矿山巷道突涌水害综合治理施工典型案例
发布时间:2024-06-15
矿山巷道水害综合治理——以昊华磷矿为例
张翔1，王向鹏1，李小辉2，何定桥2，叶长文3
(1.成都理工大学 地球物理学院， 四川 成都 610059；
2.成都理工博大工程科技有限公司， 四川 成都 610059；
3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都610059)
摘 要:昊华磷矿位于龙门山构造带东北部，板块运动强烈，地质环境复杂。矿山巷道掘进具有破碎带发育，围岩稳定性、不均匀性强等特点，涌水事故频发，治理难度大。针对昊华磷矿巷道内高压大流量涌水的情况，进行了相关的地质分析和水文分析，辅以地球物理瞬变电磁探测，对矿区内地下水的来源和通道进行了综合研究。在此基础上，结合注浆材料性能提升和工艺优选，对矿区注浆过程进行相应数值模拟分析，对巷道水害进行综合治理，取得了良好的治理效果，并在解决注浆过程中的围岩稳定性控制难题上取得较大突破，实现了过程安全控制和动态管理，为今后复杂地质环境下同类型矿山水害治理提供了技术参考和实践经验。关键词:矿山巷道;高压涌水;瞬变电磁;注浆堵水;水害治理随着我国经济的飞速发展，大规模基础建设带动了市场对矿石原料的需求，进而带动深部采矿业的发展。深部矿体开采将面临更加复杂的构造地质和水文地质环境，巷道掘进、矿体钻采施工过程突涌水事故频发，已经成为妨碍矿山安全生产的第一要害。2020 年 11 月，湖南衡阳和山西朔州煤矿分别发生重大透水事故，这两起事故都造成了人员伤亡，导致了严重的生命财产损失。如何进行突涌水事故的前期预报和灾害治理成为研究热点。在水害治理中，最主要的应用方法就是注浆堵水。针对复杂地质环境的突涌水治理，需要从注浆工艺、注浆材料、水体超前预报等多个角度加以研究[1]。目前，治理矿山巷道内涌水事故的方法和文献资料较多，李海燕等系统研究巨野矿区某深井矿山胶带巷断层高压涌水特征，进行疏水降压，使巷道周围含水层水压降至合理范围[2]；陶泽源针对地下水流动及含水层分析，采用“锚注法”对围岩、壁后进行注浆堵水，形成一个小范围堵水帷幕，治理效果良好[3]；李利平等基于大量煤矿断层突水案例，采用系统调查分析和归类统计的方法，研究充填型断层滞后突水的灾变演化机制，分析采动条件下断层形态、产状、充填性、导水性的变化及其对断层活化突水通道形成过程的影响[4]；薛国强等为解决巷道掌子面含水带病害快速有效探测问题，尝试把对含水带结构反应敏感的瞬变电磁法引入到巷道掌子面进行超前预报[5]；张庆松等针对巷道角砾岩破碎带，进行围岩变形和涌水量的动态监测，较好地解决了注浆过程中的围岩稳定性控制难题[6]。此次研究区位于龙门山构造带东北缘，板块运动剧烈，地质环境复杂，施工条件简陋，需要综合考虑多方面因素进行治理，注浆堵水技术难度大[7]。本文结合昊华磷矿燕子岩井底涌水治理工程， 在地质和水文分析的基础上，对矿段含水区域进行了瞬变电磁法探测。综合瞬变电磁法探测、矿山地质、水文地质等分析了巷道内涌水的来源及通道， 明确了治理过程的控制因素，并在注浆过程中辅以数值模拟分析，确保了涌水治理过程的安全和最终治理的效果。通过物探手段 定点注浆 径向注浆 局部防渗注浆等手段进行综合堵水治理，为未来复杂地质环境和强构造运动下的矿山类似水害治理工程提供了技术参考[8]。昊华磷矿1号胶带斜井施工至掌子面K1 573m 位置时，一直没有涌水的掌子面顶拱有两处（标高为814.11 m）出现大量涌水，突水量约450 m3/h，2台排水量为 100m3/h水泵一用一备运行作为其施工阶段的临时排水水泵。由于汛期连续降大暴雨，井底涌水量从初期 400m3/h涨到最高 1200m3/h，虽经全力抢救，但燕子岩矿段还是发生了淹井，对整个项目施工进度造成极大影响，故需进行堵水治理。