超前探水技术措施在竖井施工中的研究与应用

邸翔宇

(鞍山五矿陈台沟矿业有限公司，辽宁 鞍山 114000)

0 引言

在竖井井筒施工过程中，作业场所往往是独头施工作业，常规性开展超前探水工作显得尤为重要。井筒突发大量涌水的威胁存在重大安全风险，如不积极开展超前探水等工作，项目将会受到不同程度的损失，轻者停产实施排水，从而增加施工成本；重者发生淹井事故，对人员、设备的损害。因此积极严格按照要求，持续做好竖井井筒施工中的超前探水工作，才能够保证井筒施工的本质安全和整体质量。某竖井井筒深度1 160 m，井筒净径8.0 m，属国内超大直径深竖井，担负进一步摸清地下未探明隐伏矿体的形态、产状、深度、规模、结构和储量，取出有代表性的实物地质资料，升级储量级别，后续开发利用任务。由于前期掌握地质资料不全，水文情况不详，依据《金属非金属矿山安全规程》(GB16423-2006)、《冶金矿山井巷工程施工质量验收规范(YB4391-2013)》、《金属非金属地下矿山防治水安全技术规范(AQ2061-2018)》、《超深竖井施工安全技术规范(AQ2062-2018)》等相关要求，为确保竖井井筒施工过程中，井筒突发大量涌水引起安全隐患，施工前必须按照实施方案开展超前探水工作。

1 水文地质状况

矿床位于山间谷地河流西岸阶地地带，为一大型的隐伏矿床，矿床范围内地面最低标高为42.0 m，最高标高为236.2 m，相对高差194.2 m，总地势西高东低，坡度5°～25°。出露的地层岩性主要为第四系松散堆积物，基岩主要为太古代花岗岩(南侧及北侧超基性岩体已存在蛇纹石化、滑石化)、辽河群浪子山组千枚岩等。

1)岩土层的含水性

依矿区水文地质条件，考虑矿床所处位置和地层、岩性分布情况及赋水特征，从实际应用出发，可划分如下水岩组：

第四系松散岩类孔隙含水岩组(Qh-Qp)

①全新统冲洪积孔隙含水岩组(Qhal+pl)

分布于矿床东北部小河两岸地带。主要由碎石及砂砾卵石构成，夹有不含水的粘土、砂质粘土及弱含水的粘质砂土，后者呈薄层与透镜体存在。厚度变化范围为10.80～43.48 m。地下水补给主要为大气降水下渗补给与河流补给，垂向上对下部基岩风化裂隙水存在互补关系，迳流条件一般或较好，以人工开采和地下迳流形式排泄。

②上更新统残坡积孔隙含水岩组(Qpel+dl)

分布于矿床西部山麓、微丘陵地带，岩性为砂质粘土及少量砂砾、碎石透镜体，其分布形态和埋藏深度条件都极其复杂，厚度变化范围为1.0～10.8 m，富水性弱。地下水补给主要为大气降水下渗补给，垂向上对下部基岩风化裂隙水存在互补关系，该类含水岩组与深部基岩裂隙含水岩组之间联系微弱。迳流条件一般，以人工开采或地下迳流形式排泄。

③块状与厚层状岩类裂隙含水岩组(γ11、γ12、Arany、Ptlhl)

构成矿床的主要岩性为鞍山群樱桃园岩组绿泥石英片岩及条带状含铁石英岩(磁铁石英岩)层辽河群浪子山组千枚岩。外围广泛分布太古代花岗岩(构成矿体直接或间接顶底板)。针对铁矿层而言，其顶底板岩性多为绿泥石英片岩及碳质千枚岩，但由于花岗岩侵入穿插也可能成为铁矿层的直接顶底板，故无法严格划分块状岩类和层状岩类，二者均属裂隙含水岩组，均含风化裂隙水和构造裂隙水，为带状或线状分布，富水性、透水性很不均一。根据前期附近地表钻抽水试验成果，单井涌水量<10 m3/d，钻孔单位涌水量为0.001 3～0.006 7 L/(s·m)，平均渗透系数为0.001 1 m/d，说明该含水岩组属弱富水性。该类含水岩组补给来源主要为大气降水和区域地下迳流，迳流条件一般，以人工开采和地下径流形式排泄。

