谦比希铜矿东南矿体竖井防治水共性与差异性探讨

王卫生

(铜陵有色金属集团铜冠矿山建设股份有限公司)

谦比希铜矿东南矿体竖井防治水共性与差异性探讨

王卫生

(铜陵有色金属集团铜冠矿山建设股份有限公司)

通过对赞比亚谦比希铜矿东南矿体第二含水层的分析，在总结各井含水层的共性和差异性的基础上，确定不同的钻孔与浆液参数。根据竖井工作面预注浆原理，制定有针对性的钻探注浆方案，穿过了总涌水量达300 m3/h的多个含水层，建成后全井残余淋水量均不超过35 m3/h，平均堵水效率达到90%以上，顺利完成了3口竖井的掘砌工程。

竖井掘砌 含水层 预注浆

谦比希铜矿位于赞比亚铜带省谦比希镇，东南矿体设计开凿主井、副井及南风井3口竖井，均采用现浇混凝土支护。主井井筒中心坐标X=15 188.3 m，Y=-10 750.0 m，井口混凝土面标高1 234.05 m，井筒深1 260 m，井筒净直径6.5 m，掘进直径7.3 m；副井井筒中心坐标X=15 288.3 m，Y=-10 750.0 m，井口混凝土面标高1 235.05 m，井筒深1 120 m，井筒净直径7.2 m，掘进直径8.0 m；南风井井筒中心坐标X=14 133.9，Y=-9 862.8，井口标高1 218.8 m，井筒深670 m，井筒净直径6.5 m，掘进直径7.3 m。

1 区域地质概况

3口竖井位于东南矿体西部相对贫矿区域，地层主要由第四系、穆瓦夏组、上罗恩组、下罗恩组组成，基底为斜长片麻花岗岩，侵入岩为辉长岩。矿区构造以层间滑脱褶皱构造为主。

(1)地层。矿区地层走向大致为北西向，地层沉积厚度南北较薄，主井一带较厚，北部较南部厚度大，至南风井穆瓦夏组全部缺失。第四系岩性主要为含砾黏土，厚1～20 m，由南向北厚度增加；穆瓦夏组岩性主要为泥质白云岩、泥质岩互层，厚200～250 m；上罗恩组厚450～600 m，岩性由上至下为具构造角砾的白云岩、含硬石膏的碎屑岩、燧石白云岩以及砂质板岩和白云岩互层；下罗恩组地层厚60～150 m，岩性由上至下为石英岩、泥质岩和石英岩互层、上层石英岩、矿化板岩、砾岩、含滑石白云岩，下盘石英岩、粗砾岩以及长石石英岩。

(2)侵入岩，主要为辉长岩。南风井23～159 m 见辉长岩,厚136 m；主井431～452 m见辉长岩,厚20 m。由于上罗恩组具构造角砾岩底部沉积有滑石层，区域基底不均匀隆起使该地层产生滑脱，厚层状泥质白云岩、白云岩发生褶皱破碎，局部发育宽大裂隙，辉长岩热液便沿裂隙侵入。南风井辉长岩厚度大，向北渐薄，说明辉长岩是由南向北呈岩盘状侵入。

(3)基底。斜长片麻花岗岩，灰白色，细-中粗粒结构，块状构造，略显片麻状构造，主要矿物成分为长石、石英，含少量黑云母等；长石，灰白色～肉红色，粒状，大小2～5 mm，玻璃光泽；石英，烟灰色，多浑园粒状，大小与长石相仿，断口油脂光泽；黑云母，黑色，片状细丝状。顶部古风化壳裂隙被泥质云母充填，局部变质为薄层片岩穿插于片麻岩中。

(4)构造。以卡富埃背斜隆起引起的两翼滑脱构造为主，对上罗恩组具构造角砾岩作用明显，使其破碎，并为辉长岩侵入提供空间。

2 水文地质概况

从目前掌握的资料看，3口竖井水文地质条件均较为复杂，含水层多且出现多层厚度不一的隔水段，涌水量大，深部静水压力高。井筒开拓期间施工条件较为恶劣，涌水对施工进度、施工质量及施工安全影响较大，局部可能发生突水危害。

根据竖井钻孔揭露含水岩组情况，结合东南矿体其他水文地质钻孔、地质勘探钻孔的对比分析，共划分为4个含水层：①第四系风化带裂隙潜水；②穆瓦夏组薄层白云岩溶蚀孔洞、溶蚀裂隙承压水,该层在南风井缺失；③上罗恩组具构造角砾泥质白云岩溶隙裂隙承压水；④下罗恩组上部石英岩、上层石英岩及基底古风化壳裂隙承压水。根据地质钻孔勘察资料，主、副井南风井的主要含水层为第二含水层，为穆瓦青组薄层白云岩溶蚀孔洞、溶蚀裂隙承压水。南风井主要含水层为第三含水层。

