超深豎井高壓裂隙涌水注漿堵水技術及其風險管理

王靜波，蔡興健，楊建明*，王鵬鳴，于成相

(1.萊州匯金礦業投資有限公司； 2.長春黃金設計院有限公司)

引 言

隨著地下資源的長期開發和利用，全球淺部、高品質的金屬資源日益枯竭，千米級乃至更深的礦產資源深部開采已成為常態。國外采深在1 000 m以上的金屬礦山已超過120座，尤其以南非、加拿大、美國、澳大利亞、俄羅斯、智利、印度等最具有代表性。例如：南非Mponeng、Savuka和TauTona礦山(被合稱為West Wits)的深度都超過3 500 m，代表著深井采礦的最前沿，其中Mponeng 金礦開采深度超過4 000 m，是全球最深的金礦。據不完全統計，中國金屬礦山以10～30 m/a開采速度下降，預計在未來10年內，將有三分之一金屬礦山開采深度達到或超過1 000 m[1-2]，其中萊州匯金礦業投資有限公司紗嶺金礦(下稱“紗嶺金礦”)主井為目前國內金屬礦山在建的第一深豎井，井深約1 551.8 m；河南寶崟鑫金礦達到 1 600 m；吉林夾皮溝金礦達到1 500 m。

與淺部巖體相比，深部巖體地質環境具有高地應力、高巖溫、高裂隙水壓等特點，巖體表現出高度的非線性，其物理、力學、動力學特征存在顯著空間變異性[3]，進而導致巖爆、塌方、高壓水等災害頻繁發生，破壞強度急劇加大，嚴重威脅深部礦產資源安全開采[4]。其中，水害治理尤為顯著，全國600余座礦山，約有47.5 %受水害威脅，最為典型的貴州赫章縣鐵礦曾5天突涌水總量達4.5萬m3。根據已掌握資料，國內海濱區域金礦深部開采面臨最大的挑戰便是深部高壓、高溫、強腐蝕裂隙水的治理。因此，如何正確認識深部水害演化機制、精準識別風險因素，進而科學管理風險是深部開采目前及未來長期亟需研究的熱門方向。

本文以紗嶺金礦主井-1 214 m工作面涌水治理為背景，通過分析深部注漿堵水機理及現場注漿堵水施工工藝，精確識別高壓裂隙水注漿過程中的主要風險源，據此提出針對性的風險管控措施，為紗嶺金礦二期建設和類似工程施工提供參考。

1 高壓裂隙涌水治理現狀

在地下工程水害治理中，高壓裂隙涌水治理最為困難。對此，國內外學者和一線工程技術人員從水源探測技術、注漿材料選擇、注漿工藝、施工管理等方面進行了大量的研究。水文地質探測技術方面，主要有高密度電法、瞬變電磁法、地質雷達、高密度電阻法、室內物理力學測試法等[5-7]。注漿工藝方面，主要結合工程背景提出CCG注漿、高壓劈裂注漿、稠水泥漿等新施工工藝[8-10]。張振峰等[9]針對千米巷道圍巖裂隙閉合、滲透性差等特點，研發出高壓劈裂注漿改性技術，其中包括新工藝、新材料、新設備研發。WITTKE等[10]采用低水灰比的膏狀穩定水泥漿液(稠水泥漿)的注漿法。注漿材料方面有超細水泥、環保型脲醛樹脂、水玻璃、丙烯酸鹽新型聚氨酯、新型水玻璃-酯類等注漿材料[11-16]。李治國等[15]結合廈門翔安海底服務隧道F1風化槽預注漿堵水技術，深入剖析強腐蝕性水對注漿材料凝結時間和強度降低的影響。管學茂等[16]根據千米深井巷道圍巖地質特點，研發出具有高滲透、高強度、高黏結性的高性能無機-有機復合注漿材料。

豎井涌水治理是一項系統工程，包括水文地質勘探、材料選擇、注漿工藝、方案設計、安全管理等子系統，不少學者將其作為整體綜合分析[17-18]。李文平等[19]根據深部水介質高水壓特點，探討了地應力場對地下水滲透性的作用機制，并提出了深部水害精準查治一體化關鍵技術。張霄等[20]將地質分析、探測技術、現場試驗及實時監測等技術結合在一起，并在山東菏澤龍固煤礦水害治理中取得了顯著治理效果。李海燕等[21]針對龍固煤礦主井深埋工作面預注漿研究，提出了地質分析、綜合探測、設計理論、施工反饋的注漿設計理念，并取得了顯著的治水效果。