④隔水岩组(Chph、Cph、Ph)

区内相对隔水岩组岩性主要为辽河群千枚岩，分布于矿区东部，直接或间接覆盖于基岩裂隙含水岩组之上。完整或相对完整的基岩，对第四系含水岩组和风化裂隙水而言，均可视为相对隔水岩组。总体来说，对于同种岩性，除浅部风化裂隙外，在内应力作用下，深部裂隙相对闭合或基本不发育，故深部基岩较上部可视为相对隔水层，但局部构造发育位置除外。

此外，矿床西部有北东向断层一条，其延长近1 km，分布于太古代花岗岩体中；北西向断层有二条，大致平行展布，延长分别为1.1 km和0.5 km,位于蛇纹岩体与辽河群浪子山组地层接触带上；近南北向断层(F1)位于花岗岩体与辽河群浪子山组地层接触带上，断层倾向南西西，倾角60°～80°，延长大于2 km。结合掌握的地质资料，本区断裂构造从目前控制情况看，断层与矿体间存在厚度较大千枚岩隔水岩组，断层尚未对矿体造成直接影响。

2)地下水动态

通过查阅资料，地下水动态规律与区域上一致，即第四系地下水水位波动幅度较大，约1～4 m，枯丰滞后期1～2个月；基岩地下水水位波幅一般小于1 m，滞后期为2～3个月。

2 方案确定

2.1 探水方案

实施超前探水处井筒岩石主要为风化严重的斜长角闪岩，泥质千枚岩，解理发育，且整体性一般，软硬交加，不规律，同时由于没有地质探孔，下部岩石情况只能在掘进过程中探明。井筒现在总的涌水量约为4.5 m3/h，均为上部井壁淋水，出水部位主要集中在-279～-306 m段，下部没有明显的出水点。

为了进一步探明-440 m以下井筒段及马头门的涌水情况，在施工过程中，如果发现有出水征兆，如井壁挂汗，裂隙水增大，异常响动等情况，先利用伞钻套钎进行长探短掘，探孔深度为7 m，爆破深度控制在4.5 m以内。在钻探过程中，如果孔内出水小，则继续用长钎短探的方法施工，要求每次技术人员都必须现场查看出水情况，另外，如果出现孔内涌水较大，进行工作面预注浆，以防突然涌水量增加引起安全事故。

2.2 实施参数

2.2.1 正常施工期间的探水设计

井筒在正常施工过程中，每炮都必须进行超前长探，探孔布置5个，即井筒中间1个，周边均匀分布4个。钻探结束后，如果没有异常情况，则下一步正常掘进施工；如果有出水情况，根据出水大小，转入潜孔钻机深孔探水，采用潜孔钻机探水需设计探水段起止标高。考虑到钻机钻探能力以及钻进效率，根据钻孔涌水量大小，采取一次探全深或分段探注方式，遇特殊地层钻进效率低时，适当调整钻孔深度。

2.2.2 孔数

工作面钻孔暂按4个布置(根据打钻出水情况另行调整探水孔数)，编号1#、2#、3#、4#，1#孔位于井筒西北方向、2#孔位于井筒东北方向、3#孔位于井筒东南方向、4#孔位于井筒西南方向，探水孔开孔位置距离井筒内壁0.6 m，均匀布置(充分结合当时工作面探水及掘砌过程中揭露涌水情况，综合布置)，采用径向角外斜孔，终孔距井筒掘进荒径距离选取2.5 m。

