赣南某铀矿山充填井涌水治理方法

张志和

（核工业江西矿冶局，江西 南昌 330006）

我国硬岩型铀矿主要表现为构造控矿，矿体产状陡倾，矿山多有构造承压水，对矿山工程和生产安全造成一定影响。特别是在矿山建设和生产过程中，地压变化对围岩产生破坏，导致岩体断裂和裂隙发育，形成过水通道，使矿山涌水量增加。当涌水量超过井下排水能力时，可能发生淹井事故，同时也可能诱发其他次生事故。

本文介绍的某铀矿山为我国南方主力铀矿山之一，其3 号充填井于1994 年建成，是该矿充填系统的重要生产设施，主要承担由地表向井下输送充填料的任务。充填井通达地表，井筒上部为回填层和强风化层，构造裂隙发育，地表水常年流经充填料场地，形成对地下水的补给［1］。充填井井筒涌水量较大，经过实地测量，涌水量旱季在18～24 m3·h-1之间，雨季在42～56 m3·h-1之间，大大增加了井下排水工作量。因近地表层岩体风化严重，破碎程度高，井筒锁口段较短，在锁口段下部形成了7 m×24 m 的倒三角塌空区，是井筒涌水的主要通道。由于井筒和坍塌区涌水较大，在充填井内充填料中形成部分积水段，放料时经常产生泻料现象，严重影响生产安全。

由于1995 年该矿停产，矿山部门未及时对充填井涌水问题进行整治。2012 年该矿山生产技术改造工程项目建设期间，当地突降暴雨形成山洪漫过充填井口，通过井筒充填料漏斗口和检查井灌入到地下242 m 中段，淹没中段水仓后，通过竖井井筒流向井底水仓，水位超过92 m 标高。当时矿山启动应急预案，启动了井底全部排水设备，并在242 m 中段增加了3台水泵，提高井下排水能力，才避免了淹井事故的发生。因此，为了保证矿山生产安全，必须对井筒坍塌和涌水问题进行处理。

1 矿山地质概况

1.1 地质及地理条件

矿床产于花岗岩岩体的内、外接触带，矿床的北东面、东面和南面均为花岗岩体，主要岩性为中粗粒斑状黑云母花岗岩、细粒斑状黑云母花岗岩。矿床内出露的地层为寒武纪变质岩系，主要岩性为石英砂岩、砂岩、粉砂岩、板岩和千枚岩。岩层走向为NEE-近EW 向，倾向SE，倾角较大。矿区内构造发育，主要为近NW 向构造、近SN 向构造和新华夏系构造，铀矿化与后两者关系密切。

矿区地貌属侵蚀构造中低山形，形态多为“V”字型山谷，地形切割强烈，山系走向多为NE 向，山高坡陡。当地属于亚热带湿润季风气候，4～6 月为雨季，年均降雨量1 434.3 mm，最大持续暴雨降雨量125 mm·d-1，日最大降雨量200.8 mm。由于地形陡峭，大暴雨时易引发山洪和泥石流等地质灾害，涌水事故风险高，对矿山安全构成威胁。

1.2 工程及水文地质条件

赋矿围岩主要为斑状黑云母花岗岩［2］，其次为石英砂岩和碳质板岩。围岩除构造破碎带外基本完整，结合其他工程地质条件分析，矿山的工程地质条件属简单类型。在开采和掘进过程中，当遇到构造破碎带和风化带时，需要对构造破碎带和强风化岩进行必要支护。

含水层按其岩性和地下水的赋存特征可分为第四系孔隙潜水、基岩裂隙潜水和构造承压水。其中第四系孔隙潜水不发育，基岩裂隙潜水受构造、岩性和地形控制，富水性不强，这两组潜水对矿山地下水影响不大，影响较大的是构造承压水［3］。矿区的含水构造主要是北东向构造，也是矿床的主要含水构造，构造裂隙承压含水带的含水性不均匀，其透水性、富水性沿倾向和走向变化较大［4］。

