贛南某鈾礦山充填井涌水治理方法

張志和

（核工業(yè)江西礦冶局，江西 南昌 330006）

我國硬巖型鈾礦主要表現(xiàn)為構(gòu)造控礦，礦體產(chǎn)狀陡傾，礦山多有構(gòu)造承壓水，對礦山工程和生產(chǎn)安全造成一定影響。特別是在礦山建設和生產(chǎn)過程中，地壓變化對圍巖產(chǎn)生破壞，導致巖體斷裂和裂隙發(fā)育，形成過水通道，使礦山涌水量增加。當涌水量超過井下排水能力時，可能發(fā)生淹井事故，同時也可能誘發(fā)其他次生事故。

本文介紹的某鈾礦山為我國南方主力鈾礦山之一，其3 號充填井于1994 年建成，是該礦充填系統(tǒng)的重要生產(chǎn)設施，主要承擔由地表向井下輸送充填料的任務。充填井通達地表，井筒上部為回填層和強風化層，構(gòu)造裂隙發(fā)育，地表水常年流經(jīng)充填料場地，形成對地下水的補給［1］。充填井井筒涌水量較大，經(jīng)過實地測量，涌水量旱季在18～24 m3·h-1之間，雨季在42～56 m3·h-1之間，大大增加了井下排水工作量。因近地表層巖體風化嚴重，破碎程度高，井筒鎖口段較短，在鎖口段下部形成了7 m×24 m 的倒三角塌空區(qū)，是井筒涌水的主要通道。由于井筒和坍塌區(qū)涌水較大，在充填井內(nèi)充填料中形成部分積水段，放料時經(jīng)常產(chǎn)生瀉料現(xiàn)象，嚴重影響生產(chǎn)安全。

由于1995 年該礦停產(chǎn)，礦山部門未及時對充填井涌水問題進行整治。2012 年該礦山生產(chǎn)技術(shù)改造工程項目建設期間，當?shù)赝唤当┯晷纬缮胶槁^充填井口，通過井筒充填料漏斗口和檢查井灌入到地下242 m 中段，淹沒中段水倉后，通過豎井井筒流向井底水倉，水位超過92 m 標高。當時礦山啟動應急預案，啟動了井底全部排水設備，并在242 m 中段增加了3臺水泵，提高井下排水能力，才避免了淹井事故的發(fā)生。因此，為了保證礦山生產(chǎn)安全，必須對井筒坍塌和涌水問題進行處理。

1 礦山地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)及地理條件

礦床產(chǎn)于花崗巖巖體的內(nèi)、外接觸帶，礦床的北東面、東面和南面均為花崗巖體，主要巖性為中粗粒斑狀黑云母花崗巖、細粒斑狀黑云母花崗巖。礦床內(nèi)出露的地層為寒武紀變質(zhì)巖系，主要巖性為石英砂巖、砂巖、粉砂巖、板巖和千枚巖。巖層走向為NEE-近EW 向，傾向SE，傾角較大。礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，主要為近NW 向構(gòu)造、近SN 向構(gòu)造和新華夏系構(gòu)造，鈾礦化與后兩者關(guān)系密切。

礦區(qū)地貌屬侵蝕構(gòu)造中低山形，形態(tài)多為“V”字型山谷，地形切割強烈，山系走向多為NE 向，山高坡陡。當?shù)貙儆趤啛釒駶櫦撅L氣候，4～6 月為雨季，年均降雨量1 434.3 mm，最大持續(xù)暴雨降雨量125 mm·d-1，日最大降雨量200.8 mm。由于地形陡峭，大暴雨時易引發(fā)山洪和泥石流等地質(zhì)災害，涌水事故風險高，對礦山安全構(gòu)成威脅。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

賦礦圍巖主要為斑狀黑云母花崗巖［2］，其次為石英砂巖和碳質(zhì)板巖。圍巖除構(gòu)造破碎帶外基本完整，結(jié)合其他工程地質(zhì)條件分析，礦山的工程地質(zhì)條件屬簡單類型。在開采和掘進過程中，當遇到構(gòu)造破碎帶和風化帶時，需要對構(gòu)造破碎帶和強風化巖進行必要支護。

含水層按其巖性和地下水的賦存特征可分為第四系孔隙潛水、基巖裂隙潛水和構(gòu)造承壓水。其中第四系孔隙潛水不發(fā)育，基巖裂隙潛水受構(gòu)造、巖性和地形控制，富水性不強，這兩組潛水對礦山地下水影響不大，影響較大的是構(gòu)造承壓水［3］。礦區(qū)的含水構(gòu)造主要是北東向構(gòu)造，也是礦床的主要含水構(gòu)造，構(gòu)造裂隙承壓含水帶的含水性不均勻，其透水性、富水性沿傾向和走向變化較大［4］。

