超深竖井高压裂隙涌水注浆堵水技术及其风险管理

王静波，蔡兴健，杨建明*，王鹏鸣，于成相

(1.莱州汇金矿业投资有限公司； 2.长春黄金设计院有限公司)

引 言

随着地下资源的长期开发和利用，全球浅部、高品质的金属资源日益枯竭，千米级乃至更深的矿产资源深部开采已成为常态。国外采深在1 000 m以上的金属矿山已超过120座，尤其以南非、加拿大、美国、澳大利亚、俄罗斯、智利、印度等最具有代表性。例如：南非Mponeng、Savuka和TauTona矿山(被合称为West Wits)的深度都超过3 500 m，代表着深井采矿的最前沿，其中Mponeng 金矿开采深度超过4 000 m，是全球最深的金矿。据不完全统计，中国金属矿山以10～30 m/a开采速度下降，预计在未来10年内，将有三分之一金属矿山开采深度达到或超过1 000 m[1-2]，其中莱州汇金矿业投资有限公司纱岭金矿(下称“纱岭金矿”)主井为目前国内金属矿山在建的第一深竖井，井深约1 551.8 m；河南宝崟鑫金矿达到 1 600 m；吉林夹皮沟金矿达到1 500 m。

与浅部岩体相比，深部岩体地质环境具有高地应力、高岩温、高裂隙水压等特点，岩体表现出高度的非线性，其物理、力学、动力学特征存在显著空间变异性[3]，进而导致岩爆、塌方、高压水等灾害频繁发生，破坏强度急剧加大，严重威胁深部矿产资源安全开采[4]。其中，水害治理尤为显著，全国600余座矿山，约有47.5 %受水害威胁，最为典型的贵州赫章县铁矿曾5天突涌水总量达4.5万m3。根据已掌握资料，国内海滨区域金矿深部开采面临最大的挑战便是深部高压、高温、强腐蚀裂隙水的治理。因此，如何正确认识深部水害演化机制、精准识别风险因素，进而科学管理风险是深部开采目前及未来长期亟需研究的热门方向。

本文以纱岭金矿主井-1 214 m工作面涌水治理为背景，通过分析深部注浆堵水机理及现场注浆堵水施工工艺，精确识别高压裂隙水注浆过程中的主要风险源，据此提出针对性的风险管控措施，为纱岭金矿二期建设和类似工程施工提供参考。

1 高压裂隙涌水治理现状

在地下工程水害治理中，高压裂隙涌水治理最为困难。对此，国内外学者和一线工程技术人员从水源探测技术、注浆材料选择、注浆工艺、施工管理等方面进行了大量的研究。水文地质探测技术方面，主要有高密度电法、瞬变电磁法、地质雷达、高密度电阻法、室内物理力学测试法等[5-7]。注浆工艺方面，主要结合工程背景提出CCG注浆、高压劈裂注浆、稠水泥浆等新施工工艺[8-10]。张振峰等[9]针对千米巷道围岩裂隙闭合、渗透性差等特点，研发出高压劈裂注浆改性技术，其中包括新工艺、新材料、新设备研发。WITTKE等[10]采用低水灰比的膏状稳定水泥浆液(稠水泥浆)的注浆法。注浆材料方面有超细水泥、环保型脲醛树脂、水玻璃、丙烯酸盐新型聚氨酯、新型水玻璃-酯类等注浆材料[11-16]。李治国等[15]结合厦门翔安海底服务隧道F1风化槽预注浆堵水技术，深入剖析强腐蚀性水对注浆材料凝结时间和强度降低的影响。管学茂等[16]根据千米深井巷道围岩地质特点，研发出具有高渗透、高强度、高黏结性的高性能无机-有机复合注浆材料。

竖井涌水治理是一项系统工程，包括水文地质勘探、材料选择、注浆工艺、方案设计、安全管理等子系统，不少学者将其作为整体综合分析[17-18]。李文平等[19]根据深部水介质高水压特点，探讨了地应力场对地下水渗透性的作用机制，并提出了深部水害精准查治一体化关键技术。张霄等[20]将地质分析、探测技术、现场试验及实时监测等技术结合在一起，并在山东菏泽龙固煤矿水害治理中取得了显著治理效果。李海燕等[21]针对龙固煤矿主井深埋工作面预注浆研究，提出了地质分析、综合探测、设计理论、施工反馈的注浆设计理念，并取得了显著的治水效果。

