会宝岭铁矿不良钻孔封堵技术研究

时间：2024-07-28

张纪堂宋阳左世晓

（临沂会宝岭铁矿有限公司，山东临沂 277712）

我国地下矿山地质、水文地质条件总体上十分复杂。据统计，仅在华北地区受水害威胁的矿井达230 多个[1]。现阶段矿山涌突水的注浆治理工作因注浆技术尚停留在经验发展阶段，没有科学成熟的理论指导，这不仅给井下采掘工程带来了安全威胁，增加了企业的经济负担，浪费国家资源，也一定程度地破坏了生态环境。因此提出一套科学的注浆治水方法，对矿井防治水工作的开展具有重要意义。

1 矿井概况

会宝岭铁矿位于山东省兰陵县城西20km，属苍峄矿区，为隐伏矿床，矿体赋存于泰山岩群山草峪组变质岩层中，发育有两条主矿带共4 个矿体，平均厚度41.2m，主采深度+10m～ -410m，为低品位磁铁矿。

1.1 区域地质构造

矿区位于尼山凸起与峄城凸起的交汇部位，二者以枣庄断裂为界，北为尼山凸起，南为峄城凸起。基底主要发育褶皱构造，盖层表现为总体向北东缓倾斜的单斜构造，倾角10°～26°，断层构造发育。区内泰山群变质地层经过强烈的变质变形作用形成了一系列复式倒转背斜和复式倒转向斜，具有相间出现、平行产出的特征。自北向南依次发育太（太平村）白（白水牛石）向斜和石（石门）闫（小闫庄）背斜及辛庄向斜、后大窑背斜等。在岩层中有紧闭褶皱正、倒韵律层的重复出现。

1.2 矿井水文地质条件

矿区位于西至白水牛石断裂或山草峪组地层、北至文峰山断裂、南至枣庄断裂、东至龙辉大断裂的水文地质单元内。除了西边界为相隔透水边界外，其余边界均为透水边界。矿区位于该水文地质单元的补给、径流区。区域内地下水主要赋存于盖层地层中的砂岩、粉砂岩和灰岩中，整个盖层地层分布较为稳定，呈近南北走向分布，向东倾斜为单斜构造产出，向南北走向及向东倾向方向上展布较广。矿区水文地质类型总体为中等型。

1.3 矿区主要含隔水层特征

根据含水介质地层岩性组合特征及地下水赋存条件、富水程度，矿区由上到下划分为四个含水层：第四系松散岩类孔隙含水层、李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层、二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层、变质岩裂隙含水层。

其中主要含水层为李官组砂岩-佟家庄组粉砂岩裂隙含水层、二青山组灰岩-砂岩岩溶裂隙含水层。各含水层水文地质参数见表1。

表1 会宝岭铁矿主要含水层特征

2 矿井水害类型分析及治理方法

矿区的水害主要来自不良钻孔导通上部盖层含水层造成的工作面掘进、回采施工过程中的涌水。

会宝岭铁矿在详查勘探期间共布设勘探线10余条，施工地质钻孔90 余个，地面布设的勘探钻孔直接穿过上覆含水盖层。在封孔过程中由于盖层含水层水压大及早期封孔技术不成熟，导致大量钻孔封闭不良，给矿井生产造成安全隐患。在治理不良钻孔水害过程中根据涌水量、水压等参数的变化情况，会宝岭铁矿分别运用了孔底点注浆、分段泄压注浆及截水墙注浆等方法进行钻孔水害治理，并提出一套科学的注浆治水的方案。注浆方案见表2。

表2 注浆方案汇总

2.1 孔底点注浆

2.1.1 适用情况

孔底点注浆法适用于水压、水量较小的出水点封堵，治理方法简单，操作方便，参与人员较少。

2.1.2 出水情况判定

会宝岭铁矿-340m 水平34444 矿房中深孔施工过程中出水，出水量约22.5m3/h，水压3.4MPa，为不良钻孔导通上覆含水层出水。出水点水量、水压较小，宜采用孔底点注浆法。

