隐伏铁矿床封闭不良钻孔井下止水技术及应用

李军 韩双元 韩文撑 支成龙 张伟 孟祥超 孟祥伟 尚振

摘要： 苍绎铁矿带会宝岭铁矿床为大型隐伏沉积变质岩型铁矿床，矿山涌水量大、排水成本高，且对矿山安全生产构成了威胁。治水前，矿山正常涌水量约530m3/h，其中已探明的封闭不良钻孔涌水量163.5m3/h，占矿山涌水的重要组成部分。本文针对封闭不良钻孔的涌水量、水压、充水水源等特征进行分析，首次在深隐伏铁矿床中提出了孔底点注浆、分段泄压注浆、截水墙注浆止水3种井下注浆止水技术，建立了隐伏铁矿床封闭不良钻孔井下注浆止水体系，并取得了较好的止水效果，对类似矿山的封闭不良钻孔的止水工作具有重要指导意义。

关键词： 封闭不良钻孔；孔底点注浆；分段泄压注浆；截水墙注浆；隐伏铁矿床；会宝岭铁矿

中图分类号：  TE822.01      文献标识码：  A    doi：10.12128/j.issn.1672  6979.2023.04.005

引文格式： 李军，韩双元，韩文撑，等.隐伏铁矿床封闭不良钻孔井下止水技术及应用［J］.山东国土资源，2023，39（4）：34  38. LI Jun， HAN Shuangyuan， HAN Wencheng， et al. Underground Water Stopping Technology and Application of Poorly Sealed Borehole in Concealed Iron Deposit［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：34  38.

0 引言

矿山水害是仅次于瓦斯事故的第二严重矿山事故，矿山一旦发生水害，小则导致含水层的破坏，增加矿山排水成本，重则造成人员伤亡害、造成巨大经济损失、导致生态环境恶化。矿山的主要水害类型有顶板充水水害、底板充水水害、封闭不良钻孔充水水害、导水断层充水水害、老空水溃入水害、地表水体溃入水害等［1］。

会宝岭铁矿床为大型隐伏沉积变质岩型铁矿床，该矿山治水前正常涌水量约530m3/h，其中已发现的封闭不良钻孔涌水量163.5m3/h，占矿山涌水的重要组成部分［2  3］。由于封闭不良涌水点位于矿床深部，排水成本高，且对矿山对安全生产构成了威胁，对其进行止水工作迫不及待。目前国内封闭不良钻孔止水技术手段多样［4  6］，但在隐伏铁矿床中尚未形成成熟的止水技术及体系。本次依托会宝岭铁矿水文地质补充勘探项目①，对会宝岭铁矿的封  闭不良钻孔进一步勘查研究，结合前人的封闭不良钻孔止水技术的基础上［7  10］，根据封闭不良钻孔的涌水量、水压、充水水源、工程地质条件等因素提出了针对沉积变质岩铁矿封闭不良钻孔的孔底点注浆、分段泄压注浆、截水墙注浆3种井下止水技术，建立了隐伏铁矿床封闭不良钻孔防治水体系。该技术体系已应用于本矿山并取得了较好的治水效果，也对其他类似矿山封闭不良钻孔止水工作提供技術参考。

1 矿山基本概况

1.1 矿床概况

会宝岭铁矿为苍峄铁矿带东段的重要组成部分，产于泰山岩群山草峪组变质岩地层中［11］，发育两条平行展布的主矿带，走向约282°，相向而倾，倾角75°～90°。矿床开采标高为+60m～  970m，开采方式为地下巷道开采。矿山于2012年投产以来，矿山已建成  60m、  130m、  340m、  410m四个  中段开采巷道系统和一个  430m中段运输巷道系统，矿山已开采至  410m中段。

1.2 含（隔）水层划分及富水性分级

矿区内含水层分为上部的盖层各含水层和下部的变质岩裂隙含水层。盖层含水层有李官组  佟家庄组砂岩类裂隙含水层和二青山组灰岩  砂岩岩溶裂隙含水层2个含水层［12］。主要隔水层有李官组的页岩、佟家庄组的页岩以及二青山组页岩相对隔水层。其中变质岩裂隙含水层为矿床的直接充水含水层，其他2个含水层通过封闭不良钻孔、断层破碎带间接对矿床充水（表1）。

1.3 各含水层之间的水力联系

各含水层之间主要通过封闭不良钻孔、断层破碎带进行水力联系，其次通过矿山斜坡道、天井等进行水力联系。其中矿床东部的F3断层、封闭不良钻孔为上部盖层沉积岩地层水与深部变质岩裂隙水的重要导水通道。

1.4 矿山充水分布

矿山开采后，各中段坑道系统均有不同程度的充水现象，其中  410m及  430m中段坑道系统充水量较大，约占总充水量的80%。尤其是封闭不良钻孔ZK3201与ZK2803均位于  410m中段。该两中段总充水量约400m3/h，涌水量大、排水成本高、防治水需求紧迫。其中已探明的封闭不良钻孔ZK3201充水量126m3/h、ZK2803充水量30m3/h。