综上，虽然学者们在水害治理方面已进行了大量的探索，但至今也没有形成一套完整的高压裂隙涌水治理技术及施工安全管理体系。

2 工程背景

纱岭金矿位于山东省莱州市，设计生产能力12 000 t/d，采用主井、副井、措施进风井和回风井开拓方案。主井井筒净直径为6.8 m，井口绝对标高19.0 m，井底标高为-1 532.8 m。矿区工程区域内大地构造环境复杂，构造以断裂为主，按其展布方向可分为北东向和近南北向2组。区域内有朱桥河和滚龙河2条河流分别从矿区南西部和中部通过。纱岭金矿现场主井、副井、进风井相对位置见图1。

图1 纱岭金矿现场概况

根据现场涌水量监测数据，各竖井出现最大涌水量分别为：主井57 m3/h，副井117 m3/h，进风井92 m3/h，回风井97 m3/h。本文以纱岭金矿-1 214 m工作面注浆为工程背景，根据地质资料，主井在垂深1 233.41～1 477.53 m段岩性为黄铁绢英岩化花岗岩，岩石裂隙发育，岩心整体较破碎，为弱富水性。掘进施工时充分考虑了注浆岩帽作用，继续向下掘进16 m后，在工作面-1 214 m处进行工作面注浆封堵裂隙水。

3 注浆段水文地质

3.1 工程地质条件

根据地勘资料：

垂深1 089.00～1 233.41 m为绢英岩化花岗质碎裂岩。岩石整体裂隙发育，岩心较破碎。线裂隙率5～10条/m，以与岩心轴夹角35°～40°，65°～75° 2组为主，裂面平直光滑，局部充填有碳酸盐岩。岩石以柱状、块状、碎块状为主，RQD平均值为41 %，岩石为坚硬岩，岩体较破碎。

垂深1 233.41～1 250.49 m为黄铁绢英岩化碎裂岩，呈灰白—灰黑色，变余碎裂结构。线裂隙率2～5条/m，以与岩心轴夹角80°为主。裂面平直光滑，弱富水性，岩石以长柱状、柱状为主，少量块状、碎块状，RQD平均值为74 %，岩石为坚硬岩，岩体较破碎。

垂深1 250.49～1 477.53 m为黄铁绢英岩化花岗岩，岩石裂隙发育，岩心整体较破碎。线裂隙率5～10条/m，裂面多平直，局部粗糙。局部裂面充填有碳酸盐、绢云母等蚀变矿物，以与岩心轴夹角30°和60°为主，弱富水性。岩石以柱状、块状为主，少量碎块状，RQD平均值为49 %，岩石为坚硬岩，岩体较破碎。

垂深1 089.00～1 477.53 m段岩石物理力学性质见表1，取出的岩心见图2。

表1 岩石物理力学性质

图2 不同层位岩心概况

3.2 工程水文条件

根据地勘资料：垂深1 089.00～1 233.41 m、1 250.49～1 604.47 m处的透水性、富水性随裂隙发育程度有较大变化，富水性不均匀特点显著。岩层经过多次构造变动，裂隙多为扭性、压扭性，裂隙闭合，连通性较差。因此，含水层的总体透水性、富水性弱，最大单位涌水量0.008 395 L/(s·m)，渗透系数0.000 543 775 m/d，属弱富水含水层。

垂深1 233.41～1 250.49 m位于焦家主干断裂带的中间部位，岩性由断层泥及黄铁绢英岩化碎裂岩组成。垂深1 233.41～1 233.46 m厚约5 cm，根据已掌握的资料，主裂面整体产状稳定，具有良好的隔水性，隔断了上下盘之间的水力联系。