2.1 含水层层位、层厚及涌水量对比

3口竖井含水层位、层厚及涌水量见表1。

表1 各竖井含水层层位、层厚及涌水量

2.2 含水层类型对比

主井第二含水层岩性为薄层泥质白云岩与白云岩互层，岩层破碎，裂隙发育，含水量极丰富，为裂隙含水层；副井第二含水层岩性为泥质白云岩夹石灰质白云岩及泥质条带，该段岩层斜交错层理发育，中厚层状，层间轻微揉皱，发育溶蚀锈染孔隙，含水量丰富，为溶隙含水层；南风井第二含水层岩性为白云岩，呈浅红色，块状、粉末状，裂隙、溶洞处见有碳酸盐化，偶见少量角砾，角砾主要为泥质胶结物、方解石等，砾径0.6～1 cm，含水量较丰富，为裂隙、溶隙含水层。

2.3 含水层化学特征对比

2.3.1 主 井

主井第二含水层地下水化学类型为HCO3Ca-Na型，溶解性总固体、总碱度及总硬度含量中等偏低，抽水试验未见气体排出，pH值7.27，略显碱性。水中碳酸根、硫酸根含量很低。水中未见侵蚀性二氧化碳，对钢材和混凝土无腐蚀性。化学特征见表2。

表2 主井第二含水层化学特征 mg/L

阳离子KNaCaMgNH3TFe含量1.5740.490.618.3<0.5阴离子HCO3CO3Cl-SO4NO-3NO-2含量238<1.147.33515.42<0.004其他溶解性总固体总碱度总硬度pH含量7202384267.27

2.3.2 副 井

副井第二含水层地下水化学类型为HCO3Ca-Na型，溶解性总固体、总硬度含量中等，总碱度较低，抽水试验未见气体排出，pH值6.5，为中性水，但水中硫酸根含量略高，这可能与岩层黄铁矿化有关系。水中未见侵蚀性二氧化碳，对钢材和混凝土无腐蚀性。其化学特征见表3。

表3 副井第二含水层化学特征 mg/L

阳离子KNaCaMgNH3TFe含量3.0230.67412.3<0.01阴离子HCO3CO3Cl-SO4NO-3NO-2含量64<1.172520.70.06其他溶解性总固体总碱度总硬度pH含量374662786.5

2.3.3 南风井

南风井第二含水层地下水化学类型为HCO3Ca-Mg型，溶解性总固体含量低，抽水试验未见气体排出，pH值6.52，为中性水，水质较好。水中碳酸根、硫酸根含量很低。水中未见侵蚀性二氧化碳，对钢材和混凝土无腐蚀性。见表4。

表4 南风井第二含水层化学特征 mg/L

阳离子KNaCaMgNH3TFe含量2.4518.556.337.6<0.03阴离子HCO3CO3Cl-SO4NO-3NO-2含量64<1.1122652.40.03其他溶解性总固体总碱度总硬度pH含量10049426.52

3 防治水工程

针对3口竖井含水层赋存水量大、岩层破碎不稳定的情况，为了确保井筒施工的安全和质量，3口竖井掘进到含水层以上约10m时停止掘进，采用井筒工作面预注浆法治理井筒涌水。由于3口竖井含水层层位、层厚以及涌水量等特征存在差异，注浆方案设计和注浆参数设计也略有不同。就竖井施工而言，对于含水层的处理可以根据含水层的特征及涌水量的不同，分别采取地面预注浆与工作面注浆。就主副井来说，主要含水层的埋藏深度小于500m，第一含水层的埋藏深度很浅，第三及第四含水层的涌水量较小，主要含水层第二含水层的厚度较大，含水层间又有较多的隔水段。综合考虑该含水层的特征及井筒施工工艺以及工程所在地的技术条件，结合本公司的竖井防治水的技术优势以及业主对工程项目建设的总体安排，本着注重效果，确保安全，节约投资的原则，决定采取工作面深孔预注浆，预注浆掘进期间采用浅孔补充探水直接堵漏注浆。井筒砌壁后如涌水量超过规定，进行壁后注浆。

