魏 宇

(首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責任公司，河北 唐山 064404)

0 引言

隨著露天礦山資源的日趨枯竭，現(xiàn)代采礦逐步轉入深部開采，深部開采過程中出現(xiàn)的相關問題也更加復雜，隨著科技的進步，技術裝備的不斷提升，地質條件復雜型礦山逐步開始建設，并轉入生產。在深部礦山開采過程中，水害風險近些年更是凸顯，礦山也因此更加注重礦山防治水工作的開展，應用地表和井下物探等方式對破碎帶進行超前探查[1]，通過工作面鉆探、注漿等方式，對破碎地層進行堵水加固[2]，確保開掘巷道不受涌水影響。同步研究巷道整體支護方案，針對巷道揭露條件，研究支護形式[3]，減少頂板暴露時間[4]，確保巷道后期使用安全。通過馬城鐵礦穿越破碎帶工程實踐，從地質條件、注漿治理、巷道支護、施工管控等重點環(huán)節(jié)進行研究分析，為破碎帶治理提供相關借鑒[5]。

1 地質條件簡述

馬城鐵礦位于灤河沖洪積扇一級階地頂部，賦存于太古界單塔子群白廟組變質巖中，礦區(qū)上覆的厚大第四系松散地層，透水性、富水性極強，且與灤河水力聯(lián)系密切，補給條件好，礦床充水水源充沛。礦區(qū)斷裂構造發(fā)育，F(xiàn)1、F2、F3斷層相互關聯(lián)、互相影響，呈環(huán)狀包圍了Ⅱ號礦體的北部，對其走向、傾向延伸均造成較大影響，且具一定導水性，斷層破碎帶加強了礦床與第四系水之間的水力聯(lián)系，是基巖地下水良好的儲水和導水通道。礦山采用井下開采，水文地質邊界條件復雜，為第四系水間接充水、基巖裂隙水直接充水的水文地質條件復雜型裂隙充水礦床?？碧綀蟾骖A測開采階段礦坑正常涌水量5.8 萬m3/d，最大涌水量7.4 萬m3/d。

圖1 破碎帶分布示意圖

1.1 工程地質條件

礦區(qū)內地表大面積被第四系地層覆蓋，厚度一般60～170 m，主要由粘土、粉土、粉質粘土、砂層、礫卵石層及淤泥質粉土等組成，從北向南逐漸增厚，其中砂礫卵石層穩(wěn)定，厚度較大。區(qū)內斷裂發(fā)育，在工程控制范圍內查明的主要有3條斷裂，分別命名為F1、F2、F3(見圖1)，對礦體均造成一定的破壞作用。尤其是Ⅱ號礦體，3條斷裂基本呈環(huán)狀包圍了Ⅱ號礦體的北部，對其走向、傾向延伸均造成較大影響。

F1斷裂：走向北東東，南東傾，傾角64°～70°，走向控制長700 m，水平寬150 m，為逆斷層等壓性構造，構成下窄上寬的貌似“花朵”狀的破裂帶，主要由斷層角礫巖、碎裂巖、斷層泥及巖石碎屑組成。具多期活動，早期形成的碎裂巖、角礫巖經碳酸鹽、硅質、泥質、鐵質膠結，后期構造又對其產生破壞形成角礫巖、斷層泥。F1斷裂在位于Ⅱ號礦體北端，截斷了Ⅱ號礦體的向北延伸。

F2斷裂：走向近南北，傾角65°～79°，主體走向長大于4 000 m，水平寬10～130 m，為正斷層，貌似“花朵”的破裂帶。工程控制部分以輝綠巖脈充填為主，F(xiàn)2分布范圍較廣，并且對礦體造成較嚴重破壞。北段輝綠巖由不連續(xù)的3條巖脈組成，沿走向延伸方向切斷Ⅺ、Ⅻ號礦體，但未產生明顯位移。中段輝綠巖為一條巖脈，在深部切斷了Ⅱ號礦體的傾斜延深。南段輝綠巖厚度較大，由近平行的一組脈體組成，對礦體破壞作用較強。

