高 超

（河北钢铁集团矿业有限公司）

司家营矿区基建过程采取“边探边掘”的技术方针，在竖井掘进和平巷掘砌时均遇到破碎带，出水点处涌水较大时偶尔会造成淹井［1~3］。马城铁矿相比司家营铁矿筹建较晚，建设过程吸取了司家营南区矿山基建的技术经验，竖井掘砌时采取地表预注浆技术，掘砌过程中涌水事故较少。在以往针对司家营矿区破碎带治理的研究过程中，主要研究司家营矿区区域范围内的水文地质情况，没有考虑马城矿区地下水运动可能对司家营矿区的影响。确定司家营南区和马城矿区的地下水补排通道，针对不同涌水位置采取不同的靶向注浆方案，对司家营矿区防治水具有重要意义。

1 司家营—马城矿区工程地质和水文地质

司家营—马城矿区内发育有多条断层，其中马城矿区发育有F1、F2、F33条断层；司家营南区发育有F9~F135条断层以及新河断裂带［4］。由于断层的存在，破坏了地下含水层原有的构造，使得地下含水层裂隙发育、隔水层存在天窗，形成了复杂的导水构造。随着司家营南区的缓建和马城矿区的开采，2个矿区之间的地下水动态情况趋于复杂。

1.1 司家营—马城矿区第四系含水层

（1）第四系上部强含水层。含水层上部为3~6 m厚的黏性土，下部主要为砾石、卵石层，富水性强。卵石粒径主要为3~5 cm，级配、圆度适宜。第四系强含水层由于在砾石卵石层中存在不稳定的黏性土层，使得其在水平和垂直方向上的渗透性和含水量分布不均匀。

（2）第四系主隔层。主隔水层岩性以泥质黏土和粉砂质黏土为主，横向具有良好的连续性，但是竖向导水性差，减少了第四系上、下含水层之间的水力联系。主隔水层的层位和厚度变化很大，隔水层横向分布于整个区域，相变剧烈，在不少地段形成了透水的天窗。

（3）第四系下部中等含水层。下部含水层岩性为透水性适中的角砾岩砂和粉砂质黏土。由于粉质黏土分布不均匀，连续性差，部分地区形成了天窗。这些天窗沟通了第四系与基岩段的水力联系，形成了相互补给的导水通道。

1.2 司家营—马城矿区基岩风化裂隙含水层

（1）基岩强风化带。其空间分布在矿区北部浅、南部深，垂向厚度变化较大。整个岩体结构松散，多经历变质作用，颜色以黄白色和浅黄色为主。强风化带的风化裂隙大部分连续充填黏土、钙质和砂土，富水性弱，持水能力强，渗透性强。在水头差压的作用下，很容易释放出承压水。

（2）基岩弱风化带。整层岩石结构比较完整，变质程度不高，岩心以块状或者短柱状为主。断层段多与弱风化带直接接触，受挤压影响，断层带与弱风化带在接触部位交替出现。弱风化带的裂隙率和风化程度随深度的增加而减小，裂缝面多为泥质和钙质充填。裂缝在弱风化带发育程度上差异较大，致使岩层透水性与富水性在整个基岩带分布不均匀。

1.3 司家营—马城矿区基岩构造裂隙含水层

司家营南区断裂构造主要受F9~F13共5条断层以及新河断裂带的影响，基岩受断层影响，使得断层带两侧成为了地下水赋存空间和运移通道。司家营南区六大断层带之间联系紧密，基岩破碎严重，富水性强，相互沟通，形成了以断层连接带为中心的断层复合作用带。

马城矿区主要受F1、F2、F3这3条断裂构造影响，断裂构造影响基岩裂隙发育，基岩裂隙之间导水性较好，形成了以F1~F3复合作用带为中心的降落漏斗。司家营南区基岩段水文地质剖面见图1，马城矿区基岩段水文地质剖面见图2。

2 司家营—马城矿区地下水运动补给关系

司家营矿区、马城矿区抽水试验的水文钻孔编号均沿用华勘院提交的水文地质勘察报告的钻孔编号。通过2015年和2019年的基岩水位观测数据可以看出，在马城铁矿竖井帷幕注浆阶段，随着司家营南区平巷工程不断掘进，马城矿区基岩裂隙水不断补给到司家营矿区；随着司家营南区的缓建以及马城矿区竖井转平巷工程的掘进施工，司家营矿区外围基岩水开始作为补给源补给马城铁矿。司家营南区基岩水位部分观测数据见表1，马城矿区基岩水文部分观测数据见表2。

