吴庄铁矿2 号矿体防治水方案探讨

2022-06-04周欣

山西冶金 2022年2期

周欣

（徐州铁矿集团有限公司，江苏徐州 221138）

矿井水害是危害矿山正常生产的五大灾害之一，在金属及非金属矿山中防治水工作尤为重要。矿山防治水方法一般分为3 种，即疏、堵、避。以堵水为主的治水方法，主要有地面帷幕注浆和井下近矿体帷幕注浆，适用于主要充水岩层涌水量大、进水通道相对狭窄（或矿体相对集中）的矿床。地面帷幕注浆和井下近矿体帷幕注浆在堵水率及安全性方面均有明显区别，前者距采区有一定距离，不受采矿工程所影响，要求有一定的堵水率即可，而且幕内有完善的排水系统，不存在突水淹井的威胁；而后者紧贴矿体，要求堵水率高达75%以上，并且不会受采矿活动（爆破、沉降等）所破坏，同时需确保不发生突水淹井事故，因此其技术难度更高。

1 水文地质条件

1.1 区域水文地质概况

吴庄铁矿2 号矿体上盘邻近强富、导水断层，矿区南依大成山，西临微山湖，东西两面为开阔平原。地势东南高、西北低。矿区所在地形为剥蚀平原，地表起伏不大。

区内构造发育，各种地层受错综复杂的断裂切割严重。区内地下水受构造、岩性严格控制。大气降水与农田灌溉是区内地下水的主要补给来源。矿区北部的石炭系、火成岩及东部的石炭系地层构成隔水边界。

1.2 岩层的含水性分区

本区处于东西向构造和新华夏构造体系的复合地带。出露地层由老到新依次为奥陶系、石炭系、二迭系、第四系及中生代火成岩等。奥陶系灰岩裂隙岩溶水，水量丰富，是本区地下水的主体（如图1 所示）。将矿区地层按富水性强弱进行分区。

图1 徐州铁矿集团有限公司吴庄铁矿水文地质平面图

1.2.1 强富水区

强富水区主要分布于矿区的中南部及西部、厂区北部石炭系及侵入岩体之下隐伏的灰岩中。岩性主要为奥陶系马家沟组（O2m）灰岩。该区可分为：浅部裂隙岩溶潜水强富水带、F3断层岩溶裂隙承压强含水带、北东向破碎带岩溶裂隙承压强含水带。其中，F3断层强含水带呈东西向分布在2 号矿体北侧，东端与北东向强含水带沟通，西端与奥陶系灰岩浅部含水带沟通，为两头来水。

1.2.2 中等富水区

中等富水区分布于矿区的西南部和F3、F1断层之间的灰岩区，岩性主要由奥陶系大泉组（O1d）白云岩、寨山组（O1z）灰岩、大理岩、马家沟组（O2m）灰岩组成。该区可分为：浅部灰岩裂隙岩溶中等发育带、F1断层岩溶裂隙承压中等含水带、北西向构造岩溶裂隙承压中等含水带。

1.2.3 弱含水区

弱含水区由石炭系上统砂岩、页岩夹灰岩组成，其内穿插巨厚的闪长玢岩。深部基岩层岩石完整致密，裂隙溶洞不发育，含水甚微。

1.2.4 隔水区

隔水区主要由石炭系中统隔水带、二迭系隔水带、火成岩隔水带组成，隔水性良好。第四系在矿区广泛分布，为粉质黏土，含铁、铝质结核并夹大量钙质结核，透水性好，但不含水。

1.3 地下水的补给、径流、排泄条件

1）补给条件。矿区地下水补给来源：一是大气降水、农田灌溉水渗入补给；二是南部及西部灰岩水侧向径流补给。

2）径流条件。由于矿区巷道大量排泄地下水，地下水的径流方向主要由南部向北、西部向东流向矿区。地下水运动以裂隙脉状径流为特征[1]。

3）排泄条件。吴庄矿区北部的原韩庄电厂与利国老矿排水区构成了地下水的排泄区，排泄条件良好。

2 2 号矿体地质特征

2 号矿体是吴庄铁矿主要矿体之一，埋深自标高-245～-5203m，分布在K4—K8 线之间，总体走向为110°，倾向北东，矿体形态为不规则条带状——宽带状。矿体顶板岩性主要由灰岩，大理岩和白云岩组成；矿体底板岩性大多为蚀变闪长斑岩。金属矿物主要是磁铁矿，其次为赤铁矿。近矿围岩蚀变较为发育，主要发生在矿体下盘，矿床成因类型属高-中温热液交代矿床，局部具有充填性质。

2 号矿体与F3断层产状基本一致，矿体北侧与F3强含水带相邻，水平投影在-480 m 水平，距F3断层最近；东侧与F1中等含水带相邻，在-330 m 水平距F1断层最近；其西侧与北西向强含水带相邻。

3 防治水方案

在2 号矿体前期探矿过程中，多处探矿钻孔出现了涌水量大、水头压力大等现象，显示2 号矿体水文地质条件较复杂；同时2 号矿体地表环境较敏感，分布有大量的民房。因此，开展2 号矿体水文地质灾害综合治理，制定合理的封堵水方案，具有非常重要的社会、经济、安全、资源及环境效益。

3.1 地面帷幕注浆

发育在奥陶系灰岩中的浅部含水带和F1、F3断层及构造破碎含水带将是矿床充水的主要含水层，其中断层与构造破碎含水带又起着连通外围含水层与输导地下水的作用，对矿坑涌（突）水量大小有着直接的影响[2]。