2.1.3 注浆孔施工及材料选择

注浆孔由出水中深孔兼做，单孔深为2.5m，孔径76mm。安装注浆管长度2.5m，壁厚5.5mm 无缝钢管，孔底安装2 个孔口阀，孔口阀承受压力38kg。

注浆材料选择普通硅酸盐水泥（采用425#水泥），水玻璃模数2.8～3.4，浓度38～40Be′。

图1 注浆管结构示意图

2.1.4 注浆流程

打孔→下注浆管→固管→安装注浆泵→搅拌机→安装注浆器→压水试压→注浆堵水→检查注浆效果→复注。

2.1.5 注浆效果

按孔底点注浆扩散半径计算公式[2]进行计算，公式如下：

式中：

R-注浆扩散半径；n-岩层孔隙率；

ξ-考虑注浆孔与不透水岩层或井壁连通时系数，取0.5；

Q-单位时间的注浆量；

t-注浆持续时间。

代入数据计算得：

注浆完全封堵了不良钻孔，注浆高度大于采矿段高，符合采矿需求。经长时间定期观测，无水涌出，注浆效果良好。

2.2 分段泄压注浆法

2.2.1 适用情况

分段泄压注浆法适用于水量适中、水压较大、需要高压注浆且容易跑浆的出水点封堵。

2.2.2 出水情况判定

会宝岭铁矿-410m 水平41337 矿房凿岩巷施工过程中揭露钻孔出水，出水量50m³/h，水压5.0MPa。水压较大，宜使用分段泄压注浆法封堵。

2.2.3 注浆孔施工及材料选择

注浆孔布孔采用深孔、浅孔协调布设的方式，设定深孔孔深为15m，浅孔孔深为5m。

注浆孔沿不良钻孔中心线延伸方向布孔。施工浅孔1 个，下注浆孔口管1.5～2m；施工深孔2 个，下注浆孔口管2～2.5m。各孔均安装孔口阀，注浆材料选择普通硅酸盐水泥（采用425#水泥），水玻璃模数2.8～3.4，浓度38～40Be′。

2.2.4 注浆流程

通过一孔注浆、一孔泄压返浆的步骤分段进行注浆。注浆效果如图2 所示。

0 孔底注浆→1 浅孔返水泄压→1 浅孔返浆→停止注浆（浆液凝固，形成充注浆填体A）；

1 浅孔注浆→2 深孔返水泄压→2 深孔返浆→停止注浆（浆液凝固，形成充注浆填体B）；

2 深孔注浆→3 深孔返水泄压→3 深孔返浆→停止注浆（浆液凝固，形成充注浆填体C）；

3 深孔注浆→增加注浆压力→计算吃浆量→持续注浆2t 水泥后停止注浆（浆液凝固，形成充注浆填体D）。

2.3 截水墙注浆法

2.3.1 适用情况

截水墙注浆法用于水压大、涌水量大、压力无法卸掉的钻孔出水。

2.3.2 出水情况判定

会宝岭铁矿-410m 水平41343 矿房揭露钻孔出水，出水量126m³/h，水压5MPa，采用自然疏干法进行疏水降压，72h 后观测该钻孔，出水量及压力稳定没有变化。钻孔水量、水压大，宜采用截水墙法进行降压截水处理。

2.3.3 工程地质情况

施工挡水墙前首先查明施工地点工程地质情况。41343 矿房附近岩石为黑云变粒岩，岩体较完整至完整，为Ⅰ～Ⅲ级岩体，岩石坚硬，岩石饱和抗压强度68.1～229MPa，抗剪强度6.16～37.3MPa，岩石力学强度较高，为坚硬岩类，巷道掘进一般不需要支护。截水墙处断面及支护情况如表3 所示。

表3 截水墙处断面及支护情况

2.3.4 截水墙设计

截水墙厚度计算基础：经现场实际测得水压5MPa，设计按5.5MPa。按圆柱形墙体厚度计算法[3]：

S=r/（k/p）-1

式中：

S-截水墙墙体厚度，m；

k-建筑材料或巷道围岩的安全抗压强度，设计采用400 号砼，其抗压强度为19.2MPa；

p-水压，MPa；

r-墙体圆柱内半径，按f=3～4 时，r=1.2B；

B-巷道净宽度，m。

代入数据计算得：

S=1.2×3.9/[（19.2/5.5）-1]=1.88m。

考虑安全因素，截水墙最终设计墙体厚度2m，可满足注浆堵水需要。截水墙顶部用锚杆加固，底部和帮部开挖沟槽（1×1m），整个截水墙按300×300mm 间距绑扎Φ28mm 螺纹钢，在墙上安设9 根6m 排水管，外漏1m，安装高压法兰盘。截水墙截面如图2 所示。截水墙经过养护期，达到设计要求的抗压能力后，方可注浆。

图2 41337 矿房分段泄压注浆效果图

图3 截水墙断面设计图

2.3.5 注浆流程

注浆材料选择普通硅酸盐水泥（采用425#水泥），水玻璃模数2.8～3.4，浓度38～40Be′。采用12MPa 高压注浆泵进行注浆，注浆前期首先对墙体与巷道交接处进行注浆加密，防止后期漏浆跑水。因墙体内部含流动水，空间较大，采取从下而上的注浆方式，下部注浆，上部排水，累计注入水泥107t、水玻璃4.8t 后注浆完成，墙体无渗水。