邸翔宇

(鞍山五礦陳臺(tái)溝礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114000)

0 引言

在豎井井筒施工過(guò)程中，作業(yè)場(chǎng)所往往是獨(dú)頭施工作業(yè)，常規(guī)性開(kāi)展超前探水工作顯得尤為重要。井筒突發(fā)大量涌水的威脅存在重大安全風(fēng)險(xiǎn)，如不積極開(kāi)展超前探水等工作，項(xiàng)目將會(huì)受到不同程度的損失，輕者停產(chǎn)實(shí)施排水，從而增加施工成本；重者發(fā)生淹井事故，對(duì)人員、設(shè)備的損害。因此積極嚴(yán)格按照要求，持續(xù)做好豎井井筒施工中的超前探水工作，才能夠保證井筒施工的本質(zhì)安全和整體質(zhì)量。某豎井井筒深度1 160 m，井筒凈徑8.0 m，屬國(guó)內(nèi)超大直徑深豎井，擔(dān)負(fù)進(jìn)一步摸清地下未探明隱伏礦體的形態(tài)、產(chǎn)狀、深度、規(guī)模、結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)量，取出有代表性的實(shí)物地質(zhì)資料，升級(jí)儲(chǔ)量級(jí)別，后續(xù)開(kāi)發(fā)利用任務(wù)。由于前期掌握地質(zhì)資料不全，水文情況不詳，依據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB16423-2006)、《冶金礦山井巷工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(YB4391-2013)》、《金屬非金屬地下礦山防治水安全技術(shù)規(guī)范(AQ2061-2018)》、《超深豎井施工安全技術(shù)規(guī)范(AQ2062-2018)》等相關(guān)要求，為確保豎井井筒施工過(guò)程中，井筒突發(fā)大量涌水引起安全隱患，施工前必須按照實(shí)施方案開(kāi)展超前探水工作。

1 水文地質(zhì)狀況

礦床位于山間谷地河流西岸階地地帶，為一大型的隱伏礦床，礦床范圍內(nèi)地面最低標(biāo)高為42.0 m，最高標(biāo)高為236.2 m，相對(duì)高差194.2 m，總地勢(shì)西高東低，坡度5°～25°。出露的地層巖性主要為第四系松散堆積物，基巖主要為太古代花崗巖(南側(cè)及北側(cè)超基性巖體已存在蛇紋石化、滑石化)、遼河群浪子山組千枚巖等。

1)巖土層的含水性

依礦區(qū)水文地質(zhì)條件，考慮礦床所處位置和地層、巖性分布情況及賦水特征，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，可劃分如下水巖組：

第四系松散巖類孔隙含水巖組(Qh-Qp)

①全新統(tǒng)沖洪積孔隙含水巖組(Qhal+pl)

分布于礦床東北部小河兩岸地帶。主要由碎石及砂礫卵石構(gòu)成，夾有不含水的粘土、砂質(zhì)粘土及弱含水的粘質(zhì)砂土，后者呈薄層與透鏡體存在。厚度變化范圍為10.80～43.48 m。地下水補(bǔ)給主要為大氣降水下滲補(bǔ)給與河流補(bǔ)給，垂向上對(duì)下部基巖風(fēng)化裂隙水存在互補(bǔ)關(guān)系，逕流條件一般或較好，以人工開(kāi)采和地下逕流形式排泄。

②上更新統(tǒng)殘坡積孔隙含水巖組(Qpel+dl)

分布于礦床西部山麓、微丘陵地帶，巖性為砂質(zhì)粘土及少量砂礫、碎石透鏡體，其分布形態(tài)和埋藏深度條件都極其復(fù)雜，厚度變化范圍為1.0～10.8 m，富水性弱。地下水補(bǔ)給主要為大氣降水下滲補(bǔ)給，垂向上對(duì)下部基巖風(fēng)化裂隙水存在互補(bǔ)關(guān)系，該類含水巖組與深部基巖裂隙含水巖組之間聯(lián)系微弱。逕流條件一般，以人工開(kāi)采或地下逕流形式排泄。

