马城铁矿-570 m水平破碎带治理的研究与实践

魏 宇

(首钢滦南马城矿业有限责任公司，河北 唐山 064404)

0 引言

随着露天矿山资源的日趋枯竭，现代采矿逐步转入深部开采，深部开采过程中出现的相关问题也更加复杂，随着科技的进步，技术装备的不断提升，地质条件复杂型矿山逐步开始建设，并转入生产。在深部矿山开采过程中，水害风险近些年更是凸显，矿山也因此更加注重矿山防治水工作的开展，应用地表和井下物探等方式对破碎带进行超前探查[1]，通过工作面钻探、注浆等方式，对破碎地层进行堵水加固[2]，确保开掘巷道不受涌水影响。同步研究巷道整体支护方案，针对巷道揭露条件，研究支护形式[3]，减少顶板暴露时间[4]，确保巷道后期使用安全。通过马城铁矿穿越破碎带工程实践，从地质条件、注浆治理、巷道支护、施工管控等重点环节进行研究分析，为破碎带治理提供相关借鉴[5]。

1 地质条件简述

马城铁矿位于滦河冲洪积扇一级阶地顶部，赋存于太古界单塔子群白庙组变质岩中，矿区上覆的厚大第四系松散地层，透水性、富水性极强，且与滦河水力联系密切，补给条件好，矿床充水水源充沛。矿区断裂构造发育，F1、F2、F3断层相互关联、互相影响，呈环状包围了Ⅱ号矿体的北部，对其走向、倾向延伸均造成较大影响，且具一定导水性，断层破碎带加强了矿床与第四系水之间的水力联系，是基岩地下水良好的储水和导水通道。矿山采用井下开采，水文地质边界条件复杂，为第四系水间接充水、基岩裂隙水直接充水的水文地质条件复杂型裂隙充水矿床。勘探报告预测开采阶段矿坑正常涌水量5.8 万m3/d，最大涌水量7.4 万m3/d。

图1 破碎带分布示意图

1.1 工程地质条件

矿区内地表大面积被第四系地层覆盖，厚度一般60～170 m，主要由粘土、粉土、粉质粘土、砂层、砾卵石层及淤泥质粉土等组成，从北向南逐渐增厚，其中砂砾卵石层稳定，厚度较大。区内断裂发育，在工程控制范围内查明的主要有3条断裂，分别命名为F1、F2、F3(见图1)，对矿体均造成一定的破坏作用。尤其是Ⅱ号矿体，3条断裂基本呈环状包围了Ⅱ号矿体的北部，对其走向、倾向延伸均造成较大影响。

F1断裂：走向北东东，南东倾，倾角64°～70°，走向控制长700 m，水平宽150 m，为逆断层等压性构造，构成下窄上宽的貌似“花朵”状的破裂带，主要由断层角砾岩、碎裂岩、断层泥及岩石碎屑组成。具多期活动，早期形成的碎裂岩、角砾岩经碳酸盐、硅质、泥质、铁质胶结，后期构造又对其产生破坏形成角砾岩、断层泥。F1断裂在位于Ⅱ号矿体北端，截断了Ⅱ号矿体的向北延伸。

F2断裂：走向近南北，倾角65°～79°，主体走向长大于4 000 m，水平宽10～130 m，为正断层，貌似“花朵”的破裂带。工程控制部分以辉绿岩脉充填为主，F2分布范围较广，并且对矿体造成较严重破坏。北段辉绿岩由不连续的3条岩脉组成，沿走向延伸方向切断Ⅺ、Ⅻ号矿体，但未产生明显位移。中段辉绿岩为一条岩脉，在深部切断了Ⅱ号矿体的倾斜延深。南段辉绿岩厚度较大，由近平行的一组脉体组成，对矿体破坏作用较强。

F3断裂：走向北东东，倾向北西，倾角62°～85°，走向长约730 m，水平宽60～80 m，主要由断层角砾岩、断层泥及岩石碎屑组成。该断裂具多期构造活动，早期形成的角砾岩、碎裂岩被碳酸盐、硅质、铁质胶结，属成矿后构造，其性质与F1断裂相似，早期以拉张为主，后期以压扭为主，为逆断裂。

1.2 水文地质条件

根据矿区含水层结构、构造特征、岩性差异、风化程度及透水性强弱，将矿区含水层分为第四系孔隙水含水层、基岩风化裂隙承压水含水层和构造裂隙承压水含水层。

1)第四系孔隙水含水层。覆盖于矿床之上，透水性强、富水性好，且与滦河水力联系密切，为矿区主要地下含水体。根据第四系含水介质颗粒大小及其透水性、富水性，分为第四系上部强含水层和第四系下部中等含水层。