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观测数据显示，司家营南区在2016年缓建后水位出现了明显回升，马城铁矿平巷开始施工以后，基岩地下水水位不断下降，并逐渐形成降落漏斗。司家营矿区的地下水与马城矿区的地下水之间有明确的导水通道，基岩裂隙水在两矿区内形成了相互沟通的复合导水构造［5］。由于基岩深部长期大量排水，司家营矿区涌水既有来自基岩含水层的侧向补给，也有第四系的垂向补给，同时也有来自马城矿区的地下水补给。通过马城铁矿抽水试验、司家营南区抽水试验和基岩水位长期观测数据显示，两矿区的导水通道位于ZK15-4、NK26一带。

3 竖井掘砌靶向注浆方案

司家营南区田兴铁矿2#副井施工至-260 m水平位置时，工作面出现81.4 m3/h的突发涌水，由于现场揭露的岩石比较破碎，且在基岩段掘砌时岩石裂隙发育，已进行过多次注浆，提出了地表预注浆的施工方案［6］。由于-260 m水平以上位置已施工完成冻结段、马头门和石门，决定采取“S”孔设计绕过马头门及石门位置，对-260 m水平以下位置进行靶向注浆。2#副井井筒净径6 m，基岩段井壁厚度700 mm，井深为519 m，本次设计围绕井筒周围布置钻孔8个，“S”孔落点圈径设计为10 m，钻孔深度为530 m，注浆段为-260~-530 m。“S”型钻孔布孔及终孔落点情况见图3。

3.1 水泥黏土浆配比

为了保证浆液扩散距离和注浆堵水效果，注浆材料选用黏度较高、流动性较好的水泥黏土浆。黏土选用塑性指数大于15的黏土，水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，配以适量的结构添加剂，选取试验效果较好的水泥黏土浆。通过现场试验及优化配比，实际注浆过程中，原浆容量控制在1.24~1.32 kN/m3，每方浆液中水泥加入量控制为100~300 kg，结构添加剂为10 L以上时注浆效果最佳。

3.2 “S”孔钻进技术

“S”型注浆孔由上直孔段、定向段和下直孔段组成。定向段由增斜段、稳斜段和降斜段组成；降斜段下部应进入设计靶域，并且最终段钻孔角度要与竖井井壁平行［7］。定向钻进的核心技术是确保“S”型钻孔遵循设计规定的钻孔轨迹，直至到达预期目标区域，需要人为精准控制钻井轨迹（图4）。在钻进施工过程中，通过对定向钻孔钻进过程中偏差的准确性进行测试，配备高精度陀螺仪对钻进轨迹进行跟踪。一般设置为每30 m测一次，距孔底段改为每1~2 m测一次，以跟踪钻进轨迹的趋势。为了使下一段钻井轨迹的设计更加可靠，有必要对钻孔的测斜数据进行研究、分析和比较，并计算出钻进过程中实际的造斜率和反扭矩角，确定钻进方向的趋势。

3.3 注浆参数的设计

注浆段高一般破碎岩层≤30 m，一般地层≤80 m，稳定地层或重复注浆≤150 m。岩帽段高一般为10~20 m。注浆终压的影响因素包括地下水压力、岩石的裂隙率、裂隙开度，同时也要考虑注浆段高、浆液配比及性能等因素。注浆岩帽段注浆终压值应大于静水压力值的1.5倍；注浆段水泥黏土浆注浆终压值：对孔深≤420 m的注浆段注浆终压宜在静水压力值的3倍以内；对孔深>420 m的注浆段注浆终压宜在静水压力值的2.5倍以内。田兴铁矿2#副井注浆段高、注浆压力、浆液类型见表3。

浆液注入量一般根据井筒注浆段高、浆液有效扩散半径、岩层平均裂隙率、浆液结石率等参数进行计算，其计算公式为

式中，Q为浆液注入量，m3；A为浆液消耗系数，水泥—水玻璃浆取1.5，水泥黏土浆取1.8；R为浆液有效扩散半径，水泥—水玻璃浆取12 m，水泥黏土浆取16 m；H为注浆总段高，按表3注浆段高划分为9段，总段高270 m；η为浆液结石率，水泥—水玻璃浆取0.82，水泥黏土浆取0.93；β为浆液充填系数，取0.93；m为岩层平均裂隙率，结合水文地质资料综合取值4.2%。

