大型富水礦山復合導水構造靶向注漿治理技術

高 超

（河北鋼鐵集團礦業有限公司）

司家營礦區基建過程采取“邊探邊掘”的技術方針，在豎井掘進和平巷掘砌時均遇到破碎帶，出水點處涌水較大時偶爾會造成淹井［1~3］。馬城鐵礦相比司家營鐵礦籌建較晚，建設過程吸取了司家營南區礦山基建的技術經驗，豎井掘砌時采取地表預注漿技術，掘砌過程中涌水事故較少。在以往針對司家營礦區破碎帶治理的研究過程中，主要研究司家營礦區區域范圍內的水文地質情況，沒有考慮馬城礦區地下水運動可能對司家營礦區的影響。確定司家營南區和馬城礦區的地下水補排通道，針對不同涌水位置采取不同的靶向注漿方案，對司家營礦區防治水具有重要意義。

1 司家營—馬城礦區工程地質和水文地質

司家營—馬城礦區內發育有多條斷層，其中馬城礦區發育有F1、F2、F33條斷層；司家營南區發育有F9~F135條斷層以及新河斷裂帶［4］。由于斷層的存在，破壞了地下含水層原有的構造，使得地下含水層裂隙發育、隔水層存在天窗，形成了復雜的導水構造。隨著司家營南區的緩建和馬城礦區的開采，2個礦區之間的地下水動態情況趨于復雜。

1.1 司家營—馬城礦區第四系含水層

（1）第四系上部強含水層。含水層上部為3~6 m厚的黏性土，下部主要為礫石、卵石層，富水性強。卵石粒徑主要為3~5 cm，級配、圓度適宜。第四系強含水層由于在礫石卵石層中存在不穩定的黏性土層，使得其在水平和垂直方向上的滲透性和含水量分布不均勻。

（2）第四系主隔層。主隔水層巖性以泥質黏土和粉砂質黏土為主，橫向具有良好的連續性，但是豎向導水性差，減少了第四系上、下含水層之間的水力聯系。主隔水層的層位和厚度變化很大，隔水層橫向分布于整個區域，相變劇烈，在不少地段形成了透水的天窗。

（3）第四系下部中等含水層。下部含水層巖性為透水性適中的角礫巖砂和粉砂質黏土。由于粉質黏土分布不均勻，連續性差，部分地區形成了天窗。這些天窗溝通了第四系與基巖段的水力聯系，形成了相互補給的導水通道。

1.2 司家營—馬城礦區基巖風化裂隙含水層

（1）基巖強風化帶。其空間分布在礦區北部淺、南部深，垂向厚度變化較大。整個巖體結構松散，多經歷變質作用，顏色以黃白色和淺黃色為主。強風化帶的風化裂隙大部分連續充填黏土、鈣質和砂土，富水性弱，持水能力強，滲透性強。在水頭差壓的作用下，很容易釋放出承壓水。

（2）基巖弱風化帶。整層巖石結構比較完整，變質程度不高，巖心以塊狀或者短柱狀為主。斷層段多與弱風化帶直接接觸，受擠壓影響，斷層帶與弱風化帶在接觸部位交替出現。弱風化帶的裂隙率和風化程度隨深度的增加而減小，裂縫面多為泥質和鈣質充填。裂縫在弱風化帶發育程度上差異較大，致使巖層透水性與富水性在整個基巖帶分布不均勻。

1.3 司家營—馬城礦區基巖構造裂隙含水層

司家營南區斷裂構造主要受F9~F13共5條斷層以及新河斷裂帶的影響，基巖受斷層影響，使得斷層帶兩側成為了地下水賦存空間和運移通道。司家營南區六大斷層帶之間聯系緊密，基巖破碎嚴重，富水性強，相互溝通，形成了以斷層連接帶為中心的斷層復合作用帶。

馬城礦區主要受F1、F2、F3這3條斷裂構造影響，斷裂構造影響基巖裂隙發育，基巖裂隙之間導水性較好，形成了以F1~F3復合作用帶為中心的降落漏斗。司家營南區基巖段水文地質剖面見圖1，馬城礦區基巖段水文地質剖面見圖2。

2 司家營—馬城礦區地下水運動補給關系

司家營礦區、馬城礦區抽水試驗的水文鉆孔編號均沿用華勘院提交的水文地質勘察報告的鉆孔編號。通過2015年和2019年的基巖水位觀測數據可以看出，在馬城鐵礦豎井帷幕注漿階段，隨著司家營南區平巷工程不斷掘進，馬城礦區基巖裂隙水不斷補給到司家營礦區；隨著司家營南區的緩建以及馬城礦區豎井轉平巷工程的掘進施工，司家營礦區外圍基巖水開始作為補給源補給馬城鐵礦。司家營南區基巖水位部分觀測數據見表1，馬城礦區基巖水文部分觀測數據見表2。