2 充填井工程概况

3 号充填井地表场地位于矿区363 m 标高的山垇处，属中低山地貌。场地利用地勘单位掘进的380 m 中段1 号探矿巷道废石回填为主，部分填土堆填，将山垇沿山坡填平形成一个堆积量约4 000 m2的堆积场地。下部堆积较厚，平均厚度约6 m，适合充填料开采和堆积存放。

井筒地面标高为314 m，规格为2.5 m×2.5 m，充填井上井口用钢筋混凝土锁口，锁口段9.7 m，规格为3.2 m×3.2 m，井口距242 m 中段底板72 m（图1）。

图1 3 号充填井剖面示意图Fig.1 Sketch of filling shaft No.3

3 “修复3 号充填井”方案

为解决3 号充填井涌水问题，矿山和矿山设计部门经过调研和现场踏勘，根据3 号充填井的水文地质和工程地质条件，在充分了解3 号充填井井筒坍塌现状、井筒充填料存量及料面标高后，提出了“修复3 号充填井”工程治理方案。方案采用封堵井筒坍塌区、帷幕注浆堵水、山坡截洪沟工程等联合治理措施，建设周期3 个月。

1）井筒坍塌区封堵工程

在242 m 中段溜放3 号充填井充填料，清理坍塌区浮石至正常岩石段，充填料面距井口34 m。分段在井筒的左右壁加固锚杆，锚杆头锚入正常岩层，施工浇筑混凝土，然后回填废石至坍塌区，直至接顶处理，最后封闭井壁坍塌区。清理塌方碎石和充填料共计158 m3，锚杆长度为40.6 m，混凝土工程量为47.44 m3

2）帷幕注浆堵水工程

按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》DL/T5 148—2012［5］要求进行施工，围绕充填井口和井筒上段坍塌区布置钻孔，钻孔孔深超过原岩层或破碎岩层，下入灌浆管，自下而上灌浆，最后封闭孔口［5］。灌浆过程中，如果发现冒浆、漏浆等情况，及时查明原因采取封堵措施，采用低压浓浆、限量、间歇性灌浆方法进行处理，漏浆量较大时可在浆液中掺入适量的速凝剂［6］。钻孔工程量为1 518 m。

3）山坡截洪沟工程

3 号充填井上部山坡汇水面积较大，沿山沟修筑一条长度为220 m 的截洪沟，将地表水引出充填料场区，提高充填料井口标高高度2 m，预防山洪直接灌入充填井。

4 “修复3 号充填井”工程实施

4.1 井筒坍塌区封堵工程

做好技术交底，作业人员熟悉施工方案，掌握施工顺序，提出工程质量和安全生产的相关要求。施工过程中，加强技术指导和安全监管，落实安全技术措施。施工前先将井口浮石、杂物清理干净［7］，使用氧气、乙炔气割将井口钢轨格筛拆除。井口四周设置防护栏，悬挂警示标志，搭好井口遮挡雨棚，井口周边挖好排水沟，及时清除地表水。

在充填井口搭设起吊架，安装提升设备。根据工程特点和井筒现场情况架设作业平台，作业平台随工作面变化而调整。人工清理充填井井筒坍塌区，在242 m 中段漏斗口将充填料放出，料面标高273 m 停止，废石量为158 m3。

调运设备、锚杆、水泥材料。锚杆材料为螺纹钢，直径25 mm。在充填井左右两壁分12 段打锚杆孔插入锚杆，锚杆长度在1.8～4.2 m 之间，间距介于1.5～3.1 m 之间，锚杆孔用水泥封堵，锚杆总长度为40.6 m。然后分段浇筑混凝土墙，墙体厚度介于0.20～1.2 m 之间，混凝土量为47.44 m3。

混凝土墙施工时，每个分段完成后，使用吊桶运送充填料将塌空区充平。最后塌空区正上方钻孔3 个，孔深约10 m，注入水泥接顶处理。混凝土隔墙完成后，将充填井大部分充填料放出，防止注浆时浆液流入充填井，造成充填料胶结，工程量详见表1。