2 充填井工程概況

3 號充填井地表場地位于礦區(qū)363 m 標高的山垇處，屬中低山地貌。場地利用地勘單位掘進的380 m 中段1 號探礦巷道廢石回填為主，部分填土堆填，將山垇沿山坡填平形成一個堆積量約4 000 m2的堆積場地。下部堆積較厚，平均厚度約6 m，適合充填料開采和堆積存放。

井筒地面標高為314 m，規(guī)格為2.5 m×2.5 m，充填井上井口用鋼筋混凝土鎖口，鎖口段9.7 m，規(guī)格為3.2 m×3.2 m，井口距242 m 中段底板72 m（圖1）。

圖1 3 號充填井剖面示意圖Fig.1 Sketch of filling shaft No.3

3 “修復3 號充填井”方案

為解決3 號充填井涌水問題，礦山和礦山設計部門經(jīng)過調(diào)研和現(xiàn)場踏勘，根據(jù)3 號充填井的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，在充分了解3 號充填井井筒坍塌現(xiàn)狀、井筒充填料存量及料面標高后，提出了“修復3 號充填井”工程治理方案。方案采用封堵井筒坍塌區(qū)、帷幕注漿堵水、山坡截洪溝工程等聯(lián)合治理措施，建設周期3 個月。

1）井筒坍塌區(qū)封堵工程

在242 m 中段溜放3 號充填井充填料，清理坍塌區(qū)浮石至正常巖石段，充填料面距井口34 m。分段在井筒的左右壁加固錨桿，錨桿頭錨入正常巖層，施工澆筑混凝土，然后回填廢石至坍塌區(qū)，直至接頂處理，最后封閉井壁坍塌區(qū)。清理塌方碎石和充填料共計158 m3，錨桿長度為40.6 m，混凝土工程量為47.44 m3

2）帷幕注漿堵水工程

按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》DL/T5 148—2012［5］要求進行施工，圍繞充填井口和井筒上段坍塌區(qū)布置鉆孔，鉆孔孔深超過原巖層或破碎巖層，下入灌漿管，自下而上灌漿，最后封閉孔口［5］。灌漿過程中，如果發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿等情況，及時查明原因采取封堵措施，采用低壓濃漿、限量、間歇性灌漿方法進行處理，漏漿量較大時可在漿液中摻入適量的速凝劑［6］。鉆孔工程量為1 518 m。

3）山坡截洪溝工程

3 號充填井上部山坡匯水面積較大，沿山溝修筑一條長度為220 m 的截洪溝，將地表水引出充填料場區(qū)，提高充填料井口標高高度2 m，預防山洪直接灌入充填井。

4 “修復3 號充填井”工程實施

4.1 井筒坍塌區(qū)封堵工程

做好技術(shù)交底，作業(yè)人員熟悉施工方案，掌握施工順序，提出工程質(zhì)量和安全生產(chǎn)的相關(guān)要求。施工過程中，加強技術(shù)指導和安全監(jiān)管，落實安全技術(shù)措施。施工前先將井口浮石、雜物清理干凈［7］，使用氧氣、乙炔氣割將井口鋼軌格篩拆除。井口四周設置防護欄，懸掛警示標志，搭好井口遮擋雨棚，井口周邊挖好排水溝，及時清除地表水。

在充填井口搭設起吊架，安裝提升設備。根據(jù)工程特點和井筒現(xiàn)場情況架設作業(yè)平臺，作業(yè)平臺隨工作面變化而調(diào)整。人工清理充填井井筒坍塌區(qū)，在242 m 中段漏斗口將充填料放出，料面標高273 m 停止，廢石量為158 m3。

調(diào)運設備、錨桿、水泥材料。錨桿材料為螺紋鋼，直徑25 mm。在充填井左右兩壁分12 段打錨桿孔插入錨桿，錨桿長度在1.8～4.2 m 之間，間距介于1.5～3.1 m 之間，錨桿孔用水泥封堵，錨桿總長度為40.6 m。然后分段澆筑混凝土墻，墻體厚度介于0.20～1.2 m 之間，混凝土量為47.44 m3。

混凝土墻施工時，每個分段完成后，使用吊桶運送充填料將塌空區(qū)充平。最后塌空區(qū)正上方鉆孔3 個，孔深約10 m，注入水泥接頂處理?；炷粮魤ν瓿珊?，將充填井大部分充填料放出，防止注漿時漿液流入充填井，造成充填料膠結(jié)，工程量詳見表1。

