基建礦山超前截流疏干技術應用

孫茂貴 朱承敏

（1.安徽馬鋼礦業資源集團姑山礦業有限公司；2.長沙礦山研究院有限責任公司；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室；4.湖南省礦山地質災害防治與環境再造工程技術研究中心）

水文地質條件復雜的基建礦山在平巷開拓時，揭露強富水圍巖后，常需要采用帷幕注漿堵水和疏干放水方法來保證掘進的施工安全［1-2］。例如姑山露天轉地下礦山-300，-350 m 中段平巷揭露圍巖主要為凝灰巖、安山巖及蝕變閃長巖，裂隙十分發育，平巷開拓期間采用工作面帷幕注漿，探水注漿循環段為50 m，平均循環段注漿消耗水泥量大于1 000 t，探注工期最長達90 d，頻繁的注漿使礦山基建開拓進度嚴重滯后，建設成本大幅增加，同時還面臨較大的高壓突水風險。而傳統疏干方法一般在礦山基建尾期開始實施，如近礦體控制疏干［3-4］、富水巖層鉆孔超前疏干方法［5］只適用于采礦期快速疏干擬采礦區或礦房中礦體的地下水，無法在礦山基建開拓期整體降低礦山地下水位，更無法緩解巷道開拓時地下水威脅。

為提高礦山建設效率，降低注漿費用，防止基建過程中發生礦井突水事故，提出了礦山基建期超前截流疏干技術，在礦山正常排水能力允許條件下，利用平巷超前截流疏干孔分階段對強富水層進行疏干放水，一方面通過截水疏干鉆孔放水減輕巷道掘進突水的壓力；另一方面增加井下的疏排放水量，在開拓采準巷道掘進期間逐步降低礦區地下水位，為開拓系統形成后的采礦作業創造條件。通過礦山基建期大范圍內富水巖層的快速超前疏干，以期保障礦山開拓工程安全建設，實現礦山基建期與采礦期無縫銜接。

1 礦山概況

姑山露天轉地下礦山位于安徽省馬鞍山市當涂縣年陡鎮境內，北距馬鞍山市23 km、南京市75 km，南距蕪湖市23 km。礦區中心地理坐標：東經118°30'52.1″，北緯31°26'8.6″。姑山露轉井工程項目計劃投資3.37 億元，建設規模為鐵礦石開采能力70 萬t/a。開拓系統包括主井、副井、充填井、風井、-350 m 中段、-300 m 中段、-250 m 中段平巷。姑山露轉井工程于2017年開工建設。

礦山主要擬開采露采坑西部地下礦體，礦床主要充水水源為構造裂隙水和風化裂隙水，上覆砂卵礫石層孔隙水通過構造裂隙補給礦坑。露采期間，采用第四系局部帷幕截流和疏干排水的防治水方案，最低地下水位已降至露天坑底-140 m 標高。目前第四系帷幕基本失去作用，礦山若采用修復或重建第四系帷幕防治水方案，存在成本大、施工困難、堵水效果差、工期長等問題，綜合礦山露天疏干現狀以及水文地質條件，礦山轉地下建設完成后，將繼續采用疏干排水［6-8］的防治水方案來實現礦山安全生產。

隨著礦山露天轉地下建設，-300 和-350 m 中段平巷揭露圍巖主要為凝灰巖、安山巖及蝕變閃長巖，礦區該類巖層尤其是礦巖接觸帶裂隙十分發育、富水性強、掘進工作面出現涌水頻繁、水量大、注漿堵水難度大、費用高，嚴重制約了礦山的基建進度。

2 技術可行性分析

2.1 礦山水文地質條件

礦山含水層類型主要有以下3類：

（1）第四系孔隙水。由上至下依次為上部為粉質黏土與粉細砂互層相對隔水層，其中0～2 m 厚為黏土硬殼層；中下部為棕黃色硬質黏土相對隔水層，在相對隔水層作用下，阻止了地表水與地下水的聯系；底部為砂礫卵石強富水層，該層直接覆蓋礦區基巖之上，為礦區姑山組火山碎裂巖組主要補給水源。另外，在露天坑開挖邊界范圍分布（原姑山山腳范圍）一層坡積土，延展分布寬度為0～360 m，北部范圍有缺失，不連續，位于砂礫卵石層下部，具有一定隔水性，為相對隔水層。

（2）基巖裂隙水主要為白堊系姑山組火山碎屑巖，由安山巖、凝灰巖等組成，弱—強富水。受蒼穹構造作用，核部巖層張拉裂隙發育、透水性強、富水性強，構造兩翼巖層裂隙發育程度逐漸減弱，富水性弱。

（3）構造裂隙水。礦區位于鐘姑背斜南端東翼，區內受巖漿侵入上拱的影響，整個礦區表現為輝石閃長玢巖侵入穹窿構造（短軸背斜或鐘狀構造）。穹窿核部為輝石閃長巖體，四周為向外傾斜的黃馬青組和姑山組地層。穹隆的長軸方向為北東東70°左右，短軸方向北北西340°左右，長軸長約1 100 m，短軸長約830 m。軸部的巖石受構造作用發生剛性破碎，裂隙非常發育、透水性強，形成了邊界明顯的儲水構造單元。一般單位涌水量Q=1.8493～4.105 L/（s·m），滲透系數k=1.833～9.91 m/d，最大單位涌水量Q=8.204 L/（s·m），滲透系數k=10.89 m/d。兩翼巖層透水性逐漸減弱。

