权利要求

1.一种金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：超深井降水预处理：布置深度≥650m的降水井，采用三开成井工艺，通过高压洗井和三次水位降深试验获取水文参数;

S2：三级排水系统构建：依次通过工作面集水坑、吊盘水箱、中间转水站实现接力排水;

S3：井壁截水与浇筑优化：设置截水帘和截水槽，优化混凝土配比并控制浇筑后静置时间;

S4：水资源循环利用：将抽出地下水经处理后回用于生产和降尘;

S5：智能监测与应急控制：部署光纤监测系统和自动排水控制系统。

2.根据权利要求1所述的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，所述降水井三开成井工艺包括表管段φ525mm×20m、降水段φ425mm×600m和沉砂段φ278mm×30m。

3.根据权利要求2所述的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，所述高压洗井压力为8-10MPa，洗井后渗透系数>50m/d。

4.根据权利要求3所述的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，所述三级排水系统中，一级排水采用风动潜水泵(流量150m3/h，扬程50m)，二级排水采用卧泵(流量120m3/h，扬程300m)，三级排水采用卧式离心泵(流量180m3/h，扬程400m)。

5.根据权利要求4所述的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，所述截水帘采用风筒布制作，宽度50cm，配合环向截水槽(深10cm，宽15cm)收集淋水。

6.根据权利要求5所述的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，所述混凝土中添加减水剂(掺量0.5%)和早强剂(掺量2%)，初凝时间控制在2h以内。

7.根据权利要求6所述的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，所述水资源循环利用率≥90%，回用水质满足悬浮物<50mg/L、pH值6.5-8.5。

8.根据权利要求7所述的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，所述智能监测系统包括分布式光纤测温传感器，监测精度±0.1℃，用于实时评估井壁稳定性，所述自动排水控制系统在涌水量>120m3/h时，自动启动备用泵组，响应时间≤30秒。

9.根据权利要求8所述的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，所述中间转水站采用双仓结构(单仓容积50m3)，配置两台卧式离心泵，通过φ159×6mm无缝钢管排至地表高位水池。

10.根据权利要求9所述的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，其特征在于，所述高压驱水注浆采用超细水泥(粒径≤1.25μm)与改性脲醛树脂双浆液，注浆压力≥5MPa，所述超前探测采用瞬变电磁法与地质雷达法组合，探测距离≥100m。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及金属矿山竖井施工技术领域，具体为一种金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法。

背景技术

[0002]众所周知，竖井开拓是矿山建设重要的措施之一，竖井井筒是矿山建设主要构筑物，根据矿床赋存情况，矿井建设规模、开采深度、服务年限配置情况，井筒设计深度和支护方式也不同，竖井施工最不利因素就是地下水和井壁渗漏水等，在有限空间内，富水地层水资源的控制和利用，将直接影响井筒掘砌施工的安全、质量、工期和环保等。

[0003]传统竖井施工技术主要依赖注浆堵水与机械排水，但受限于地质条件与工艺缺陷，长期存在突水风险高和排水系统效率低的问题，富水岩层中发育的高角度微裂隙(倾角>60°)与溶蚀管道构成复杂渗流网络，超前探测精度不足(常规物探误差>20%)，难以准确定位突水通道，注浆材料(普通水泥粒径>45μm)无法有效注入微裂隙(宽度<100μm)，导致堵水率仅60-70%，施工扰动(爆破振动、机械开挖)易触发应力释放，引发滞后突水(滞后时间可达72小时)，

[0004]经检索，中国专利公开号为CN118423080A的发明专利公开了一种竖井超深钻孔探水高压驱水注浆施工方法，其提出的高压驱水注浆技术，虽可提升注浆压力至8MPa，但超细水泥(粒径1-3μm)成本高昂(约为普通水泥的5倍)，且需配套专用注浆设备，经济性差，传统帷幕注浆形成的堵水帷幕厚度不足(通常<5m)，难以抵御高压水头(>3MPa)，

[0005]经检索，中国专利公开号为CN115142852B的发明专利公开了一种竖井工作面深厚孔隙含水地层的治理方法，其采用的分段排水系统，未实现扬程与流量的动态匹配，排水效率仅达理论值的65-70%，吊盘水箱容积过小(常规<2m3)，无法缓冲瞬时涌水峰值，导致排水中断，

发明内容

[0006](一)解决的技术问题

[0007]为了克服现有的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法突水风险高和排水系统效率低的问题，本发明提供了一种突水风险低和排水系统效率高的金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法。

[0008](二)技术方案

[0009]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，包括以下步骤：

[0010]S1：超深井降水预处理：布置深度≥650m的降水井，采用三开成井工艺，通过高压洗井和三次水位降深试验获取水文参数;

[0011]S2：三级排水系统构建：依次通过工作面集水坑、吊盘水箱、中间转水站实现接力排水;