綜上，雖然學者們在水害治理方面已進行了大量的探索，但至今也沒有形成一套完整的高壓裂隙涌水治理技術及施工安全管理體系。

2 工程背景

紗嶺金礦位于山東省萊州市，設計生產能力12 000 t/d，采用主井、副井、措施進風井和回風井開拓方案。主井井筒凈直徑為6.8 m，井口絕對標高19.0 m，井底標高為-1 532.8 m。礦區工程區域內大地構造環境復雜，構造以斷裂為主，按其展布方向可分為北東向和近南北向2組。區域內有朱橋河和滾龍河2條河流分別從礦區南西部和中部通過。紗嶺金礦現場主井、副井、進風井相對位置見圖1。

圖1 紗嶺金礦現場概況

根據現場涌水量監測數據，各豎井出現最大涌水量分別為：主井57 m3/h，副井117 m3/h，進風井92 m3/h，回風井97 m3/h。本文以紗嶺金礦-1 214 m工作面注漿為工程背景，根據地質資料，主井在垂深1 233.41～1 477.53 m段巖性為黃鐵絹英巖化花崗巖，巖石裂隙發育，巖心整體較破碎，為弱富水性。掘進施工時充分考慮了注漿巖帽作用，繼續向下掘進16 m后，在工作面-1 214 m處進行工作面注漿封堵裂隙水。

3 注漿段水文地質

3.1 工程地質條件

根據地勘資料：

垂深1 089.00～1 233.41 m為絹英巖化花崗質碎裂巖。巖石整體裂隙發育，巖心較破碎。線裂隙率5～10條/m，以與巖心軸夾角35°～40°，65°～75° 2組為主，裂面平直光滑，局部充填有碳酸鹽巖。巖石以柱狀、塊狀、碎塊狀為主，RQD平均值為41 %，巖石為堅硬巖，巖體較破碎。

垂深1 233.41～1 250.49 m為黃鐵絹英巖化碎裂巖，呈灰白—灰黑色，變余碎裂結構。線裂隙率2～5條/m，以與巖心軸夾角80°為主。裂面平直光滑，弱富水性，巖石以長柱狀、柱狀為主，少量塊狀、碎塊狀，RQD平均值為74 %，巖石為堅硬巖，巖體較破碎。

垂深1 250.49～1 477.53 m為黃鐵絹英巖化花崗巖，巖石裂隙發育，巖心整體較破碎。線裂隙率5～10條/m，裂面多平直，局部粗糙。局部裂面充填有碳酸鹽、絹云母等蝕變礦物，以與巖心軸夾角30°和60°為主，弱富水性。巖石以柱狀、塊狀為主，少量碎塊狀，RQD平均值為49 %，巖石為堅硬巖，巖體較破碎。

垂深1 089.00～1 477.53 m段巖石物理力學性質見表1，取出的巖心見圖2。

表1 巖石物理力學性質

圖2 不同層位巖心概況

3.2 工程水文條件

根據地勘資料：垂深1 089.00～1 233.41 m、1 250.49～1 604.47 m處的透水性、富水性隨裂隙發育程度有較大變化，富水性不均勻特點顯著。巖層經過多次構造變動，裂隙多為扭性、壓扭性，裂隙閉合，連通性較差。因此，含水層的總體透水性、富水性弱，最大單位涌水量0.008 395 L/(s·m)，滲透系數0.000 543 775 m/d，屬弱富水含水層。

垂深1 233.41～1 250.49 m位于焦家主干斷裂帶的中間部位，巖性由斷層泥及黃鐵絹英巖化碎裂巖組成。垂深1 233.41～1 233.46 m厚約5 cm，根據已掌握的資料，主裂面整體產狀穩定，具有良好的隔水性，隔斷了上下盤之間的水力聯系。