2.2.3 探水孔施工顺序

根据竖井施工过程中，作业面出水量状况，确定实施探水孔顺序为：1#→3#→2#→4#，见图1。

图1 井筒工作面超前探水施工示意图

2.2.4 预埋孔口管长度

孔口管长度7.5 m，为减少岩帽受压，孔口管长度取8 m，入岩7.5 m，但是可以根据岩石情况及施工难易程度，可以适当减短孔口管长度。

3 方案实施

3.1 前期准备措施

根据方案要求，施工前期对设备和材料做好准备工作，安装钻机前，将钻机操作台设置在工作面，钻机平台用Ф108 mm钢管与20槽钢焊接加工钻机框架(此次使用的是框架高度1.3 m，宽度1.6 m，长度1.8 m)，将钻机安设在框架上，钻机使用螺栓、保险绳固定，在工作面打设6根锚杆固定钻机框架。采用潜孔钻机打钻前，在Ф108 mm孔口管上安设高压球阀，以防钻孔时含水层突水造成淹井事故。

3.2 管路埋设方法

孔口管长度取8 m，孔口管结构为Ф108 mm×6 mm无缝钢管加工而成，孔口管外(6 m以上)点焊8#铁丝，悬吊在工作面，孔口管造孔使用Ф130 mm钻头，利用在操作平台上安装钻机打眼，打好眼后用压风吹净孔内水、岩粉，立即灌入水泥砂浆(水泥∶砂=2∶1)，紧接着下入孔口管，孔口管外露0.5 m，按角度设计调整好，并在孔内用木楔将孔口管找正固定牢靠，孔口管周围用棉纱封堵严实。孔口管埋入8小时后，开始扫孔，超过孔口管1.5 m进行试压，采用注浆终压的1.2倍压力进行耐压抗渗试验，合格后正常钻进，否则注浆加固孔口管直到合格为止。

3.3 钻孔施工与简易治水

3.3.1 打钻施工

使用潜孔钻机打眼，钻机配每节长1 m钻杆及Ф90 mm钻头进行钻眼，打钻供水由地面供水管供水到钻机。

3.3.2 钻孔测水

打钻过程中设专人观察水量和捞取岩粉，及时判断地质情况。井下探水孔在揭开含水层后，要立即开始测量钻孔的涌水量，钻进中发现水量增减或揭开新的含水层，都要及时测量出水量。在工作面放置一水桶，若出水，在孔口管上用风筒布或彩条布将水截到水桶，使用容积法进行测水。

3.3.3 注浆

根据探水孔揭露的含水层岩性、富水性情况，结合几次施工过程中总结的经验，预计当井筒涌水量小于10 m3/h时，对探水孔进行压入式注浆、封孔，注浆终压为静水压力的2～4倍；当预计井筒涌水量大于10 m3/h时，用水泥浆临时封孔后，另行编制工作面预注浆施工措施。井筒预计涌水量根据各单孔涌水量、各探水孔水力联系情况、有关水文地质参数等计算得出。

4 结语

依据国家相关标准和要求，为确保竖井井筒施工过程中，消除由于井筒涌水引起的安全隐患，必须积极开展“有疑必探，先探后掘”的工作。由于是竖井施工，作业面为独头作业，井筒内实施超前探水工作显得尤为重要。通过建立预防机制，结合掘进过程中揭露的围岩情况和涌水量变化情况，科学谋划，统筹安排，合理编制超前探水的实施方案，严格遵循“逢掘必探”原则，使用专业机械钻机积极开展超前探水工作，跟踪、建立探水记录，完善了地质编录工作。该措施经2年时间的有序开展，通过跟踪作业面涌水量变化情况及时填写探水记录，必要时积极开展幕后注浆工作，有效的控制了井筒涌水量，提高了作业场所的安全作业系数，保障了竖井施工工作的安全有序高效开展，安全高效的完成了竖井施工中的防治水工作；同时，为后续井巷施工及矿产资源开发提供了有利的技术参数和参考依据。