某铁矿斜坡道下山掘进突水治理研究

曹玉涛,谷林林(河北钢铁集团滦县常峪铁矿有限公司,河北 滦州063700)

1 前言

为了避免采动影响,斜坡道设计位置多位于矿体外或矿区边界位置,但由于缺少钻孔资料参考,无法对工程前方地质条件进行准确预测,若在探水施工中未能揭露含水构造,容易发生突水事故。在建井初期,斜坡道承担着开拓工程的运输任务,是施工关键线路,针对突发涌水情况采取合理的处理方案可以快速治水,减小对工期的影响。

2 工程介绍

某铁矿采区斜坡道位于矿区东南侧,工程全长1 085m,下坡掘进,平均掘进断面面积为17.53m2,坡度为14.13%。主巷施工至486m 处时,突发涌水,平均涌水量300m3/h,峰值涌水量达到468m3/h。施工方立即撤离了人员和设备,并在距离硐口向下90m 处临时安装一台250m3/h 的潜水泵,使水位得到控制,稳定在距离硐口73m 处,巷道内积水量达8 100m3。

3 充水因素分析

工作面出水位置标高-132.8m,围岩属于单塔子群白庙子组黑云变粒岩和混合岩,根据矿区地质资料,该层上部为长城系大洪峪组石英砂岩,属于不整合接触,不整合面倾角与巷道基本一致,附近无控制的断层。在巷道施工至现工作面后方30m 处时,揭露石英砂岩层,初步判断为不整合面基底不平,存在突水安全隐患。施工方立即在该位置进行了45m 的超前探水作业,共施工5 个探水孔,涌水量均小于3m3/h,并进行了注浆封堵。在掘进施工至出水点位置时,穿孔爆破作业正常,通风45min后转入排险、出渣工序,此时巷道顶板位置有水涌出,水质浑浊,并在2h 内涌水量逐渐增大至200m3/h。据上述情况推测,工作面位置遇到构造裂隙,并且向上延伸距离较长,导通了基岩风化裂隙带或第四系地下水,地质构造预测如图1所示。

图1 斜坡道前方地质构造预测

因断裂构造发生时期较久,裂隙大部分已被钙质、泥质充填,在受到爆破扰动的情况下,充填物松动破坏,导致巷道突水,揭露巷道裂隙如图2所示。

图2 巷道揭露裂隙

为了尽快分析确定水源性质,对附近200m 内的钻孔进了分析,该区域内第三系隔水层完整,平均厚度大于30m,并且钻孔都进行了封孔处理,第四系水进入地下可能性不大。同时,对地表揭露的大红峪组石英砂岩层进行了地质调查,风化层内岩石水平和垂向裂隙发育,与钻孔资料描述有偏差,具备充水和导水条件。最终判断涌水主要来自基岩风化裂隙水,并且水量充沛,不适合强排疏干,需要先降水至工作面处,再进行注浆治水。

4 降水方案

排水管路选用HDPE 高密度聚乙烯管,内径150mm,每根长度6m,两端带法兰,可用螺栓快速连接。初期安装两条排水管路,分别布置在巷道两侧底端,水泵排水能力200m3/h,扬程100m,涌水直接排放到泄水井。在排水过程中,随着水位的不断下降,水泵要沿着水位下降的方向移动,排水能力下降,涌水量增加,需要增设水泵和管路[1]。

为方便水泵的移动,增加排水效率,矿方设计出简易浮船装载水泵,具体如图3所示。用角钢焊接制作框架,框架内放置1～6#六个油桶,前后两端捆绑7～10#四个油桶。浮船左右两侧放置水泵,使排水管路可以巷道两边布置,便于上下车辆和施工管理,且浮船人工向前推送的过程中,两条管路又起到把握方向作用。水泵的两个框架底部与水平成夹角a,夹角a 与斜坡道的平均坡度吻合,既保证了水泵出水口方向与排水管路走向一致,减少阻力损失,同时又能保证水泵进水口长期处于水面以下。当排水到477m 时,浮船搁浅,出水点露出,涌水量约为350m3/h,降水任务完成。为了方便止水墙施工,浮船拆除前要另安装两台水泵置于工作面附近,用橡胶软管连接,并焊制托架,用锚杆加定滑轮悬挂,方便以后拆卸[2]。