依据表3中段高及浆液类型，由上式计算得出田兴铁矿2#副井8个“S”靶向注浆孔的浆液总注入量为32 490 m3，与原设计注浆量23 067 m3相比超出9 423 m3。其原因为岩石裂隙发育程度超出预期，导致达到设计扩散半径所需浆体体积增大，增加了注浆过程中浆液的整体消耗量［8］。

3.4 注浆效果检验

从表3的注浆段高、注浆压力计算所得的注浆总量、检查孔出水量分析来看，注浆后的堵水能力取得较高水平。利用提升注浆压力、扩大稳定时间和增加注入量等方式，对重要含水层区段和破碎带地段取得了显著的注浆效果。根据井筒实际揭露围岩情况，浆液完全填充岩层的裂隙，而且竖井井壁和马头门工作面没有显著的出水点，治理破碎带和堵水效果非常理想，井筒掘砌过程中，实测剩余涌水量为3.37 m3/h，也充分证明了注浆效果。

4 平巷掘砌靶向注浆方案

治理巷道底板涌水采用常规钻孔施工时，底板钻孔难度大、覆盖面积小，必要时还需浇筑止浆垫；采用定向长钻孔施工，能够在巷道未揭露破碎岩层情况下进行超前注浆钻孔，保证钻孔轨迹在破碎层内沿设计方向延伸，通过注入浆液充填岩石裂隙，在含水层之上加固1层隔水层，确保底板岩层强度，在巷道掘进时保证承压水不涌现。

4.1 巷道底板定向长钻孔设计

根据巷道底板出水点和岩层走向情况，分析底板岩层产状变化，先计算出钻孔钻进的每个控制点和钻孔靶向注浆的浆液扩散方位，根据揭露情况计算出钻孔轨迹倾角，再根据每个控制点和靶向注浆的扩散半径，运用插值计算方法，设计中间点的各参数值。本次巷道底板定向长钻孔加固注浆共设计6个定向钻孔，所有钻孔的轨迹偏差均控制在设计范围以内，竖向钻孔深度最大约8 m，最大单孔进尺45 m。

4.2 定向长钻孔施工工艺

为了保证钻进轨迹满足设计要求，有必要利用可控定向钻进技术和测斜仪对钻进轨迹进行精确控制。定向长钻孔的钻具组合采用钻头+螺杆钻+定向接头+钻杆。在施工过程中，通过定向钻进技术与陀螺测斜仪的精确配合，实现了按照设计的轨迹准确钻进目标区域。为了保证能精确探测含水层位置，随钻测量一般每隔5 m进行1次，并严格控制钻孔轨迹的偏差，确保钻孔轨迹尽可能沿设计轨迹延伸［9］。钻孔达到设计深度后进行巷道底板注浆，浆液以水泥黏土浆为主。当钻孔出现偏差后，需要进行纠偏作业，使钻孔轨迹大致沿着设计轨迹进行。

4.3 注浆效果检验

注浆时采取了浆液超扩散措施：一是选取自适应性较好的水泥黏土浆作为注浆材料；二是注浆初期采用较低的注浆压力，根据浆液注入量及扩散情况尽量取较小的注浆压力；三是采用单次定量、多次重复的注浆方式，单次注浆量控制在100 m3以内，待浆液凝固后再进行二次扫孔注浆。施工过程中，配合测斜仪器精确控制钻孔轨迹，成功对底板破碎带围岩进行了注浆加固，在后续工作面掘进过程中，未出现底板起鼓或突水现象。利用定向钻孔轨迹控制技术，能够确保钻孔轨迹沿预定探测区域延伸，对断层破碎带裂隙进行精准靶向注浆。

5 结 论

（1）对比分析司家营矿区和马城矿区的抽水试验观测数据，明确了司家营矿区基岩裂隙水与马城矿区的基岩裂隙水相互补给，两个矿区之间的地下水导通通道位于ZK15-4、NK26一带。

（2）司家营南区田兴铁矿2#副井“S”型钻孔地表预注浆技术成功绕过了冻结段、马头门及石门位置，实现了精准靶向注浆。“S”型钻孔布孔设计、钻进偏斜控制、注浆段高和注浆压力的确定均取得了成功。从注浆效果看，优化后水泥黏土浆很好地充填了岩石裂隙，起到了隔水层的作用。

（3）平巷定向长钻孔受控钻进注浆，通过技术手段将浆液控制在有效的扩散半径内，实现了靶向注浆堵水效果。司家营南区矿井涌水综合治理措施的实施，为矿业公司下属其他矿山地下水绿色治理开创了新模式、新途径。