3.1 注浆方案

根据3口竖井井筒实际揭露的岩层及含水层特征，综合考虑实际施工探水注浆孔涌水情况，确定主井采用一次分层注浆，副井采用二次分解注浆，南风井采用一次全注浆。

(1)主井。第二含水岩层裂隙主要为层间裂隙，且局部为较陡倾的节理裂隙，该段含水岩层赋存水量极丰富。为了达到有效堵水的目的，确定36个注浆孔分层注浆，以使水泥浆液充分注入含水裂隙。在井深128m止浆垫上施工第一层探水注浆孔，设计钻孔深度15m，注浆孔数36个，待第一层注浆结束后开始第二层注浆，第二层探水注浆孔设计钻孔深度37m(包括对第一层注浆孔扫孔)。

(2)副井。第二含水岩层发育溶蚀孔隙且透水性良好，在140～160m有一相对隔水层。为了达到良好的注浆效果，对该含水层进行分解注浆，上部114～140m赋存水量较下部160～175m丰富，故确定第一次注浆孔数为48个，在井深105m止浆垫上施工设计钻孔深度35m；掘进20m后在井深160m止浆垫上施工第二次探水注浆孔，设计钻孔深度20m，注浆孔数24个。

(3)南风井。南风井第二含水层裂隙、溶隙发育，含水层层厚和赋存水量与主、副井第二含水层相比较小，故对该含水层进行一次注浆，在井深180m止浆垫上施工探水注浆孔，设计钻孔深度30m，设计注浆孔数24个。

3.2 注浆方式

工作面深孔预注浆为孔内分段下行式注浆，即打一段注一段，经扫孔复钻后继续钻孔注浆。这种注浆方式的最大优点是注浆效果好，每一段注浆都起到对上一段注浆起到复注作用；工作面浅孔探水注浆全孔一次钻进注浆。

3.3 注浆参数

3.3.1 注浆压力

根据GBJ213-90规定，注浆压力按照2～4倍静水压力确定。在实际注浆作业中，主井第二含水层第一层注浆压力为5～7MPa，第二层注浆压力为8～11MPa；副井第二含水层第一次的注浆压力为5～8MPa，第二次注浆压力为8～10MPa；南风井第二含水层注浆压力为6～8MPa。从3口竖井的注浆压力参数可以看出，主井与副井含水层水压较南风井大，说明主、副井含水层注浆难度较大。但工作面预注浆所选压力不宜过大，否则可能会破坏围岩稳定性，使注浆工作难度加大。

3.3.2 注浆浆液类型与配比

由于工程所在地的材料供应限制，3口竖井第二含水层的注浆浆液类型均为水泥浆液。根据3口竖井第二含水层的裂隙、溶隙发育程度和连通性，注浆浆液配比见表5。

表5 注浆浆液配比对比

3.4 注浆效果

钻孔检查注浆效果，检查孔数量4～5个。检查钻孔原则上布置在井筒东、西、南、北及中心，但是在实际施工时应根据各个钻孔的注浆情况综合分析。当发现某一部位的注浆存在问题时，还应在注浆效果最不利部位增加检查孔。

为了对3口竖井第二含水层的注浆效果进行直观地分析对比，3口竖井在注浆作业开始前、含水层段掘砌结束后，均采用淹井法实测整个井筒涌水量，3口竖井井筒涌水量对比见表6。

表6 井筒涌水量 m3/h

名称注浆前注浆后主井30035副井(第一次)25025副井(第二次)22030南风井12020

4 结 论

注浆结束后，3口竖井开始掘进作业，在实际揭露的含水岩层中可发现水泥呈块状、条带状充填于含水裂隙、溶隙中，井壁仅有少量出水且整个井筒涌水量在井筒排水能力范围内，成功地将地下水驱至井筒外围。

针对不同特征的含水层段选择合理的注浆方案，不仅关系到防治水工程的成败，对于井筒施工的安全、质量和工期等方面均有重要意义。

[1] 马 楚.浅析五沟煤矿三个井筒注浆工程技术[C]∥矿山建设工程新进展—2006全国矿山建设学术会议文集(下册).昆明：中国煤炭学会煤矿建设与岩土工程专业委员会，2006：96-98.

[2] 崔云龙.简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社,2000.

[3] 赵兴国.赞比亚谦比希铜矿床地质特征[J].地质与勘探,2010,46(1):183-190.

[4] 徐 宁.试论谦比希铜矿地下主含水层和副含水层的水力联系[J].现代矿业，2005(9)：19-21.

2015-01-20)

王卫生(1970—)，男，副经理，高级工程师，244000 安徽省铜陵市北京西路29号。