中關(guān)鐵礦注漿帷幕檢查孔設(shè)計施工與優(yōu)化

高廣鋒,劉殿鳳,韓貴雷

(1.河北鋼鐵集團礦業(yè)公司中關(guān)礦, 河北邢臺市 054103;2.華北有色工程勘察院,河北石家莊 050021)

中關(guān)鐵礦注漿帷幕檢查孔設(shè)計施工與優(yōu)化

高廣鋒1,劉殿鳳2,韓貴雷2

(1.河北鋼鐵集團礦業(yè)公司中關(guān)礦, 河北邢臺市 054103;2.華北有色工程勘察院,河北石家莊 050021)

帷幕注漿是新興的礦山治水常用的重要手段,帷幕體抗?jié)B效果的檢查通常采用施工檢查孔的方式。對中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程已完工區(qū)段施工質(zhì)量進行分析與研究,最終確定了檢查孔布置原則,根據(jù)此原則對相應(yīng)區(qū)段布置了一定數(shù)量的檢查孔,通過大量資料的分析,認為鉆孔透水率與單位注灰量不存在對應(yīng)的線性關(guān)系,因此,檢查孔按注漿孔進行注漿施工是非常必要,按上述研究成果進行了檢查孔的設(shè)計與施工,檢查結(jié)果表明,幕體具有較好的搭接效果,帷幕體防滲性能滿足 q≤2 Lu的設(shè)計指標。

帷幕注漿;礦山治水;檢查孔

0 引 言

河北鋼鐵集團礦業(yè)公司中關(guān)礦位于河北省沙河市白塔鎮(zhèn)中關(guān)村附近,礦區(qū)南北長 2000 m,寬 800 m左右,礦體平均厚度 38 m,最大厚度 193.06 m,埋深300～720 m,總儲量 9345萬 t。礦山治水采用帷幕注漿的方式,帷幕注漿工程由華北有色工程勘察院承擔(dān),注漿帷幕線設(shè)計南北長 1140 m;東西最大寬度為 890 m,平面上形成環(huán)形橢圓狀展布的全封閉的帷幕,全長 3397 m,由 270個注漿孔、20個觀測孔、34個檢查孔、36個加密孔,共 360個鉆孔構(gòu)成,最大設(shè)計孔深達 810 m?？傘@探進尺 201906 m,注漿段全長 126674 m,帷幕注漿采用分段注漿,每注漿段平均長度為 30 m。注漿帷幕墻體底板進入燕山期閃長巖隔水層,注漿帷幕完工后的帷幕防滲性能指標 q≤2 Lu,帷幕形成后堵水率達 80%,滲透系數(shù) K≤0.08 m/d,質(zhì)量要求高[1]。

由于帷幕注漿工程具有典型的隱蔽工程特點[2],帷幕注漿施工完成后,注漿質(zhì)量好壞,防滲效果如何,均無法完全直接評定,因此,帷幕注漿工程施工質(zhì)量檢查一直是人們研究關(guān)注的熱點[3～11],目前帷幕注漿防滲效果的檢驗主要有間接方式:利用電場、磁場等物探手段分析和研究帷幕注漿前后地質(zhì)體的變化,借此來反映帷幕注漿效果,該方法具有簡單,經(jīng)濟等優(yōu)點;直接方式:通過施工檢查孔,利用單位透水率、單位注灰量等數(shù)據(jù)參數(shù)反映帷幕注漿效果,該方法評價方式直接,效果明顯,一般帷幕注漿工程中均需要按一定比例布置,但施工費用較高。

1 檢查孔優(yōu)化設(shè)計

中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程帷幕線全長 3397 m,設(shè)計施工 34個檢查孔,檢查孔位置及施工技術(shù)方案根據(jù)現(xiàn)場情況研究決定,在注漿帷幕施工過程中采用分區(qū)施工的方式,檢查孔的布置及施工以帷幕完成一段檢查一段為原則。

1.1 布置原則

非煤礦山帷幕注漿在我國發(fā)展相對滯后,成熟的經(jīng)驗相對較少。借鑒水利水電領(lǐng)域大壩壩基帷幕注漿經(jīng)驗,檢查孔布置可遵循以下原則:

(1)透水率與單位注灰量特別大的注漿孔附近;

(2)注漿過程中因故中斷或變漿不當(dāng),致使原來大量吸漿的孔段復(fù)注或變漿后,吸漿很小或不再吸漿的孔附近;

(3)發(fā)生串漿或冒漿事故的注漿孔附近;

