深孔注浆堵水技术在矿井恢复中的应用

陈海远，于正兴，朱权洁，西曰峰

（1.莱钢集团莱芜矿业有限公司， 山东 莱芜市 271100；2.中国安全生产科学研究院， 北京100012；3.北京科技大学， 北京 100083）

深孔注浆堵水技术在矿井恢复中的应用

陈海远1，于正兴2，朱权洁3，西曰峰1

（1.莱钢集团莱芜矿业有限公司， 山东 莱芜市 271100；2.中国安全生产科学研究院， 北京100012；3.北京科技大学， 北京 100083）

谷家台铁矿曾发生突水淹井事故。分析了该矿的突水机理，介绍了深孔注浆围堵突水区域技术在该矿恢复工程中的应用。针对谷家台铁矿现状，制定相应的围堵突水区域深孔注浆方案，对注浆结石体长度以及注浆参数和施工方式（注浆控制）等进行了研究。现场的试验和监测结果表明，通过深孔注浆技术有效治理了该矿的突水事故，堵水率高达99.9%，使该矿生产得以迅速恢复。

矿井突水；深孔注浆；矿井恢复

0 引 言

突水事故会造成大量人员伤亡和财产损失，是矿井生产过程中的重大灾害之一。在防治水和堵水方面，注浆技术得到广泛应用［1－6］。

山东莱芜谷家台铁矿在－100m水平28A穿脉发生突水事故，仅1h45min就从－150m水平淹至＋1m水平，计算突水量超过3万m3/h，导致淹井。淹井后，立即组织抢险，实施了钻孔穿透巷道进行注浆堵水，未能取得成功，被迫封井。依据谷家台铁矿突水事故发生处的水文地质和工程地质条件，1999年6月测得矿坑总涌水量为7000m3/d，通过分析其突水机理，提出深孔注浆围堵突水区的矿井恢复方案，依据设计方案施工后，治理效果良好，堵水率高达99.9%，使该矿生产迅速恢复。

1 突水区域水文地质条件

谷家台突水区域的地层为第四系砂砾石层、第三系红色砂岩层，中奥陶系马家沟组灰岩，燕山期闪长岩。矿体赋存在奥陶系灰岩与燕山期闪长岩接触带之间。第四系砂砾石层富含孔隙潜水。中奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙发育，灰岩的岩溶裂隙发育具有上强下弱且与灰岩倾向相一致的趋势。

据生产地质资料及注浆钻孔揭露，从－100m水平28A穿脉迎头后退约6m处（即突水点附近），发育一宽度0.8～1.5m的断层破碎带，该断层走向北北东，倾角60°左右，属张性。断层切割矿体进入灰岩岩层，且次生构造裂隙发育，由于地下水的溶蚀作用，在矿体上盘接触带位置的灰岩内发育高度大于1.5m的溶洞。此外，在－100m水平28A巷道突水过程中，距突水区约170m的双主孔有强烈的吸气现象，并伴有刺耳的响声，根据断层构造走向趋势，表明北东向构造裂隙与东部的双主孔“天窗”有直接的水力联系。

突水区域矿体下盘岩石蚀变强烈而且裂隙发育、岩体破碎，构成了矿井突水淹井的薄弱地段。且突水区富水性强，地下水连通性好。

2 突水机理分析

突水巷道距离矿体底板（靠近矿体尖灭端）约20m，因成矿的热液作用形成了较厚的强蚀变带（即矽卡岩），矽卡岩易风化，蚀变闪长岩节理裂隙发育。28A断层（张性导水断层）切割蚀变闪长岩、矽卡岩、矿体及矿体顶板灰岩，造成矿体及矿体底板岩石破碎松散，稳固性差。

巷道掘进开挖并揭露断层，破坏了原有的应力平衡，引起围岩应力重新分布，巷道围岩的变形破坏为结构面在围岩动态过程中一系列复杂的时间相关性力学行为和力学响应所致，使普通的喷锚支护难以维护岩体强烈变形和严重破坏，巷道围岩发生严重冒落。

