa左右，注漿終壓為6 MPa。

4 方案模擬及治理效果預測

4.1 模擬分析原理

地下水滲流一般符合達西（Darcy）定律，在穩定流條件下通過巖土體的滲透量是滲透系數、水力坡降以及橫斷面積之間的乘積，如式（1）所示。

式中，q為單位面積的滲流量；k為滲透系數；i為水力坡降。

為便于模擬分析，將巖體簡化為連續介質，在不考慮水的密度變化條件下，基于達西定律的非均質各向同性中三維非穩定流數學表達式可表示為：

式中，H為總水頭；k為滲透系數；Q為源匯項；θ為體積含水率；t為時間。

4.2 模型建立

依據礦山水文地質及采掘設計構建符合礦山實際情況的數值模型，因此選取-300 m中段開拓巷道作為研究對象，巷道斷面尺寸為4.5 m×3.9 m。根據類似礦山井巷工作注漿經驗，一般注漿擴散半徑為2～3 m，結合礦山水文地質條件，取巷道工作面帷幕注漿厚度為 2 m[10]。模型尺寸為 24 m×20 m× 1 m，采用混合四邊形網格剖分，如圖2所示。-300 m中段開拓工程位于火山巖裂隙含水層，滲透系數K=0.083 m/d。地下水水壓為2 MPa，故模型兩側的總水頭邊界取200 m。

圖2 模型概化與網格剖分

模擬分為兩步進行，第一步分析原始條件下開挖單位長度巷道的涌水量（工況1），第二步分析注漿后開挖單位長度巷道的涌水量（工況2），然后對比分析工作面帷幕注漿的效果。

4.3 模型預測分析

如圖3所示，巷道開挖后在巷道周邊形成一個地下水的泄壓區，地下水自巷道周邊向巷道匯流，巷道成為了含水層中地下水排泄點。泄壓區呈橢圓形，主要向頂部發展，說明受重力影響，地下水主要從巷道拱頂部分涌出。帷幕注漿后巷道周邊形成2 m厚的穩定帷幕體，封堵了地下水通道，相比于直接開挖，其因巷道開挖而形成的地下水泄壓區主要集中在帷幕體內部區域，范圍大幅減小，說明帷幕體的堵水效果明顯。

圖3 不同工況開挖后的地下水云圖

兩種工況分別計算巷道開挖時的涌水量為24.8 m3/d和0.5 m3/d，在工況1的條件下100 m巷道的涌水量將達到2480 m3/d，大量涌水將導致基建開拓工程無法正常掘進，而帷幕注漿后堵水率達到了98%，100 m巷道的涌水量將大幅減小到50 m3/d，有效地保障了基建開拓工程的安全掘進。

5 效果

礦山在-300 m中段巷道開展了工作面帷幕注漿試驗，試驗段參數如上文所示，施工中5個注漿兼探查孔的涌水量多分布在20～60 m3/h之間，最大涌水量達到了120 m3/h左右，水壓2 MPa。工作面帷幕注漿后巷道安全掘進90 m（留設10 m巖帽）時的總涌水量約 50 m3/d，有效地保障了基建巷道工程的安全掘進，避免了突水事故的發生。同時巷道掘進期間的實測涌水量與預測涌水量基本相符，說明模型基本反映了巷道掘進期間的水文地質狀況，可有效地指導工作面帷幕注漿工程。

6 結論

（1）在高壓富水的水文地質條件復雜礦山，涌水量大，且受工作條件限制，排水能力有限，直接開挖極易出現突水事故，嚴重影響安全生產工作。

（2）采用工作面探注結合的帷幕注漿方案能有效地封堵巷道周邊的過水通道，大幅縮小巷道開挖而引起的含水層泄壓區影響范圍，巷道涌水量減小97.98%，提高了基建期井下防排水系統的抗風險能力，有效地保障了基建巷道的安全掘進。

（3）依據礦山開拓巷道水文地質條件構建基建開拓工程數值模型，能較準確地預測不同工況條件下巷道開挖后的地下水流場變化情況和涌水量，可指導方案對比和工程實施。