(4)透水率很大,但單位注灰量很小;或恰恰與之相反,兩個數(shù)值相互不適應(yīng)的注漿孔附近;

(5)注漿孔揭露顯示地質(zhì)條件復(fù)雜的地段。

1.2 注漿孔質(zhì)量分析

以中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程 K8～W8區(qū)段鉆孔質(zhì)量分析及檢查孔布置為例,進行一般規(guī)律的研究,K8～W8區(qū)段為中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程中二工區(qū)中的一段,包括 49個鉆孔,其中Ⅰ序鉆孔 11個,Ⅱ序鉆孔 18個,Ⅲ序鉆孔 20個。

工程資料統(tǒng)計分析表明,該區(qū)段內(nèi)Ⅱ序孔單位注灰量為Ⅰ序孔的 30.2%,Ⅲ序孔單位注灰量為Ⅰ序孔的 13.6%,Ⅲ序孔單位注灰量為 Ⅱ序孔的44.9%,同樣各序孔單位透水率之間也具有明顯的遞減趨勢,單位注灰量及單位透水率隨著注漿過程遞減,反映出隨著注漿工程的進行,帷幕墻體逐漸形成的過程,注漿效果理想。

變異系數(shù)在巖土工程界常被用來對大量的實驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。研究發(fā)現(xiàn),將該參數(shù)引入帷幕注漿工程質(zhì)量評價工作中具有直觀的工程意義。因此,此次中關(guān)鐵礦帷幕注漿效果成果分析研究也引入了該參數(shù)。

由表1可以看出,Ⅰ序孔透水率離散性較大,說明該區(qū)域原始地層裂隙分布差異性較大,地質(zhì)情況復(fù)雜,巖層裂隙及其透水性不均一,注漿后離散系數(shù)變小,反映出注漿后地層中貫通裂隙被水泥封堵,透水性有所減小且較為均一,說明帷幕注漿的封堵效果理想。

表1 單位注灰量和透水率離散性分析

圖1表明:由于注漿過程及地層條件的不同,區(qū)內(nèi)鉆孔平均單位注漿量各不相同,其中 W9、W3、W6附近表現(xiàn)異常,W9附近最為異常,存在一定的隱患,應(yīng)進行注漿質(zhì)量檢查及加密補強。

圖1 水平向全孔平均單位注灰量分析

1.3 檢查孔布置

根據(jù)注漿孔質(zhì)量分析與研究,最終確定檢查孔的布置原則:檢查孔應(yīng)布置在具有代表性同時兼顧重點部位的地段,重點部位主要包括:注漿異常段、注漿事故段、地層異常段、壓水異常段等。

根據(jù)上述原則,對 K8～W8區(qū)段進行帷幕注漿效果檢查,設(shè)計布置 3個檢查孔,J1、J2、J3,檢查孔距離帷幕線 5 m,鉆探施工按注漿孔施工要求進行,對每段及鉆孔進行壓水試驗,以壓水試驗結(jié)果作為檢查標準。

K8～W8區(qū)段檢查孔布置見圖2。

圖2 檢查孔布置

2 檢查孔注漿必要性研究

一般來說,巖體單位透水率大,單位注灰量也會大,但是想要尋找一個具有普遍代表性的近似關(guān)系確實很難,其原因是多方面的:除了地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的差異外,透水率與單位注灰量兩個參數(shù)本身的性質(zhì)、運動規(guī)律也有較大的差異,他們之間是不成線性比的。

根據(jù)中關(guān)鐵礦帷幕注漿不同施工階段的注漿資料,總結(jié)出相應(yīng)的單位注灰量與透水率之間的關(guān)系(見圖3),透水率與單位注灰量對應(yīng)關(guān)系是在兩條斜線限定的范圍內(nèi)變化,而不是一條固定直線,說明透水率與單位注灰量之間不存在固定線性關(guān)系。

圖3 單位注灰量與透水率之間的關(guān)系

在礦山帷幕注漿領(lǐng)域,鉆孔單位注灰量大于800 kg/m時認為該鉆孔吃漿量較大,地層透水性較強,根據(jù)對中關(guān)鐵礦帷幕注漿已施工鉆孔的不完全統(tǒng)計,透水率小于 1 Lu,而單位注灰量大于 800 kg/m的鉆孔占全部鉆孔的 16%,表2為部分透水率小而單位注灰量特大的鉆孔資料,表中數(shù)據(jù)進一步說明這兩個參數(shù)之間的非線性對應(yīng)關(guān)系。