2)基岩风化裂隙水含水层。矿区基岩为一套变质程度较浅的、并经受不同程度混合岩化作用的古老变质岩系，分布全区，岩性以混合花岗岩、混合岩为主。厚度较稳定，连续性较好，平均厚度57.49 m。根据裂隙成因及其发育深度和埋藏条件不同，可将基岩风化带划分为基岩强风化带和基岩弱风化带。基岩弱风化带透水性、富水性稍强于基岩强风化带。基岩强风化带直接与第四系接触，平均厚度31.88 m，勘探及补勘工作对6个钻孔强风化带进行了抽水试验，钻孔单位涌水量0.002～0.064 L/s·m，渗透系数0.0029～0.5212 m/d，为弱透水层。基岩弱风化带位于强风化带底板以下，平均厚度28.47 m，为风化裂隙水的主要赋存层位，透水性、富水性总体较弱，但较上部基岩强风化带稍强。

3)基岩构造裂隙水含水层。矿区属变质岩地区，整体来讲，裂隙欠发育，透水性较弱，富水性不强。但矿区构造运动较强烈，特别是近期新构造运动频繁，基岩因遭到不同程度的拉张或挤压破坏，透水性、富水性有所增强。主要分布F1、F2、F3断层相互作用形成的复合影响带，垂向延伸深度严格受断层控制，一般集中于-150～-800 m标高，破碎带厚度变化大，从几米到上百米不等，裂隙率多介于1.0%～5.0%，以破碎带的形式出现，钻孔单位涌水量0.087～3.04 L/s·m，渗透系数0.099～1.87 m/d，透水性、富水性极不均一。

2 破碎带治理

2.1 破碎带治理难点分析

结合马城铁矿地质条件，分析基建施工揭露各涌水点位置分布、涌水量等情况，参考勘探报告、补充勘探报告等试验数据，分析当前防治水工作还存在以下难点。

1)受马城铁矿地质条件特异性的影响，其构造裂隙发育杂乱且不连续，同时岩性成分更为复杂，在断层区域，受蚀变作用影响，广泛发育高岭土、绿泥石等粘土矿物，堵塞注浆通道，阻止浆液与岩体固结，大幅增加了注浆难度和降低了堵水加固效果。

2)3条断层破碎带及其影响带规模大，含水层范围广、静水压力高，达到5.4 MPa，水量大，该点位同一断层位置出现大于400 m3/h涌水，探水注浆钻孔施工过程中塌孔、卡钻现象较多，钻进困难，注浆时间长，消耗浆量大。

3)断层破碎带区域普遍发育高岭土等粘土矿物，造成裂隙连通性差，注浆时浆液扩散范围变小，速度慢，且浆液与岩体的胶结强度变差，顶板允许暴露时间短，安全风险高，掘进过程支护难度大。

2.2 治理思路

1)通过超前地质取芯钻孔，揭露掘进方向地层透水性情况以及破碎带厚度，推测破碎边界。

2)采取超前钻探工作，发现并预测涌水情况，现场揭露涌水后，采用水泥浆、水泥水玻璃混合浆液按设计的浓度和压力压送到岩层裂隙内，使其扩散、胶凝或固化，填补岩体中垮落洞及裂隙，达到注浆堵水和加固地层的目的。

3)破碎带经过注浆加固后，结合取芯情况分析，分析是否采用超前长管棚进行围岩加固，确保掘进安全。

4)确定掘进方式，控制掘进进尺和临时支护措施，结合现场岩层揭露情况及顶板自稳条件，确定永久支护形式和支护进尺，确保掘进施工安全高效。

2.3 破碎带探水注浆治理

治理破碎带位于3#副井-570 m水平联络巷(南)363 m处，巷道宽4 m，高4.67 m，为井下主要运输水平巷道，运输水平巷道整体服务大于15年，鉴于电机车运行要求条件高，在施工期间需进行加强支护，封水治理，确保巷道整体使用功能。

2.3.1 探水注浆钻孔设计

1)超前地质孔：2个(7#、15#)，分别位于巷道左邦腰线和右邦腰线以下。

2)超前探水注浆孔(兼顾超前支护)：19个(Ⅰ序孔9个，Ⅱ序孔10个)，因本巷道在掘进过程中巷道拱顶破碎带地层发生了严重冒落，为避免巷道顶部后期掘进施工中发生冒顶事故，巷道顶部布置9个探水、注浆孔(兼做超前管棚支护孔)，孔口间距0.57 m左右。

考虑到巷道左右边帮破碎地层情况对掘进影响，巷道左右边帮巷道腰线及以上布置4个探水注浆孔(兼顾支护钻孔)，孔间距0.75 m，钻孔孔号为5#、6#、16#、15#(15#作为取芯孔)。

巷道左右边帮腰线以下及巷道孔底钻孔布置8个钻孔，孔间距分别为0.9、0.72 m，钻孔孔号为7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#(7#作为取芯孔)，钻孔取芯后岩芯按序摆放并拍照保存。各类钻孔布置位置见图2、表1。

●表示Ⅰ序孔；○表示Ⅱ序孔；7#、15#两孔兼做超前取芯孔。图2 -570m探水注浆钻孔平面布置示意图

表1 -570m探水注浆孔设计参数一览表

3)检查孔：布置4个，其具体位置及方位角、倾角布置原则根据前两序孔探水孔地层、涌水量、注浆量情况布置。

4)注浆孔超前支护：因本巷道水头压力近6 MPa且破碎带地层分布范围较宽，需对此地层进行加固，钻孔达到设计孔深时在破碎段地层下入钢管，再注入水泥浆液固定，对探水、注浆孔及检查孔均进行超前管棚支护。