3.1.1 帷幕线的布置

地表帷幕注浆线呈横切F1和F3断层布置（如图2 所示）设计，西侧地表帷幕注浆线1 线近南北向，共设计注浆孔34 个；东侧地表帷幕注浆线2 线近北东—南西向，共设计注浆孔27 个；水文观测孔4 个。在每个注浆孔施工过程中发现涌水或漏水现象，及时进行抽（放）水试验，并进行注浆，通过附近水文观测孔观测水位上升、下降情况和注浆效果。

图2 江苏省徐州市铁矿集团吴庄矿区水文孔及断层堵水工程平面图

3.1.2 帷幕参数的选择

1）帷幕深度。帷幕的高度取决于F1和F3断层起始注浆的标高和隔水层底板的埋深。一般帷幕注浆孔应深入断层下盘5～10 m；帷幕高度设计在标高-135～-550 m[3]。

2）注浆孔的布置及施工形式。采用单排孔布置形式，平均孔距为12 m，可将局部复杂地段视情况加密到8 m。2 条注浆线均首先施工北部的钻孔，并按顺序向南隔1 个施工1 个。所有钻孔全部取芯钻进，均采用直径180 mm 的合金钻头开孔，钻过风氧化带至完整基岩5 m，将直径168 mm 技术套管下到坚硬岩石上，并用水泥固管，做好止水工作，而后用直径110 mm 的钻头钻到终孔。

3）注浆方式。帷幕主要采用下止浆塞分段注浆方式。

4）帷幕厚度。设计为12 m。

5）浆液渗透半径。设计为6 m。

6）注浆压力的选择。注浆压力应大于静水压力的1.5 倍，即选择最大压力值，用钻孔深度减去静止水位再乘以1.5 可得。

7）注浆配比。注浆材料选用加三乙醇胺和氯化钠得混合液水泥浆，水泥浆起始浓度按水灰质量比0.5∶1、0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1 和1∶1 共5 个等级分别进行配比。（水泥为PO32.5，规格为50 kg/袋；混合液为质量分数20%的氯化钠和2%三乙醇胺配制而成）。

3.2 井下近矿体帷幕注浆

井下近矿体帷幕注浆的目的是在F1和F3断层与2 号矿体之间的岩体中形成帷幕墙，并在-285 m中段施工水平钻孔，进行封顶探水注浆，从而阻断F1和F3断层水经分支断层涌入2 号矿体[4]。

3.2.1 近矿体帷幕的技术可行性分析

2 号矿体底板闪长斑岩为相对隔水层，顶板奥陶系大理岩与F1、F3断层相邻，注浆孔一般较浅，通过单双液注浆相结合的方式能有效控制扩散距离，将矿体顶板大理岩一定范围内的岩溶裂隙进行充塞、密实、加固，堵水效果好、费用低，可充分利用采矿工程，而不必施工专门的注浆巷道。

3.2.2 帷幕参数的选择

1）帷幕注浆方案的确定。2 号矿体埋深自标高-245～-520 m，靠近F3断层的是矿体的上盘。矿井现有-285 m，-330 m，-380 m，-430 m，-480 m 共5 个中段，每个中段均有下盘巷道，只需施工-285 m，-380 m，-480 m 中段上盘巷道。首先在-285 m 中段施工水平钻孔进行封顶探水注浆，形成帷幕假顶；然后在上下两个中段的上盘巷道对头施工注浆孔,形成中段帷幕墙，再依次进行施工，最终在-285～-480 m形成整体帷幕墙（图3、图4）。

图3 吴庄铁矿-285～-330 m 水平2 号矿体封顶和边部帷幕隔水墙平面示意图

图4 吴庄铁矿2 号矿体-285 m 水平封顶和边部帷幕墙A—A 剖面图

2）帷幕深度。帷幕的高度为-285～-480 m，帷幕深度195 m。

3）注浆孔的布置及施工形式。采用平孔和上下单孔布置形式，平均孔距为10 m，局部复杂地段视情况加密到5 m。注浆孔均按顺序隔1 个施工1 个，所有钻孔全部取芯钻进，均采用Φ110 mm 的金刚石钻头开孔至孔深15 m，将Φ91 mm 的技术套管下入注浆孔内，并用水泥固管，做好止水工作，而后用Φ75 mm 金刚石钻头钻到终孔。

4）注浆方式。采用压入下行式注浆，顺序为自上而下，先注上水平的孔，再注下水平的孔。

5）帷幕厚度。设计为10 m。

6）浆液渗透半径。设计为5 m。

7）注浆压力的选择。设计初始压力为静水压力的1.0 倍。过程压力控制在1.5～2.0 倍静水压力，注浆终压为2.0～2.5 倍静水压力[5]。

8）注浆配比。注浆材料选用单液水泥浆为主，水泥、水玻璃双液浆为辅。单液水泥浆起始浓度按水灰质量比0.8∶1、1∶1 和1.5∶1 共3 个等级分别进行配比，注浆过程中根据消耗量选择；水泥、水玻璃双液浆一般选用1∶1 的水泥浆，以及体积配比为1∶1 的水玻璃。

9）注浆结束标准。单液注浆时，在设计的终值压力下，注浆段吸浆量＜20～35 L/min，持续30 min后，即可结束注浆。