4 高壓裂隙水注漿加固技術

4.1 超深豎井工作面注漿特點

紗嶺金礦主井-1 214 m工作面預注漿具有以下特點：①裂隙水分布隨機、賦水不均勻，裂隙間連通性差；②注漿材料要求高。工作面埋藏深、穿越地層復雜，且在高地應力作用下裂隙壓密、近乎閉合；③井下裂隙水具有滲透水壓高、單孔涌水量大、富含氯離子、水溫高等特點。現場測得主井 -1 460 m處滲透水壓達到11 MPa，水溫49 ℃，單孔涌水量超過80 m3/h；④注漿壓力大。通常工作面注漿終壓取靜水壓力的2～4倍，本次注漿終壓取20 MPa。

4.2 工作面注漿加固機理

當豎井掘進至含水層時，含水層周圍原巖應力場平衡狀態被打破，導致該區域應力重新分布。在新的應力場平衡過程中，不同區域巖體出現應力釋放或集中，使得原裂隙場愈加發育。這主要是因為在掘進擾動下原巖裂隙尖端會發生以下變化：①當積聚的應力達到巖體單元斷裂韌度時，會出現新的微觀裂隙；②當應力達到峰值抗壓強度時，巖體內部微觀裂隙貫通，形成宏觀可見的裂隙。

工作面注漿是指往含水層中注入時變固化液體，通過注漿壓力用漿液驅趕工作區域內裂隙水。同時，隨著時間增加，漿液在裂隙場內凝固，形成網狀骨架，黏結破碎巖體使其膠結成一個帷幕，達到封堵截斷導水通道和加固巖層的作用。井筒堵水加固機理見圖3。

圖3 井筒堵水加固機理

4.3 注漿參數設計

4.3.1 注漿材料選擇

本次注漿材料的選擇，綜合考慮了材料的可注性、凝固時間、耐久性、抗腐蝕性和膠結強度等，選擇強度等級42.5普通硅酸鹽水泥、1 250目超細水泥和環保型改性脲醛樹脂化學漿作為注漿材料復合使用。其改性脲醛樹脂化學漿由多元復合高分子有機液體(A液)和無機多元復合液體(B液)組成。

現場注漿施工時，先采用普通水泥進行注漿，封堵寬度較大的導水通道，當普通水泥漿無法注入或注入量少時，改用1 250目超細水泥。最后，在微裂隙和毛細裂隙注漿時漿液采用改性脲醛樹脂化學漿。根據現場注漿效果，采用水灰比1∶2.5，1∶3，1∶5普通水泥和超細水泥時，吸漿液量小，注漿壓力變化快，因此注漿材料以環保型改性脲醛樹脂化學漿為主，其A液與B液配比為2∶1。孔口管加固采用BY12-IA型早凝早強高強注漿料(銀白色)和BY12-7型瓦斯密封孔專用注漿料(橘黃色)混合的雙液漿，其使用前水料比為0.27∶1。

4.3.2 止漿巖帽厚度

工程設計采用巖層作為止漿墊層(止漿巖帽)，防止注漿時出現漏漿、跑漿等現象。止漿墊層抗剪能力與其厚度關系為：

(1)

式中：B為止漿巖帽厚度(m)；p為注漿終壓(MPa)；D為井筒荒徑(m)；[τc]為巖石允許抗剪強度(MPa)。

根據工程經驗，經計算,止漿巖帽厚度為8.9 m。

4.3.3 注漿壓力

注漿壓力是驅動漿液在裂隙中流動、擴散、充塞、壓實的能量，是控制漿液距離的重要因素之一。一般工作面預注漿終壓取靜水壓力的2～4倍。-1 214 m工作面探水時測得靜水壓力為8 MPa，故本次工作面靜水壓力暫定為8 MPa，注漿終壓取靜水壓力的2.5倍，即20 MPa。

4.3.4 注漿工藝流程

井上漿液攪拌后經注漿泵、輸漿管、注漿管進入受注巖層，其注漿泵為ZBYSB60/33-18.5型煤礦用液壓式。在注漿孔鉆到既定深度后進行壓水試驗，沖洗巖石裂隙中的充填物，提高漿液結石體與巖石裂隙面的黏結強度及抗滲能力。壓水試驗時，壓力值控制在本段注漿終壓，壓水時間為20 min。根據壓水試驗測定的單位鉆孔吸水量，確定注漿時漿液的起始濃度。