F3斷裂：走向北東東，傾向北西，傾角62°～85°，走向長約730 m，水平寬60～80 m，主要由斷層角礫巖、斷層泥及巖石碎屑組成。該斷裂具多期構造活動，早期形成的角礫巖、碎裂巖被碳酸鹽、硅質、鐵質膠結，屬成礦后構造，其性質與F1斷裂相似，早期以拉張為主，后期以壓扭為主，為逆斷裂。

1.2 水文地質條件

根據(jù)礦區(qū)含水層結構、構造特征、巖性差異、風化程度及透水性強弱，將礦區(qū)含水層分為第四系孔隙水含水層、基巖風化裂隙承壓水含水層和構造裂隙承壓水含水層。

1)第四系孔隙水含水層。覆蓋于礦床之上，透水性強、富水性好，且與灤河水力聯(lián)系密切，為礦區(qū)主要地下含水體。根據(jù)第四系含水介質顆粒大小及其透水性、富水性，分為第四系上部強含水層和第四系下部中等含水層。

2)基巖風化裂隙水含水層。礦區(qū)基巖為一套變質程度較淺的、并經受不同程度混合巖化作用的古老變質巖系，分布全區(qū)，巖性以混合花崗巖、混合巖為主。厚度較穩(wěn)定，連續(xù)性較好，平均厚度57.49 m。根據(jù)裂隙成因及其發(fā)育深度和埋藏條件不同，可將基巖風化帶劃分為基巖強風化帶和基巖弱風化帶?；鶐r弱風化帶透水性、富水性稍強于基巖強風化帶?；鶐r強風化帶直接與第四系接觸，平均厚度31.88 m，勘探及補勘工作對6個鉆孔強風化帶進行了抽水試驗，鉆孔單位涌水量0.002～0.064 L/s·m，滲透系數(shù)0.0029～0.5212 m/d，為弱透水層?；鶐r弱風化帶位于強風化帶底板以下，平均厚度28.47 m，為風化裂隙水的主要賦存層位，透水性、富水性總體較弱，但較上部基巖強風化帶稍強。

3)基巖構造裂隙水含水層。礦區(qū)屬變質巖地區(qū)，整體來講，裂隙欠發(fā)育，透水性較弱，富水性不強。但礦區(qū)構造運動較強烈，特別是近期新構造運動頻繁，基巖因遭到不同程度的拉張或擠壓破壞，透水性、富水性有所增強。主要分布F1、F2、F3斷層相互作用形成的復合影響帶，垂向延伸深度嚴格受斷層控制，一般集中于-150～-800 m標高，破碎帶厚度變化大，從幾米到上百米不等，裂隙率多介于1.0%～5.0%，以破碎帶的形式出現(xiàn)，鉆孔單位涌水量0.087～3.04 L/s·m，滲透系數(shù)0.099～1.87 m/d，透水性、富水性極不均一。

2 破碎帶治理

2.1 破碎帶治理難點分析

結合馬城鐵礦地質條件，分析基建施工揭露各涌水點位置分布、涌水量等情況，參考勘探報告、補充勘探報告等試驗數(shù)據(jù)，分析當前防治水工作還存在以下難點。

1)受馬城鐵礦地質條件特異性的影響，其構造裂隙發(fā)育雜亂且不連續(xù)，同時巖性成分更為復雜，在斷層區(qū)域，受蝕變作用影響，廣泛發(fā)育高嶺土、綠泥石等粘土礦物，堵塞注漿通道，阻止?jié){液與巖體固結，大幅增加了注漿難度和降低了堵水加固效果。

2)3條斷層破碎帶及其影響帶規(guī)模大，含水層范圍廣、靜水壓力高，達到5.4 MPa，水量大，該點位同一斷層位置出現(xiàn)大于400 m3/h涌水，探水注漿鉆孔施工過程中塌孔、卡鉆現(xiàn)象較多，鉆進困難，注漿時間長，消耗漿量大。

3)斷層破碎帶區(qū)域普遍發(fā)育高嶺土等粘土礦物，造成裂隙連通性差，注漿時漿液擴散范圍變小，速度慢，且漿液與巖體的膠結強度變差，頂板允許暴露時間短，安全風險高，掘進過程支護難度大。