图3 降水用浮船设计

5 构筑止水墙

根据现场观察,距离工作面10m 范围内岩石结构比较完整,没有明显裂隙,选择此段地层构筑止水墙较好。根据施工经验及现场情况进行承压止水墙计算,选用抗剪理论计算止水墙

B=(P·S·λ)/([τ]·L)

式中:B——混凝土止水墙厚度,m;

λ——过载系数取1.2;

S——迎水面净断面面积,取17.53m2;

L——迎水面硐室净周边长,14.89m;

P——注浆终压,取4.5MPa;

[τ]——混凝土抗剪强度,取3MPa。

据计算B=2.1m,本次止水墙厚设计为2.5m,止水墙前后采用24 厚建筑砖砌墙中间浇筑C30 混凝土。

根据止水墙的设计位置和厚度,在巷道周边用风镐施工止浆墙构筑基槽。止浆墙段巷道底部基础槽深度0.4m 逐渐向下山方向变浅,巷道两帮基础槽帮迎水面方向扩帮分别0.5m,向后以10°的角度逐渐变小。挡浆墙宽度0.24m,采用黏土砖水泥砂浆砌筑,巷道周边开挖宽度0.55m 深度0.2m 的基槽。止水墙内埋设φ425mm 上端带法兰的盘虑导水管。止水墙内部填碎石至导水管上部0.1m,起到透水过滤作用。

止浆墙内部埋设注浆管3 根,其中1 根主注浆管放置在充填空间最前端出水口位置,并顶进出水口,另1 根辅助注浆管布置在充填空间中间段,最后1 根为排气口,布置在充填空间最高点利于排气。管路均为无缝钢管制成,焊缝要耐5MPa 的高压,按设计依次对其进行安装和加固,止水墙构筑如图4所示。此外,止浆墙施工结束前,要将浮船上拆除的水泵安装在在墙外,待养护完毕后拆除内侧水泵,打开滤水管阀门,在墙外排水。

图4 止浆墙各断面结构图

6 充填注浆方案

在止浆墙施工接顶前,需要向工作面投掷沙袋,尽量充满,可减小空区体积,节省注浆量和注浆时间。空区注浆利用7#管,压力控制在1.5～2MPa,稍大于静水压,采用P.O42.5 普通硅酸盐水泥,水灰比为1∶2。当排气管口流出浓浆后,标志空区填满,关闭排气口,结束空区灌浆。

根据地质条件推测,揭露的出水点为构造裂隙,导水性强,注浆主要以堵水,保障巷道安全通过为目的。若采用普通法注浆,因断层破碎带结构复杂,浆液难以扩散到理想状态,不能形成有效的堵水帷幕,会导致注浆工期长,费用增加。本次注浆采用预处理法注浆,即在注浆之前,先向8#孔内压注稀释的水玻璃溶液(浓度20～25Be),以提高浆液的可注性,然后注水冲洗注浆管,最后注入水灰比为1∶1的水泥浆。注浆压力应克服涌水压力和地层阻力,根据以往经验,注浆压力应为P=2～4MPa +P0(静水压力),此处静水压力为1.0MPa,注浆终压应大于大于3MPa。重复三次上述步骤后后,注浆压力逐渐上升,此时改为注单液浆,直至注浆压力达到4.5MPa,并且稳定时间超过1h,注浆结束。

为检验注浆效果,注浆结束后要继续施工注浆检查孔,长度超出出水点位置10m,沿止水墙四周均匀布置,不少于6 根,钻孔角度向外偏3°。检查孔施工时要对孔口管进行加固处理,并根据出水情况采取单、双液浆进行封堵,注浆终压不小于4.5MPa。

7 结论

充分考虑下山掘进的工程特点和充水条件,提出了一套浮船降水+多功能止浆墙+预处理注浆的治水方案,可有效降低治水费用,缩短治水工期,做到了科学治理、快速治理,对下山掘进巷道突水治理具有参考意义。