断层与岩体内的节理裂隙导水，使岩石的不连续面的摩擦阻力减小，降低了围岩的稳定性，蚀变闪长岩的冒落使得矽卡岩岩层暴露，在地下水的软化、风化作用下，产生了矽卡岩由固态向塑态的弱化效应，使矽卡岩岩体的力学性能降低，由于支护的不及时、支护措施不当，加剧了巷道围岩失稳冒落。

在矿体上盘靠近断层附近的灰岩内岩溶裂隙发育，成为地下水储存与迳流的良好通道，使该区域的灰岩富水性强、连通性好。在高静水压、张性断层、裂隙等诱因作用下，使导水通道的地下水压力迅速传导，突破了内蚀变带岩体与矿体的临界抗压能力，导致岩（矿）体的迅速跨塌，在地下水的冲刷及压力作用下，突然大量涌水，形成了不可抗拒的突水灾害。

3 深孔注浆技术的应用

3.1 围堵突水区域深孔注浆方案

针对谷家台的突水灾害，研究分析后采用深孔注浆方式围堵突水区域处理突水问题。实施注浆的目的是为了将突水区域的导水通道和富水空间进行充填、密实、封堵，切断含水层对突水点及矿井的水力补给，加固突水区域的岩体，提高－100m水平28A穿脉巷道围岩的稳固性，保证矿井顺利恢复排水。

突水区域注浆堵水具体方案为在以突水点为中心直径20m的圆周上布置8个钻孔，相邻注浆孔间距为6～11m，注浆钻孔深度以揭露完整闪长岩3～5m为准，钻孔深度270～275m。突水区域注浆钻孔布置如图1所示。

图1 注浆钻孔布置示意

间隔施工注浆钻孔，分段下行式驱水注浆，使浆液在突水区域有效范围内的岩溶裂隙等导水通道内沉淀、充塞、凝固、密实，封堵突水区域的所有导水通道，加固突水区域岩体，达到围堵突水点的目的。

3.2 充填结石体有效长度分析

为了保证注浆充填结石体有效长度具有抵抗水压力的能力，根据实验室注浆结石体参数计算临界充填长度，计算模型［7］如图2所示。

图2 结石体计算模型

已知静水压力情况下，假设：

（1）结石体的自重可以忽略不计；

（2）裂隙被浆液结石体完全充填；

（3）忽略结石体与岩体的粘结力。

根据图2，列出受力平衡方程式：

式中：S——裂隙周长；

F——裂隙断面积；

τ——剪切强度。

根据莫尔理论：

将（2）式代入（1）式，经整理后得到：

沿结石体面积作用的静水压力与其反作用力的平衡方程式为：

积分后得：

式中：K——侧压系数；

f——结石体的摩擦系数；

q——静水压力；

C——结石体内聚力；

H——临界充填长度。

将实测数据代入式（5），用迭代法计算临界充填长度H，如表1所示。

计算结果表明：计算值比实测值小得多，因此，可以认为裂隙注浆的实际结石体充填有效长度远远大于计算的临界长度，具有相当大的安全储备。

3.3 施工方式与注浆参数

注浆材料以单液水泥浆为主，地面建注浆站，集中连续造浆，注浆设备选择BW－250型、BW－320型、2TGZ－105/120型注浆泵。第四系、第三系钻孔内下套管，对第三系上下岩层接触部位进行有效止水。通过高压管连接注浆泵与孔口管。主要对灰岩含水层实施注浆，为了降低注浆难度，提高注浆质量，注浆堵水与加固段采用分段下行式注浆方式，即确定注浆段高，上一段注浆结束待浆液初凝后，扫孔并钻至下一段深度，再注浆，直至钻孔揭露3～5m完整闪长岩并封孔。钻孔结构为第四系开孔直径Φ219mm，第三系钻孔直径Φ150mm，奥陶系灰岩、闪长岩钻孔直径Φ110mm。

表1 注浆充填结石体有效长度计算结果

考虑到注浆钻孔深度较大等因素的影响，为了达到有效封堵突水区域导水通道的注浆目的，合理选择注浆参数至关重要。根据灰岩注浆的实践并借鉴其它矿山地表帷幕注浆经验，主要注浆参数选择如下。

