楊 柱 王 軍 趙 恰

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

構(gòu)造裂隙大水礦床帷幕注漿工程試驗(yàn)及參數(shù)研究

楊 柱 王 軍 趙 恰

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

構(gòu)造裂隙大水礦床含水介質(zhì)復(fù)雜多變，基建難度大，突水風(fēng)險(xiǎn)高，防治水技術(shù)難度大。借鑒巖溶大水礦床治水經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用礦山地面帷幕注漿技術(shù)，解決黃屯硫鐵礦火山巖構(gòu)造裂隙大水礦床地下水害。通過(guò)帷幕注漿生產(chǎn)性試驗(yàn)，從注漿前后帷幕體透水性、檢查孔壓水試驗(yàn)、注漿前后鉆孔巖芯揭露情況分析，證明火山巖裂隙地層高壓灌注水泥黏土漿后，大的構(gòu)造導(dǎo)水通道及微細(xì)裂隙都能被漿液有效充填，注漿堵水效果顯著，該方法可為同類(lèi)礦床防治水工作借鑒。

構(gòu)造裂隙大水礦床 帷幕注漿試驗(yàn) 注漿參數(shù)

我國(guó)復(fù)雜大水礦床分布廣泛，礦石儲(chǔ)量大，種類(lèi)多，大多為強(qiáng)巖溶充水礦床[1]。針對(duì)巖溶充水礦床的水文地質(zhì)特征，20世紀(jì)60年代開(kāi)始，礦山防治水工作者開(kāi)發(fā)了巖溶礦床帷幕截流技術(shù)[2]。經(jīng)過(guò)幾十年的技術(shù)發(fā)展，目前我國(guó)已完成的礦山地面帷幕工程近40多個(gè)，保障了這些巖溶大水礦床的安全開(kāi)采，但帷幕注漿技術(shù)應(yīng)用于構(gòu)造裂隙充水的大水礦床仍是空白。

隨著金屬礦山開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，構(gòu)造裂隙充水的復(fù)雜大水礦床逐漸被發(fā)現(xiàn)和利用，如安徽白象山鐵礦，馬鞭山鐵礦，黃屯硫鐵礦等。該類(lèi)礦床受復(fù)雜水文地質(zhì)條件和礦床構(gòu)造條件等不利因素困擾，含水介質(zhì)復(fù)雜多變，普遍面臨基建難度大，突水風(fēng)險(xiǎn)高，采礦排水費(fèi)用高等問(wèn)題[3]。本研究以黃屯硫鐵礦火山巖構(gòu)造裂隙大水礦床為例，通過(guò)分析該類(lèi)礦床含水介質(zhì)特征，選擇合適的注漿材料，進(jìn)行帷幕注漿工程生產(chǎn)性試驗(yàn)及帷幕注漿參數(shù)優(yōu)化，以尋求根治構(gòu)造裂隙充水大水礦床的方法。

1 工程概況及含水介質(zhì)特征

1.1 工程概況

黃屯硫鐵礦位于安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)境內(nèi)，為未開(kāi)發(fā)利用的新礦床，已探明鐵礦石資源量4 000多萬(wàn)t。礦體賦存于主要含水層(火山碎屑巖)之中，含水層(包括礦體)構(gòu)造、裂隙發(fā)育，地下水水頭壓力大，地下水儲(chǔ)量極其豐富，數(shù)值模擬法預(yù)測(cè)涌水量達(dá)108 668 m3/d[4]，為水文地質(zhì)條件復(fù)雜的火山巖地層大水金屬礦床。設(shè)計(jì)采用礦山帷幕注漿方法根治地下水害，帷幕全長(zhǎng)2 722 m，投資估算約1.8億元[5]。

1.2 礦區(qū)含水介質(zhì)特征

本礦床的主要充水巖層為侏羅系上統(tǒng)龍門(mén)院火山碎屑巖?？傮w來(lái)說(shuō)，龍門(mén)院組含水層根據(jù)含水介質(zhì)特征可分為塊狀巖石、斷層帶、裂隙密集帶三大類(lèi)。實(shí)施帷幕注漿堵水工程，需根據(jù)含水介質(zhì)的不同水文地質(zhì)特征選擇合適的注漿材料及參數(shù)，以保證有效的擴(kuò)散半徑。

