CN109162731A - 铁矿区深部开采突水注浆治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供铁矿区深部开采突水注浆治理方法，本发明所采用的技术方案是包括深部节理裂隙型突水注浆治理、破碎带型突水注浆治理、井筒水害防治、关键孔群控制注浆技术、弱含水层强过技术。本发明的有益效果是能有效治理井下突水，防止矿区深部开采出现突水水害。
Description
技术领域
本发明属于铁矿深部开采技术领域，涉及铁矿区深部开采突水注浆治理方法。
背景技术
矿区深部开采过程中会受到围岩含水层以及基底含水层的影响，导致采掘过程中时刻面临水害的威胁，根据突水水源、致灾通道及突水点之间的位置关系，节理裂隙型突水一般具有以下两种基本形式：(1)直接揭露富水岩层中节理裂隙引发突水，井巷工程围岩即为富水岩体，直接揭露导水裂隙即发生突水。本矿区井筒施工过程中，自上而下揭露的李官组以及二青山组以及变质岩基底均为裂隙含水层，局部区域富水性良好，而节理裂隙是含水层中重要的地下水径流通道和存储空间，揭露后引发突水。(2)沟通承压含水层引发突水，井巷直接围岩为相对隔水性岩体，上部或下部存在大体量承压水体，在开挖扰动和水压力联合作用下，扰动裂隙与水力劈裂裂隙贯通，大体量承压水体与隧道开挖临空面沟通，引起突水。因此对开采区及周围的水文状况进行预警是必须的一项工作。需要通对铁矿区的地质条件的分析、矿区涌水特征的统计，需要对铁矿区深部开采突水进行治理。
发明内容
本发明的目的在于提供铁矿区深部井下突水注浆治理方法，本发明的有益效果是能有效治理井下突水，防止矿区深部开采出现突水水害。
本发明所采用的技术方案是包括节理裂隙型突水注浆治理、破碎带型突水注浆治理、井筒水害防治、关键孔群控制注浆技术、弱含水层强过技术。
进一步，节理裂隙型突水注浆治理包括
(1)分析裂隙空间展布特征、涌水水源及补给路径
开展井下地质调查工作，查清涌水裂隙走向、倾向、倾角等产状特征以及隙宽、裂隙间距信息；利用水力连通试验确定涌水区地下水水力补给方向，确定涌水水源及涌水补给通道；
(2)圈定注浆治理重点区域
选取适宜的物探手段对涌水区探查，查明主要通道及富水区，确定重点治理区域；
(3)浅层注浆加固/堵水
利用水化学分析及水力连通试验分析含水片区间的水力联系特征及涌水水源；综合地质调查、水力连通试验及物探结论，根据裂隙空间展布特征及水力补给特征布置浅层注浆钻孔，利用高早强速凝类材料实施浅层注浆加固/堵水；
(4)深部关建孔群注浆封堵
选择关键位置施作深部引流孔，浅层注浆加固/堵水结束后，利用引流孔实施涌水区深部关建孔注浆；引流孔数量根据涌水面积而定，选择在地下水径流的上游，由浅而深，分序注浆，逐步实现点-线-面的注浆封堵和加固。
进一步，破碎带型突水注浆治理包括
(1)采用地质与物探联合探查方法，查明破碎带地质环境
基于地质学方法及地球物理探查技术，查明破碎带空间展布形态及围岩完整性，判识致灾水源；获取致灾水源-破碎带特征-围岩等级的三位一体的综合探查信息；
(2)基于深部截源引排，实施浅部注浆加固
基于引流泄压原理，在围岩稳定区向致灾水源上游或破碎带深部地下水主要径流通道上施工截流钻孔，分流破碎带揭露处涌水量，减轻涌水区围岩荷载，防止注浆过程中围岩条件恶化而发生次生灾害，在深部截流孔基础上，利用对涌水区进行浅部逐层径向注浆加固，形成稳固注浆加固圈，浅层注浆加固采用高早强膏状堵水加固材料；
(3)强化支护条件以及实时监测手段，确保注浆安全
富水破碎带及影响范围区内岩体破碎、自稳能力差，注浆过程中无法承受过高的注浆压力，不利于岩体稳定和注浆安全，注浆前依据安全控制设计方法，对影响范围内的围岩进行支护加强，防止围岩垮塌；同时，注浆工程中，应对全过程中的涌水量及围岩变形量进行实时监测，并以这些数据指导注浆参数的动态调整，确保注浆过程安全进行；