4 高压裂隙水注浆加固技术

4.1 超深竖井工作面注浆特点

纱岭金矿主井-1 214 m工作面预注浆具有以下特点：①裂隙水分布随机、赋水不均匀，裂隙间连通性差；②注浆材料要求高。工作面埋藏深、穿越地层复杂，且在高地应力作用下裂隙压密、近乎闭合；③井下裂隙水具有渗透水压高、单孔涌水量大、富含氯离子、水温高等特点。现场测得主井 -1 460 m处渗透水压达到11 MPa，水温49 ℃，单孔涌水量超过80 m3/h；④注浆压力大。通常工作面注浆终压取静水压力的2～4倍，本次注浆终压取20 MPa。

4.2 工作面注浆加固机理

当竖井掘进至含水层时，含水层周围原岩应力场平衡状态被打破，导致该区域应力重新分布。在新的应力场平衡过程中，不同区域岩体出现应力释放或集中，使得原裂隙场愈加发育。这主要是因为在掘进扰动下原岩裂隙尖端会发生以下变化：①当积聚的应力达到岩体单元断裂韧度时，会出现新的微观裂隙；②当应力达到峰值抗压强度时，岩体内部微观裂隙贯通，形成宏观可见的裂隙。

工作面注浆是指往含水层中注入时变固化液体，通过注浆压力用浆液驱赶工作区域内裂隙水。同时，随着时间增加，浆液在裂隙场内凝固，形成网状骨架，黏结破碎岩体使其胶结成一个帷幕，达到封堵截断导水通道和加固岩层的作用。井筒堵水加固机理见图3。

图3 井筒堵水加固机理

4.3 注浆参数设计

4.3.1 注浆材料选择

本次注浆材料的选择，综合考虑了材料的可注性、凝固时间、耐久性、抗腐蚀性和胶结强度等，选择强度等级42.5普通硅酸盐水泥、1 250目超细水泥和环保型改性脲醛树脂化学浆作为注浆材料复合使用。其改性脲醛树脂化学浆由多元复合高分子有机液体(A液)和无机多元复合液体(B液)组成。

现场注浆施工时，先采用普通水泥进行注浆，封堵宽度较大的导水通道，当普通水泥浆无法注入或注入量少时，改用1 250目超细水泥。最后，在微裂隙和毛细裂隙注浆时浆液采用改性脲醛树脂化学浆。根据现场注浆效果，采用水灰比1∶2.5，1∶3，1∶5普通水泥和超细水泥时，吸浆液量小，注浆压力变化快，因此注浆材料以环保型改性脲醛树脂化学浆为主，其A液与B液配比为2∶1。孔口管加固采用BY12-IA型早凝早强高强注浆料(银白色)和BY12-7型瓦斯密封孔专用注浆料(橘黄色)混合的双液浆，其使用前水料比为0.27∶1。

4.3.2 止浆岩帽厚度

工程设计采用岩层作为止浆垫层(止浆岩帽)，防止注浆时出现漏浆、跑浆等现象。止浆垫层抗剪能力与其厚度关系为：

(1)

式中：B为止浆岩帽厚度(m)；p为注浆终压(MPa)；D为井筒荒径(m)；[τc]为岩石允许抗剪强度(MPa)。

根据工程经验，经计算,止浆岩帽厚度为8.9 m。

4.3.3 注浆压力

注浆压力是驱动浆液在裂隙中流动、扩散、充塞、压实的能量，是控制浆液距离的重要因素之一。一般工作面预注浆终压取静水压力的2～4倍。-1 214 m工作面探水时测得静水压力为8 MPa，故本次工作面静水压力暂定为8 MPa，注浆终压取静水压力的2.5倍，即20 MPa。

4.3.4 注浆工艺流程

井上浆液搅拌后经注浆泵、输浆管、注浆管进入受注岩层，其注浆泵为ZBYSB60/33-18.5型煤矿用液压式。在注浆孔钻到既定深度后进行压水试验，冲洗岩石裂隙中的充填物，提高浆液结石体与岩石裂隙面的黏结强度及抗渗能力。压水试验时，压力值控制在本段注浆终压，压水时间为20 min。根据压水试验测定的单位钻孔吸水量，确定注浆时浆液的起始浓度。