(1)塊狀巖石。該類(lèi)型含水介質(zhì)在淺部高角度裂隙網(wǎng)絡(luò)狀密集發(fā)育，連通性較好，滲透性較強(qiáng)。裂隙-孔洞的密集發(fā)育，使其具有較大的空隙率，為地下水提供了良好的儲(chǔ)存場(chǎng)所。因此，該含水介質(zhì)表現(xiàn)出導(dǎo)水性能較好、儲(chǔ)水性能也較強(qiáng)的特點(diǎn)，在空間上形成巨厚層的塊狀含水體。但總體上來(lái)說(shuō)，該類(lèi)型含水介質(zhì)在深部發(fā)育變?nèi)?。需要使用可注性較好的材料，通過(guò)高壓注漿工藝對(duì)該類(lèi)地下水通道進(jìn)行封堵。

(2)斷層帶。根據(jù)物探探測(cè)，礦區(qū)高角度斷層網(wǎng)狀發(fā)育，是礦區(qū)地下水主要富集和運(yùn)移的場(chǎng)所，也是未來(lái)礦坑突水、涌水的主要通道和來(lái)源，為注漿封堵的主要對(duì)象。導(dǎo)水?dāng)鄬訋е校瑢挻罅严栋l(fā)育，規(guī)模大、連通性極好，順沿?cái)鄬臃较驎?huì)表現(xiàn)出極強(qiáng)的導(dǎo)水性能，空間上形成強(qiáng)富水、導(dǎo)水的條帶狀含水體。

(3)裂隙密集帶。裂隙密集帶中大隙距的裂隙極為發(fā)育，能與塊狀含水體及斷層水溝通，水力聯(lián)系緊密，表現(xiàn)出較強(qiáng)的導(dǎo)水性能，注漿擴(kuò)散效果較好。

2 帷幕注漿生產(chǎn)性試驗(yàn)

2.1 漿液類(lèi)型選擇及原材料試驗(yàn)

根據(jù)巖溶礦床帷幕注漿經(jīng)驗(yàn)[6-7]，黏土水泥漿可注性、穩(wěn)定性、抗?jié)B性、防蝕性、耐久性較好，成本較低，塑性強(qiáng)度、結(jié)石率很高，適合本礦大規(guī)模基巖裂隙注漿。黏土原材料的確定需根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)后選定，為選擇合適的廉價(jià)注漿材料，根據(jù)礦區(qū)及周邊黏土土質(zhì)情況，我們選取了姚山和山莊2處黏土樣品進(jìn)行了材料試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 黏土基本性質(zhì)試驗(yàn)成果

從表1結(jié)果分析，姚山采樣點(diǎn)黏土黏粒含量高，活性成分含量和塑性指數(shù)都較高，有機(jī)物含量較低，且有一定規(guī)模的儲(chǔ)量。選定姚山處黏土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)。

2.2 帷幕注漿工程試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

根據(jù)《礦山帷幕注漿規(guī)范》要求，大型帷幕注漿工程需布置試驗(yàn)段，取得帷幕注漿工藝參數(shù)。結(jié)合黃屯礦基建進(jìn)度及場(chǎng)地條件，設(shè)計(jì)布置中帷幕試驗(yàn)段、南帷幕試驗(yàn)段2段帷幕注漿生產(chǎn)性試驗(yàn)。中帷幕試驗(yàn)段利用礦山已完成的馬頭門(mén)防滲注漿工程資料，在風(fēng)井馬頭門(mén)橫向開(kāi)挖20 m范圍內(nèi)，布置雙排注漿孔，設(shè)計(jì)注漿孔8個(gè)，孔距5 m，排距6 m。南帷幕試驗(yàn)段布置注漿孔9個(gè)，單排孔布置，孔距5 m、6 m，南帷幕試驗(yàn)段長(zhǎng)度44 m。

