铁山矿涌水治理研究与实践

2013-04-03刘声雷

金属矿山 2013年3期

刘声雷王兵

(山东金岭铁矿)

山东金岭铁矿是一座具有悠久开采历史的中型矿山企业，年产铁矿石150多万t，拥有召口、侯庄、铁山3个井下生产矿井。铁山矿辛庄矿床为典型热液接触交代型矽卡岩磁铁矿，产状受接触带控制，赋存形态差异较大，形状有似层状、扁豆状、透镜状等，厚度为2～50 m，倾角为5°～90°。矿体密度为4 t/m3，普氏系数f=8～10，中等稳固;上盘为奥陶系灰岩节理不发育，普氏系数f=8～10，中等稳固，密度为2.8 t/m3;下盘为燕山期闪长岩，节理不发育，普氏系数f=10～12，中等稳固，密度为2.8 t/m3。多年的矿山生产实践证明，金岭矿区是一个独立的水文地质单元，矿区地下水基本不受区域地下水的补给，主要是接受大气降水的补给。辛庄矿床位于金岭岩体东侧，南靠铁山矿床，北临北金召矿床，处在矿区灰岩地下水从南向北运动的通道上。矿床中主要含水层为矿床直接顶板的奥陶系中统石灰岩含水层和间接顶板的第四系砂砾石孔隙含水层。矿床中，石灰岩溶隙水含水层富水性强，导水性好，渗透系数4.63～50.67 m/d。辛庄矿床开采的主要充水威胁正来自这2个含水层的矿坑涌水。

经过多年的井下开采及探放水实践，对铁山开采产生影响的主要区域为－280 m以下12线至1线。目前矿坑采矿废水3 000 m3/d。根据放水试验及铁山矿的排水系统，对铁山治水采取疏干排水和帷幕注浆堵水2种方案。

1 疏干排水［1］

疏干排水满足2个条件:水源没有补充，矿井泵房排水能满足疏干放水排水能力。－220 m 3线至7线开始水压为2.0 MPa，经过5 d的放水试验，每天的放水量为2 000 m3，水压下降到1.65 MPa。通过放水证明疏干排水方案可行，继续进行放水，经过30多d的放水，再施工探水孔，基本没有探孔出水。疏干排水效果非常明显。

2 帷幕注浆堵水［1］

井下帷幕注浆的目的是把地下涌水堵在井下工作范围以外，在井下创造一个无水或小水的作业环境。根据堵水范围不同，井下帷幕注浆分巷道掘进注浆和采矿注浆。

2.1 巷道掘进注浆

巷道掘进暴露面积不大，巷道涌水主要通过少数的裂隙与上盘灰岩的含水层相通。只要能把导水通道堵死，把水隔离在巷道掘进影响范围之外，就能实现成功治水［2］。在有出水危险的岩层中施工时，必须进行超前探水，实行探水治水相结合的掘进施工方案。在巷道内先用YGZ－90凿岩机施工∅65 mm超前探孔。根据矿石、围岩的稳固性(普氏系数f=8～12)及水压，只要巷道周围5 m范围内没有涌水，巷道掘进是安全的。巷道规格为2.8 m×2.5 m的矩形巷道。在巷道断面上沿掘进方向布置3个探孔，水平2个探孔，向外倾15°。竖直方向布置1个探孔，向上倾15°。孔深均为30 m。如果探水孔没有出水(单孔出水量小于4m3/h)，继续向前掘进25 m。如果探水孔出水(单孔出水量大于4 m3/h)，必须先进行注浆治水。注浆一般采用单液水泥浆，水泥为普通硅酸盐水泥，浆液采用1∶1水泥浆。注浆压力为水压的2倍，一般在4 MPa左右。注浆完成24 h后开始施工检查孔，如查检查孔不出水再向前掘进25 m，如检查孔出水则需要再注浆。反复探，反复注浆直到检查孔不出水为止。巷道探孔布置如图1所示。

