礦山巷道水害綜合治理
——以昊華磷礦為例*

張翔，王向鵬，李小輝，何定橋，葉長文

(1.成都理工大學 地球物理學院，四川 成都 610059；2.成都理工博大工程科技有限公司，四川 成都 610059；3.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大規(guī)模基礎建設帶動了市場對礦石原料的需求，進而帶動深部采礦業(yè)的發(fā)展。深部礦體開采將面臨更加復雜的構(gòu)造地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境，巷道掘進、礦體鉆采施工過程突涌水事故頻發(fā)，已經(jīng)成為妨礙礦山安全生產(chǎn)的第一要害。2020 年11 月，湖南衡陽和山西朔州煤礦分別發(fā)生重大透水事故，這兩起事故都造成了人員傷亡，導致了嚴重的生命財產(chǎn)損失。如何進行突涌水事故的前期預報和災害治理成為研究熱點。在水害治理中，最主要的應用方法就是注漿堵水。針對復雜地質(zhì)環(huán)境的突涌水治理，需要從注漿工藝、注漿材料、水體超前預報等多個角度加以研究[1]。

目前，治理礦山巷道內(nèi)涌水事故的方法和文獻資料較多，李海燕等系統(tǒng)研究巨野礦區(qū)某深井礦山膠帶巷斷層高壓涌水特征，進行疏水降壓，使巷道周圍含水層水壓降至合理范圍[2]；陶澤源針對地下水流動及含水層分析，采用“錨注法”對圍巖、壁后進行注漿堵水，形成一個小范圍堵水帷幕，治理效果良好[3]；李利平等基于大量煤礦斷層突水案例，采用系統(tǒng)調(diào)查分析和歸類統(tǒng)計的方法，研究充填型斷層滯后突水的災變演化機制，分析采動條件下斷層形態(tài)、產(chǎn)狀、充填性、導水性的變化及其對斷層活化突水通道形成過程的影響[4]；薛國強等為解決巷道掌子面含水帶病害快速有效探測問題，嘗試把對含水帶結(jié)構(gòu)反應敏感的瞬變電磁法引入到巷道掌子面進行超前預報[5]；張慶松等針對巷道角礫巖破碎帶，進行圍巖變形和涌水量的動態(tài)監(jiān)測，較好地解決了注漿過程中的圍巖穩(wěn)定性控制難題[6]。此次研究區(qū)位于龍門山構(gòu)造帶東北緣，板塊運動劇烈，地質(zhì)環(huán)境復雜，施工條件簡陋，需要綜合考慮多方面因素進行治理，注漿堵水技術(shù)難度大[7]。

本文結(jié)合昊華磷礦燕子巖井底涌水治理工程，在地質(zhì)和水文分析的基礎上，對礦段含水區(qū)域進行了瞬變電磁法探測。綜合瞬變電磁法探測、礦山地質(zhì)、水文地質(zhì)等分析了巷道內(nèi)涌水的來源及通道，明確了治理過程的控制因素，并在注漿過程中輔以數(shù)值模擬分析，確保了涌水治理過程的安全和最終治理的效果。通過物探手段+定點注漿+徑向注漿+局部防滲注漿等手段進行綜合堵水治理，為未來復雜地質(zhì)環(huán)境和強構(gòu)造運動下的礦山類似水害治理工程提供了技術(shù)參考[8]。

1 涌水災害分析及地球物理探測

昊華磷礦1 號膠帶斜井施工至掌子面K1+573 m 位置時，一直沒有涌水的掌子面頂拱有兩處（標高為814.11 m）出現(xiàn)大量涌水，突水量約450 m3/h，2 臺排水量為100 m3/h 水泵一用一備運行作為其施工階段的臨時排水水泵。由于汛期連續(xù)降大暴雨，井底涌水量從初期400 m3/h 漲到最高1200 m3/h，雖經(jīng)全力搶救，但燕子巖礦段還是發(fā)生了淹井，對整個項目施工進度造成極大影響，故需進行堵水治理。

昊華磷礦處于揚子準地臺（I）龍門山-大巴山臺緣坳陷（Ⅱ）龍門山陷褶斷束（Ⅲ）漩口坳褶束（Ⅳ）北東段次級構(gòu)造——大水閘復式背斜南東翼[9]。以大水閘復式背斜為主的基底構(gòu)造和F1、F2區(qū)域性斷裂控制了龍門山陷褶斷束不同地質(zhì)歷史時期的沉積構(gòu)造、地層厚度和巖相變化及分布。

深部接替工程1 號膠帶斜井設計施工位于礦層頂板方向，透水位置處于二疊系灰?guī)r地層內(nèi)，在施工中發(fā)現(xiàn)巷道掘進入泥夾石內(nèi)無法進行鉆進，經(jīng)初步判斷為侵蝕面上部的充填溶洞，充填體干燥呈膠狀，規(guī)模未知且周圍有構(gòu)造面。

