某鐵礦斜坡道下山掘進突水治理研究

曹玉濤,谷林林(河北鋼鐵集團灤縣常峪鐵礦有限公司,河北 灤州063700)

1 前言

為了避免采動影響,斜坡道設計位置多位于礦體外或礦區(qū)邊界位置,但由于缺少鉆孔資料參考,無法對工程前方地質(zhì)條件進行準確預測,若在探水施工中未能揭露含水構造,容易發(fā)生突水事故。在建井初期,斜坡道承擔著開拓工程的運輸任務,是施工關鍵線路,針對突發(fā)涌水情況采取合理的處理方案可以快速治水,減小對工期的影響。

2 工程介紹

某鐵礦采區(qū)斜坡道位于礦區(qū)東南側(cè),工程全長1 085m,下坡掘進,平均掘進斷面面積為17.53m2,坡度為14.13%。主巷施工至486m 處時,突發(fā)涌水,平均涌水量300m3/h,峰值涌水量達到468m3/h。施工方立即撤離了人員和設備,并在距離硐口向下90m 處臨時安裝一臺250m3/h 的潛水泵,使水位得到控制,穩(wěn)定在距離硐口73m 處,巷道內(nèi)積水量達8 100m3。

3 充水因素分析

工作面出水位置標高-132.8m,圍巖屬于單塔子群白廟子組黑云變粒巖和混合巖,根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料,該層上部為長城系大洪峪組石英砂巖,屬于不整合接觸,不整合面傾角與巷道基本一致,附近無控制的斷層。在巷道施工至現(xiàn)工作面后方30m 處時,揭露石英砂巖層,初步判斷為不整合面基底不平,存在突水安全隱患。施工方立即在該位置進行了45m 的超前探水作業(yè),共施工5 個探水孔,涌水量均小于3m3/h,并進行了注漿封堵。在掘進施工至出水點位置時,穿孔爆破作業(yè)正常,通風45min后轉(zhuǎn)入排險、出渣工序,此時巷道頂板位置有水涌出,水質(zhì)渾濁,并在2h 內(nèi)涌水量逐漸增大至200m3/h。據(jù)上述情況推測,工作面位置遇到構造裂隙,并且向上延伸距離較長,導通了基巖風化裂隙帶或第四系地下水,地質(zhì)構造預測如圖1所示。

圖1 斜坡道前方地質(zhì)構造預測

因斷裂構造發(fā)生時期較久,裂隙大部分已被鈣質(zhì)、泥質(zhì)充填,在受到爆破擾動的情況下,充填物松動破壞,導致巷道突水,揭露巷道裂隙如圖2所示。

圖2 巷道揭露裂隙

為了盡快分析確定水源性質(zhì),對附近200m 內(nèi)的鉆孔進了分析,該區(qū)域內(nèi)第三系隔水層完整,平均厚度大于30m,并且鉆孔都進行了封孔處理,第四系水進入地下可能性不大。同時,對地表揭露的大紅峪組石英砂巖層進行了地質(zhì)調(diào)查,風化層內(nèi)巖石水平和垂向裂隙發(fā)育,與鉆孔資料描述有偏差,具備充水和導水條件。最終判斷涌水主要來自基巖風化裂隙水,并且水量充沛,不適合強排疏干,需要先降水至工作面處,再進行注漿治水。

4 降水方案

排水管路選用HDPE 高密度聚乙烯管,內(nèi)徑150mm,每根長度6m,兩端帶法蘭,可用螺栓快速連接。初期安裝兩條排水管路,分別布置在巷道兩側(cè)底端,水泵排水能力200m3/h,揚程100m,涌水直接排放到泄水井。在排水過程中,隨著水位的不斷下降,水泵要沿著水位下降的方向移動,排水能力下降,涌水量增加,需要增設水泵和管路[1]。

為方便水泵的移動,增加排水效率,礦方設計出簡易浮船裝載水泵,具體如圖3所示。用角鋼焊接制作框架,框架內(nèi)放置1～6#六個油桶,前后兩端捆綁7～10#四個油桶。浮船左右兩側(cè)放置水泵,使排水管路可以巷道兩邊布置,便于上下車輛和施工管理,且浮船人工向前推送的過程中,兩條管路又起到把握方向作用。水泵的兩個框架底部與水平成夾角a,夾角a 與斜坡道的平均坡度吻合,既保證了水泵出水口方向與排水管路走向一致,減少阻力損失,同時又能保證水泵進水口長期處于水面以下。當排水到477m 時,浮船擱淺,出水點露出,涌水量約為350m3/h,降水任務完成。為了方便止水墻施工,浮船拆除前要另安裝兩臺水泵置于工作面附近,用橡膠軟管連接,并焊制托架,用錨桿加定滑輪懸掛,方便以后拆卸[2]。