在注漿過程中，注漿壓力變化分為初期、正常及終壓3個階段。當初始濃度確定后，根據注漿壓力變化實時控制泵量，調整漿液濃度及膠凝時間等，使注漿壓力平緩地升高，避免出現較大波動，直至達到注漿終壓、終量，并穩定20 min以上。在結束本次注漿之前，需壓注一定量的清水，沖洗管路中的漿液，注入量為輸漿管路和注漿孔容積的80 %，然后關閉孔口球閥，卸開輸漿管路沖洗。注漿工藝流程見圖4。

圖4 注漿工藝流程

5 工作面探水注漿效果分析

5.1 探水方案設計

本次基巖設計注漿段高為75 m，工作面共布置探水注漿孔24根。本次探水注漿分3次鉆進，前兩次為前進式分段注漿，第三次為檢查孔，施工時采用2臺鉆機對角鉆進。3次探水注漿鉆進為：①埋設8根，分別為1#,3#,4#,6#,8#,10#,12#和14#；②埋設7根,分別為2#,5#,7#,9#,11#,13#和15#；③埋設檢查孔9根,分別為16′、檢1#、檢2#、檢3#、檢4#、檢5#、檢6#、檢7#、檢8#。-1 214 m處工作面鉆孔布置見圖5。

圖5 工作面探水注漿孔布置

5.2 第一次探水注漿

-1 214 m工作面第一次探水注漿孔深度與出水量關系見圖6。以工作面為水平線，探水注漿孔鉆進深度用負號表示。從圖6可以看出：第一次探水注漿孔測得總水量為296.85 m3/h，單位深度出水量為3.158 m3/h。含水層沿埋深方向呈“右三角形”分布，在8#孔57 m處和12#孔58 m處測得最大出水量為65.40 m3/h，占總出水量44.06 %。

圖6 第一次探水注漿孔深度與出水量關系

各注漿孔在不同層位測得各孔出水量總和的方位統計見圖7。從圖7可以看出：單孔總出水量最大位置分布在東偏南10°和南偏西10°，出水量分別為99.10 m3/h 和97.20 m3/h，其次分布在西偏北45°和東偏南45°，出水量在方向線上為20.00～22.45 m3/h，其余區域8.40～11.20 m3/h。綜上分析可知，-1 214 m 工作面下-25～-100 m裂隙水分布具有隨機性，不同區域分布不均勻。

圖7 第一次探水注漿測得出水點方位

5.3 第二次探水注漿

-1 214 m工作面第二次探水注漿孔深度與出水量關系見圖8。從圖8可以看出：第二次探水注漿孔測得總出水量為171.93 m3/h，單位深度出水量為1.64 m3/h，測得最大出水量在7#孔50 m處，為43.00 m3/h。與第一次相比，出水量顯著降低，而且出水點更加集中在-75～-90 m段，說明第一次注漿在較大程度上趕走了裂隙水并封堵。

圖8 第二次探水注漿孔深度與出水量關系

第二次探水注漿測得各孔出水量總和的方位見圖9。從圖9可以看出：單孔總出水量最大位置分布在東偏北10°處，約為86.20 m3/h，其方位與第一次探水注漿在東偏南10°處測得的99.10 m3/h相當，說明裂隙水具有局部不連續性。

圖9 第二次探水注漿測得出水點方位

5.4 檢查孔探水注漿

注漿堵水屬于隱蔽工程，通常采用鉆檢查孔法能夠最直觀反映注漿效果。檢查孔布設一般遵循以下原則：優先考慮富水區域；檢查孔數量應為注漿孔的3 %～5 %；測得的出水量應不大于5.00 m3/h。檢查孔測得出水量統計結果見圖10。從圖10可以看出：檢查孔出水量為1.00～2.00 m3/h，平均出水量為1.262 5 m3/h，表明本次注漿可以較好地趕走工作區域內的裂隙水，并在一定范圍內封堵裂隙水形成帷幕。

圖10 檢查孔出水量統計

6 高壓裂隙涌水注漿危險源識別及風險管控措施

6.1 注漿危險源識別

由于超深豎井工作面巖層地質環境復雜、注漿作業面積小、作業人員多、設備集中、電線管路多雜等特點，給井下安全生產帶來極大威脅,主要安全風險有：

1)由于注漿工作面埋藏深，地質環境愈加復雜，使得前期地質雷達、瞬變電磁、鉆孔揭露等地勘資料與實際巖層地質條件偏差大，使其降低了注漿段施工的科學指導性。

2)深部地應力大，裂隙寬度小、幾近閉合，漿液可注性差，而且裂隙水壓高，迫使注漿壓力高(終壓20 MPa)，需要更高的止漿墊施工質量。在生產中曾因傳統注漿墊厚度設計不足，受注漿壓力作用止漿墊出現上浮，注漿機失穩、跳躍。

