北洺河铁矿含泥砂溶洞置换注浆堵水技术

黄天瑞

（五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿，河北 武安 056300）

北洺河铁矿含泥砂溶洞置换注浆堵水技术

黄天瑞

（五矿邯邢矿业有限公司北洺河铁矿，河北 武安 056300）

北洺河铁矿属于典型的岩溶充水及含泥砂充填的复杂条件下的大水矿床。岩溶、裂隙发育，因受一系列张性断层影响，围岩极为破碎，风化蚀变严重，溶洞发育，含溶洞水及泥砂等，给井筒掘进造成极大困难。结合矿区开采现状，成功总结出北洺河铁矿井筒掘进溶洞置换注浆堵水施工技术，应用于工程实际，有效治理了水患，使井筒掘进基建主体工程得以顺利进行。

北洺河铁矿；注浆；水文地质；溶洞

北洺河矿区水文地质条件十分复杂。北洺河铁矿建设工程的首要关键工程是主井、副井、西风井及疏干排水系统的工程施工。在主井、副井、西风井、措施井等井筒施工过程中，由于遇到了罕见的复杂地质条件，在穿越厚达140多米的奥陶系石灰岩中，在不同深度的施工断面上遇到突然涌水，严重影响工程施工。情况最严重的是主井施工。主井实际揭露中奥陶统下段灰岩及大理岩厚达140m，主要岩性为结晶灰岩，大理岩、结晶花斑灰岩、角砾状灰岩、透灰石化大理岩等，岩溶、裂隙发育，整性差别很大。因受一系列张性断层影响，围岩极为破碎，风化蚀变严重，溶洞发育，含溶洞水及泥砂等。在主井井筒施工过程中，实际揭露出截面直径为0.1～4.7m大小不等的溶洞29个，曾6次出现大量涌水，造成1次淹井，溃入井筒的最大水量为210m3/h，给井筒掘进造成极大困难，淹井时间长达6个月。曾有专家作出由于水文地质条件过于复杂，水淹井筒可能无法恢复的预言。

面对严峻的困难挑战，进行技术攻关，成功总结出北洺河铁矿井筒掘进溶洞置换注浆堵水施工技术，应用于工程实际。于1997年7月至1999年1月，先后对石灰岩涌水段主井、副井、西风井、措施井进行注浆工程治水。其中主井进行6次工作面注浆，共施工止浆垫5个，注浆钻孔62个，钻孔总进尺2467.5m，注入单液水泥浆6079.33m3.共耗用水泥4958.8t，钻注时间累计350天，有效治理了水患，使井筒掘进基建主体工程得以顺利进行。

1 地质概况

北洺河铁矿位于河北省武安市上团城村北东约1km处的北洺河河床上。矿体赋存于奥陶系中统石灰岩与燕山期闪长岩接触带，属接触交代型铁矿床。矿体顶面赋存标高＋142～－403m，大部分处在地下水位以下。矿床顶板及其围岩为奥陶系中统石灰岩，厚度较大。以溶隙水为主、顶底板直接进水、靠近地表水体，属于水文地质条件较复杂的岩溶裂隙充水矿床。

矿山于1997年4月8日恢复基建，2002年4月8日投产。地下开采，无底柱分段崩落法采矿。目前已开拓至－230m水平，主要采矿部位在－110～－155m水平。

北洺河铁矿地下水属于邢台百泉泉域岩溶水系统。矿区处在北洺河－郭二庄－王窑－中关－邢台岩溶水强径流带上游，属于近补给区的径流区段［1］（图1）。

图1 百泉岩溶水系统略图

内岩溶地下水动态受降水量及人为开采量所控制，地下水动态特征为降水－开采型，表现为“集中补给、常年消耗”，地下水位呈阶梯状逐年下降的总特征。

1.1 技术基本原理

如前述，北洺河矿区垂深310～345m岩溶极其发育，被泥砂充填或半充填，且部分与奥灰水沟通。对于含泥砂溶洞，仅靠溶洞泥砂作阻水墙，强度大大不够，井筒越深，水压越大，泥砂外的水突破泥砂阻力涌入井筒的可能性就越大。在主井掘进首次碰到含泥砂溶洞涌水时，发现采用普通注浆堵水技术根本无法堵住溶洞涌水。经过深入分析和研究，提出含泥砂溶洞置换注浆堵水技术，其基本原理首先采用一定技术把溶洞里的泥砂放出，然后用水泥浆置换出溶洞内的泥砂，形成闭合帷幕，以此实现堵水目的。