③塊狀與厚層狀巖類裂隙含水巖組(γ11、γ12、Arany、Ptlhl)

構(gòu)成礦床的主要巖性為鞍山群櫻桃園巖組綠泥石英片巖及條帶狀含鐵石英巖(磁鐵石英巖)層遼河群浪子山組千枚巖。外圍廣泛分布太古代花崗巖(構(gòu)成礦體直接或間接頂?shù)装?。針對(duì)鐵礦層而言，其頂?shù)装鍘r性多為綠泥石英片巖及碳質(zhì)千枚巖，但由于花崗巖侵入穿插也可能成為鐵礦層的直接頂?shù)装?，故無(wú)法嚴(yán)格劃分塊狀巖類和層狀巖類，二者均屬裂隙含水巖組，均含風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水，為帶狀或線狀分布，富水性、透水性很不均一。根據(jù)前期附近地表鉆抽水試驗(yàn)成果，單井涌水量<10 m3/d，鉆孔單位涌水量為0.001 3～0.006 7 L/(s·m)，平均滲透系數(shù)為0.001 1 m/d，說(shuō)明該含水巖組屬弱富水性。該類含水巖組補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和區(qū)域地下逕流，逕流條件一般，以人工開(kāi)采和地下徑流形式排泄。

④隔水巖組(Chph、Cph、Ph)

區(qū)內(nèi)相對(duì)隔水巖組巖性主要為遼河群千枚巖，分布于礦區(qū)東部，直接或間接覆蓋于基巖裂隙含水巖組之上。完整或相對(duì)完整的基巖，對(duì)第四系含水巖組和風(fēng)化裂隙水而言，均可視為相對(duì)隔水巖組?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)于同種巖性，除淺部風(fēng)化裂隙外，在內(nèi)應(yīng)力作用下，深部裂隙相對(duì)閉合或基本不發(fā)育，故深部基巖較上部可視為相對(duì)隔水層，但局部構(gòu)造發(fā)育位置除外。

此外，礦床西部有北東向斷層一條，其延長(zhǎng)近1 km，分布于太古代花崗巖體中；北西向斷層有二條，大致平行展布，延長(zhǎng)分別為1.1 km和0.5 km,位于蛇紋巖體與遼河群浪子山組地層接觸帶上；近南北向斷層(F1)位于花崗巖體與遼河群浪子山組地層接觸帶上，斷層傾向南西西，傾角60°～80°，延長(zhǎng)大于2 km。結(jié)合掌握的地質(zhì)資料，本區(qū)斷裂構(gòu)造從目前控制情況看，斷層與礦體間存在厚度較大千枚巖隔水巖組，斷層尚未對(duì)礦體造成直接影響。

2)地下水動(dòng)態(tài)

通過(guò)查閱資料，地下水動(dòng)態(tài)規(guī)律與區(qū)域上一致，即第四系地下水水位波動(dòng)幅度較大，約1～4 m，枯豐滯后期1～2個(gè)月；基巖地下水水位波幅一般小于1 m，滯后期為2～3個(gè)月。

2 方案確定

2.1 探水方案

實(shí)施超前探水處井筒巖石主要為風(fēng)化嚴(yán)重的斜長(zhǎng)角閃巖，泥質(zhì)千枚巖，解理發(fā)育，且整體性一般，軟硬交加，不規(guī)律，同時(shí)由于沒(méi)有地質(zhì)探孔，下部巖石情況只能在掘進(jìn)過(guò)程中探明。井筒現(xiàn)在總的涌水量約為4.5 m3/h，均為上部井壁淋水，出水部位主要集中在-279～-306 m段，下部沒(méi)有明顯的出水點(diǎn)。