表1 井筒坍塌區(qū)封堵工程主要工程量Table 1 Main construction quantities of closing the collapsed area

4.2 鉆孔帷幕注漿工程

鉆孔帷幕注漿工程工藝流程為：鉆機就位→鉆孔→攪拌制漿→灌漿→閉漿→檢查→結(jié)束。在3 號充填井周邊鉆孔66 個，開孔孔徑100 mm，終孔直徑100 mm，按梅花樁布孔，孔間距為1 m，最深孔深低于表土回填層和井筒坍塌區(qū)底部標高，單個孔深介于10～34 m之間，總進尺1 518 m。開孔位置和終孔深度與設計的偏差不超過10 cm，鉆孔為垂直孔，其頂角偏差不超過1.5°。

采用一次性成孔后，使用普通攪拌機攪拌制漿，自下而上灌漿，成孔后下入灌漿管，灌漿采用全孔一次性灌漿，灌漿孔分兩序，按照分序加密的原則，采用純壓法進行，孔口用水泥封閉處理。主要設備及施工量見表2。

表2 鉆孔帷幕注漿工程主要設備和工程量Table 3 Main equipment and construction quantities of curtain grouting project

灌漿采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為425 MPa；灌漿用水滿足拌制水砼用水要求；漿液制備攪拌時間不少于3 min，漿液由稀變濃，逐級變漿，水泥漿液的水灰比采用2：1、1：1 和0.5：1 三個等級；灌漿時1 序孔壓力為0.7 MPa，2 序孔壓力為0.9 MPa；灌漿壓力達到設計壓力，注入率小于或等于0.4 L·min-1時，繼續(xù)灌注20 min 結(jié)束灌漿［8-9］；灌漿壓力保持不變而注入率持續(xù)較少，或注入率不變而壓力持續(xù)增高時，不改變水灰比；某一級漿液注入量達到100 L以上，或灌注時間達到1 h而灌漿壓力和注入率無改變或改變不明顯時，可加濃一級［10］（表3）。

表3 帷幕注漿工程主要技術(shù)指標Table 3 Main technical indicators of curtain grouting project

按照總孔數(shù)的10%布置檢查孔，本次布孔7個，檢查孔取巖心檢查巖心采取率和水泥交結(jié)情況。

4.3 山坡截洪溝工程

在3 號充填井上部充填料場地和山溝修建一條截洪溝，將地表水通過截洪溝引出充填料場地，排入下游排水溝。截洪溝長為220 m，斷面設計為等腰梯形，斷面尺寸為下底0.6 m，高0.8 m，坡度2：1。井筒井口施工鋼筋混凝土抬高高度為2 m，混凝土工程量為8.4 m3，安裝格篩，鋼軌規(guī)格15 kg·m-1，總重量為0.8 t，格篩網(wǎng)度為350 mm×350 mm。

4.4 涌水治理工程效果

治理工程按工程設計組織施工，嚴格現(xiàn)場管理，保證了施工人員人身安全和工程質(zhì)量。工區(qū)技術(shù)科在不同季節(jié)對充填井涌水量進行了測量，旱季在1.5～2.3 m3·h-1之間，雨季在3.1～4.4 m3·h-1之間，與治理前相比涌水量大大減少，符合安全生產(chǎn)要求。坍塌區(qū)封堵和帷幕注漿堵水工程起到較好的防涌水作用，山坡截洪溝工程亦有效減少了地表水對地下水和充填井的影響，總體治理效果達到預期目的。

5 結(jié)論

1）充填井井筒坍塌引發(fā)地下裂隙水和地表水涌入，導致礦井排水量增加，產(chǎn)生安全隱患?！靶迯? 號充填井”治理方案施工量小，投資少，治理措施成熟，操作簡單，建設周期短，安全條件好，具有針對性和可操作性；

2）建設的井筒坍塌區(qū)封閉工程、帷幕注漿堵水工程和山坡截洪溝工程，有效減少了地下裂隙水和地表水涌入量，其應用效果在實際生產(chǎn)中得到了驗證，保障了充填井的使用安全，該方案為類似礦山地質(zhì)環(huán)境中井筒涌水的工程治理提供了參考；

3）在礦山充填井地表選址的過程中，要充分考慮充填井所處的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和地形地貌條件，盡量避免水文地質(zhì)條件復雜、巖層風化嚴重和地表水影響較大的地帶。