圖3 降水用浮船設計

5 構筑止水墻

根據(jù)現(xiàn)場觀察,距離工作面10m 范圍內(nèi)巖石結(jié)構比較完整,沒有明顯裂隙,選擇此段地層構筑止水墻較好。根據(jù)施工經(jīng)驗及現(xiàn)場情況進行承壓止水墻計算,選用抗剪理論計算止水墻

B=(P·S·λ)/([τ]·L)

式中:B——混凝土止水墻厚度,m;

λ——過載系數(shù)取1.2;

S——迎水面凈斷面面積,取17.53m2;

L——迎水面硐室凈周邊長,14.89m;

P——注漿終壓,取4.5MPa;

[τ]——混凝土抗剪強度,取3MPa。

據(jù)計算B=2.1m,本次止水墻厚設計為2.5m,止水墻前后采用24 厚建筑磚砌墻中間澆筑C30 混凝土。

根據(jù)止水墻的設計位置和厚度,在巷道周邊用風鎬施工止?jié){墻構筑基槽。止?jié){墻段巷道底部基礎槽深度0.4m 逐漸向下山方向變淺,巷道兩幫基礎槽幫迎水面方向擴幫分別0.5m,向后以10°的角度逐漸變小。擋漿墻寬度0.24m,采用黏土磚水泥砂漿砌筑,巷道周邊開挖寬度0.55m 深度0.2m 的基槽。止水墻內(nèi)埋設φ425mm 上端帶法蘭的盤慮導水管。止水墻內(nèi)部填碎石至導水管上部0.1m,起到透水過濾作用。

止?jié){墻內(nèi)部埋設注漿管3 根,其中1 根主注漿管放置在充填空間最前端出水口位置,并頂進出水口,另1 根輔助注漿管布置在充填空間中間段,最后1 根為排氣口,布置在充填空間最高點利于排氣。管路均為無縫鋼管制成,焊縫要耐5MPa 的高壓,按設計依次對其進行安裝和加固,止水墻構筑如圖4所示。此外,止?jié){墻施工結(jié)束前,要將浮船上拆除的水泵安裝在在墻外,待養(yǎng)護完畢后拆除內(nèi)側(cè)水泵,打開濾水管閥門,在墻外排水。

圖4 止?jié){墻各斷面結(jié)構圖

6 充填注漿方案

在止?jié){墻施工接頂前,需要向工作面投擲沙袋,盡量充滿,可減小空區(qū)體積,節(jié)省注漿量和注漿時間。空區(qū)注漿利用7#管,壓力控制在1.5～2MPa,稍大于靜水壓,采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥,水灰比為1∶2。當排氣管口流出濃漿后,標志空區(qū)填滿,關閉排氣口,結(jié)束空區(qū)灌漿。

根據(jù)地質(zhì)條件推測,揭露的出水點為構造裂隙,導水性強,注漿主要以堵水,保障巷道安全通過為目的。若采用普通法注漿,因斷層破碎帶結(jié)構復雜,漿液難以擴散到理想狀態(tài),不能形成有效的堵水帷幕,會導致注漿工期長,費用增加。本次注漿采用預處理法注漿,即在注漿之前,先向8#孔內(nèi)壓注稀釋的水玻璃溶液(濃度20～25Be),以提高漿液的可注性,然后注水沖洗注漿管,最后注入水灰比為1∶1的水泥漿。注漿壓力應克服涌水壓力和地層阻力,根據(jù)以往經(jīng)驗,注漿壓力應為P=2～4MPa +P0(靜水壓力),此處靜水壓力為1.0MPa,注漿終壓應大于大于3MPa。重復三次上述步驟后后,注漿壓力逐漸上升,此時改為注單液漿,直至注漿壓力達到4.5MPa,并且穩(wěn)定時間超過1h,注漿結(jié)束。

為檢驗注漿效果,注漿結(jié)束后要繼續(xù)施工注漿檢查孔,長度超出出水點位置10m,沿止水墻四周均勻布置,不少于6 根,鉆孔角度向外偏3°。檢查孔施工時要對孔口管進行加固處理,并根據(jù)出水情況采取單、雙液漿進行封堵,注漿終壓不小于4.5MPa。

7 結(jié)論

充分考慮下山掘進的工程特點和充水條件,提出了一套浮船降水+多功能止?jié){墻+預處理注漿的治水方案,可有效降低治水費用,縮短治水工期,做到了科學治理、快速治理,對下山掘進巷道突水治理具有參考意義。