為了進(jìn)一步探明-440 m以下井筒段及馬頭門(mén)的涌水情況，在施工過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)有出水征兆，如井壁掛汗，裂隙水增大，異常響動(dòng)等情況，先利用傘鉆套釬進(jìn)行長(zhǎng)探短掘，探孔深度為7 m，爆破深度控制在4.5 m以內(nèi)。在鉆探過(guò)程中，如果孔內(nèi)出水小，則繼續(xù)用長(zhǎng)釬短探的方法施工，要求每次技術(shù)人員都必須現(xiàn)場(chǎng)查看出水情況，另外，如果出現(xiàn)孔內(nèi)涌水較大，進(jìn)行工作面預(yù)注漿，以防突然涌水量增加引起安全事故。

2.2 實(shí)施參數(shù)

2.2.1 正常施工期間的探水設(shè)計(jì)

井筒在正常施工過(guò)程中，每炮都必須進(jìn)行超前長(zhǎng)探，探孔布置5個(gè)，即井筒中間1個(gè)，周邊均勻分布4個(gè)。鉆探結(jié)束后，如果沒(méi)有異常情況，則下一步正常掘進(jìn)施工；如果有出水情況，根據(jù)出水大小，轉(zhuǎn)入潛孔鉆機(jī)深孔探水，采用潛孔鉆機(jī)探水需設(shè)計(jì)探水段起止標(biāo)高。考慮到鉆機(jī)鉆探能力以及鉆進(jìn)效率，根據(jù)鉆孔涌水量大小，采取一次探全深或分段探注方式，遇特殊地層鉆進(jìn)效率低時(shí)，適當(dāng)調(diào)整鉆孔深度。

2.2.2 孔數(shù)

工作面鉆孔暫按4個(gè)布置(根據(jù)打鉆出水情況另行調(diào)整探水孔數(shù))，編號(hào)1#、2#、3#、4#，1#孔位于井筒西北方向、2#孔位于井筒東北方向、3#孔位于井筒東南方向、4#孔位于井筒西南方向，探水孔開(kāi)孔位置距離井筒內(nèi)壁0.6 m，均勻布置(充分結(jié)合當(dāng)時(shí)工作面探水及掘砌過(guò)程中揭露涌水情況，綜合布置)，采用徑向角外斜孔，終孔距井筒掘進(jìn)荒徑距離選取2.5 m。

2.2.3 探水孔施工順序

根據(jù)豎井施工過(guò)程中，作業(yè)面出水量狀況，確定實(shí)施探水孔順序?yàn)椋?#→3#→2#→4#，見(jiàn)圖1。

圖1 井筒工作面超前探水施工示意圖

2.2.4 預(yù)埋孔口管長(zhǎng)度

孔口管長(zhǎng)度7.5 m，為減少巖帽受壓，孔口管長(zhǎng)度取8 m，入巖7.5 m，但是可以根據(jù)巖石情況及施工難易程度，可以適當(dāng)減短孔口管長(zhǎng)度。

3 方案實(shí)施

3.1 前期準(zhǔn)備措施

根據(jù)方案要求，施工前期對(duì)設(shè)備和材料做好準(zhǔn)備工作，安裝鉆機(jī)前，將鉆機(jī)操作臺(tái)設(shè)置在工作面，鉆機(jī)平臺(tái)用Ф108 mm鋼管與20槽鋼焊接加工鉆機(jī)框架(此次使用的是框架高度1.3 m，寬度1.6 m，長(zhǎng)度1.8 m)，將鉆機(jī)安設(shè)在框架上，鉆機(jī)使用螺栓、保險(xiǎn)繩固定，在工作面打設(shè)6根錨桿固定鉆機(jī)框架。采用潛孔鉆機(jī)打鉆前，在Ф108 mm孔口管上安設(shè)高壓球閥，以防鉆孔時(shí)含水層突水造成淹井事故。