2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)帷幕幕頂：設(shè)計(jì)帷幕幕頂為基巖面。

(2)帷幕幕底：礦體底板為沉積巖裂隙水，含水介質(zhì)主要為裂隙，透水性相對(duì)較弱，為相對(duì)弱含水層。帷幕底板布置在相對(duì)弱含水層，為懸掛式帷幕。平均孔深293.10 m。

(3)帷幕厚度：設(shè)計(jì)帷幕厚度為6 m。

(4)漿液擴(kuò)散半徑：設(shè)計(jì)為4～6 m。

(5)帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)帷幕的防滲性能指標(biāo)為q≤3Lu。

2.2.2 注漿工藝

(1)注漿方式：自上而下、分段注漿，以止?jié){塞封閉式注漿為主。

(2)注漿漿液及配比：主要采用黏土-水泥穩(wěn)定漿液。初始漿液水固比3∶1～11。

(3)注漿壓力：根據(jù)含水介質(zhì)特征，設(shè)計(jì)采用高壓注漿方式，注漿終壓設(shè)計(jì)為地下水靜水壓力的2.5～4倍。

(4)注漿段高：分段段高視揭露巖性而定，設(shè)計(jì)為5～30 m。

(5)注漿工藝流程：造孔→簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)→注黏土水泥漿→停泵→待凝→掃孔→簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)→進(jìn)行下一個(gè)注漿循環(huán)。

(6)施工順序：一序孔→二序孔→三序孔→檢查或補(bǔ)注孔→資料整理→抽水試驗(yàn)質(zhì)量評(píng)定。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析及參數(shù)優(yōu)化

礦山帷幕注漿工程是典型的隱蔽工程，一次性投資大。為降低帷幕工程投資的風(fēng)險(xiǎn)，提高帷幕工程的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)段成果對(duì)帷幕體的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[8-9]、動(dòng)態(tài)管理。

2.3.1 生產(chǎn)性注漿試驗(yàn)成果分析

(1)注漿前后帷幕體透水性。從圖1、圖2可以看出，一序孔平均透水率大于10 Lu，為強(qiáng)透水地層。注漿改造后，二序孔平均透水率下降至4 Lu左右，南帷幕三序孔平均透水率下降至2.21 Lu。說(shuō)明通過(guò)一序孔注漿后巖體中可注性好且較大的裂隙通道已得到有效封堵。二序孔、三序孔注漿后，通過(guò)從檢查孔的壓水?dāng)?shù)據(jù)分析中得出，微細(xì)裂隙封堵效果較明顯及漿液得到有效擴(kuò)散，注漿效果顯著。

圖1 中帷幕試驗(yàn)段各序孔注漿前透水率

圖2 南帷幕試驗(yàn)段各序孔注漿前透水率

(2)檢查孔壓水試驗(yàn)。檢查孔的主要作用為檢查帷幕的擴(kuò)散效果和帷幕體相對(duì)薄弱位置的滲透性，從而達(dá)到反映整體帷幕體滲透性的效果。檢查孔壓水試驗(yàn)單位透水率是衡量帷幕是否成功最重要的指標(biāo)。從表2可以看出，3個(gè)檢查孔共壓水83段，其中13段壓水試驗(yàn)透水率小于1 Lu，其余70段全部小于3 Lu，檢查孔壓水試驗(yàn)合格率100%。說(shuō)明通過(guò)注漿改造后，火山巖基巖裂隙地層的滲透性發(fā)生了明顯改變，試驗(yàn)段帷幕體透水性小于3 Lu。

表2 帷幕注漿試驗(yàn)段檢查孔壓水試驗(yàn)成果

(3)注漿前后鉆孔巖芯揭露情況。從上述分析可以看到，黃屯硫鐵礦含水介質(zhì)主要有塊狀巖石裂隙，含水?dāng)鄬蛹傲严睹芗瘞?。從注漿后檢查孔(后序施工鉆孔)取芯情況來(lái)看，在檢查孔不同深度的破碎帶、火山巖裂隙內(nèi)取得大量水泥黏土漿結(jié)實(shí)體，并在多處裂隙面上發(fā)現(xiàn)有水泥黏土漿薄層，見(jiàn)圖3、圖4。表明漿液有效地對(duì)導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水裂隙進(jìn)行了充填，漿液擴(kuò)散范圍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 帷幕體關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