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觀測數據顯示，司家營南區在2016年緩建后水位出現了明顯回升，馬城鐵礦平巷開始施工以后，基巖地下水水位不斷下降，并逐漸形成降落漏斗。司家營礦區的地下水與馬城礦區的地下水之間有明確的導水通道，基巖裂隙水在兩礦區內形成了相互溝通的復合導水構造［5］。由于基巖深部長期大量排水，司家營礦區涌水既有來自基巖含水層的側向補給，也有第四系的垂向補給，同時也有來自馬城礦區的地下水補給。通過馬城鐵礦抽水試驗、司家營南區抽水試驗和基巖水位長期觀測數據顯示，兩礦區的導水通道位于ZK15-4、NK26一帶。

3 豎井掘砌靶向注漿方案

司家營南區田興鐵礦2#副井施工至-260 m水平位置時，工作面出現81.4 m3/h的突發涌水，由于現場揭露的巖石比較破碎，且在基巖段掘砌時巖石裂隙發育，已進行過多次注漿，提出了地表預注漿的施工方案［6］。由于-260 m水平以上位置已施工完成凍結段、馬頭門和石門，決定采取“S”孔設計繞過馬頭門及石門位置，對-260 m水平以下位置進行靶向注漿。2#副井井筒凈徑6 m，基巖段井壁厚度700 mm，井深為519 m，本次設計圍繞井筒周圍布置鉆孔8個，“S”孔落點圈徑設計為10 m，鉆孔深度為530 m，注漿段為-260~-530 m。“S”型鉆孔布孔及終孔落點情況見圖3。

3.1 水泥黏土漿配比

為了保證漿液擴散距離和注漿堵水效果，注漿材料選用黏度較高、流動性較好的水泥黏土漿。黏土選用塑性指數大于15的黏土，水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，配以適量的結構添加劑，選取試驗效果較好的水泥黏土漿。通過現場試驗及優化配比，實際注漿過程中，原漿容量控制在1.24~1.32 kN/m3，每方漿液中水泥加入量控制為100~300 kg，結構添加劑為10 L以上時注漿效果最佳。

3.2 “S”孔鉆進技術

“S”型注漿孔由上直孔段、定向段和下直孔段組成。定向段由增斜段、穩斜段和降斜段組成；降斜段下部應進入設計靶域，并且最終段鉆孔角度要與豎井井壁平行［7］。定向鉆進的核心技術是確保“S”型鉆孔遵循設計規定的鉆孔軌跡，直至到達預期目標區域，需要人為精準控制鉆井軌跡（圖4）。在鉆進施工過程中，通過對定向鉆孔鉆進過程中偏差的準確性進行測試，配備高精度陀螺儀對鉆進軌跡進行跟蹤。一般設置為每30 m測一次，距孔底段改為每1~2 m測一次，以跟蹤鉆進軌跡的趨勢。為了使下一段鉆井軌跡的設計更加可靠，有必要對鉆孔的測斜數據進行研究、分析和比較，并計算出鉆進過程中實際的造斜率和反扭矩角，確定鉆進方向的趨勢。

3.3 注漿參數的設計

注漿段高一般破碎巖層≤30 m，一般地層≤80 m，穩定地層或重復注漿≤150 m。巖帽段高一般為10~20 m。注漿終壓的影響因素包括地下水壓力、巖石的裂隙率、裂隙開度，同時也要考慮注漿段高、漿液配比及性能等因素。注漿巖帽段注漿終壓值應大于靜水壓力值的1.5倍；注漿段水泥黏土漿注漿終壓值：對孔深≤420 m的注漿段注漿終壓宜在靜水壓力值的3倍以內；對孔深>420 m的注漿段注漿終壓宜在靜水壓力值的2.5倍以內。田興鐵礦2#副井注漿段高、注漿壓力、漿液類型見表3。

漿液注入量一般根據井筒注漿段高、漿液有效擴散半徑、巖層平均裂隙率、漿液結石率等參數進行計算，其計算公式為

式中，Q為漿液注入量，m3；A為漿液消耗系數，水泥—水玻璃漿取1.5，水泥黏土漿取1.8；R為漿液有效擴散半徑，水泥—水玻璃漿取12 m，水泥黏土漿取16 m；H為注漿總段高，按表3注漿段高劃分為9段，總段高270 m；η為漿液結石率，水泥—水玻璃漿取0.82，水泥黏土漿取0.93；β為漿液充填系數，取0.93；m為巖層平均裂隙率，結合水文地質資料綜合取值4.2%。