礦區地表水與地下水聯系不密切，礦床地下水補給主要來源為區域地下水徑流以及露天采坑范圍的大氣降水。受采坑長期排水影響，礦區砂礫卵石孔隙水側向徑流至露天坑，再由坑底水泵排至地面，垂向徑流直接補給姑山組火山碎裂巖后，經構造裂隙間接補給閃長巖體及礦體；孔隙水為礦床地下水主要補給來源，其次為基巖裂隙水。礦床地下水排泄方式為地下水徑流和礦坑降排水。

綜上，礦體上下盤圍巖裂隙發育，富水性中—強，屬于疏干效果較好的巖層。

2.2 礦山排水現狀分析

礦山中央水泵房設在-350 m 中段，配備離心泵5臺，流量500 m3/h，潛水泵1 臺，流量550 m3/h，正常排水量為30 000 m3/d；最大排水量為50 000 m3/d。目前-300和-350 m 2個中段總涌水量約10 000 m3/d，礦山排水能力仍富余20 000 m3/d。另外根據礦山水文觀測孔數據以及井下巷道涌水點水壓特征，隨著礦山井下開拓工程的施工，礦區的地下水降落漏斗中心水位由-140 m 降至了-150 m。綜上說明，只要進一步增加井下疏排水量，能夠進一步降低礦區地下水位，即礦區地下水可被疏干。

2.3 技術可行性前提條件

綜上所述，基建礦山可采用巷道超前截流疏干技術的前提：

（1）礦區含水巖組富水性好、可疏性強。

（2）礦山永久排水系統已形成，且其富余排水能力充足。

（3）平巷掘進前頻繁采用帷幕注漿進行工作面堵水，注漿工期和投資大，極大延緩了礦山開拓工程建設進度。

（4）礦山采礦防治水方案基本確定為疏干排水。

滿足上述條件時，采用超前疏干截流技術既減輕巷道掘進突水的壓力，又能在開拓采準巷道掘進期間逐步降低礦區地下水位，為巷道貫通后的采礦作業創造條件，基本實現基建和采礦無縫銜接，節約礦山建設整體工期。

3 超前截流疏干技術實施案例

3.1 疏干中段設置

以某露天轉地下礦山為例，其疏干中段應設置在主要的開拓中段，即-300，-350 m 中段，且疏干中段與開拓中段一致。通過在兩中段設置泄水井，使-300 m 中段疏干水量經泄水井排至-350 m 中段后流入水倉，再由中央水泵房排至地面。

3.2 疏干總水量與鉆孔放水量

疏干總水量受礦山的正常排水能力控制，疏干總水量與礦井現階段總涌水量之和應不超過礦山正常排水能力。根據前文所述，本礦的超前截流疏干總水量［9］確定為20 000 m3/d，單孔疏水量控制在60～100 m3/h，通過控制疏干放水孔數量與排水量控制總疏干水量。疏干孔應安裝孔口管，便于連接安裝高壓閥門和壓力計。通過高壓閥門控制疏放水量，壓力計用于觀測礦區地下水位的變化情況。每次測量讀數前，應關閉高壓閥門10～30 min后再讀取水壓數值。

3.3 疏干孔的布置

超前截流疏干工序在巷道掘進工序之前，平巷由掘進轉為探放水工序時，如圖1 所示，在掌子面退后5～10 m位置巷道的兩幫各布置1個超前截流疏干孔，鉆孔均向巷道外側偏斜30°布置，鉆孔傾角為水平上傾斜10°～15°，便于鉆孔涌水自流排出。鉆孔深度應與巷道探水深度一致，一般不小于50 m。通過鉆孔放水疏干后，經孔口壓力表檢測，前方擬掘進含水巖層水降低至安全水頭后，平巷采用短探掘進施工。

3.4 超前截流疏干應用效果

礦山采用超前巷道截流疏干技術，共施工疏干孔40 個，其中長期放水的疏干孔12 個，其余疏干孔在開拓工程推進過程中逐步關閉。控制放水總量約18 000 m3/d。礦山平巷年掘進量由800 m 提升至1 500 m，掘進效率提升88%；探水注漿循環段水泥平均消耗量由1 000 t 降低至500 t，降低了50%；探注工期平均為20 d，降低了55%。超前截流疏干技術實施1 a 后，礦區地下水位由-150 m 標高降低至-200 m 標高，年降低量為50 m，極大緩解了礦山的基建壓力和水害威脅［10］。

4 結 語

通過合理布置掘進工作面數量與施工作業班組，超前截流疏干技術的實施幾乎不影響基建礦山的建設工期，在礦山具備一定排水能力條件下，能將礦床疏干任務的完成時間節點大幅提前，減輕礦山基建期防治水壓力，降低基建防治水成本，以及縮短礦山工程建設周期。另外，為實現礦山基建期與采礦期無縫連接的目標，在接下來2 a基建時期，充分利用措施井功能，在措施井增加排水泵，提高礦山正常排水能力至40 000 m3/d，預計在22 個月內能夠實現礦區地下水位降至-350 m最低開采標高。