(4)合理确定堵排比例，保障注浆加固体长期稳定
治理过程中根据注浆量、注浆速率、涌水量衰减值作为主要过程控制参数，以围岩变形收敛值及注浆压力作为主要安全控制参数，动态调整方案设计，注浆工程主体结束后，综合考虑破碎带充填介质岩性及结构特征、浅部加固圈强度及静水压力值，确定是深部引流泄压钻孔数量。
进一步，井筒水害防治包括
(1)依托井筒工作平台构建止浆垫，以突水点所在区域为重点施工超前探水钻孔；
(2)详细记录超前探水钻孔施工过程中揭露的地质资料及水文地质资料，分析工作面下方岩体完整程度、涌水位置、涌水量变化特征及水压变化特征，判断是否存在主干含导水构造；
(3)若工作面下方不存在主干含导水构造，则需对直接涌水区进行注浆治理，并利用超前探水孔补充注浆，提高注浆效果；
(4)若工作面下方存在主干含导水构造，需进一步圈定主干含导水构造范围，在此基础上进行注浆设计，注浆过程中实施跳孔多序注浆方式，并根据相邻钻孔涌水量及水压的变化规律及时调整注浆参数；
(5)含导水构造区经注浆堵水/加固工程，且经检查达到预定效果后继续井筒掘进。
进一步，关键孔群控制注浆技术包括
(1)通过涌水区域地质及水文地质条件分析，初步确定含导水通道位置；
(2)在井筒迎头工作面放射状均匀布设探查孔，根据钻孔涌水量、涌水深度及围岩情况基本确定含导水构造性质及规模，圈定注浆治理重点区域；
(3)在重点治理区域内施工注浆钻孔，详细记录钻孔揭露的地质及水文地质情况，确定关键孔；
(4)制定关键孔群注浆方案，并根据注浆期间其他钻孔涌水量及水压、水质变化特征，动态调整注浆速率、注浆压力及材料配比等注浆参量；
(5)将非关键孔注浆封堵，并施工检查孔验证注浆效果。
进一步，弱含水层强过技术是在副井马头门以上井壁设两道截水槽，通过水平粉矿回收巷道由主井侧为其排放分流水量，副井井筒得以强行穿过本段弱含水层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
1、节理裂隙型突水注浆治理；
(1)分析裂隙空间展布特征、涌水水源及补给路径
开展深部井下地质调查工作，查清涌水裂隙走向、倾向、倾角等产状特征以及隙宽、裂隙间距等信息；利用水力连通试验确定涌水区地下水水力补给方向，确定涌水水源及涌水补给通道。
(2)圈定注浆治理重点区域
选取适宜的物探手段对涌水区探查，查明主要通道及富水区，确定重点治理区域。
(3)浅层注浆加固/堵水
利用水化学分析及水力连通试验分析含水片区间的水力联系特征及涌水水源；综合地质调查、水力连通试验及物探结论，根据裂隙空间展布特征及水力补给特征布置浅层注浆钻孔，利用高早强速凝类材料实施浅层注浆加固/堵水。
(4)深部关建孔群注浆封堵
选择关键位置施作深部引流孔，浅层注浆加固/堵水结束后，利用引流孔实施涌水区深部关建孔注浆；引流孔数量根据涌水面积而定，选择在地下水径流的上游。由浅而深，分序注浆，逐步实现点-线-面的注浆封堵和加固。
2、破碎带型突水注浆治理；
井筒开凿或巷道掘进迎头揭露破碎带，若立即引起突水，则需在控制水情(如强行抽排，降低井筒内水位；或者埋设引流孔将巷道迎头涌水)的基础上及时构筑止浆垫或止浆墙，将动水转变为静水，随后开展工作面预注浆治理工作。
井筒巷道掘进迎头揭露破碎带，一段时间后引发滞后突水，治理难度增大，不具备变动水为静水的条件。基于这种情况，本报告提出“强化超前地质探测、深部截源引排、浅部注浆加固、围岩安全监控”的注浆治理方法，具体方案如下：
(1)采用地质与物探联合探查方法，查明破碎带地质环境