2.2 治理思路

1)通過超前地質取芯鉆孔，揭露掘進方向地層透水性情況以及破碎帶厚度，推測破碎邊界。

2)采取超前鉆探工作，發(fā)現(xiàn)并預測涌水情況，現(xiàn)場揭露涌水后，采用水泥漿、水泥水玻璃混合漿液按設計的濃度和壓力壓送到巖層裂隙內，使其擴散、膠凝或固化，填補巖體中垮落洞及裂隙，達到注漿堵水和加固地層的目的。

3)破碎帶經過注漿加固后，結合取芯情況分析，分析是否采用超前長管棚進行圍巖加固，確保掘進安全。

4)確定掘進方式，控制掘進進尺和臨時支護措施，結合現(xiàn)場巖層揭露情況及頂板自穩(wěn)條件，確定永久支護形式和支護進尺，確保掘進施工安全高效。

2.3 破碎帶探水注漿治理

治理破碎帶位于3#副井-570 m水平聯(lián)絡巷(南)363 m處，巷道寬4 m，高4.67 m，為井下主要運輸水平巷道，運輸水平巷道整體服務大于15年，鑒于電機車運行要求條件高，在施工期間需進行加強支護，封水治理，確保巷道整體使用功能。

2.3.1 探水注漿鉆孔設計

1)超前地質孔：2個(7#、15#)，分別位于巷道左邦腰線和右邦腰線以下。

2)超前探水注漿孔(兼顧超前支護)：19個(Ⅰ序孔9個，Ⅱ序孔10個)，因本巷道在掘進過程中巷道拱頂破碎帶地層發(fā)生了嚴重冒落，為避免巷道頂部后期掘進施工中發(fā)生冒頂事故，巷道頂部布置9個探水、注漿孔(兼做超前管棚支護孔)，孔口間距0.57 m左右。

考慮到巷道左右邊幫破碎地層情況對掘進影響，巷道左右邊幫巷道腰線及以上布置4個探水注漿孔(兼顧支護鉆孔)，孔間距0.75 m，鉆孔孔號為5#、6#、16#、15#(15#作為取芯孔)。

巷道左右邊幫腰線以下及巷道孔底鉆孔布置8個鉆孔，孔間距分別為0.9、0.72 m，鉆孔孔號為7#、8#、9#、10#、11#、12#、13#、14#(7#作為取芯孔)，鉆孔取芯后巖芯按序擺放并拍照保存。各類鉆孔布置位置見圖2、表1。

●表示Ⅰ序孔；○表示Ⅱ序孔；7#、15#兩孔兼做超前取芯孔。圖2 -570m探水注漿鉆孔平面布置示意圖

表1 -570m探水注漿孔設計參數(shù)一覽表

3)檢查孔：布置4個，其具體位置及方位角、傾角布置原則根據(jù)前兩序孔探水孔地層、涌水量、注漿量情況布置。

4)注漿孔超前支護：因本巷道水頭壓力近6 MPa且破碎帶地層分布范圍較寬，需對此地層進行加固，鉆孔達到設計孔深時在破碎段地層下入鋼管，再注入水泥漿液固定，對探水、注漿孔及檢查孔均進行超前管棚支護。

2.3.2 探水注漿效果

通過對該破碎帶進行超前注漿治理，累計鉆孔完成1 275 m，注漿水泥量288.85 t，進行了23個鉆孔管棚支護施工，管棚支護長度759 m。探明了前方破碎帶地層情況，施工過程中各項指標控制合理，檢查孔施工后，單孔出水量小于1 m3/h控制標準，巷道掘進方向水量得到有效控制，具備掘進條件。

2.4 破碎帶掘進支護施工

2.4.1 支護方式選擇

結合取芯情況，掘進前方破碎帶巖體破碎，含泥沙較多，結合現(xiàn)場揭露情況，按照分段治理原則，工作面363～374 m 采用噴射混凝土支護，374～376 m采用錨網+U型鋼拱架+噴射混凝土聯(lián)合支護，376.0～391.0 m采用錨網噴+U型鋼拱架+鋼筋混凝土聯(lián)合支護。