3)深豎井工作面熱源主要來自巖層溫度、裂隙水溫、機械散熱及充填材料、油垢氧化發熱等，容易造成井下作業人員體溫調節、水鹽代謝、循環系統等生理系統出現紊亂。同時，受高溫影響，作業人員的中樞神經系統容易失調，導致精神恍惚、疲勞，進而誘發事故。

6.2 風險管控措施

根據施工中存在的危險源，提出相應的風險管控措施：

1)注漿施工設計階段。根據工勘地質資料初步確定含水層分布規律，之后針對富水區域加密布置探水孔，準確判斷含水層位置。探水孔兼作注漿孔，采用分段前進式進行注漿。當鉆孔涌水量大于10 m3/h時，及時注漿后再掃孔探水，以防涌水量淹沒工作面造成設備腐蝕。

2)有限空間內，合理布置設備臺套，打破原有1臺注漿機注漿模式，增加注漿機及輔助設備，減少人工注漿時間，增大本質安全保證。

3)充分利用吊盤中、下層盤，注漿孔施工和注漿同步進行，提高工作效率，減少工人井下作業時間，保證安全。

4)調整注漿工藝參數，合理選取孔深、注漿孔角度，形成合理的帷幕半徑，提高注漿效果，減少傾角較大的注漿孔施工，確保安全。

5)結合地質條件，采用多鉆孔、小壓力的注漿方法解決了原注漿壓力偏大且處在巖石不穩固地段造成壓力上行串漿現象突出、后期破壞井壁等問題。

6)做好澆筑止漿墊之前井底疏導水工作，修通放射狀導水溝槽形成鍋底狀匯水平面，避免止漿墊接觸面質量差，導致承壓不夠進而引發事故。

7)加大作業面通風。由于工作面空間狹小，高溫下環保型脲醛樹脂材料熱分解揮發，產生有害氣體，可以通過加大通風降低工作面溫度，確保工作人員體感舒適。同時，作業人員應佩戴防護裝置，防止化學漿噴出傷害眼睛。

8)注漿時作業機械設備、器具等生根牢固，防止發生物體打擊。例如，探水注漿使用潛孔鉆機固定牢固，濾水桶、各鉆孔法蘭盤固定牢固，防止由于注漿壓力及水壓過大掀翻鉆機或法蘭盤導致傷人事故。

9)實時確保工作面條理整潔。作業現場敷設的電纜管線、設備設施等應做到規范整理，與主、副提吊桶升降位置保持安全距離，防止發生觸碰。

7 結 論

1)結合鉆探、物探、探孔取心、室內巖石物理力學試驗等手段，初步揭露了含水層水源位置、含水量及裂隙場分布規律等，為注漿方法設計提供指導建議。

2)豎井埋深千米工作面采用前進式分段、分步注漿法進行堵水。注漿時，通過漿液對含水層進行擠壓、劈裂和填充形成止水帷幕，將裂隙水驅趕至距豎井荒徑外較遠位置。同時，由漿液形成的主、次漿脈將地層裂隙黏結形成一個整體，進而加固地層承載能力。

3)埋深千米工作面基巖裂隙水具有高滲透壓、強腐蝕性、高水溫等特點，對注漿材料選擇、止漿巖帽厚度、濾水層及施工工藝等具有更高的要求，有待于進一步實踐優化研究。

4)預注漿治水效果顯著。導水通道連通性差，第一次注漿前測得單孔某層位最大出水量為65.40 m3/h，第二次注漿前測得43.00 m3/h，檢查孔測得1.00～2.00 m3/h，即第一次注漿堵水率達到34.25 %，第二次注漿堵水率可達96.94 %，基本確保無滲水情況作業，保證豎井掘進安全。

5)總結注漿施工實踐發現，紗嶺金礦濱海深層隨著深度的增加，地質環境愈加復雜，漿液可注性大幅降低，工作面巖溫水溫增加，水質含有高濃度氯離子等，對安全注漿施工造成極大威脅，對此提出了有掘進必探、加大通風、機械設備防腐和生根牢固等措施建議。