昊华磷矿处于扬子准地台（Ⅰ）龙门山−大巴山台缘坳陷（Ⅱ）龙门山陷褶断束（Ⅲ）漩口坳褶束（Ⅳ）北东段次级构造——大水闸复式背斜南东翼[9]。以大水闸复式背斜为主的基底构造和 F1、F2 区域性断裂控制了龙门山陷褶断束不同地质历史时期的沉积构造、地层厚度和岩相变化及分布。深部接替工程 1号胶带斜井设计施工位于矿层顶板方向，透水位置处于二叠系灰岩地层内，在施工中发现巷道掘进入泥夹石内无法进行钻进，经初步判断为侵蚀面上部的充填溶洞，充填体干燥呈胶状，规模未知且周围有构造面。从开始发生涌水以前，1 号胶带斜井未有严重的透水现象。经过详细的水文地质调查，排除地下暗河、承压水因素。几天后突发透水，主要由于此前几天地表降水剧增，经山体渗透，导水断层、裂隙进入冲刷溶洞充填体，待冲开堵塞的泥巴后，地表水、裂隙水随之到来[10]。综上，1号胶带斜井涌突水形成机理如下：1号胶带斜井从 K1 573 m 开始往前为一构造破碎带，富水性好，天然条件下赋存了大量地下水，形成了一大型静储量含水构造。在岩溶水和水压的持续作用下，破碎带内的充填物质不断发生松散软化[11]。在暴雨后雨水由导水断层、裂隙进入冲刷溶洞充填体，导致地下水位升高、水压增大，同时斜井开挖为破碎带水体下覆松散体创造了滑移空间，高水压击穿堵塞的泥巴后形成涌水。涌水发生后，由于破碎带导水性好，地下水快速涌向斜井，造成地下水位降低。斜井涌突水形成，见图 1。为了进一步验证涌水灾害分析结果，掌握工作面前方地下水、岩溶分布等工程地质情况，对燕子岩矿段 1号胶带斜井及 2 号胶带斜井进行了瞬变电磁法探测[12]。瞬变电磁法是通过发射线圈或直线供脉冲电流，在法线方向产生一次磁场，一次磁场的传递经地质体产生涡流，涡流衰减过程会产生一个衰减的二次磁场，通过接收回线采集二次场，通过二次场可以反映地质体内部电性分布特征[13]。当按照不同的延迟采集二次场所产生的感应电动势 V（t），就可以获得二次场随时间变化的特征曲线，通过改变曲线体现地质体的特性。当地质体为良导体时，电流关断时，涡流衰减维持一定时间，当地质体为非良导体时，电源关断涡流无法维持，这也就是瞬变电磁法对低阻体敏感的原因。瞬变电磁法典型超前预报成果如图 2、图 3 所示。
1.2.2 测量结果
测量数据的反演结果表明，掌子面斜下位置、号胶带斜井左侧、2号胶带斜井前方均存在不同范围的低阻异常体。根据水文地质和构造地质结果，分析其异常主要为岩溶充水异常和小裂隙水。根据现场情况及测线结果推测，1号胶带斜井掌子面前方及靠近掌子面区域拱顶等20m 范围内含水较丰富；2 号胶带斜井右侧 10～30 m 范围内含水， 推测离测线起始位置 4～5 m、10～30 m 处存在夹层含水情况。
本次施工的流程为首先将表面散状流量的出水点封堵，然后加固深层围岩，使其形成一层防渗固结圈，最后对集中涌水点进行堵水治理。本项目拟通过多种物探手段 定点注浆 径向注浆 局部防渗注浆等手段进行综合堵水治理，并派遣注浆堵水经验丰富的专业施工队伍，结合堵水专用注浆材料，确保顺利达成指定目标[14]。注浆采用纯压式注浆，埋管和孔口卡塞相结合的方式。若钻孔遇到涌水时，立即停钻注浆。针对吸浆量大、长时间难以结束的注浆孔，采用间歇注浆，间歇 24 h 后扫孔复注。（1）孔位布置。本次工程治理中，采用了多排注浆，按照环间环内各分两序布置。施工时单排按照次序施工序孔。若前序孔施工完后涌水现象消失，可考虑减少后面序孔的施工，当两序孔施工完后涌水现象没有停止，则需要针对现场效果采用局部注浆法进行局部治理[15]。（2）钻孔参数设计。钻孔初步按照以下方式布置，注浆控制范围整体按6.0 m 考虑，孔距为1.0～2.0 m，排距为 2.0 m，孔深为 6 m，拱顶和边墙孔径为Φ50～90 mm，现涌水点部位按 8 m 孔深考虑，实际施工过程中可依据现场地质情况及涌水量，对注浆控制范围、布孔数量和孔深进行调整。