1.2 注浆设计与施工

在主井掘进施工过程中，曾在不同深度不同地质条件下发生大小不同的涌水，先后采取过6次工作面注浆止水措施，分别不同的条件，实际共施工钻孔62个，累计施工进尺2467m，施工钻机选用KQJ－100潜孔钻，偶用KD－100型钻机配合使用，钻头直径为Φ130mm、Φ90mm、Φ65mm三种分别选用，钻孔结构，孔口管主要选用直径Φ108mm。仅第一次注浆孔为127mm。

钻孔采用无芯钻进，清水洗孔循环，给水量视钻孔涌水量确定，以排出岩粉为主，钻具丈量要求一定准确，各项原始记录要完整、清楚、准确，确定钻孔深度符合设计要求。

1.2.1 注浆孔设计

1）注浆深度的确定。根据井筒掘进中，遇到的实际问题，包括岩层特征，岩溶、裂隙等涌水特征、出水位置及工程目的综合考虑确定注浆深度。

2）注浆孔数的确定.根据溶洞发育情况结合注浆实践经验，适当调整开孔间距，按式（1）确定注浆孔数。

式中：N为注浆孔数；D为井筒净直径；A为注浆孔与井壁间距；L为孔间距。

3）钻孔径向倾角的确定。除直孔外，根据式（2）确定斜外径的倾角。

式中：C为斜孔在径向上与竖直轴的夹角；S为终孔位置在径向超出荒径的距离，取2m；H为注浆段高；A为注浆孔与井壁间距。

4）注浆方式。采用下列压入式注浆方式，利用两台YSB250－120型液力调速注浆泵注浆。每次注浆前先进行压水试验。测定注浆段的吸水量，同时检验注浆泵、各管路存在问题，确认完好后，按设计规定的注浆浓度、流量、压力进行注浆，当注浆结束后压水清洗管路，并养护6～8h。之后可作扫孔压水试验。耗水量大于20L/min时，仍需复注浆。直至耗水量小于20L/min，两次注浆间隔时间为18～24h。一般来说，复注浆比原来注浆的浓度略低，注浆流量控制略小。

1.2.2 注浆参数

1）注浆压力。设计注浆压力，一般为终孔静水压力的1.3～3.0倍，视注浆段高度调节。同一孔注浆压力的变化一般由低→高→低→高至终压。

2）注浆浓度。一般选用1.5∶1、1.25∶1、1∶1、0.8∶1、0.75∶1、0.6∶1等6种浓度，其中高浓度浆液用量最大。

3）注浆量。分单液水泥浆及水泥浆加水玻璃配置2种，后者增加速凝效果，提高初期强度。具体注浆量，视注浆目的要求而定。1.2.3 止浆垫与滤水层注浆

根据工作面岩性特点，止浆垫无法由围岩支撑。为此，在止浆垫与井壁接合处，刷出两道“u”型槽切口。施工止浆垫前先铺0.7m厚碎石，放置好滤水筒后，铺1.4m碎石滤水层，在滤水层上施工砼止浆垫。

滤水层注浆。在高压球阀上接无缝钢管，经快速接头与注浆高压管相联，利用地面注浆站YSB250－120型注浆泵对滤水层进行注浆。如止浆垫漏浆，先用双液浆快速加固止浆垫，对滤水层注浆原则是高浓度、低压力、小泵量。

1.2.4 孔口注浆管埋设

滤水层注浆结束后埋设注浆孔口管。按设计要求安装好钻机，用 Φ130mm冲击器钻进2.5～2.8m，埋设Φ108×4.5mm带法兰无缝钢管作注浆管，管长3.5m，管外壁车成马牙扣，以防注浆顶出，用1∶1水泥砂浆固管。埋设24h后，用风动注浆泵对孔口管试压，压力为5MPa，若管外漏水，注入水泥－水玻璃双浆加固，直到符合要求。

1.2.5 探溶洞与放泥砂

探测是否有溶洞和泥砂，主要是钻进时靠钻孔返水情况及钻进速度来判断。因此，要求当班工人及技术人员密切注意钻孔返水异常及钻进速度变化，若出现孔内返黄泥砂水或钻进速度突然变化，要及时停钻测量，准确记录溶洞位置。

