吳莊鐵礦2 號礦體防治水方案探討

周 欣

（徐州鐵礦集團有限公司，江蘇 徐州 221138）

礦井水害是危害礦山正常生產的五大災害之一，在金屬及非金屬礦山中防治水工作尤為重要。礦山防治水方法一般分為3 種，即疏、堵、避。以堵水為主的治水方法，主要有地面帷幕注漿和井下近礦體帷幕注漿，適用于主要充水巖層涌水量大、進水通道相對狹窄（或礦體相對集中）的礦床。地面帷幕注漿和井下近礦體帷幕注漿在堵水率及安全性方面均有明顯區別，前者距采區有一定距離，不受采礦工程所影響，要求有一定的堵水率即可，而且幕內有完善的排水系統，不存在突水淹井的威脅；而后者緊貼礦體，要求堵水率高達75%以上，并且不會受采礦活動（爆破、沉降等）所破壞，同時需確保不發生突水淹井事故，因此其技術難度更高。

1 水文地質條件

1.1 區域水文地質概況

吳莊鐵礦2 號礦體上盤鄰近強富、導水斷層，礦區南依大成山，西臨微山湖，東西兩面為開闊平原。地勢東南高、西北低。礦區所在地形為剝蝕平原，地表起伏不大。

區內構造發育，各種地層受錯綜復雜的斷裂切割嚴重。區內地下水受構造、巖性嚴格控制。大氣降水與農田灌溉是區內地下水的主要補給來源。礦區北部的石炭系、火成巖及東部的石炭系地層構成隔水邊界。

1.2 巖層的含水性分區

本區處于東西向構造和新華夏構造體系的復合地帶。出露地層由老到新依次為奧陶系、石炭系、二迭系、第四系及中生代火成巖等。奧陶系灰巖裂隙巖溶水，水量豐富，是本區地下水的主體（如圖1 所示）。將礦區地層按富水性強弱進行分區。

圖1 徐州鐵礦集團有限公司吳莊鐵礦水文地質平面圖

1.2.1 強富水區

強富水區主要分布于礦區的中南部及西部、廠區北部石炭系及侵入巖體之下隱伏的灰巖中。巖性主要為奧陶系馬家溝組（O2m）灰巖。該區可分為：淺部裂隙巖溶潛水強富水帶、F3斷層巖溶裂隙承壓強含水帶、北東向破碎帶巖溶裂隙承壓強含水帶。其中，F3斷層強含水帶呈東西向分布在2 號礦體北側，東端與北東向強含水帶溝通，西端與奧陶系灰巖淺部含水帶溝通，為兩頭來水。

1.2.2 中等富水區

中等富水區分布于礦區的西南部和F3、F1斷層之間的灰巖區，巖性主要由奧陶系大泉組（O1d）白云巖、寨山組（O1z）灰巖、大理巖、馬家溝組（O2m）灰巖組成。該區可分為：淺部灰巖裂隙巖溶中等發育帶、F1斷層巖溶裂隙承壓中等含水帶、北西向構造巖溶裂隙承壓中等含水帶。

1.2.3 弱含水區

弱含水區由石炭系上統砂巖、頁巖夾灰巖組成，其內穿插巨厚的閃長玢巖。深部基巖層巖石完整致密，裂隙溶洞不發育，含水甚微。

1.2.4 隔水區

隔水區主要由石炭系中統隔水帶、二迭系隔水帶、火成巖隔水帶組成，隔水性良好。第四系在礦區廣泛分布，為粉質黏土，含鐵、鋁質結核并夾大量鈣質結核，透水性好，但不含水。

1.3 地下水的補給、徑流、排泄條件

1）補給條件。礦區地下水補給來源：一是大氣降水、農田灌溉水滲入補給；二是南部及西部灰巖水側向徑流補給。

2）徑流條件。由于礦區巷道大量排泄地下水，地下水的徑流方向主要由南部向北、西部向東流向礦區。地下水運動以裂隙脈狀徑流為特征[1]。

3）排泄條件。吳莊礦區北部的原韓莊電廠與利國老礦排水區構成了地下水的排泄區，排泄條件良好。

2 2 號礦體地質特征

2 號礦體是吳莊鐵礦主要礦體之一，埋深自標高-245～-5203m，分布在K4—K8 線之間，總體走向為110°，傾向北東，礦體形態為不規則條帶狀——寬帶狀。礦體頂板巖性主要由灰巖，大理巖和白云巖組成；礦體底板巖性大多為蝕變閃長斑巖。金屬礦物主要是磁鐵礦，其次為赤鐵礦。近礦圍巖蝕變較為發育，主要發生在礦體下盤，礦床成因類型屬高-中溫熱液交代礦床，局部具有充填性質。