使用 BD-NGC 水下不分散浆液（初终凝时间可根据现场调节）直接采用单液注浆，浆液水灰比0.6:1～1:1，施工工艺简单。主要参数如下。该浆液具有在水下不分散的特点，抗分散能力强，不易被水冲刷而造成浆液流失。同时凝结时间可调、初凝时间短、初终凝间隔短，早期强度上升快、后期强度高。材料价格虽高于水泥浆及水泥− 水玻璃双液浆，但浆液扩散范围可控，浆液不易流失，注浆效率高，能够大幅减少材料用量，提高施工效率和堵水成功率，经济效益显著。根据现场施工情况，掌子面漏水点 20 m 范围外或轻微渗水、涌水部位采用普通水泥浆液为主，掌子面漏水点 20m范围内或较大涌水、破碎带、断层等情况采用BD-NGC水下不分散浆液[16]。普通水泥浆液和水下不分散浆液分别如图 4、图 5 所示。
2.3注浆数值模拟
结合治理现场情况，用计算流体力学中的两相流理论对动水条件下的浆液扩散情况进行模拟，在数值模拟试验中做如下假定：
（1）假定试验模型的介质为渗透系数固定的各向同性介质；
（2）假定治理现场使用的注浆材料为宾汉姆流体，地下水为不可压缩的各向同性流体；
（3）假定注浆材料和地下水混合的空间为Darcy 两相渗流场，地下水的渗流方向统一，压力恒定。
本次数值模拟使用 Comsol 软件，使用 Comsol 中自带的多孔介质和地下水模块建立相关模型，并使用该模块下的两相 Darcy 定律物理场及流−固耦称合场进行求解，模拟结果如图6 所示[17]。
通过模拟结果可以看出，浆液在涌水渗流压力下，以注浆孔为中心呈圆环状由内向外扩散，扩散半径随着时间的增加而增大，注浆孔中心浓度颜色较深，且四周浓度相对较浅，一段时间后，扩散半径趋于稳定，此时浆液已经凝固，注浆治理完成[18]。
2.4施工及治理效果
根据数值模拟和地质情况，设计最大注浆压力为 1.5～2.0 MPa，单孔注浆量为 1.5 m3，注入率少于 1 L/min 时结束注浆。此次注浆设计消耗材料 420t，实际消耗水泥、BD-NGC 水下不分散材料 402 t；设计注浆孔总长 4250 m，实际完成 4320 m，可见通过数值模拟、材料优选、优化设计，并结合水文地质、构造地质，可以合理地指导注浆施工。
依据合同质量标准要求，单孔出水量不大于 6m3/h 则为满足要求，否则需进行补强处理，本次注浆效果检查采用钻孔检查法对涌水量和浆液的充填程度进行评价。结合工程水文地质资料和围岩情况，在薄弱环节布置检查孔，施工前，出水量约 400m3/h，经注浆堵水施工后，检查孔出水量＜1.0m3/h，远低于合同 6 m3/h 的出水量标准，堵水率达到99%以上。如图 7 所示，右侧为注浆前涌水水位，左侧为根据方案注浆后水位，达到了预期目标[19]。
（1）复杂地质环境条件下进行构造地质分析和水文分析，明确涌水区域的充水水源和查明斜井的充水通道，对研究斜井涌水危险性预测和评价有重要意义。（2）巷道内涌水区域瞬变电磁法探测结合地质综合分析，可为灾害区域超前预测和防止塌方、突水、掉块等提供保障。（3）巷道内注浆涌水封堵的关键是选用优质合理的注浆材料，适宜的材料能为解决复杂地质条件下的破碎带加固和动水封堵等技术难题提供帮助。（4）对注浆过程进行数值模拟，可对浆液凝固过程加以辅助控制，能够为巷道内涌水治理过程提供科学参考依据，从而有效解决治理过程中存在的安全控制问题。
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作者简介:张翔(1995—)，男，山东昌邑人，硕士，工程师，主要研究方向为地球物理勘探和环境工程。
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