在注浆过程中，注浆压力变化分为初期、正常及终压3个阶段。当初始浓度确定后，根据注浆压力变化实时控制泵量，调整浆液浓度及胶凝时间等，使注浆压力平缓地升高，避免出现较大波动，直至达到注浆终压、终量，并稳定20 min以上。在结束本次注浆之前，需压注一定量的清水，冲洗管路中的浆液，注入量为输浆管路和注浆孔容积的80 %，然后关闭孔口球阀，卸开输浆管路冲洗。注浆工艺流程见图4。

图4 注浆工艺流程

5 工作面探水注浆效果分析

5.1 探水方案设计

本次基岩设计注浆段高为75 m，工作面共布置探水注浆孔24根。本次探水注浆分3次钻进，前两次为前进式分段注浆，第三次为检查孔，施工时采用2台钻机对角钻进。3次探水注浆钻进为：①埋设8根，分别为1#,3#,4#,6#,8#,10#,12#和14#；②埋设7根,分别为2#,5#,7#,9#,11#,13#和15#；③埋设检查孔9根,分别为16′、检1#、检2#、检3#、检4#、检5#、检6#、检7#、检8#。-1 214 m处工作面钻孔布置见图5。

图5 工作面探水注浆孔布置

5.2 第一次探水注浆

-1 214 m工作面第一次探水注浆孔深度与出水量关系见图6。以工作面为水平线，探水注浆孔钻进深度用负号表示。从图6可以看出：第一次探水注浆孔测得总水量为296.85 m3/h，单位深度出水量为3.158 m3/h。含水层沿埋深方向呈“右三角形”分布，在8#孔57 m处和12#孔58 m处测得最大出水量为65.40 m3/h，占总出水量44.06 %。

图6 第一次探水注浆孔深度与出水量关系

各注浆孔在不同层位测得各孔出水量总和的方位统计见图7。从图7可以看出：单孔总出水量最大位置分布在东偏南10°和南偏西10°，出水量分别为99.10 m3/h 和97.20 m3/h，其次分布在西偏北45°和东偏南45°，出水量在方向线上为20.00～22.45 m3/h，其余区域8.40～11.20 m3/h。综上分析可知，-1 214 m 工作面下-25～-100 m裂隙水分布具有随机性，不同区域分布不均匀。

图7 第一次探水注浆测得出水点方位

5.3 第二次探水注浆

-1 214 m工作面第二次探水注浆孔深度与出水量关系见图8。从图8可以看出：第二次探水注浆孔测得总出水量为171.93 m3/h，单位深度出水量为1.64 m3/h，测得最大出水量在7#孔50 m处，为43.00 m3/h。与第一次相比，出水量显著降低，而且出水点更加集中在-75～-90 m段，说明第一次注浆在较大程度上赶走了裂隙水并封堵。

图8 第二次探水注浆孔深度与出水量关系

第二次探水注浆测得各孔出水量总和的方位见图9。从图9可以看出：单孔总出水量最大位置分布在东偏北10°处，约为86.20 m3/h，其方位与第一次探水注浆在东偏南10°处测得的99.10 m3/h相当，说明裂隙水具有局部不连续性。

图9 第二次探水注浆测得出水点方位

5.4 检查孔探水注浆

注浆堵水属于隐蔽工程，通常采用钻检查孔法能够最直观反映注浆效果。检查孔布设一般遵循以下原则：优先考虑富水区域；检查孔数量应为注浆孔的3 %～5 %；测得的出水量应不大于5.00 m3/h。检查孔测得出水量统计结果见图10。从图10可以看出：检查孔出水量为1.00～2.00 m3/h，平均出水量为1.262 5 m3/h，表明本次注浆可以较好地赶走工作区域内的裂隙水，并在一定范围内封堵裂隙水形成帷幕。

图10 检查孔出水量统计

6 高压裂隙涌水注浆危险源识别及风险管控措施

6.1 注浆危险源识别

由于超深竖井工作面岩层地质环境复杂、注浆作业面积小、作业人员多、设备集中、电线管路多杂等特点，给井下安全生产带来极大威胁,主要安全风险有：

1)由于注浆工作面埋藏深，地质环境愈加复杂，使得前期地质雷达、瞬变电磁、钻孔揭露等地勘资料与实际岩层地质条件偏差大，使其降低了注浆段施工的科学指导性。

2)深部地应力大，裂隙宽度小、几近闭合，浆液可注性差，而且裂隙水压高，迫使注浆压力高(终压20 MPa)，需要更高的止浆垫施工质量。在生产中曾因传统注浆垫厚度设计不足，受注浆压力作用止浆垫出现上浮，注浆机失稳、跳跃。