基于地质学方法及地球物理探查技术，查明破碎带空间展布形态及围岩完整性，判识致灾水源；获取“致灾水源-破碎带特征-围岩等级”的三位一体的综合探查信息。
(2)基于深部截源引排，实施浅部注浆加固
基于引流泄压原理，在围岩稳定区向致灾水源上游或破碎带深部地下水主要径流通道上施工截流钻孔，分流破碎带揭露处涌水量，减轻涌水区围岩荷载，防止注浆过程中围岩条件恶化而发生次生灾害。在深部截流孔基础上，利用对涌水区进行浅部逐层径向注浆加固，形成稳固注浆加固圈。浅层注浆加固采用高早强膏状堵水加固材料。
(3)强化支护条件以及实时监测手段，确保注浆安全
富水破碎带及影响范围区内岩体破碎、自稳能力差，注浆过程中无法承受过高的注浆压力，不利于岩体稳定和注浆安全，注浆前依据安全控制设计方法，对影响范围内的围岩进行支护加强，防止围岩垮塌；同时，注浆工程中，应对全过程中的涌水量及围岩变形量进行实时监测，并以这些数据指导注浆参数的动态调整，确保注浆过程安全进行。
(4)合理确定堵排比例，保障注浆加固体长期稳定
治理过程中根据注浆量、注浆速率、涌水量衰减值作为主要过程控制参数，以围岩变形收敛值及注浆压力作为主要安全控制参数，动态调整方案设计。注浆工程主体结束后，应综合考虑破碎带充填介质岩性及结构特征、浅部加固圈强度及静水压力值，确定是深部引流泄压钻孔数量。
3、井筒水害防治；
采取集超前探水、注浆堵水/加固、安全掘进为一体的井筒水害综合防治技术措施，确保井筒掘进顺利通过水害区段。
井筒掘进以检查孔地质资料为依据。施工过程中，往往出现井筒揭露涌水量明显偏大且涌水长时间持续的现象。实践表明，该现象可能是井筒揭露了与主干含导水构造具有水力联系的分支构造引起的。鉴于此类情况，不能单纯针对突水区进行注浆封堵工作，而应在查明前方水情基础上提出全方位适应性措施。采用以下步骤开展治理工作：
(1)依托井筒工作平台构建止浆垫(或利用天然有效止浆岩层)，以突水点所在区域为重点施工超前探水钻孔；
(2)详细记录超前探水钻孔施工过程中揭露的地质资料及水文地质资料，分析工作面下方岩体完整程度、涌水位置、涌水量变化特征及水压变化特征，判断是否存在主干含导水构造；
(3)若工作面下方不存在主干含导水构造，则需对直接涌水区进行注浆治理，并利用超前探水孔补充注浆，提高注浆效果；
(4)若工作面下方存在主干含导水构造(尤其需要注意的是富水破碎带)，需进一步圈定主干含导水构造范围，在此基础上进行注浆设计。注浆过程中实施跳孔多序注浆方式，并根据相邻钻孔涌水量及水压的变化规律及时调整注浆参数。
(5)含导水构造区经注浆堵水/加固工程，且经检查达到预定效果后，方可继续井筒掘进。
“探-注-掘”三位一体的井筒水害防治技术，通过在含导水构造揭露发生涌水的基础上，积极开展主干含导水构造的探查工作，确定主干含导水构造规模，达到井筒水害标本兼治目的，有效避免水清不明情况下井筒贸然施工造成的巨大损失。
2012年6月19日，会宝岭铁矿东风井井筒施工至井深119m(穿过石英砂岩含水层，进入页岩24m)发生涌水。根据井检孔地质资料，121.9m～158.25m为粉砂岩段含水层，预计最大涌水量为3.1m3/h，最大涌水量为9.3m3/h，鉴于上段井筒施工过程中井筒实际涌水量与井检孔地质报告提供资料偏差较大。经研究决定，停止工作面施工，进行粉砂岩段含水层探水作业及工作面预注浆治理工作。
探水孔设计5个，施工后均揭露涌水，涌水量3～1010m3/h，表明工作面前方粉砂岩具有一定的富水性。随即开展预注浆工作，根据井筒施工现状及井检孔提供数据，工作面预计距粉砂岩顶板2.9m，预留岩帽可满足工作面预注浆要求，采取不打混凝土止浆垫直接利用预留岩帽进行预注浆的方案。
