沂南金矿开拓工程探治水方案探析

摘要：沂南金矿地处沂沭断裂带，区域内断层发育良好，富含丰富的地下水。各种段开拓工程中都有一定规模的突发性涌水出现，对井下设备和生产安全构成了极大的威胁。现沂南金矿金龙分矿副井六中段正施工开拓工程，该工程上部中段在开拓中受FN16、FN17断裂带及地表铜井河影响都出现过不均衡涌水。现针对该中段开拓工程实施探治水方案研究。

关键词：裂隙断层；超前超前坑内钻；防治水

中图分类号： C93 文献标识码： A

引言

沂南金矿是一处开采近五十年的老矿山，属于矽卡岩型含金铜多金属矿床，矿区内水文地质条件为中等复杂程度，坑内日排水量为9642～12008m³， 尤其是铜井汞泉东区矿床，长期受地下水影响。

矿床内地下水主要是受断裂构造破碎带控制，其补给来源主要是矿床西南面的区域地下水和断裂构造水，通过对地下水的化学分析、水位的观测和抽水试验，结合地表水和地下热水与矿床地下水的关系，基本查清了矿床水文地质条件，断裂构造破碎带决定了矿区地下水的分布、赋存和流动规律。

针对金龙分矿副井六中段开拓工程中可能会遭遇的FN16、FN17断裂带及地表铜井河渗透涌水，进行先探后掘，边探边掘的方式向前施工开拓工程。每次超前探水深度70米，探水工作完成后，掘进距离60米，留有10米的安全距离。

一．水文地质概况

1.1 区域水文地质

(1) 根据岩性特征、地下水的埋藏条件、富水性，区内含水层基本上可分为三种类型：（见图1-1铜井矿田水文地质）。松散岩类孔隙潜水含水岩组、碳酸盐岩类夹碎屑岩岩溶裂隙含水岩组、变质岩及岩浆岩风化裂隙水。

图1-1 铜井矿田水文地质图

(2) 地下水补、径、排条件

松散岩类孔隙潜水含水层主要接受大气降水补给，碳酸盐岩类夹碎屑岩岩溶裂隙含水岩组以接受大气降水补给为主，沿地层倾向向下游径流，一部分地下水由于受岩体的阻挡、构造的控制，便成泉眼溢出地表；变质岩及岩浆岩风化裂隙含水层主要接受大气降水及第四系松散岩类潜水下渗补给，补给地表水。蒸发为其主要排泄方式。

1.2 矿区水文地质

(1) 矿床内水文地质分布情况

矿床东部FN21-FN16所组成的断裂构造破碎带内（见图1-2矿区断裂构造），该破碎带相对较复杂，岩层的完整性受到了严重破坏，岩石破碎，裂隙发育且各构造之间连通性较好，岩层被破坏的程度和胶结充填的程度都是很不均匀的，因而它的富水性和导水性也不均一。

图1-2 矿区断裂构造

(2) 坑内地下水的涌水来源

本区裂隙岩溶较为发育，大气降水极易渗入，地下水顺层由北向东南运动。一部分地下水运动至本区东部铜井矿田西侧，由于岩体阻挡，构造的控制，形成泉水溢出地表。另一部分地下水运动至断裂破碎带后，受破碎带控制，进入了矿田，形成了断裂构造破碎带控水条件

(3) 坑内涌水类型的划分

龙头旺矿床的涌水类型根据涌水量的大小可分为以下四种类型：正常涌水、 中、小型涌水、灾害型突水、断裂构造泥沙型溃水。

1.3预工作区域水文地质情况

在直达-250米中段主矿体2、3、6、7矿体途中及其附近赋存有FN17、FN16及铜井河地表水等多条新华夏系NE-NEE向的规模较大且极有可能富含断层水的断层及破碎带。利用超前坑内钻能探察含水层及含水构造、了解地下水的赋存情况，用以正确指导坑内的掘进工作。如不使用超前坑内钻施工探水超前孔，在掘进过程中接露出该含水层及富含断层水的断裂带时，突发的涌水将会对该中段人员设备造成不必要的损失，甚至对下部中段造成淹井事故。因此设计使用超前坑内钻施工超前超前坑内钻孔对设计开拓工程进行探水。

