某大水矿山全冻结辅助井马头门超前探水方案研究

徐 磊,闫小新,张贺庭

(1.长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南 长沙 410012;2.淮北徐楼矿业有限公司, 安徽 淮北市 235100)

某铁矿辅助井井筒下掘采用全冻结法施工,马头门施工没有采取冻结措施,井筒设计有6个单侧马头门和1个单向管子道,其中马头门分别在－80,－130,－180,－230,－260 m和－310 m 6个中段;管子道在－310 m水平.井筒穿过的主要充水岩层为中奥陶系马家沟组灰岩,该岩层裂隙、岩溶发育,富水性、导水性强.井壁浇筑完成后,冷冻钻孔会停止冷冻,一旦冷冻停止,在冻结钻孔(单个)直径为3 m左右的环形空间内,原有岩溶裂隙通道中的“冰”逐渐融化成地下水;同时,在马头门掘进过程中,会穿过马家沟组岩溶裂隙含水层,并可能遇到导水断层破碎带.断层破碎带和岩溶裂隙中的地下水对各水平马头门和－310 m管子道的施工造成较大的隐患,因此在掘进马头门和管子道的时候必须采取防治水措施,研究设计一套合理的超前探水方案,是确保马头门和管子道安全掘进的基础.

1 矿山水文工程地质特征

根据地质资料可知,辅助井6个中段的马头门和管子道施工全部在中奥陶系马家沟组灰岩里,其中不同的是:－80 m和－130 m马头门灰岩为奥陶系马家沟组五阳山段,－180 m和－230 m马头门灰岩为奥陶系马家沟组土峪段,－260 m和－310 m马头门及－310 m管子道灰岩为奥陶系马家沟组北庵庄段.综合来看奥陶系马家沟组五阳山段岩性主要为灰岩、白云质灰岩,灰－青灰色,中厚层状,隐晶结构,裂隙岩溶发育,岩心呈短柱状,岩芯长度一般10~40 c m;奥陶系马家沟组土峪段岩性以泥灰岩为主,岩心呈短柱状,岩芯长度一般10~40 c m;奥陶系马家沟组北庵庄段其岩性主要为灰岩、白云质灰岩,灰－青灰色,中厚层状,隐晶结构,裂隙岩溶发育,岩心呈短柱状,岩芯长度一般10~30 c m.根据辅助井冷冻孔现场施工资料可知:地表60 m以下基岩风化带至374 m的岩石见有断层、破碎带、喀斯特溶洞、裂隙、承压水等,部分地段漏浆严重,甚至在70~75 m和190~200 m深度处出现灾难性漏浆;井筒岩石主要是坚硬、半坚硬的层状岩石,硬度系数5~12.综上所述,辅助井的位置处在灰岩含水层中,该含水层岩溶裂隙发育,裂隙导水性强,含水丰富,特别是在－130 m和－180 m施工时含水层的富水性最强,是本次治理水患的重点.

2 防治水设计方案

马头门及管子道掘进中超前探水技术实施方案要达到3个目的:一是掘进过程中,不发生突水淹井事故;二是方案的可操作性强;三是经济节约、工期短、效果可靠.为此,按照“有疑必探,先探后掘”的原则,根据其拟过含水层水文工程地质特征,设计如下超前探水方案.

2.1 中深孔超前探水

2.1.1 中深孔探水的设计参数

(1)钻孔直径:终孔直径不小于Ф75 mm.

(2)孔口管的结构、长度及埋深:套管采用Ф108 mm 无缝钢管作孔口管,埋深3.5~4.0 m(－180 m水平以下采用4.0 m),若在开孔时遇到冷冻管,则该深度为孔口管埋深.所埋孔口管壁厚度大于5 mm,孔口管的上端焊接法兰,与高压闸板阀相接.

(3)孔口管的固结方式:对于岩层相对稳固段,开孔后孔口管埋设,采用注浓水泥浆(水灰比为0.8∶1以上)进行高压注浆(注浆压力为6~12 MPa)固结;对于作业面破碎岩层,除采用注浓浆固结外,尚须视情况增设锚杆加固.

(4)钻孔深度:钻孔设计深度为15 m,根据井筒揭露岩石情况可适当加深.

(5)钻孔布置:马头门超前探水钻孔:在井筒马头门掌子面原则上布置6个超前探水钻孔(见图1),如果6个孔探水注浆异常,应根据现场的实际情况适当增加2~3个钻孔.图1中1,5号孔是水平方向向外夹角为50°,垂直方向向下夹角为50°;2,4号孔是水平方向向外夹角为50°,垂直方向向上仰角为50°;3号孔是垂直方向向上仰角为60°,6号孔为水平钻孔.