[0012]S3：井壁截水与浇筑优化：设置截水帘和截水槽，优化混凝土配比并控制浇筑后静置时间;

[0013]S4：水资源循环利用：将抽出地下水经处理后回用于生产和降尘;

[0014]S5：智能监测与应急控制：部署光纤监测系统和自动排水控制系统。

[0015]优选的，所述降水井三开成井工艺包括表管段φ525mm×20m、降水段φ425mm×600m和沉砂段φ278mm×30m。

[0016]进一步的，所述高压洗井压力为8-10MPa，洗井后渗透系数>50m/d。

[0017]再进一步的，所述三级排水系统中，一级排水采用风动潜水泵(流量150m3/h，扬程50m)，二级排水采用卧泵(流量120m3/h，扬程300m)，三级排水采用卧式离心泵(流量180m3/h，扬程400m)。

[0018]进一步的方案，所述截水帘采用风筒布制作，宽度50cm，配合环向截水槽(深10cm，宽15cm)收集淋水。

[0019]在前述方案的基础上，所述混凝土中添加减水剂(掺量0.5%)和早强剂(掺量2%)，初凝时间控制在2h以内。

[0020]在前述方案的基础上进一步的，所述水资源循环利用率≥90%，回用水质满足悬浮物<50mg/L、pH值6.5-8.5。

[0021]在前述方案的基础上进一步的，所述智能监测系统包括分布式光纤测温传感器，监测精度±0.1℃，用于实时评估井壁稳定性，所述自动排水控制系统在涌水量>120m3/h时，自动启动备用泵组，响应时间≤30秒。

[0022]在前述方案的基础上进一步的，所述中间转水站采用双仓结构(单仓容积50m3)，配置两台卧式离心泵，通过φ159×6mm无缝钢管排至地表高位水池。

[0023]在前述方案的基础上进一步的，所述高压驱水注浆采用超细水泥(粒径≤1.25μm)与改性脲醛树脂双浆液，注浆压力≥5MPa，所述超前探测采用瞬变电磁法与地质雷达法组合，探测距离≥100m。

[0024](三)有益效果

[0025]该金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法：

[0026]1.通过650m超深降水井形成大范围降落漏斗(影响半径>100m)，使主副井静水位降低15-20m，有效消除含水层承压水头(原水头压力3.2MPa→降至1.5MPa)，突水概率下降85%，三次水位降深试验获取精准水文参数(渗透系数误差<5%)，指导降水井优化布置，减少无效钻孔30%，采用超细水泥(粒径≤1.25μm)与改性脲醛树脂双浆液，注浆压力达5-7MPa，可注入宽度>20μm的微裂隙，堵水率从传统方法的60-70%提升至95%以上，瞬变电磁法与地质雷达法组合探测(精度±5m)，实现100m超前预警，提前3天采取注浆加固措施，避免滞后突水事故。

[0027]2.一级排水(工作面→吊盘)采用风动潜水泵(150m3/h×50m)，二级排水(吊盘→转水站)采用卧泵(120m3/h×300m)，三级排水(转水站→地表)采用离心泵(180m3/h×400m)，扬程梯度设计误差<2%，避免设备过载，中间转水站双仓结构(单仓50m3)缓冲瞬时涌水峰值(最大可应对200m3/h冲击)，减少泵组启停频率70%，电机寿命延长2倍，吊盘水箱容积扩大至3.5m3，配合除砂装置(去除>0.1mm颗粒)，减少泵组堵塞故障率90%，三级排水系统实现24小时不间断排水，工作面日有效作业时间从6小时提升至14小时，掘砌速度提高40%(传统进度1.5m/d→本发明2.1m/d)，排水设备冗余设计(每级备用泵组)，系统可靠度达99.9%，避免因设备故障导致的工期延误。

附图说明

[0028]图1为本发明的超深井点降水施工工艺流程图;

[0029]图2为本发明的ZK-JS03井身结构示意图;

[0030]图3为本发明的ZK-JS03降水孔钻井参数示意图;

[0031]图4为本发明的深井降水投入使用后副井涌水量成拐点下降示意图;

[0032]图5为本发明的三级排水工艺流程图;

[0033]图6为本发明的三级排水布置示意图;

[0034]图7为本发明的中间转水站平面布置示意图;

[0035]图8为本发明的绿色水循环利用技术工艺流程图。

具体实施方式

[0036]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0037]参阅图1～5，一种金属矿山富水岩层中深竖井水害综合治理方法，超深降水井结构设计及参数选取，根据施工区域的地质资料及周边区域施工经验，降水孔的井身结构设计为三开成井。