表1 井筒坍塌区封堵工程主要工程量Table 1 Main construction quantities of closing the collapsed area

4.2 钻孔帷幕注浆工程

钻孔帷幕注浆工程工艺流程为：钻机就位→钻孔→搅拌制浆→灌浆→闭浆→检查→结束。在3 号充填井周边钻孔66 个，开孔孔径100 mm，终孔直径100 mm，按梅花桩布孔，孔间距为1 m，最深孔深低于表土回填层和井筒坍塌区底部标高，单个孔深介于10～34 m之间，总进尺1 518 m。开孔位置和终孔深度与设计的偏差不超过10 cm，钻孔为垂直孔，其顶角偏差不超过1.5°。

采用一次性成孔后，使用普通搅拌机搅拌制浆，自下而上灌浆，成孔后下入灌浆管，灌浆采用全孔一次性灌浆，灌浆孔分两序，按照分序加密的原则，采用纯压法进行，孔口用水泥封闭处理。主要设备及施工量见表2。

表2 钻孔帷幕注浆工程主要设备和工程量Table 3 Main equipment and construction quantities of curtain grouting project

灌浆采用普通硅酸盐水泥，强度等级为425 MPa；灌浆用水满足拌制水砼用水要求；浆液制备搅拌时间不少于3 min，浆液由稀变浓，逐级变浆，水泥浆液的水灰比采用2：1、1：1 和0.5：1 三个等级；灌浆时1 序孔压力为0.7 MPa，2 序孔压力为0.9 MPa；灌浆压力达到设计压力，注入率小于或等于0.4 L·min-1时，继续灌注20 min 结束灌浆［8-9］；灌浆压力保持不变而注入率持续较少，或注入率不变而压力持续增高时，不改变水灰比；某一级浆液注入量达到100 L以上，或灌注时间达到1 h而灌浆压力和注入率无改变或改变不明显时，可加浓一级［10］（表3）。

表3 帷幕注浆工程主要技术指标Table 3 Main technical indicators of curtain grouting project

按照总孔数的10%布置检查孔，本次布孔7个，检查孔取岩心检查岩心采取率和水泥交结情况。

4.3 山坡截洪沟工程

在3 号充填井上部充填料场地和山沟修建一条截洪沟，将地表水通过截洪沟引出充填料场地，排入下游排水沟。截洪沟长为220 m，断面设计为等腰梯形，断面尺寸为下底0.6 m，高0.8 m，坡度2：1。井筒井口施工钢筋混凝土抬高高度为2 m，混凝土工程量为8.4 m3，安装格筛，钢轨规格15 kg·m-1，总重量为0.8 t，格筛网度为350 mm×350 mm。

4.4 涌水治理工程效果

治理工程按工程设计组织施工，严格现场管理，保证了施工人员人身安全和工程质量。工区技术科在不同季节对充填井涌水量进行了测量，旱季在1.5～2.3 m3·h-1之间，雨季在3.1～4.4 m3·h-1之间，与治理前相比涌水量大大减少，符合安全生产要求。坍塌区封堵和帷幕注浆堵水工程起到较好的防涌水作用，山坡截洪沟工程亦有效减少了地表水对地下水和充填井的影响，总体治理效果达到预期目的。

5 结论

1）充填井井筒坍塌引发地下裂隙水和地表水涌入，导致矿井排水量增加，产生安全隐患。“修复3 号充填井”治理方案施工量小，投资少，治理措施成熟，操作简单，建设周期短，安全条件好，具有针对性和可操作性；

2）建设的井筒坍塌区封闭工程、帷幕注浆堵水工程和山坡截洪沟工程，有效减少了地下裂隙水和地表水涌入量，其应用效果在实际生产中得到了验证，保障了充填井的使用安全，该方案为类似矿山地质环境中井筒涌水的工程治理提供了参考；

3）在矿山充填井地表选址的过程中，要充分考虑充填井所处的水文地质、工程地质和地形地貌条件，尽量避免水文地质条件复杂、岩层风化严重和地表水影响较大的地带。