表2 鉆孔注漿結(jié)果統(tǒng)計

上述研究結(jié)果表明:由于中關(guān)礦區(qū)注漿對象寒武系石灰?guī)r裂隙巖溶發(fā)育存在很大不均一性,鉆孔透水率與單位注灰量并非理想的線性關(guān)系,存在較多的異常段。上述分析說明,利用注漿段透水率單一指標評價帷幕注漿效果是不全面的。因此,利用檢查孔在進行完壓水試驗后,按注漿孔進行注漿施工是非常必要的,一方面確保質(zhì)量評價指標得以完善,另一方面及時補強整體帷幕異常注漿段,確保工程施工質(zhì)量。同時,檢查孔注漿后,以其單位注灰量作為檢查注漿質(zhì)量的另一個評價指標,可使帷幕注漿抗?jié)B效果評價體系更加全面、更加科學(xué)。

3 檢查孔檢驗效果

中關(guān)鐵礦礦區(qū)漿液擴散通道存在兩種形式,即溶洞和裂隙。由于存在形式不同,其強度也不同(見表3),但均滿足幕體強度要求。水泥結(jié)石體的存在,在一定程度上反映了漿液具有較大的擴散范圍,反映出幕體具有較好的搭接效果。檢查孔巖芯水泥結(jié)石實物見圖4。

圖4 水泥結(jié)石實物

表4為檢查孔壓水試驗結(jié)果。試驗數(shù)據(jù)表明:各壓水段及全孔壓水試驗結(jié)果均小于帷幕設(shè)計防滲性能指標 q≤2 Lu,結(jié)石強度較高,幕體的厚度可達10 m,滿足設(shè)計要求。

表3 水泥結(jié)石試驗結(jié)果

表4 檢查孔壓水成果

4 結(jié) 論

通過對中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程 K8～W8區(qū)段注漿孔技術(shù)資料的詳細分析與研究,最終確定了檢查孔的布置原則與檢查孔的施工方案。檢查結(jié)果表明漿液具有較大的擴散范圍,幕體具有較好的搭接效果,帷幕體防滲性能滿足 q≤2 Lu的設(shè)計指標,同時得到以下重要結(jié)論:

(1)檢查孔布置應(yīng)在具有代表性同時兼顧重點部位的地段,重點部位主要包括:注漿異常段;注漿事故段;地層異常段;壓水異常段等。

(2)利用檢查孔在進行完壓水試驗后,按注漿孔進行注漿施工是非常必要的,一方面確保質(zhì)量評價指標得以完善,另一方面及時補強整體帷幕異常注漿段,確保工程施工質(zhì)量。

[1] 華北有色工程勘察院.邯鋼集團沙河市中關(guān)礦業(yè)有限公司中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程施工設(shè)計[R].石家莊:華北有色工程勘察院,2008.

[2] 孫 釗.大壩基巖灌漿[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[3] 王自清.水利水電工程地層注漿堵水與施工新技術(shù)及標準規(guī)范[M].西安:中國知識出版社,2006.

[4] 祝世平,王伏春,曾夏生.大紅山礦帷幕注漿工程實踐及治水效果[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006,(S2):91～93.

[5] 韓貴雷,于同超,蔣鵬飛,等.帷幕注漿工程大裂隙注漿材料及注漿工藝研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009,(3).

[6] 韓貴雷,于同超,劉殿鳳,等.中關(guān)鐵礦涌水量計算及帷幕注漿治水方案研究[J].工程勘察,2009,(S).

[7] 韓貴雷,于同超,賈玉琴.中關(guān)鐵礦深孔帷幕注漿過程中事故的分析及防治[J].采礦技術(shù),2009,(3).

[8] 李清來.帷幕注漿堵水在紅衛(wèi)巖溶充水銅鐵礦床防治地面塌陷中的應(yīng)用[J].中國巖溶,1997,(4):404～412.

[9]王 軍.巖溶礦床帷幕注漿截流新技術(shù)[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2006,(S1):151～154.

[10] 曾紹權(quán).水口山鉛鋅礦鴨公塘礦區(qū)大型帷幕注漿治水工程技術(shù)的應(yīng)用[J].中國有色冶金,2006,(6):55～59.

[11] 白聚波,張國軍,周輝峰.帷幕注漿在礦山治水中的應(yīng)用[J].西部探礦工程,2008,(3):96～98.

2010-04-28)

高廣鋒 (1971-),男,河北邯鄲人,工程師,從事采礦及巖土工程研究工作,Email:gao6071954@126.com。