(1)漿液擴(kuò)散半徑：從注漿孔鉆孔揭露看，陡傾角裂隙發(fā)育，平緩裂隙發(fā)育相對(duì)較少，且地下水流場(chǎng)以南北向?yàn)橹鳎?jié)理裂隙走向垂直于帷幕軸線。巖溶地層漿液擴(kuò)散半徑可達(dá)8～10 m，但根據(jù)試驗(yàn)段分析，該類(lèi)火山巖裂隙地層漿液擴(kuò)散半徑為4～6 m。

(2)注漿孔孔距設(shè)計(jì)：本次試驗(yàn)段設(shè)計(jì)孔距5、6 m。從三序注漿孔及檢查孔壓水試驗(yàn)透水率分析，孔距可適當(dāng)增大，設(shè)計(jì)為6～7 m。

圖3 火山巖中發(fā)育的高角度裂隙(注漿前照片)

圖4 裂隙中充填的漿液結(jié)實(shí)體(注漿后照片)

(3)注漿壓力：本工程普遍面臨微細(xì)裂隙注漿情況，設(shè)計(jì)采用高壓劈裂注漿方式，通過(guò)提高注漿壓力，將裂隙內(nèi)的充填物用漿液劈裂并彼此溝通，來(lái)加大注入量。通過(guò)試驗(yàn)段注漿試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在局部裂隙密集帶中，高壓注漿可能使大的過(guò)水通道中的漿液反復(fù)劈裂，造成漿液擴(kuò)散距離太遠(yuǎn)，注漿成本提高。因此，設(shè)計(jì)注漿終壓為靜水壓力的2.0～4.0倍，施工過(guò)程中根據(jù)含水介質(zhì)類(lèi)型控制注漿壓力。

3 結(jié) 論

黃屯硫鐵礦是典型的構(gòu)造裂隙充水的復(fù)雜大水礦床，含水介質(zhì)既有導(dǎo)水性極強(qiáng)的斷層帶、裂隙密集帶，又有塊狀巖石中發(fā)育的微細(xì)裂隙。本次試驗(yàn)選用流動(dòng)性好、可注性好的水泥黏土漿液，采用高壓注漿工藝，解決了該類(lèi)地層注漿的關(guān)鍵難題。通過(guò)帷幕注漿生產(chǎn)性試驗(yàn)，表明注漿效果比預(yù)期好，孔距可設(shè)計(jì)為7 m，注漿孔鉆探費(fèi)用比原設(shè)計(jì)減少1 151萬(wàn)元。通過(guò)采用地面帷幕注漿的防治水技術(shù)，將徹底解決黃屯硫鐵礦基建難度大，突水風(fēng)險(xiǎn)高、采礦排水費(fèi)用高等問(wèn)題，可為其他同類(lèi)礦山借鑒。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Test and Parameters of Curtain Grouting for the Tectonic Fissured Water-rich Deposits

Yang Zhu Wang Jun Zhao Qia

(ChangshaInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Changsha410012，China)

Due to the complex aquifer-medium among structural fissured water-rich deposits，there are great difficulties in construction and high risk of water gushing-out，so it is hard to realize the water prevention and control.As a reference from the water control experiences of water-rich deposit in karst，the curtain grouting technology for water control at the surface of mine is adopted to treat the groundwater disaster in fissured water-rich deposit at tectonic volcanic rocks in Huangtun pyrites.According to the full-scale test of curtain grouting，and through analyzing water permeability of curtain-grouting before and after grouting，the water pressure test，the drilling core exposure before and after grouting，it is proved that after the high-pressure grout injection for fractured formation in volcanic rocks，water-conducting channel with large structure and micro-fractures can be effectively filled，with remarkable grouting effect.So，this method can be as a reference for the same type of deposit.

Tectonic fissured water-rich deposit，Curtain grouting test，Grouting parameter

2015-02-04

楊 柱(1982—)，男，工程師，碩士。

TD823

A

1001-1250(2015)-04-044-04