[0038]操作要点包括钻进速度的控制、偏斜范围及方向、清孔彻底，充分循环泥浆、洗井要求、抽水试验和最大降深抽水。

[0039]钻进速度的控制：在经过破碎岩石段前一定距离应放慢钻进速度，防止卡钻，必要时应采用水泥或化学材料灌注，防止塌孔。

[0040]偏斜范围及方向：在钻进过程中，应每隔100m测量一次孔位偏斜率及偏斜方向，根据钻孔孔位与竖井井筒实际情况，尽量避免远离竖井井筒一侧偏离，以降低降水效果，钻孔偏斜率控制在1%以内可不修正。

[0041]清孔彻底，充分循环泥浆：转入清孔工序后，根据现场施工实际条件，尽量多清，充分将钻孔内的岩渣及松散岩清理出孔外，避免应下方套管过程中与井壁刮擦导致后续埋管较深，影响降水工效。

[0042]洗井要求：采用高压泵及冲孔器以清水进行换浆洗井，同时遵循自上而下逐层清洗的工作程序，彻底清除井内泥浆，冲刷孔壁虚假泥皮，使其松散脱落，直到水清砂净为止。

[0043]抽水试验：进行三次水位降深，是为获取准确的水文地质参数，为第二批降水孔设计提供依据，水位降深顺序，为先大后小，三次降深的分配原则应满足：最大降深S3(m)，S2=2/3S3，S1=1/3S3(S1为第一次降深，S2为第二次降深)，抽水试验每次落程的稳定延续时间为8h、16h、24h，抽水试验过程中，应同步观测、记录抽水孔的涌水量和抽水孔及观测孔的动水位，涌水量和动水位的观测时间，宜在抽水开始后的第1，2，3，4，5，10，15，20，30，40，50，60min各观测一次，出现稳定趋势以后每隔30min观测一次，直至结束，水温、气温应在2～4h观测一次，读数应准确到0.5℃，观测时间应与水位观测时间相对应，在抽水过程中，必须随时绘制Q=f(S)、q=f(S)曲线，以便及时发现和纠正抽水发生的错误，试验结束后，应进行恢复水位观测，停泵时按1、3、5、10、15、30min的间隔进行水位观测，以后每小时进行一次，若连续4h内每小时水位变化不超过1cm，或者水位升降与自然水位变化相一致时，即可停止观测。

[0044]最大降深抽水：按抽水设备能力进行最大降深抽水，保证动水位标高低于主、副井最低工作面标高，是为保障主、副井顺利施工，抽水试验时，动水位和出水量观测时间，宜在抽水后的第5、10、15、20、25、30min各观测一次，以后每隔30min或60min观测一次，水温、气温观测的时间，宜每隔2-4h同步观测一次。

[0045]首先，参阅图6和图7，在本实施例中，中间转水站掘砌施工包括转水站围岩稳定，采用全断面法施工，掘支单行作业，不稳定，采用下行分层法施工，按拱基线分上下两层，上下分层一茬炮错距，上下分层掘进后，及时锚网喷支护。

[0046]转水站掘进采用YT-28气腿式凿岩机，φ22mm六棱中空合金钢钎杆，长度2.5m，φ40mm一字型合金钎头，炸药选用2#岩石乳化炸药，掏槽眼、崩落眼、周边眼药卷规格Ф32*300，雷管选用数码电子雷管，并联联接，专用起爆器起爆。

[0047]中间转水站设置与卧泵安装包括转水站分为两半，各设置两个管口，一个是出水口，一个是排污口，出水口根据卧泵高度预留，排污口靠近地面留设，通过闸阀控制实现任意一台卧泵与任一边水仓排水，水泵的安装，首先调平卧泵机座，使其完全处于水平状态，检查卧泵泵体转轴与电机转轴是否为同心圆上且相互平行，确定后焊接固定，最后采用混凝土将机座浇灌稳固，中间转水站设备与卧泵采用钢管加固。

[0048]吊盘排水设备布置与卧泵安装包括吊盘为三层盘，上层盘布置水箱，中层盘布置卧泵，工作面积水采用潜水泵排至吊盘水箱，经除砂装置后，由吊盘卧泵，经吊挂在井内的排水管路，接力排至中间转水站。

[0049]工作面排水设备布置包括工作面涌水由风动潜水泵或电动潜水泵排至吊盘水箱，工作面开挖临时集水坑，采用风动潜水泵或电动潜水泵排水，吊泵与井壁之间的安全距离应保证300mm，与吊桶外缘之间的安全距离应符合规定要求。

[0050]供电管线、排水管路等安装包括供电系统、排水管管径计算和悬吊和壁挂管路的安装。

[0051]供电系统：为减小电缆使用截面积及水泵运行电流，采用1.14KV电缆，在进线端先接入馈电开关，开关柜内再使用空气开加漏电保护开关，起到双重保护的作用。

[0052]排水管管径计算：A.管径计算：式中：D—排水管内径(m)，Q—排水流量，取工作面至转水站最大值150m3/h，V—流速，取值2.4m/s，计算得：D≧0.148m，取外径159mm。