2 封闭不良钻孔充水水源

会宝岭铁矿在早期勘查及后期补充勘探期间，共施工地质钻孔99个，由于早期封孔技术不够成熟以及后期开采中爆破作用的影响，部分钻孔揭露后出现涌水现象。目前矿山在  340m及  410m中段巷道掘进过程中共揭露3个封闭不良钻孔。

2.1 通过水压分析矿井充水水源

对ZK3201、ZK2803、ZK1201三个封闭不良钻孔进行水压（水头高度）测试，其结果见表2。从水压（水头高度）上分析，ZK3201、ZK2803封闭不良钻孔的水头高度高出  410m中段460m、340m，基本与盖层各含水层的水位标高基本一致，因此从水压上分析认为ZK3201、ZK2803钻孔充水水源主要来自浅部盖层各含水层；而ZK1201封闭不良钻孔的水头高度较低，说明与三部盖层水的水力联系微弱或无联系。

2.2 通过水化学特征分析矿井充水水源

一般来说，地下水由补给区到径流区再到排泄区，由低矿化度的重碳酸盐逐渐变化为矿化度较高的硫酸盐水或氯化物水［13  16］：即地下水由补给区到径流区再到排泄区，TDS、Na+、SO2  4、Cl  等离子的浓度会越来越高，HCO  3的浓度会因深部水中CO2含量的减少会越来越低。根据封闭不良钻孔水化学特征与各含水层地下水的矿化度、Na+、SO2  4、Cl  、Ca2+、HCO  3浓度特征进行对比分析：ZK3201封闭不良钻孔水中Na+、SO2  4、Cl  、HCO  3的浓度、TDS与浅部盖层的李官组砂岩  佟家庄组粉砂岩裂隙含水层和二青山组灰岩  砂岩岩溶裂隙的含水层中Na+、SO2  4、Cl  、HCO  3的浓度、TDS非常接近（表3）、而与变质岩裂隙含水层的Na+、SO2  4、Cl  、HCO  3的浓度、TDS大相径庭，说明水源主要来自浅部盖层的两个含水层。同样方法对ZK2803封闭不良钻孔水主要来源上部盖层的两个含水层，少量来源于变质岩裂隙含水层。

3 封闭不良钻孔止水技术及应用效果

本次在收集和研究前人封闭不良钻孔防治水的基础上［17  21］，针对不同封闭不良钻孔的出水量、水压以及水源不同，首次在深隐伏铁矿床中分析选取了孔底点注浆、分段泄压注浆法、截水墙注浆法三种注浆止水方式进行注浆止水，并取得了较好的治水效果。

3.1 孔底点注浆法

3.1.1 适用背景

孔底点注浆法主要适用于水压较小的封闭不良钻孔及其他出水点，该注浆封堵止水方法相对较简单，便于操作。  340m中段ZK1201钻孔出水量约7.5m3/h，水压0.5MPa，出水量及水压均较小，宜采用该方法。

3.1.2 注浆孔施工程序及材料选择

（1）打注浆孔。由封闭不良钻孔孔底向上打注浆孔，注浆孔孔深为2.5m，孔径76mm。

（2）下注浆管井进行固管。在注浆孔内安装注浆钢管，管长度2.5m，管壁厚5.5mm，管底安装2个孔口阀，其承受压力为38kg。

（3）安装注浆器进行注浆封堵。安装注浆器，采用注浆泵进行注浆堵水，注浆材料采用425#水泥。为了保障矿床的安全开采，注浆高度必须高出矿层高度5m。

（4）检查注浆效果复注。检查注浆效果，若有漏水进行反复注浆，注浆封堵完毕后经长时间定期观测，无水涌出再停止注浆（图1）。

3.2 分段泄压注浆法

3.2.1 适用背景

分段泄压注浆法主要适用于水压较大、出水量较大、容易跑浆的情况，该注浆封堵止水方法相对较复杂，需反复操作。  410m中段ZK2803钻孔出水量约50m3/h，水压3.4MPa，出水量及水压均较大，宜采用该方法。

3.2.2 注浆孔施工程序及材料选择

（1）注浆流程。对ZK2803采用分段泄压注浆措施，每次注浆前均施工一个泄压孔，该泄压孔也是下一分段注浆的注浆孔，注浆设计见图2。通过对一孔向上注浆封堵、另一孔返水泄压直至返浆凝固的步骤分段进行注浆封堵，每段注浆封堵的方法与ZK2803封闭不良钻孔注浆的方式（孔底点注浆法）相同。①0孔注浆→1孔返水泄压→至1孔返浆时停止注浆→注浆填体A完全凝固；②1孔注浆→2孔返水泄压→至2孔返浆时停止注浆→注浆填体B完全凝固；③2孔注浆→3孔返水泄压→至3孔返浆时停止注浆→注浆填体C完全凝固；④3孔注浆→加压注浆→持续注浆2t水泥后停止注浆→注浆填体D完全凝固。