（1）注浆段高：注浆段高不宜太大，一般确定在10～30m。根据钻孔简易水文试验确定，若灰岩的岩溶裂隙极为发育，可适当减小注浆段高。

（2）注浆终力：在地面孔口设立压力表，终压控制在4～5.5MPa。

（3）浆液浓度：水灰比控制在1∶1～0.5∶1。

（4）扩散半径：浆液扩散半径取大于10m。

（5）凝胶时间：采用鲁碧公司生产的425＃钢渣散装水泥，由实验确定的凝胶时间作为注浆过程使用数据。水泥凝胶时间实验结果如表2所示。

表2 水泥凝胶时间实验结果

此外，由于注浆钻孔较深，现场控制难度较大，因此，需要对每一注浆段取岩芯进行认真分析并进行压水实验，最后根据实验结果选择注浆的控制方法。注浆方法分为3类：

（1）注浆段岩溶裂隙发育情况一般，压水吸水量小于12m3/h，为了使浆液扩散达到设计要求，采用高压稀浆进行压注；

（2）注浆段岩溶裂隙极为发育，压水吸水量特别大，吸浆量大，为了控制浆液扩散距离，采用浓浆低压力进行控制注浆，适当采用间歇注浆。根据压力升高幅度，转换浆液浓度，使浆液充满过浆通道并充分密实；

（3）注浆段岩溶裂隙、吸水量介于上述二者之间，采用先稀后浓再稀的浆液进行压注，根据单位注入量控制注浆压力升高速度，以确保注浆质量。

4 现场施工与效果检查

4.1 注浆施工

该注浆堵水工程共施工注浆钻孔2181.31m，检查孔248.26m，掏水泥进尺744.79m，累计注入水泥量15206.58t。

4.2 矿井抽水试验与排水

注浆接近尾声时，在注浆区域灰岩岩溶裂隙最发育、导水通道最畅通的位置布置了相应的检查孔进行检验，并进行了压水试验。通过对检查孔取得的灰岩段岩芯进行分析得出，该处岩溶裂隙特别发育，但充满了水泥结实体，检查孔灰岩段岩芯采取率为85%，钻探冲洗液消耗量少。经压水试验得出，其压水压力为3MPa，吸水率为q＝0.0024 L/min.m.m，由此可以得出，注入的水泥浆与岩体有效连接加固，起到了良好的堵水作用。

注浆质量检查完成后，在东副井采用泵量100 m3/h、扬程162m的潜水泵2台，下至深度142m进行抽水试验，抽水总量为10.2万m3，通过水文地质比拟法、相关分析法等进行计算，矿井的动水量在320～340m3/h之间，与突水前的矿坑涌水量非常接近，判定围堵突水点深孔注浆堵水效果显著，确定矿井排水可以实施。

矿井排水采用大型潜水泵、泵与泵接力、井底喂水的联合排水方案，排水持续时间443h，排水总量达340万m3。通过井下测定确认，矿坑涌水量为320m3/h，基本达到淹井前矿坑涌水量，围堵突水点深孔注浆堵水率达到了99.9%，为矿井恢复工程的顺利进行打下了坚实的基础。

［1］ 朱志彬，王 平，刘晓春.大水矿区堵水方法及其应用结果［J］.黄金科学技术，2005，13（6）：35－38.

［2］ 孙翠华，曾先贵.某铁矿井下近矿体帷幕注浆堵水及其效果评价［J］.采矿技术，2011，11（4）：95－96.

［3］ 周裕华.注浆堵水在文家背井的应用［J］.江西煤炭科技，2008（2）：64－65.

［4］ 江中乐，孙 冰.帷幕注浆技术在丰纪果园煤矿堵水工程中的应用［J］.煤炭工程，2010（11）：25－27.

［5］ 辛小毛，王 亮.大水金属矿山防治水综合技术方法的研究［J］.矿业研究与开发，2009，29（2）：78－81.

［6］ 任富强.冬瓜山铜矿床水患治理浅析［J］.采矿技术，2011，11（2）：63－64.

［7］ 付士根，何治亭，张乃宝，等.矿山帷幕注浆堵水隔障机理研究［J］.中国安全生产科学技术，2009，5（3）：51－55.

2012－05－08）

陈海远（1973－），男，山东莱芜人，工程师，主要从事采矿技术和管理工作，Email：lkchenhy＠163.com。