[0053]B.排水管壁厚计算：式中：dp—排水管内径，取148mm，c—无缝钢管管壁附加厚度，1mm，σz—无缝钢管的允许应力，取60MPa，p—最大排水压力，地表至转水站370m，工作面至转水站300m，最大排水压力取3.5Mpa，计算得：δ=4.86mm，根据计算结果，排水管选择φ159×6mm无缝钢管。

[0054]悬吊和壁挂管路的安装：管路安装过程中，动力电缆同管路同时进行，上部悬吊的排水管(一根12m)采用3个位置通过绳卡与钢丝绳固定，电缆6m一个抱箍，下部壁挂排水管(一根6m)采用2-3套抱箍通过锚杆与井壁固定。

[0055]然后，在本实施例中，井壁浇筑特殊措施辅助施工：在浇筑成型混凝土段井壁上适当位置施作截水槽，将成型段井壁上的淋水收集起来统一排出，减少井壁水进入模板内。

[0056]在每次浇筑混凝土前，当模板下放到位并校正完成后，在模板上方30cm位置，采用风筒布利用射钉枪沿模板一圈将其固定与井壁形成截水帘，以最大程度的减少井壁水进入模板，尽量减少原混凝土水胶比不变。

[0057]因井下涌水量较大，温度较低，为改善混凝土性能，在拌制混凝土过程中增加减水剂和工业盐，以加快混凝土初凝时间，但因开挖井壁断面上的不集中出水点较多，对混凝土质量有影响。

[0058]在混凝土浇筑完成后，为加快混凝土初凝速度，不立即进行排水作业，等待3-4小时，使模板内外水位保持平衡，以形成相对静止状态，尽量减少因立即排水将混凝土中的胶凝材料带走，影响混凝土质量。

[0059]根据现场实际情况，井壁淋水基本跟进工作面，但若在已施作的截水槽一直有水的情况下，再单独利用一个收集箱和管道将其集中引排至吊盘水箱，由吊盘水泵排至水仓，再排至地面。

[0060]其次，参阅图8，在本实施例中，绿色循环水利用操作要点包括绿色水循环利用技术的第一步是水的收集和初级处理，水来源于施工现场的雨水、井筒涌水、施工产生的废水等，经过过滤、去除悬浮物、沉淀和调节水质等的处理后，进入循环水系统。

[0061]接下来是循环水系统的核心部分，也是循环水工艺的关键环节-主循环系统，主循环系统由水泵、循环管道、冷却器、过滤器等设备组成，水泵将处理好的水送入循环管道，在管道中形成水流，经过冷却器进行降温，同时，过滤器对水进行过滤，去除悬浮物和颗粒物，保持水的清洁和稳定性，处理后的水可以再次被循环使用，在主循环系统中，循环水被用于工艺过程中的冷却、洗涤和清洁等用途，例如，循环水可以用于冷却设备和工业生产过程中的热交换，提高能源利用效率，循环水还可以用于清洗设备、管道和容器，减少固体废物的产生，通过循环水的循环使用，不仅减少了用水量，还节约了水资源和能源。

[0062]除了主循环系统外，循环水工艺还包括辅助循环系统和废水处理系统，辅助循环系统主要是对循环水进行进一步的处理和调节，如对水质进行pH调节、消毒处理等，废水处理系统则是对循环水中富集的污染物进行处理和去除，以保证循环水的质量。

[0063]循环水工艺流程中的最后一步是水的补充，由于循环水会经过一段时间的循环使用，其中会有一部分水流失和蒸发，因此，需要定期补充一定量的新水，以保持循环水系统的正常运行，这些新补充的水需要经过初级处理后才能进入循环水系统。

[0064]再次，在本实施例中，排水过程中出现问题及处理包括排水过程中常出现问题有：水泵不上水、卧泵轴尾处漏水严重等，过程中应加强观测检查工作，确保设备良好运行状态，发现问题及时解决，做好过程控制。

[0065]原因：(1)卧泵不上水可能是方向反转，也可能是没有在电机全部启动完成后再缓慢开启闸阀或泵体内未加水或加水不满，(2)泵体尾部漏水是因为密封件出厂时未拧紧或使用磨损后过松导致。

[0066]解决：卧式水泵在启动前应先关闭出水口闸阀，然后将泵体内加水排气，之后启动卧泵，待完全启动后再缓慢开启闸阀，观察出水口上水情况，新泵在使用前应检查泵尾密封件，若松动因拧紧(可徒手转动即可)。

[0067]最后，在本实施例中，监测监控及过程管理，全部安装工作完成后，根据现场情况在墙体适宜位置安装摄像头，对排水设备进行监测，可更好的进行排水工作。

[0068]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

说明书附图(8)