1.1 斜井涌突水機理分析

從開始發(fā)生涌水以前，1 號膠帶斜井未有嚴重的透水現(xiàn)象。經(jīng)過詳細的水文地質(zhì)調(diào)查，排除地下暗河、承壓水因素。幾天后突發(fā)透水，主要由于此前幾天地表降水劇增，經(jīng)山體滲透，導水斷層、裂隙進入沖刷溶洞充填體，待沖開堵塞的泥巴后，地表水、裂隙水隨之到來[10]。

綜上，1 號膠帶斜井涌突水形成機理如下：1號膠帶斜井從K1+573 m 開始往前為一構(gòu)造破碎帶，富水性好，天然條件下賦存了大量地下水，形成了一大型靜儲量含水構(gòu)造。在巖溶水和水壓的持續(xù)作用下，破碎帶內(nèi)的充填物質(zhì)不斷發(fā)生松散軟化[11]。在暴雨后雨水由導水斷層、裂隙進入沖刷溶洞充填體，導致地下水位升高、水壓增大，同時斜井開挖為破碎帶水體下覆松散體創(chuàng)造了滑移空間，高水壓擊穿堵塞的泥巴后形成涌水。涌水發(fā)生后，由于破碎帶導水性好，地下水快速涌向斜井，造成地下水位降低。斜井涌突水形成，見圖1。

圖1 斜井涌突水形成示意

1.2 地球物理探測

為了進一步驗證涌水災害分析結(jié)果，掌握工作面前方地下水、巖溶分布等工程地質(zhì)情況，對燕子巖礦段1 號膠帶斜井及2 號膠帶斜井進行了瞬變電磁法探測[12]。

1.2.1 預報方法及原理特點

瞬變電磁法是通過發(fā)射線圈或直線供脈沖電流，在法線方向產(chǎn)生一次磁場，一次磁場的傳遞經(jīng)地質(zhì)體產(chǎn)生渦流，渦流衰減過程會產(chǎn)生一個衰減的二次磁場，通過接收回線采集二次場，通過二次場可以反映地質(zhì)體內(nèi)部電性分布特征[13]。當按照不同的延遲采集二次場所產(chǎn)生的感應電動勢V（t），就可以獲得二次場隨時間變化的特征曲線，通過改變曲線體現(xiàn)地質(zhì)體的特性。當?shù)刭|(zhì)體為良導體時，電流關斷時，渦流衰減維持一定時間，當?shù)刭|(zhì)體為非良導體時，電源關斷渦流無法維持，這也就是瞬變電磁法對低阻體敏感的原因。瞬變電磁法典型超前預報成果如圖2、圖3 所示。

圖2 2 號膠帶斜井橫剖面預報成果

圖3 2 號膠帶斜井左、右側(cè)墻預報成果

1.2.2 測量結(jié)果

測量數(shù)據(jù)的反演結(jié)果表明，掌子面斜下位置、1 號膠帶斜井左側(cè)、2 號膠帶斜井前方均存在不同范圍的低阻異常體。根據(jù)水文地質(zhì)和構(gòu)造地質(zhì)結(jié)果，分析其異常主要為巖溶充水異常和小裂隙水。根據(jù)現(xiàn)場情況及測線結(jié)果推測，1 號膠帶斜井掌子面前方及靠近掌子面區(qū)域拱頂?shù)?0 m 范圍內(nèi)含水較豐富；2 號膠帶斜井右側(cè)10～30 m 范圍內(nèi)含水，推測離測線起始位置4～5 m、10～30 m 處存在夾層含水情況。

2 涌水注漿治理

2.1 注漿設計方案

2.1.1 工程的主要施工方法

本次施工的流程為首先將表面散狀流量的出水點封堵，然后加固深層圍巖，使其形成一層防滲固結(jié)圈，最后對集中涌水點進行堵水治理。本項目擬通過多種物探手段+定點注漿+徑向注漿+局部防滲注漿等手段進行綜合堵水治理，并派遣注漿堵水經(jīng)驗豐富的專業(yè)施工隊伍，結(jié)合堵水專用注漿材料，確保順利達成指定目標[14]。

2.1.2 注漿方式的選擇

注漿采用純壓式注漿，埋管和孔口卡塞相結(jié)合的方式。若鉆孔遇到涌水時，立即停鉆注漿。針對吸漿量大、長時間難以結(jié)束的注漿孔，采用間歇注漿，間歇24 h 后掃孔復注。

2.1.3 鉆孔布置及參數(shù)

（1）孔位布置。本次工程治理中，采用了多排注漿，按照環(huán)間環(huán)內(nèi)各分兩序布置。施工時單排按照次序施工序孔。若前序孔施工完后涌水現(xiàn)象消失，可考慮減少后面序孔的施工，當兩序孔施工完后涌水現(xiàn)象沒有停止，則需要針對現(xiàn)場效果采用局部注漿法進行局部治理[15]。

（2）鉆孔參數(shù)設計。鉆孔初步按照以下方式布置，注漿控制范圍整體按6.0 m考慮，孔距為1.0～2.0 m，排距為2.0 m，孔深為6 m，拱頂和邊墻孔徑為Φ50～90 mm，現(xiàn)涌水點部位按8 m 孔深考慮，實際施工過程中可依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況及涌水量，對注漿控制范圍、布孔數(shù)量和孔深進行調(diào)整。