依據表3中段高及漿液類型，由上式計算得出田興鐵礦2#副井8個“S”靶向注漿孔的漿液總注入量為32 490 m3，與原設計注漿量23 067 m3相比超出9 423 m3。其原因為巖石裂隙發育程度超出預期，導致達到設計擴散半徑所需漿體體積增大，增加了注漿過程中漿液的整體消耗量［8］。

3.4 注漿效果檢驗

從表3的注漿段高、注漿壓力計算所得的注漿總量、檢查孔出水量分析來看，注漿后的堵水能力取得較高水平。利用提升注漿壓力、擴大穩定時間和增加注入量等方式，對重要含水層區段和破碎帶地段取得了顯著的注漿效果。根據井筒實際揭露圍巖情況，漿液完全填充巖層的裂隙，而且豎井井壁和馬頭門工作面沒有顯著的出水點，治理破碎帶和堵水效果非常理想，井筒掘砌過程中，實測剩余涌水量為3.37 m3/h，也充分證明了注漿效果。

4 平巷掘砌靶向注漿方案

治理巷道底板涌水采用常規鉆孔施工時，底板鉆孔難度大、覆蓋面積小，必要時還需澆筑止漿墊；采用定向長鉆孔施工，能夠在巷道未揭露破碎巖層情況下進行超前注漿鉆孔，保證鉆孔軌跡在破碎層內沿設計方向延伸，通過注入漿液充填巖石裂隙，在含水層之上加固1層隔水層，確保底板巖層強度，在巷道掘進時保證承壓水不涌現。

4.1 巷道底板定向長鉆孔設計

根據巷道底板出水點和巖層走向情況，分析底板巖層產狀變化，先計算出鉆孔鉆進的每個控制點和鉆孔靶向注漿的漿液擴散方位，根據揭露情況計算出鉆孔軌跡傾角，再根據每個控制點和靶向注漿的擴散半徑，運用插值計算方法，設計中間點的各參數值。本次巷道底板定向長鉆孔加固注漿共設計6個定向鉆孔，所有鉆孔的軌跡偏差均控制在設計范圍以內，豎向鉆孔深度最大約8 m，最大單孔進尺45 m。

4.2 定向長鉆孔施工工藝

為了保證鉆進軌跡滿足設計要求，有必要利用可控定向鉆進技術和測斜儀對鉆進軌跡進行精確控制。定向長鉆孔的鉆具組合采用鉆頭+螺桿鉆+定向接頭+鉆桿。在施工過程中，通過定向鉆進技術與陀螺測斜儀的精確配合，實現了按照設計的軌跡準確鉆進目標區域。為了保證能精確探測含水層位置，隨鉆測量一般每隔5 m進行1次，并嚴格控制鉆孔軌跡的偏差，確保鉆孔軌跡盡可能沿設計軌跡延伸［9］。鉆孔達到設計深度后進行巷道底板注漿，漿液以水泥黏土漿為主。當鉆孔出現偏差后，需要進行糾偏作業，使鉆孔軌跡大致沿著設計軌跡進行。

4.3 注漿效果檢驗

注漿時采取了漿液超擴散措施：一是選取自適應性較好的水泥黏土漿作為注漿材料；二是注漿初期采用較低的注漿壓力，根據漿液注入量及擴散情況盡量取較小的注漿壓力；三是采用單次定量、多次重復的注漿方式，單次注漿量控制在100 m3以內，待漿液凝固后再進行二次掃孔注漿。施工過程中，配合測斜儀器精確控制鉆孔軌跡，成功對底板破碎帶圍巖進行了注漿加固，在后續工作面掘進過程中，未出現底板起鼓或突水現象。利用定向鉆孔軌跡控制技術，能夠確保鉆孔軌跡沿預定探測區域延伸，對斷層破碎帶裂隙進行精準靶向注漿。

5 結 論

（1）對比分析司家營礦區和馬城礦區的抽水試驗觀測數據，明確了司家營礦區基巖裂隙水與馬城礦區的基巖裂隙水相互補給，兩個礦區之間的地下水導通通道位于ZK15-4、NK26一帶。

（2）司家營南區田興鐵礦2#副井“S”型鉆孔地表預注漿技術成功繞過了凍結段、馬頭門及石門位置，實現了精準靶向注漿。“S”型鉆孔布孔設計、鉆進偏斜控制、注漿段高和注漿壓力的確定均取得了成功。從注漿效果看，優化后水泥黏土漿很好地充填了巖石裂隙，起到了隔水層的作用。

（3）平巷定向長鉆孔受控鉆進注漿，通過技術手段將漿液控制在有效的擴散半徑內，實現了靶向注漿堵水效果。司家營南區礦井涌水綜合治理措施的實施，為礦業公司下屬其他礦山地下水綠色治理開創了新模式、新途徑。