（2）注浆材料。每次分段注浆与ZK2803封闭不良钻孔注浆的方式相同，均下注浆钢管固管，各孔均安装孔口阀控制浆体流出，注浆材料选择采用425#水泥（图2）。

3.3 截水墙注浆法

3.3.1 适用背景

该注浆法主要适用于出水点周边工程地质条件较好的环境背景。ZK3201封闭不良钻孔附近岩石为黑云变粒岩，通过现场调查，岩体完整性较好，裂隙发育弱，岩石饱和抗压强度67.4～128.2MPa，凝聚力7.1～38.2MPa，岩石力学强度高，具备截水墙注浆施工的工程地质条件。

3.3.2 截水墙设计

（1）截水墙厚度设计。现场测的水压4.6MPa，考虑安全因素，设计按5.5MPa计算截水墙厚度，公式如下：

S=r/［（k/p）-1］  （1）

式中： S —截水墙厚度（m）； k —截水墙的安全抗压强度，设计采用400号混凝土，其抗压强度为19.2MPa； p —封闭不良钻孔水压（MPa）； r —墙体圆柱内半徑（m）， r 取1.2B（B为巷道净宽度，m），现场测得为3.9m。将以上数据代入圆柱形墙体厚度计算得 S 等于1.88m。综合考虑安全因素，截水墙厚度取2m。

（2）截水墙其他参数。截水墙嵌入两壁及底板基岩0.5m、顶部采用锚杆锚固；墙体内部按0.3m×0.3m间距绑扎螺纹钢，螺旋钢管直径不小于Φ28mm；在墙上安置9根临时泄水管（注浆管），该临时泄水孔在截水墙施工期间、挡水墙凝固期间以及注浆期间起到临时泄水减压的作用；外漏1m并安装高压阀（图3）。

3.3.3 注浆孔施工程序及材料选择

（1）截水墙施工。按照截水墙的设计要求进行截水墙施工，施工过程中临时泄水管（注浆管）均处于打开状态，以便于施工。

（2）注浆施工。注浆前期先对墙体与两壁，底板围岩交接处进行加密注浆，以防止后期加压注浆过程中出现开裂跑水或漏浆现象。待截水墙完全凝固后采用高压注浆泵从临时泄水管（注浆管）进行注浆。注浆材料采用425#水泥。

3.4 应用效果

通过对不同的封闭不良钻孔采取孔底点注浆、分段泄压注浆法、截水墙注浆法3种注浆止水方式进行注浆止水，其治理效果见表5。

可以看出，3种注浆止水技术均取得了良好的止水效果，也减轻了矿山开采对盖层含水层的破坏。其中ZK3201封闭不良钻孔通过泄水管留设5m3/h的涌水量作为  410m中段施工用水，既综合利用了水资源，也缓解了封闭不良钻孔的水压对截水墙的压力。

4 结论

（1）通过水压测试、水化学成分分析，准确找到了封闭不良钻孔的充水水源及水头压力大小，为封堵止水技术方式选择及参数计算提供了重要的依据。

（2）首次在深隐伏铁矿床中提出了孔底点注浆、分段泄压注浆法、截水墙注浆法3种注浆止水方式进行注浆止水，取得了较好的治水效果，建立了一套系统的适用于类似矿山的封闭不良钻孔井下止水体系。

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Underground Water Stopping Technology and Application of    Poorly Sealed Borehole in Concealed Iron Deposit

LI Jun，HAN Shuangyuan，HAN Wencheng，ZHI Chenglong， ZHANG Wei，MENG Xiangchao，MENG Xiangwei，SHANG Zhen

（Lu'nan Geo  engineering Exloration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources），Shandong Yanzhou 272100， China）

Abstract：  Huibaoling iron deposit is a large concealed sedimentary metamorphic rock type iron deposit， with large water inflow， high drainage cost and a threat to mine safety production. Before water control， the normal water inflow of the mine is about 530m3/h， including 163.5m3/h of the water inflow of the discovered poorly closed boreholes， which accounts for an important part of the mine water inflow. In this paper， characteristics of water inflow， water pressure and water filling source of the poorly closed borehole have been analyzed， and three underground grouting technologies， namely， grouting at the bottom of the borehole， staged pressure relief grouting and grouting with water cut  off wall have been put forward for the first time in the deep concealed iron deposit， and the underground grouting water stop system of the poorly closed borehole in the concealed iron deposit has been established. It has achieved good water stopping effect， which has important guiding significance for water stopping of poorly closed boreholes in similar mines.

Key words：  Sealing bad drilling holes; hole bottom point grouting; sectional pressure relief grouting; grouting cut  off wall; hidden iron deposit; Huibaoling iron deposit