2.2 注漿材料選擇

使用BD-NGC 水下不分散漿液（初終凝時間可根據(jù)現(xiàn)場調(diào)節(jié)）直接采用單液注漿，漿液水灰比0.6:1～1:1，施工工藝簡單。主要參數(shù)如下。

該漿液具有在水下不分散的特點，抗分散能力強，不易被水沖刷而造成漿液流失。同時凝結(jié)時間可調(diào)、初凝時間短、初終凝間隔短，早期強度上升快、后期強度高。材料價格雖高于水泥漿及水泥-水玻璃雙液漿，但漿液擴散范圍可控，漿液不易流失，注漿效率高，能夠大幅減少材料用量，提高施工效率和堵水成功率，經(jīng)濟效益顯著。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，掌子面漏水點20 m 范圍外或輕微滲水、涌水部位采用普通水泥漿液為主，掌子面漏水點20 m 范圍內(nèi)或較大涌水、破碎帶、斷層等情況采用BD-NGC 水下不分散漿液[16]。普通水泥漿液和水下不分散漿液分別如圖4、圖5 所示。

圖4 普通水泥漿液

圖5 水下不分散漿液

表1 漿液性能對比

2.3 注漿數(shù)值模擬

結(jié)合治理現(xiàn)場情況，用計算流體力學中的兩相流理論對動水條件下的漿液擴散情況進行模擬，在數(shù)值模擬試驗中做如下假定：

（1）假定試驗模型的介質(zhì)為滲透系數(shù)固定的各向同性介質(zhì)；

（2）假定治理現(xiàn)場使用的注漿材料為賓漢姆流體，地下水為不可壓縮的各向同性流體；

（3）假定注漿材料和地下水混合的空間為Darcy 兩相滲流場，地下水的滲流方向統(tǒng)一，壓力恒定。

本次數(shù)值模擬使用Comsol 軟件，使用Comsol中自帶的多孔介質(zhì)和地下水模塊建立相關模型，并使用該模塊下的兩相Darcy 定律物理場及流-固耦稱合場進行求解，模擬結(jié)果如圖6 所示[17]。

圖6 注漿數(shù)值模擬

通過模擬結(jié)果可以看出，漿液在涌水滲流壓力下，以注漿孔為中心呈圓環(huán)狀由內(nèi)向外擴散，擴散半徑隨著時間的增加而增大，注漿孔中心濃度顏色較深，且四周濃度相對較淺，一段時間后，擴散半徑趨于穩(wěn)定，此時漿液已經(jīng)凝固，注漿治理完成[18]。

2.4 施工及治理效果

根據(jù)數(shù)值模擬和地質(zhì)情況，設計最大注漿壓力為1.5～2.0 MPa，單孔注漿量為1.5 m3，注入率少于1 L/min 時結(jié)束注漿。此次注漿設計消耗材料420 t，實際消耗水泥、BD-NGC 水下不分散材料402 t；設計注漿孔總長4250 m，實際完成4320 m，可見通過數(shù)值模擬、材料優(yōu)選、優(yōu)化設計，并結(jié)合水文地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)，可以合理地指導注漿施工。

依據(jù)合同質(zhì)量標準要求，單孔出水量不大于6 m3/h 則為滿足要求，否則需進行補強處理，本次注漿效果檢查采用鉆孔檢查法對涌水量和漿液的充填程度進行評價。結(jié)合工程水文地質(zhì)資料和圍巖情況，在薄弱環(huán)節(jié)布置檢查孔，施工前，出水量約400 m3/h，經(jīng)注漿堵水施工后，檢查孔出水量＜1.0 m3/h，遠低于合同6 m3/h 的出水量標準，堵水率達到99%以上。如圖7 所示，右側(cè)為注漿前涌水水位，左側(cè)為根據(jù)方案注漿后水位，達到了預期目標[19]。

圖7 注漿前后涌水量對比

4 結(jié)論

（1）復雜地質(zhì)環(huán)境條件下進行構(gòu)造地質(zhì)分析和水文分析，明確涌水區(qū)域的充水水源和查明斜井的充水通道，對研究斜井涌水危險性預測和評價有重要意義。

（2）巷道內(nèi)涌水區(qū)域瞬變電磁法探測結(jié)合地質(zhì)綜合分析，可為災害區(qū)域超前預測和防止塌方、突水、掉塊等提供保障。

（3）巷道內(nèi)注漿涌水封堵的關鍵是選用優(yōu)質(zhì)合理的注漿材料，適宜的材料能為解決復雜地質(zhì)條件下的破碎帶加固和動水封堵等技術(shù)難題提供幫助。

（4）對注漿過程進行數(shù)值模擬，可對漿液凝固過程加以輔助控制，能夠為巷道內(nèi)涌水治理過程提供科學參考依據(jù)，從而有效解決治理過程中存在的安全控制問題。