2 號礦體與F3斷層產狀基本一致，礦體北側與F3強含水帶相鄰，水平投影在-480 m 水平，距F3斷層最近；東側與F1中等含水帶相鄰，在-330 m 水平距F1斷層最近；其西側與北西向強含水帶相鄰。

3 防治水方案

在2 號礦體前期探礦過程中，多處探礦鉆孔出現了涌水量大、水頭壓力大等現象，顯示2 號礦體水文地質條件較復雜；同時2 號礦體地表環境較敏感，分布有大量的民房。因此，開展2 號礦體水文地質災害綜合治理，制定合理的封堵水方案，具有非常重要的社會、經濟、安全、資源及環境效益。

3.1 地面帷幕注漿

發育在奧陶系灰巖中的淺部含水帶和F1、F3斷層及構造破碎含水帶將是礦床充水的主要含水層，其中斷層與構造破碎含水帶又起著連通外圍含水層與輸導地下水的作用，對礦坑涌（突）水量大小有著直接的影響[2]。

3.1.1 帷幕線的布置

地表帷幕注漿線呈橫切F1和F3斷層布置（如圖2 所示）設計，西側地表帷幕注漿線1 線近南北向，共設計注漿孔34 個；東側地表帷幕注漿線2 線近北東—南西向，共設計注漿孔27 個；水文觀測孔4 個。在每個注漿孔施工過程中發現涌水或漏水現象，及時進行抽（放）水試驗，并進行注漿，通過附近水文觀測孔觀測水位上升、下降情況和注漿效果。

圖2 江蘇省徐州市鐵礦集團吳莊礦區水文孔及斷層堵水工程平面圖

3.1.2 帷幕參數的選擇

1）帷幕深度。帷幕的高度取決于F1和F3斷層起始注漿的標高和隔水層底板的埋深。一般帷幕注漿孔應深入斷層下盤5～10 m；帷幕高度設計在標高-135～-550 m[3]。

2）注漿孔的布置及施工形式。采用單排孔布置形式，平均孔距為12 m，可將局部復雜地段視情況加密到8 m。2 條注漿線均首先施工北部的鉆孔，并按順序向南隔1 個施工1 個。所有鉆孔全部取芯鉆進，均采用直徑180 mm 的合金鉆頭開孔，鉆過風氧化帶至完整基巖5 m，將直徑168 mm 技術套管下到堅硬巖石上，并用水泥固管，做好止水工作，而后用直徑110 mm 的鉆頭鉆到終孔。

3）注漿方式。帷幕主要采用下止漿塞分段注漿方式。

4）帷幕厚度。設計為12 m。

5）漿液滲透半徑。設計為6 m。

6）注漿壓力的選擇。注漿壓力應大于靜水壓力的1.5 倍，即選擇最大壓力值，用鉆孔深度減去靜止水位再乘以1.5 可得。

7）注漿配比。注漿材料選用加三乙醇胺和氯化鈉得混合液水泥漿，水泥漿起始濃度按水灰質量比0.5∶1、0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1 和1∶1 共5 個等級分別進行配比。（水泥為PO32.5，規格為50 kg/袋；混合液為質量分數20%的氯化鈉和2%三乙醇胺配制而成）。

3.2 井下近礦體帷幕注漿

井下近礦體帷幕注漿的目的是在F1和F3斷層與2 號礦體之間的巖體中形成帷幕墻，并在-285 m中段施工水平鉆孔，進行封頂探水注漿，從而阻斷F1和F3斷層水經分支斷層涌入2 號礦體[4]。