图1 马头门中深孔超前探水孔布置

管子道超前探水钻孔在掌子面上原则布置5个超前探水钻孔(见图2),如果5个孔探水注浆异常,应根据现场的实际情况,在适当位置增加1~2个钻孔.图2中1,4号孔是水平方向向外夹角为50°,垂直方向向下夹角为50°;2,3号孔是水平方向向外夹角为50°,垂直方向向上仰角为50°;6号孔为水平钻孔.

图2 管子道中深孔超前探水孔布置

(6)深孔探水安全装置:除了保证临时水仓的排水能力不小于100 m3/h外,还要在探水过程中根据钻孔设备及自身施工经验设计孔口安全装置.

2.1.2 探水钻孔的施工

马头门超前探水孔施工顺序:先施工1,3,5号孔,后施工2和4号孔,最后施工6号孔;管子道超前探水孔施工顺序:先施工1,3号孔,后施工2和4号孔,最后施工5号孔.

当钻进过程中遇岩溶裂隙水,且涌水量大于30 m3/h或者遇到破碎带(严重塌孔)时,立即停止钻进,及时进行注浆堵水,直至达到注浆结束标准,方可进行下一工序.

2.2 浅孔超前探水

浅孔超前探水注浆的目的是防止马头门及管子道在开口(4 m以内)处出现大的涌水,而无法采用有效的措施进行封堵,主要针对的是含水层岩溶导水裂隙和冷冻钻孔本身存在的含水环形空间.

(1)马头门及管子道掘进作业面浅孔探水:沿马头门(管子道)边缘向内200 mm的周线及中心点布设7(9)个超前探水孔(其中8,9号孔为马头门前4.5 m施工时探水孔),探水孔布置形式见图3、图4.其中1,5号孔是水平方向向外夹角为100°,垂直方向向下夹角为100°;2,4,(8,9)号孔是水平方向向外夹角为100°,垂直方向向上仰角为100°;3号孔是垂直方向向上仰角为100°;6号孔是垂直方向向下俯角为100°;7号孔为水平孔;探水孔采用炮孔,孔径为 Ф42 mm,孔深为4.0~4.5 m.施工顺序为先1,3,5,(8,9)号孔,后2,4,6号孔,最后施工7号检查孔.

作业面的探水孔总出水量小于5 m3/h,且为非集中出水时,正常掘进.如果超前探水炮孔单孔的涌水量大于3 m3/h,要在探孔的两侧加密探孔.

图4 管子道浅孔超前探水孔布置

(2)马头门及管子道冷东孔环形空间浅孔探水:在马头门开口断面布置3排水平钻孔,排距1.5 m,每排5个钻孔呈扇形向外布置,原则以探到冷东孔环形空间为结束标准,深度不超过4 m,探水孔布置形式见图5;在管子道开口断面布置3排水平钻孔,排距1.0 m,每排4个钻孔呈扇形向外布置,原则以探到冷东孔环形空间为结束标准,深度不超过4 m,探水孔布置形式见图5.

若未探到环形空间,可根据实际情况适当增加钻孔数量.

在施工中深孔探水前,先施工浅孔探水,掘进作业面和冷冻孔环形空间浅孔探水可同时施工作业,为保证探水效果,钻孔严格按照设计角度和深度施工,如遇特殊情况,可根据现场情况做调整.

图5 马头门及管子道冷东孔环形空间浅孔超前探水孔布置

考虑到冷冻钻孔至井筒的距离,钻孔解冻的时间,灰岩含水层强富水性特点以及各水平马头门和－310 m水平管子道的技术要求等因素,在防治水设计中,要求浇筑完井壁后,先不停止冷冻孔工作,从下至上在各个马头门及管子道埋设完孔口管后再停止冷冻孔工作,等井筒完全解冻后,再实施“长短结合”的探水方法和常规的注浆方法进行掘进.

3 结 论

在辅助井筒埋好设计孔口管,解冻后,经过3个月的时间,各个水平的马头门和管子道均成功探水注浆完毕,后面马头门及管子道掘进顺利,尤其是经过环形空间位置时没有受到水患的影响.本次超前探水的成功应用说明:对于大水矿山全冻结法施工的井筒,马头门如果没有采取冻结措施,采取该种方法治理水患问题能取得比较好的效果,该种方法值得在同类矿山施工中应用和推广.

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