3.2 管路埋設(shè)方法

孔口管長(zhǎng)度取8 m，孔口管結(jié)構(gòu)為Ф108 mm×6 mm無(wú)縫鋼管加工而成，孔口管外(6 m以上)點(diǎn)焊8#鐵絲，懸吊在工作面，孔口管造孔使用Ф130 mm鉆頭，利用在操作平臺(tái)上安裝鉆機(jī)打眼，打好眼后用壓風(fēng)吹凈孔內(nèi)水、巖粉，立即灌入水泥砂漿(水泥∶砂=2∶1)，緊接著下入孔口管，孔口管外露0.5 m，按角度設(shè)計(jì)調(diào)整好，并在孔內(nèi)用木楔將孔口管找正固定牢靠，孔口管周?chē)妹藜喎舛聡?yán)實(shí)?？卓诠苈袢?小時(shí)后，開(kāi)始掃孔，超過(guò)孔口管1.5 m進(jìn)行試壓，采用注漿終壓的1.2倍壓力進(jìn)行耐壓抗?jié)B試驗(yàn)，合格后正常鉆進(jìn)，否則注漿加固孔口管直到合格為止。

3.3 鉆孔施工與簡(jiǎn)易治水

3.3.1 打鉆施工

使用潛孔鉆機(jī)打眼，鉆機(jī)配每節(jié)長(zhǎng)1 m鉆桿及Ф90 mm鉆頭進(jìn)行鉆眼，打鉆供水由地面供水管供水到鉆機(jī)。

3.3.2 鉆孔測(cè)水

打鉆過(guò)程中設(shè)專人觀察水量和撈取巖粉，及時(shí)判斷地質(zhì)情況。井下探水孔在揭開(kāi)含水層后，要立即開(kāi)始測(cè)量鉆孔的涌水量，鉆進(jìn)中發(fā)現(xiàn)水量增減或揭開(kāi)新的含水層，都要及時(shí)測(cè)量出水量。在工作面放置一水桶，若出水，在孔口管上用風(fēng)筒布或彩條布將水截到水桶，使用容積法進(jìn)行測(cè)水。

3.3.3 注漿

根據(jù)探水孔揭露的含水層巖性、富水性情況，結(jié)合幾次施工過(guò)程中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)當(dāng)井筒涌水量小于10 m3/h時(shí)，對(duì)探水孔進(jìn)行壓入式注漿、封孔，注漿終壓為靜水壓力的2～4倍；當(dāng)預(yù)計(jì)井筒涌水量大于10 m3/h時(shí)，用水泥漿臨時(shí)封孔后，另行編制工作面預(yù)注漿施工措施。井筒預(yù)計(jì)涌水量根據(jù)各單孔涌水量、各探水孔水力聯(lián)系情況、有關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)等計(jì)算得出。

4 結(jié)語(yǔ)

依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，為確保豎井井筒施工過(guò)程中，消除由于井筒涌水引起的安全隱患，必須積極開(kāi)展“有疑必探，先探后掘”的工作。由于是豎井施工，作業(yè)面為獨(dú)頭作業(yè)，井筒內(nèi)實(shí)施超前探水工作顯得尤為重要。通過(guò)建立預(yù)防機(jī)制，結(jié)合掘進(jìn)過(guò)程中揭露的圍巖情況和涌水量變化情況，科學(xué)謀劃，統(tǒng)籌安排，合理編制超前探水的實(shí)施方案，嚴(yán)格遵循“逢掘必探”原則，使用專業(yè)機(jī)械鉆機(jī)積極開(kāi)展超前探水工作，跟蹤、建立探水記錄，完善了地質(zhì)編錄工作。該措施經(jīng)2年時(shí)間的有序開(kāi)展，通過(guò)跟蹤作業(yè)面涌水量變化情況及時(shí)填寫(xiě)探水記錄，必要時(shí)積極開(kāi)展幕后注漿工作，有效的控制了井筒涌水量，提高了作業(yè)場(chǎng)所的安全作業(yè)系數(shù)，保障了豎井施工工作的安全有序高效開(kāi)展，安全高效的完成了豎井施工中的防治水工作；同時(shí)，為后續(xù)井巷施工及礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)提供了有利的技術(shù)參數(shù)和參考依據(jù)。