2.3.2 探水注浆效果

通过对该破碎带进行超前注浆治理，累计钻孔完成1 275 m，注浆水泥量288.85 t，进行了23个钻孔管棚支护施工，管棚支护长度759 m。探明了前方破碎带地层情况，施工过程中各项指标控制合理，检查孔施工后，单孔出水量小于1 m3/h控制标准，巷道掘进方向水量得到有效控制，具备掘进条件。

2.4 破碎带掘进支护施工

2.4.1 支护方式选择

结合取芯情况，掘进前方破碎带岩体破碎，含泥沙较多，结合现场揭露情况，按照分段治理原则，工作面363～374 m 采用喷射混凝土支护，374～376 m采用锚网+U型钢拱架+喷射混凝土联合支护，376.0～391.0 m采用锚网喷+U型钢拱架+钢筋混凝土联合支护。

2.4.2 掘进施工工序

1)掘进探水。此段掘进巷道已经进行长探和注浆封堵，按照短探验证原则，掘进前先进行短探工作，钻孔采用风动钻机，配5 m钻杆，孔径42 mm，按照规范要求不少于4个探水孔，在巷道顶板和两帮布置，钻孔全部涌水量小于1 m3/h时，可允许爆破掘进；若钻孔涌水或有承压水、岩石发生变软等情况，立即开始现场评估，并采取短段注浆措施。

2)超前短管棚施工。短管棚采用长度4 m，直径32 mm无缝钢管，角度控制在15°～20°，钻孔施工过程中严格控制好钻进角度；管头500 mm处缠麻，麻缠呈锥型，外露100 mm，从巷道帮开始依次将无缝钢管安装在钻孔内。采用水泥浆液，浆液比例1:1，封堵管棚注浆压力0.5～1.0 MPa。若管棚管内有涌水，需要进行注浆封堵，采用水泥浆液或者双液浆，水泥浆比例0.5～1:1，注浆压力控制9 MPa，在全部管棚注浆完成后，养护不低于16小时，恢复掘进施工。

3)爆破掘进。稳定岩层段巷道掘进采用常规光面爆破法进行施工。含砂破碎带段巷道，掘进根据岩性情况，采用爆破法和人工挖掘。为控制爆破震动，采取降低装药量进行控制，采取短进尺方式进行施工组织，炮孔控制深度单次不超过1.5 m，掘进进尺不超过1.3 m进行控制，采用全断面爆破方式进行爆破。爆破完成后要迅速进行巷道渣石清理，同步进行钢拱架底脚的开挖，为支护工序创造条件，减少巷道顶板暴露时间。

4)支护作业。掘进进入破碎带后，按照施工方案作业顺序，钢拱架间距控制在1 m，按照掘进4 m，进行3 m永久支护进行控制，即爆破掘进后，积极采取锚网支护及进行25U型钢架的架设，岩体为砂层等稳定性差时，可以按照钢拱架背网(背板)支护、锚杆、喷射混凝土施工，钢拱架支护4 m后，避免在破碎点位钢拱架之间岩体逐步垮落，造成巷道冒顶，再次引发出水。钢拱架支护完成后迅速转入钢筋混凝土浇筑工序，浇筑长度控制在3 m，采用双层钢筋，浇筑厚度400 mm。浇筑混凝土时，先铺设底板混凝土至标高位置，养护8小时后，底板混凝土凝固具备作业条件后，再进行底面以上墙部与拱部的混凝土施工。

2.4.3 施工效果

通过采取各种措施，从巷道掘进到支护的全过程控制，采取了巷道短段掘进，临时支护和永久支护跟进，完成混凝土浇筑15 m，实现了3#副井363 m破碎带位置的安全穿越。

3 结语

通过对破碎带取芯情况和揭露地质情况不断认知，针对破碎带高水压、高水量、含泥沙，非自稳条件巷道掘进总结出一套探水注浆加联合支护的治理方案，对破碎带治理取得了较好的治理效果，为类似工程治理点位提供了解决思路。

1)破碎带治理的关键是将破碎带内水源进行高压注浆后，有效将补给水源挤出巷道掘进和支护轮廓线以外，再行施工检查孔时要进行合理布孔，确保检查孔水量小于控制标准后方可具备掘进条件。

2)采取超前长管棚、短管棚联合支护方式，管棚进行注浆填充，可对注浆效果进行验证，同时具备再次加固围岩条件，使掘进巷道顶板具备了一定的自稳条件，针对极度破碎岩层固结有较好效果。

3)破碎带治理的关键是顶板稳定，顶板因承受高水压，顶板自稳时间段，岩石破碎，需要采取短段掘进，钢拱架支护，确保顶板安全后，而后采取短段钢筋混凝土砌筑支护，确保巷道后期永久使用安全。