3.2.1 近礦體帷幕的技術可行性分析

2 號礦體底板閃長斑巖為相對隔水層，頂板奧陶系大理巖與F1、F3斷層相鄰，注漿孔一般較淺，通過單雙液注漿相結合的方式能有效控制擴散距離，將礦體頂板大理巖一定范圍內的巖溶裂隙進行充塞、密實、加固，堵水效果好、費用低，可充分利用采礦工程，而不必施工專門的注漿巷道。

3.2.2 帷幕參數的選擇

1）帷幕注漿方案的確定。2 號礦體埋深自標高-245～-520 m，靠近F3斷層的是礦體的上盤。礦井現有-285 m，-330 m，-380 m，-430 m，-480 m 共5 個中段，每個中段均有下盤巷道，只需施工-285 m，-380 m，-480 m 中段上盤巷道。首先在-285 m 中段施工水平鉆孔進行封頂探水注漿，形成帷幕假頂；然后在上下兩個中段的上盤巷道對頭施工注漿孔,形成中段帷幕墻，再依次進行施工，最終在-285～-480 m形成整體帷幕墻（圖3、圖4）。

圖3 吳莊鐵礦-285～-330 m 水平2 號礦體封頂和邊部帷幕隔水墻平面示意圖

圖4 吳莊鐵礦2 號礦體-285 m 水平封頂和邊部帷幕墻A—A 剖面圖

2）帷幕深度。帷幕的高度為-285～-480 m，帷幕深度195 m。

3）注漿孔的布置及施工形式。采用平孔和上下單孔布置形式，平均孔距為10 m，局部復雜地段視情況加密到5 m。注漿孔均按順序隔1 個施工1 個，所有鉆孔全部取芯鉆進，均采用Φ110 mm 的金剛石鉆頭開孔至孔深15 m，將Φ91 mm 的技術套管下入注漿孔內，并用水泥固管，做好止水工作，而后用Φ75 mm 金剛石鉆頭鉆到終孔。

4）注漿方式。采用壓入下行式注漿，順序為自上而下，先注上水平的孔，再注下水平的孔。

5）帷幕厚度。設計為10 m。

6）漿液滲透半徑。設計為5 m。

7）注漿壓力的選擇。設計初始壓力為靜水壓力的1.0 倍。過程壓力控制在1.5～2.0 倍靜水壓力，注漿終壓為2.0～2.5 倍靜水壓力[5]。

8）注漿配比。注漿材料選用單液水泥漿為主，水泥、水玻璃雙液漿為輔。單液水泥漿起始濃度按水灰質量比0.8∶1、1∶1 和1.5∶1 共3 個等級分別進行配比，注漿過程中根據消耗量選擇；水泥、水玻璃雙液漿一般選用1∶1 的水泥漿，以及體積配比為1∶1 的水玻璃。

9）注漿結束標準。單液注漿時，在設計的終值壓力下，注漿段吸漿量＜20～35 L/min，持續30 min后，即可結束注漿。

4 綜合對比分析

4.1 經濟效益

地面帷幕注漿鉆孔進尺24 167 m，共計耗費2 900.04 萬元；征地20 畝，共計10 萬元；總計2 910.04 萬元。井下近礦體帷幕注漿時，探水注漿孔進尺1 320 m，共計257.76 萬元；巷道掘進1 338 m，共計267.6 萬元；總計525.36 萬元。

4.2 施工工期

地面帷幕注漿：征地1 個月，注漿鉆孔施工21個月，復墾1 個月，總計23 個月。井下近礦體帷幕注漿：探水注漿孔施工5 個月，巷道掘進7 個月，總計12 個月。

4.3 預計堵水率

地面帷幕注漿預計堵水率為60%～75%；井下近礦體帷幕注漿預計堵水率為75%～85%。

5 結論

通過以上兩種方案綜合對比分析（施工的可行性對比、經濟效益對比、施工工期對比和預計堵水率對比），認為井下近礦體帷幕注漿方案具有施工費用低、施工周期短、堵水率高等優勢，更能直觀地反映帷幕墻的可靠性，且所施工的上盤巷道將來可為采礦所利用，故選擇采用井下近礦體帷幕注漿方案。