本次注浆利用已施工的5个探水孔先行注浆，其后施工不同角度的新钻孔起到检查注浆效果和补充注浆的双重作用。后期实施的注浆孔最大涌水量3m3/h，单孔涌水量明显减小；经后续钻孔补充注浆后，检查孔实测用水量为0.6m3/h，单孔涌水量小于1m3/h，达到预定效果。
4、关键孔群控制注浆技术；
大量的工程实例统计和工程经验证明，在地下工程堵水中，真正起主要作用的往往是少数几个钻孔，这些钻孔揭露了地下工程主干含导水通道，具有良好的水力连通性，并对注浆效果起到决定性作用。这些钻孔称为注浆治理关键孔，它们构成的集合称为关键孔群。
基于矿区突水注浆治理工程实践，形成了突水治理的关键孔群控制注浆技术。由于工程的隐蔽性，关键孔群的确定是建立在对水文地质条件精细探查基础上。关键孔群控制注浆方法步骤如下：
(1)通过涌水区域地质及水文地质条件分析，初步确定含导水通道位置。
(2)在井筒迎头工作面放射状均匀布设探查孔，根据钻孔涌水量、涌水深度及围岩情况基本确定含导水构造性质及规模，圈定注浆治理重点区域。
(3)在重点治理区域内施工注浆钻孔，详细记录钻孔揭露的地质及水文地质情况，确定关键孔。
(4)制定关键孔群注浆方案，并根据注浆期间其他钻孔涌水量及水压、水质变化特征，动态调整注浆速率、注浆压力及材料配比等注浆参量。
(5)将非关键孔注浆封堵，并施工检查孔验证注浆效果。
注浆实施过程中，应根据含导水通道特征变化采用注浆材料(化学浆、水泥单液浆、C-S双液浆)以及注浆工艺(全孔注浆、分段下行注浆、重点区域控域注浆)的复合应用，并配合注浆速率与注浆压力的合理调整，达到控制注浆的目的，提高注浆效果。
2011年6月23日，会宝岭东出风井井筒施工进入砂岩段2m时(绝对标高+6m处)发生突水，涌水量达110m3/h，无法继续施工，需进行注浆治理。根据井筒施工揭露的地质资料，本次注浆确定泥岩与下部石英砂岩界面以及砂岩破碎带为主干含导水通道，并施工关建孔群。其中泥岩-砂岩界面处施工8个45度注浆钻孔，孔深15～20m，终孔进入到石英砂岩5～6m；砂岩破碎带施工4个17度孔，孔深22～27m。此外，辅以施工非关键注浆孔8个，分别为4个8度孔、4个0度孔，均进入下部页岩10m。各类孔分阶梯相互配合分段下行注浆。注浆过程中采用间歇注浆工艺，并根据井壁稳定性监测结果及时调整注浆压力，以避免井壁损毁。本次工作面预注浆历时2个多月，从45度孔、17度孔、8度孔、0度孔(检查孔)的打孔、注浆施工看，注浆达到预定目标。特别是止浆垫顶面往下22m范围破碎带堵水/加固效果良好。
5、弱含水层强过技术；
2009年7月18日施工至-612m时井筒出水，实测井筒总涌水量为57.9m3/h，凿井作业困难，作业循环时间是正常施工时的两倍，经筹建处组织研究和协调，在副井-601.7m马头门以上井壁设两道截水槽，通过-601m水平粉矿回收巷道由主井侧为其排放20m3/h分流水量，副井井筒得以强行穿过本段弱含水层。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.铁矿区深部开采突水注浆治理方法，其特征在于：包括节理裂隙型突水注浆治理、破碎带型突水注浆治理、井筒水害防治、关键孔群控制注浆技术、弱含水层强过技术。
2.按照权利要求1所述铁矿区深部开采突水注浆治理方法，其特征在于：所述节理裂隙型突水注浆治理包括
(1)分析裂隙空间展布特征、涌水水源及补给路径
开展井下地质调查工作，查清涌水裂隙走向、倾向、倾角等产状特征以及隙宽、裂隙间距信息；利用水力连通试验确定涌水区地下水水力补给方向，确定涌水水源及涌水补给通道；
(2)圈定注浆治理重点区域
选取适宜的物探手段对涌水区探查，查明主要通道及富水区，确定重点治理区域；
(3)浅层注浆加固/堵水
利用水化学分析及水力连通试验分析含水片区间的水力联系特征及涌水水源；综合地质调查、水力连通试验及物探结论，根据裂隙空间展布特征及水力补给特征布置浅层注浆钻孔，利用高早强速凝类材料实施浅层注浆加固/堵水；