图1 巷道探水孔布置

2.2 采矿注浆［3］

采矿注浆是为以后的中深孔采矿做准备。中深孔采区上盘围岩受中深孔爆破破坏影响较大，采空区上盘顶板暴露面积大。采区涌水主要是上盘灰岩含水层的水通过原生裂隙、次生裂隙流到采区，对采区生产、矿井安全造成威胁。只要能在开采矿体上盘形成有一定安全厚度水泥帷幕，把含水段的水赶出去，与含水层相通的透水通道堵死，使矿体与外界水隔绝，矿体的回采就是安全的。－280 m至－340 m 12线至1线矿体上盘有多条裂隙与金岭断层相通，要保证采矿安全，就要在采矿体上盘形成有一定安全厚度水泥帷幕，把含水层相通的透水通道堵死，使矿体与外界水隔绝。根据铁山矿中深孔矿房采空区管理及中深孔爆破实践得知，中深孔爆破影响的区域为中深孔顶部10 m以内的区域，矿体倾角在40°以上，上盘顶板暴露面积在2 000m2以内的采空区，顶板暴露时间在5 a内顶板塌落厚度不会超过10 m。根据治水经验，浆液压力为水压力的2倍，浆液扩散范围为20 m左右。为了确保注浆效果，采用单液注浆方式，在采区中段－288 m水平、－301 m水平、－314 m水平、－328 m水平、－340 m水平分别施工倾角为10°的注浆孔。同一水平注浆孔孔底距为10 m左右。从－340 m水平一端开始注浆，注浆时同一水平的注浆孔及相邻水平的注浆孔要打开，如果注浆时其他打开的注浆孔出浆液时，把注浆孔的阀门关上。当注浆压力达到设计压力时停止注浆，把注浆孔换到邻近的没有出浆的孔上继续注浆。一直注到－288 m水平最后一个孔。浆液采用1∶1水泥浆。注浆最终压力为水压的2倍，一般在4 MPa左右。矿房内探水孔布置如图2所示。

3 注浆中出现的问题

3.1 导通裂隙注浆时出现漏浆

如果巷道与含水通道的裂隙相通，暴露在巷道内的淌水裂隙无法实现封堵，注浆时浆液将会从裂隙中流出，注浆压力也不会升高，无法达到注浆堵水的目的。处理这样问题通常采取施工密封墙和往浆液中加入其他惰性材料的方法。如果淌水裂缝小于5 mm，通常采用往浆液中加入其他惰性材料的方法而不采用施工密闭墙的方法。如－420 m探矿巷道注浆在注浆前，在浆池内加入过筛的细锯未，搅拌均匀，用注浆泵把混有锯末的液体压入注浆孔，待裂隙基本不淌水时再采用全孔纯压式单液水泥浆注浆方式。如果淌水裂隙距离迎头较近，可直接采用施工密闭墙对裂隙直接进行封堵。如裂隙较多但比较集中，可在淌水裂隙的两端分别施工密闭墙，把裂隙隔离出来。如裂隙较多又比较分散，为了减少水泥浆液的损失及注浆后此处巷道的清理工作更容易，可以在密闭墙内充填砂子等介质。

3.2 探水孔出现有水无压现象

采矿注浆时，有可能会出现注浆后再施工探水孔时探水孔出水量较大但没有水压的现象。出现这种现象的原因是由于注浆时与含水层相通的裂隙已经封死，只在封堵层内存在少量没有驱赶出去的死水。此时不需要再进行注浆治水，通常采用放水进行疏干就可以了。

图2 矿房内探水孔布置

3.3 注浆管堵塞［4］

注浆过程中若注浆压力骤然增大，而吸浆管却仍吸浆，则有可能是注浆管堵塞。注浆管的堵塞主要原因是杂物进入注浆管内或是因停注时间过长造成管路内水泥沉淀凝固。注浆管堵塞时，可打开注浆管上的卸压开关，使注浆管卸压，则管路就会畅通。若仍未畅通，则可进行注水，然后再卸压冲洗，反复进行即可。若仍未解决则需要用铁管敲击注浆管，根据声音判断堵塞地点，然后更换相应的注浆管。注浆管堵塞处理难度大，返工时间长，应尽量采取如下预防措施:

(1)注浆前浆注浆设备彻底检修，同时备有充足的备品备件，一旦出现故障应立即更换，防止因停注时间过长引起的堵管。

(2)停注时间(超过30 min)过长时，必须对注浆管路进行先注清水冲洗管路再进行停泵。

(3)注浆时应对水泥进行过筛和对水泥浆液进行过滤。

(4)注浆管路铺设应尽量避免拐急弯。