二．后期突发性涌水的治理方案

2.1 治水方案选择

本次设计，主要是为开采受水资源危害的2、3、6、7矿体，保证龙头旺矿床东区-250米中段开拓工程穿过强水构造破碎带施工的安全。因该区域矿体埋深377米，静水压力较大，且断裂构造发育、含水量大、导水性较好、补给水源充分。如前期通过超前坑内钻超前孔探水及探矿时，出现涌水，采用巷道疏干排水法无法达到疏干效果时。选择在开拓工程施工阶段采用 “深孔巷道注浆堵水”防治水技术措施，用高压注浆泵往探水钻孔内注浆，使浆液扩散到断裂构造内，以切断补给水源。

2.2 深孔巷道注浆堵水施工工艺

利用KD-150钻机施工开孔直径为42mm的注浆孔，安装长2.5米的注浆管，注浆管后端口加工成（1.2寸）G3/4″的丝扣以连接G3/4″的球阀，钢管上预留马牙然后用麻绳缠绕打入孔内进行封孔，注浆管埋入钻孔内2000mm，尾部外露长度50mm。首先在注浆孔内进行压清水试验，了解裂隙沟通情况，确定可注性。待确定可以注浆的前提下，先注稀浆（浆液浓度2:1），后注浓浆（浆液浓度0.8～1:1），增大单孔吸浆量。封堵注浆采用双浆液浆，水玻璃浓度为25 Be´～40Be´；水泥浆液与水玻璃浆液的体积比为1:0.5～0.7，当达到堵水效果后换孔注浆。注浆时要根据压力表表压适当调整注浆流量。注浆结束后当注浆压力达到2.0～2.5倍静水压力，并稳定15分钟后，方可停止注浆。如此反复，直至达到设计要求。根据注浆形式确定凝固期，全单液注浆需要3~7天。部分单液凝固期1~3天，全双液注浆需要8小时凝固期。

三．工程设计

3.1 扩散半径的确定

裂隙中浆液的扩散半径随岩石的渗透系数、注浆压力、注入时间的增加而增大，随浆液的浓度和黏度的增加而减少。据现场经验，开放性断层浆液平均扩散半径为10 m~15m，裂隙地层平均为4m~8m。本次设计取10米。

3.2 钻孔深度的确定

根据《矿山井巷工程施工及验收规范》有关规定，注浆孔的深度，应超过所注含水层10米。

3.3 钻孔设计原则

根据注浆扩散半径确定钻孔距主矿体最小间距15米，孔底远端最大距离20米。

3.4 工程位置的确定

工程位置设计原则：布置在受水资源危害矿体的来水方向；围绕着突水点由内往外和由稀至密分批布置；在突水点或断层带附近应适当加密堵水钻孔以便切断突水点补给来源；布置钻孔尽可能一孔多用，使之既是地质、水文地质勘探孔，又是试验孔、观测孔，同时还可作为注浆堵水孔减少注浆堵水孔数。

此次探治水钻孔设计在-250米中段东区主运巷主要来水方向施工钻孔。采用地质孔与探水孔与注浆孔三者合一的方法，做到高效利用，节约成本。（设计工程位置见附图）

3.5 注浆压力的确定

注浆压力对浆液的扩散影响很大，经验表明，随着注浆压力的提高，充塞物质的强度急剧增加，这就保证了充塞物具有足够强度和不透水性。在地下水流速大的情况下，应设法增加浆液的流动阻力，需降低注浆压力，故合理运用注浆压力是注浆的关键。影响注浆压力的因素很多，既有地质条件方面的，又有注浆方法与浆液浓度方面的，目前还没有一套完整准确的方法计算注浆压力的大小。比较合理的方法是通过注浆现场试验来确定，也可用下列经验公式计算：