(4)深部关建孔群注浆封堵
选择关键位置施作深部引流孔，浅层注浆加固/堵水结束后，利用引流孔实施涌水区深部关建孔注浆；引流孔数量根据涌水面积而定，选择在地下水径流的上游，由浅而深，分序注浆，逐步实现点-线-面的注浆封堵和加固。
3.按照权利要求1所述铁矿区深部开采突水注浆治理方法，其特征在于：所述破碎带型突水注浆治理包括
(1)采用地质与物探联合探查方法，查明破碎带地质环境
基于地质学方法及地球物理探查技术，查明破碎带空间展布形态及围岩完整性，判识致灾水源；获取致灾水源-破碎带特征-围岩等级的三位一体的综合探查信息；
(2)基于深部截源引排，实施浅部注浆加固
基于引流泄压原理，在围岩稳定区向致灾水源上游或破碎带深部地下水主要径流通道上施工截流钻孔，分流破碎带揭露处涌水量，减轻涌水区围岩荷载，防止注浆过程中围岩条件恶化而发生次生灾害，在深部截流孔基础上，利用对涌水区进行浅部逐层径向注浆加固，形成稳固注浆加固圈，浅层注浆加固采用高早强膏状堵水加固材料；
(3)强化支护条件以及实时监测手段，确保注浆安全
富水破碎带及影响范围区内岩体破碎、自稳能力差，注浆过程中无法承受过高的注浆压力，不利于岩体稳定和注浆安全，注浆前依据安全控制设计方法，对影响范围内的围岩进行支护加强，防止围岩垮塌；同时，注浆工程中，应对全过程中的涌水量及围岩变形量进行实时监测，并以这些数据指导注浆参数的动态调整，确保注浆过程安全进行；
(4)合理确定堵排比例，保障注浆加固体长期稳定
治理过程中根据注浆量、注浆速率、涌水量衰减值作为主要过程控制参数，以围岩变形收敛值及注浆压力作为主要安全控制参数，动态调整方案设计，注浆工程主体结束后，综合考虑破碎带充填介质岩性及结构特征、浅部加固圈强度及静水压力值，确定是深部引流泄压钻孔数量。
4.按照权利要求1所述铁矿区深部开采突水注浆治理方法，其特征在于：所述井筒水害防治包括
(1)依托井筒工作平台构建止浆垫，以突水点所在区域为重点施工超前探水钻孔；
(2)详细记录超前探水钻孔施工过程中揭露的地质资料及水文地质资料，分析工作面下方岩体完整程度、涌水位置、涌水量变化特征及水压变化特征，判断是否存在主干含导水构造；
(3)若工作面下方不存在主干含导水构造，则需对直接涌水区进行注浆治理，并利用超前探水孔补充注浆，提高注浆效果；
(4)若工作面下方存在主干含导水构造，需进一步圈定主干含导水构造范围，在此基础上进行注浆设计，注浆过程中实施跳孔多序注浆方式，并根据相邻钻孔涌水量及水压的变化规律及时调整注浆参数；
(5)含导水构造区经注浆堵水/加固工程，且经检查达到预定效果后继续井筒掘进。
5.按照权利要求1所述铁矿区深部开采突水注浆治理方法，其特征在于：所述关键孔群控制注浆技术包括
(1)通过涌水区域地质及水文地质条件分析，初步确定含导水通道位置；
(2)在井筒迎头工作面放射状均匀布设探查孔，根据钻孔涌水量、涌水深度及围岩情况基本确定含导水构造性质及规模，圈定注浆治理重点区域；
(3)在重点治理区域内施工注浆钻孔，详细记录钻孔揭露的地质及水文地质情况，确定关键孔；
(4)制定关键孔群注浆方案，并根据注浆期间其他钻孔涌水量及水压、水质变化特征，动态调整注浆速率、注浆压力及材料配比等注浆参量；
(5)将非关键孔注浆封堵，并施工检查孔验证注浆效果。
6.按照权利要求1所述铁矿区深部开采突水注浆治理方法，其特征在于：所述弱含水层强过技术是在副井马头门以上井壁设两道截水槽，通过水平粉矿回收巷道由主井侧为其排放分流水量，副井井筒得以强行穿过本段弱含水层。
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