3)深竖井工作面热源主要来自岩层温度、裂隙水温、机械散热及充填材料、油垢氧化发热等，容易造成井下作业人员体温调节、水盐代谢、循环系统等生理系统出现紊乱。同时，受高温影响，作业人员的中枢神经系统容易失调，导致精神恍惚、疲劳，进而诱发事故。

6.2 风险管控措施

根据施工中存在的危险源，提出相应的风险管控措施：

1)注浆施工设计阶段。根据工勘地质资料初步确定含水层分布规律，之后针对富水区域加密布置探水孔，准确判断含水层位置。探水孔兼作注浆孔，采用分段前进式进行注浆。当钻孔涌水量大于10 m3/h时，及时注浆后再扫孔探水，以防涌水量淹没工作面造成设备腐蚀。

2)有限空间内，合理布置设备台套，打破原有1台注浆机注浆模式，增加注浆机及辅助设备，减少人工注浆时间，增大本质安全保证。

3)充分利用吊盘中、下层盘，注浆孔施工和注浆同步进行，提高工作效率，减少工人井下作业时间，保证安全。

4)调整注浆工艺参数，合理选取孔深、注浆孔角度，形成合理的帷幕半径，提高注浆效果，减少倾角较大的注浆孔施工，确保安全。

5)结合地质条件，采用多钻孔、小压力的注浆方法解决了原注浆压力偏大且处在岩石不稳固地段造成压力上行串浆现象突出、后期破坏井壁等问题。

6)做好浇筑止浆垫之前井底疏导水工作，修通放射状导水沟槽形成锅底状汇水平面，避免止浆垫接触面质量差，导致承压不够进而引发事故。

7)加大作业面通风。由于工作面空间狭小，高温下环保型脲醛树脂材料热分解挥发，产生有害气体，可以通过加大通风降低工作面温度，确保工作人员体感舒适。同时，作业人员应佩戴防护装置，防止化学浆喷出伤害眼睛。

8)注浆时作业机械设备、器具等生根牢固，防止发生物体打击。例如，探水注浆使用潜孔钻机固定牢固，滤水桶、各钻孔法兰盘固定牢固，防止由于注浆压力及水压过大掀翻钻机或法兰盘导致伤人事故。

9)实时确保工作面条理整洁。作业现场敷设的电缆管线、设备设施等应做到规范整理，与主、副提吊桶升降位置保持安全距离，防止发生触碰。

7 结 论

1)结合钻探、物探、探孔取心、室内岩石物理力学试验等手段，初步揭露了含水层水源位置、含水量及裂隙场分布规律等，为注浆方法设计提供指导建议。

2)竖井埋深千米工作面采用前进式分段、分步注浆法进行堵水。注浆时，通过浆液对含水层进行挤压、劈裂和填充形成止水帷幕，将裂隙水驱赶至距竖井荒径外较远位置。同时，由浆液形成的主、次浆脉将地层裂隙黏结形成一个整体，进而加固地层承载能力。

3)埋深千米工作面基岩裂隙水具有高渗透压、强腐蚀性、高水温等特点，对注浆材料选择、止浆岩帽厚度、滤水层及施工工艺等具有更高的要求，有待于进一步实践优化研究。

4)预注浆治水效果显著。导水通道连通性差，第一次注浆前测得单孔某层位最大出水量为65.40 m3/h，第二次注浆前测得43.00 m3/h，检查孔测得1.00～2.00 m3/h，即第一次注浆堵水率达到34.25 %，第二次注浆堵水率可达96.94 %，基本确保无渗水情况作业，保证竖井掘进安全。

5)总结注浆施工实践发现，纱岭金矿滨海深层随着深度的增加，地质环境愈加复杂，浆液可注性大幅降低，工作面岩温水温增加，水质含有高浓度氯离子等，对安全注浆施工造成极大威胁，对此提出了有掘进必探、加大通风、机械设备防腐和生根牢固等措施建议。