2.4.2 掘進施工工序

1)掘進探水。此段掘進巷道已經進行長探和注漿封堵，按照短探驗證原則，掘進前先進行短探工作，鉆孔采用風動鉆機，配5 m鉆桿，孔徑42 mm，按照規(guī)范要求不少于4個探水孔，在巷道頂板和兩幫布置，鉆孔全部涌水量小于1 m3/h時，可允許爆破掘進；若鉆孔涌水或有承壓水、巖石發(fā)生變軟等情況，立即開始現(xiàn)場評估，并采取短段注漿措施。

2)超前短管棚施工。短管棚采用長度4 m，直徑32 mm無縫鋼管，角度控制在15°～20°，鉆孔施工過程中嚴格控制好鉆進角度；管頭500 mm處纏麻，麻纏呈錐型，外露100 mm，從巷道幫開始依次將無縫鋼管安裝在鉆孔內。采用水泥漿液，漿液比例1:1，封堵管棚注漿壓力0.5～1.0 MPa。若管棚管內有涌水，需要進行注漿封堵，采用水泥漿液或者雙液漿，水泥漿比例0.5～1:1，注漿壓力控制9 MPa，在全部管棚注漿完成后，養(yǎng)護不低于16小時，恢復掘進施工。

3)爆破掘進。穩(wěn)定巖層段巷道掘進采用常規(guī)光面爆破法進行施工。含砂破碎帶段巷道，掘進根據(jù)巖性情況，采用爆破法和人工挖掘。為控制爆破震動，采取降低裝藥量進行控制，采取短進尺方式進行施工組織，炮孔控制深度單次不超過1.5 m，掘進進尺不超過1.3 m進行控制，采用全斷面爆破方式進行爆破。爆破完成后要迅速進行巷道渣石清理，同步進行鋼拱架底腳的開挖，為支護工序創(chuàng)造條件，減少巷道頂板暴露時間。

4)支護作業(yè)。掘進進入破碎帶后，按照施工方案作業(yè)順序，鋼拱架間距控制在1 m，按照掘進4 m，進行3 m永久支護進行控制，即爆破掘進后，積極采取錨網支護及進行25U型鋼架的架設，巖體為砂層等穩(wěn)定性差時，可以按照鋼拱架背網(背板)支護、錨桿、噴射混凝土施工，鋼拱架支護4 m后，避免在破碎點位鋼拱架之間巖體逐步垮落，造成巷道冒頂，再次引發(fā)出水。鋼拱架支護完成后迅速轉入鋼筋混凝土澆筑工序，澆筑長度控制在3 m，采用雙層鋼筋，澆筑厚度400 mm。澆筑混凝土時，先鋪設底板混凝土至標高位置，養(yǎng)護8小時后，底板混凝土凝固具備作業(yè)條件后，再進行底面以上墻部與拱部的混凝土施工。

2.4.3 施工效果

通過采取各種措施，從巷道掘進到支護的全過程控制，采取了巷道短段掘進，臨時支護和永久支護跟進，完成混凝土澆筑15 m，實現(xiàn)了3#副井363 m破碎帶位置的安全穿越。

3 結語

通過對破碎帶取芯情況和揭露地質情況不斷認知，針對破碎帶高水壓、高水量、含泥沙，非自穩(wěn)條件巷道掘進總結出一套探水注漿加聯(lián)合支護的治理方案，對破碎帶治理取得了較好的治理效果，為類似工程治理點位提供了解決思路。

1)破碎帶治理的關鍵是將破碎帶內水源進行高壓注漿后，有效將補給水源擠出巷道掘進和支護輪廓線以外，再行施工檢查孔時要進行合理布孔，確保檢查孔水量小于控制標準后方可具備掘進條件。

2)采取超前長管棚、短管棚聯(lián)合支護方式，管棚進行注漿填充，可對注漿效果進行驗證，同時具備再次加固圍巖條件，使掘進巷道頂板具備了一定的自穩(wěn)條件，針對極度破碎巖層固結有較好效果。

3)破碎帶治理的關鍵是頂板穩(wěn)定，頂板因承受高水壓，頂板自穩(wěn)時間段，巖石破碎，需要采取短段掘進，鋼拱架支護，確保頂板安全后，而后采取短段鋼筋混凝土砌筑支護，確保巷道后期永久使用安全。