P=(2-2.5)P1

式中 P― 最大允许注浆压力，Mpa；

P1―注浆段地下水静水压力，Mpa。

本次选择终孔压力不能超过4MPa。

3.6注浆设备选择：

该区域探水孔出水静水压力为1.8MPa，为保证注浆效果，选用注浆压力较大的电动注浆泵，将注浆压力提高到静水压力的2倍以上。选用辽宁省葫芦岛市葫芦岛海星机械制造有限公司生产2TGZ―90/140型双液调速高压注浆机（流量24-90 L/min，公称压力4~14MPa，电机功率11 KW，外形尺寸：长×宽×高 1700×800×1300；重 量1060 KG）；注浆管为4SH-32×45Mpa高压钢丝胶管。采用15m³/h立式水泥浆搅拌机，三个0.2m³储浆罐、一个0.4 m³蓄水罐。

3.7注浆准备材料

工具：注浆管长度2.5米（可根据工作面节理裂隙发育程度，加长注浆管）；采用φ42×4.5mm的热轧无缝钢管加工，。注浆管外端外壁车马牙扣，以增大与钻孔内壁间的摩擦力，缠麻丝。

材料：采用P42.5级普通硅酸盐水泥；中性水玻璃，模数为2.4～2.8，波美度40Be’； BR―CA型及BR―CE型防水剂。

注浆浆液参数：注浆浆液选用水泥浆和水玻璃双液，根据工作面实际情况，添加BR―C型防水剂，BR―CA型防水剂添加量为水泥用量的8%～16%。水泥浆浓度控制在2～0.7:1。开孔时使用15~20Be’的水玻璃，中间过程为25~30Be’，终孔时加浓到35~40Be’。水泥浆与水玻璃比例（体积比）C:S=1:0.7～1:1。根据现场情况据实调整水泥浆液浓度及CS比例。

表3-1水泥浆配比(重量比)

水 灰 比 水（升） 水泥(袋） BR-CA防水剂（kg）

开始注浆时 2:1 1000 10 50

正常注浆 1:1 500 10 50

0.8:1 400 10 50

封孔时 0.7:1 350 10 50

3.8 注浆量计算

注浆孔影响范围按照50m考虑，浆液注入量根据《矿山井巷工程施工及验收规范》中的公式进行计算：

Q=AπR2HnB/m

式中 Q――――注浆浆液消耗量，单位为立方米；

A――――浆液消耗系数，为1.2~1.5，取1.2；

R――――本次考虑扩散半径控制在10米范围内；

H――――注浆段影响范围（米），按照50米考虑；

n――――岩层平均裂隙率，为0.01~0.05，取0.01；

B――――浆液充填系数；为0.90~0.95，取0.90；

m――――浆液结石率，为0.85。

通过计算，每组注浆段需要的注浆浆液消耗量：

= 1.2×π×10×2×50×0.01×0.90÷0.85=199m³ 。

3.9 治水效果评估

在每一个注浆位置结束之后，待浆液达到凝固要求，在原位置及去水方向打检验孔，检验注浆效果。若水量明显降低，则说明注浆成功。若注浆前后见水量不变，则说明一次注浆失败，利用检查孔继续注浆，直至不见水为止。工程全部验证合格后，由沂南金矿工程验收组组织对工程进行竣工验收，验收表经双方现场签字确认后备案。

参考文献：

[1] 巴思恩，陈浩疏.热液矿床地球化学[M].北京：地质出版社，1984.

[2] 武汉地质学院. 钻探工艺学[M]. 北京：地质出版社，1981.

[3] 王凤春.沂南金矿钻孔水温地质勘察报告.北京：地质出版社，2011.

[4] 采矿设计手册编辑部. 采矿设计手册(地下水勘探卷)[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1987.

[5]GB16423-2006《金属非金属矿山安全生产规程》