若是钻孔下部有溶洞且充满泥砂，仅靠溶洞泥砂作阻水墙，强度大大不够，井筒越深，水压越大，对泥砂的压力越大，泥砂外的水突破泥砂阻力涌入井筒的可能性就越大。此时，必须考虑利用止浆垫打钻孔，用水泥浆置换出溶洞内的泥砂，形成闭合帷幕，方可保证井筒掘砌时安全。

溶洞内的泥砂必须放出，当钻孔内流砂在水压力作用下自然涌出且量大时，要安装两套高压球阀以防阀门关闭不严。当钻孔内见流砂而不能自然排出时，要采用压风洗孔或从相邻孔压水以排出溶洞内流砂。

2 技术要求及安全措施

1）确保砼止浆垫连续施工，砼强度按C30配制，并加入水泥重量3%的HT－2型砼早强剂减水，以增加止浆垫早期强度。

2）止浆垫凝固7d后，试块强度代表值大于150kg/cm2方可开钻。

3）所有注浆管路、管接头、三通阀门、逆止阀、压力表等均应做耐压试验，试压不小于8.0MPa，维持20min不渗水方可正常使用。

4）钻孔施工中维持220m3/h的排水能力。

5）使用YS5250/120注浆泵时，要装安全阀，施工人员严格按设计配制泵液，注浆施工要存备用水源。

6）钻孔揭露溶洞后尽量充分放砂，以利于溶洞内泥砂被水泥浆液充分置换。

7）注浆前工作面清理干净，注浆时设专人观察井壁，以防注浆挤裂井壁。

8）严格按要求配制浆液浓度。

9）钻进及注浆过程中，技术员必须及时、准确、详细记录和收集多项原始资料，以备查考。

10）加强安全教育，模范执行各项安全规程，防止各类事故的发生。

3 注浆效果分析

主井掘进工程中，通过工作面前后6次注浆堵水，使得极为破碎的闪长岩层得以固结，并具一定强度，使井筒掘进能顺利通过破碎的闪长岩段；对于断层破碎带、岩溶或溶洞充水、流砂和涌水地段，通过注浆治理，排砂堵水、溶洞充填等，使井筒掘进顺利落底，最终成功地通过了含大量溶洞，流砂等恶劣地质条件的厚大石灰岩层。和主井工程一样，应用注浆堵水也同样使副井、西风井、措施井等复杂地质条件下掘进工程均已成功顺利地完成，从而保障了北洺河铁矿主体工程的建设工期。

通过井筒掘进工作面注浆堵水工程攻关的实践，可以得到以下结论：对于含溶洞、流砂涌水地层注浆，必须考虑针对重点地段，密集布孔，注浆参数设计时要使注浆孔的深浅结合、径向倾角大、小结合。必须最大限度的充分地置换流砂，钻进时要有防喷（喷水、喷砂）设施、采用高浓度、低压、多次注浆等方法，方能取得成功。同时，由于含岩溶、流砂地层复杂和未知，矿井掘进时要先探后掘，才能确保工程质量。

4 结论

针对含溶洞、流砂涌水地层，可采用探溶洞、置换流砂的注浆方法，能有效治理水患，使井筒掘进工程得以顺利进行。

［1］叶和良，郝美钧，张永交，等.河北省武安市北洺河铁矿坑道降水疏干试验总结报告［R］.石家庄：华北有色地质勘查局517大队，2002.

Contains sediment cave replacement as grouting technology in minmetals Hanxing mining Beiminghe iron mine

HUANGT Tian－rui
（Minmetals Hanxing Mining Beiminghe Iron Mine，Wuan 056300，China）

Beiminghe iron ore deposit in waters under complex conditions are typical of karst waterfilled and contains sediment filling the.Karst，fractured，due to a series of extensional faults affect surrounding rock is very broken，weathered severe alteration，cave development，with cave water and silt，etc.，to the wellbore driving causing great difficulties.The present situation of mining，construction technology successfully summed Beiminghe Iron Shaft excavation cave replacement as Grouting，applied to engineering，effective management of the flood，the main wellbore tunneling infrastructure projects can be carried out smoothly.

Beiminghe iron；grouting；hydrogeology；cave

黄天瑞（1963－），男，本科，1984年毕业于广西桂林冶金地质学院矿产普查与勘探专业，高级工程师，主要从事矿山地质工作。E－mail：1298315618＠qq.com。

TD853

A

1004－4051（2014）S2－0074－03

2014－08－08