石灰?guī)r含水層中高角度裂隙對(duì)帷幕注漿的影響分析

蔣鵬飛 趙立濤 高學(xué)通

(華北有色工程勘察院有限公司)

石灰?guī)r含水層中高角度裂隙對(duì)帷幕注漿的影響分析

蔣鵬飛 趙立濤 高學(xué)通

(華北有色工程勘察院有限公司)

礦山帷幕注漿技術(shù)在大水礦山地下水防治方面的作用逐漸受到業(yè)界的廣泛認(rèn)可，礦山帷幕注漿工程量大、工期長(zhǎng)，作為大型隱蔽工程，其施工質(zhì)量受到很多因素制約和影響，而受注地層的裂隙發(fā)育條件則是影響注漿施工的一項(xiàng)重要因素。以南李莊鐵礦帷幕注漿工程為例，通過(guò)對(duì)工程中鉆探和注漿資料的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，分析了礦區(qū)灰?guī)r含水層巖溶裂隙發(fā)育特征和裂隙產(chǎn)狀對(duì)注漿施工的影響，認(rèn)為礦區(qū)地層普遍存在的高角度裂隙對(duì)于漿液擴(kuò)散搭接存在不利影響，結(jié)合現(xiàn)有工程施工經(jīng)驗(yàn)，提出了降低這種不利影響的合理建議，為類(lèi)似工程提供參考。

帷幕注漿 灰?guī)r含水層 高角度裂隙

礦山帷幕注漿是近年來(lái)為解決大水礦山安全開(kāi)采和區(qū)域地下水資源保護(hù)等問(wèn)題而逐漸興起的防治水技術(shù)[1-4]。作為隱蔽工程，其注漿和堵水效果受到很多客觀地質(zhì)因素的制約和影響，如待注漿巖體裂隙發(fā)育程度、裂隙寬度及延展性、裂隙連通程度、充填物的性質(zhì)和充填程度、破碎帶透水性等。本文以南李莊鐵礦帷幕注漿工程為例，分析礦區(qū)地層中高角度巖溶裂隙對(duì)注漿施工的影響，結(jié)合現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)，提出合理的注漿工藝改進(jìn)措施，旨在指導(dǎo)同類(lèi)工程施工。

1 工程簡(jiǎn)介

南李莊鐵礦位于河北省邯鄲縣，礦區(qū)處于一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元中，主要含水層為奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水，含水層裂隙巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)。礦床賦存于潛水面以下120～114 m，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。為了保證礦山安全開(kāi)采和保護(hù)區(qū)域地下水資源，南李莊鐵礦實(shí)施帷幕注漿工程堵截地下水。

本工程設(shè)計(jì)帷幕線長(zhǎng)1 691 m，施工注漿孔171個(gè)，檢查孔24個(gè)，加密孔7個(gè)，總鉆探進(jìn)尺為122 666.9 m；平均孔深為613.87 m，最大孔深為735.76 m；總注漿量為143 694.99 m3，最大單孔注漿量為4 092.08 m3，最大平均單位注漿量為6.98 m3/m。

2 水文地質(zhì)條件

南李莊鐵礦帷幕注漿工程施工場(chǎng)區(qū)位于獨(dú)立水文地質(zhì)單元中部偏東位置，處于強(qiáng)徑流帶，周邊無(wú)明顯隔水邊界，見(jiàn)圖1。

圖1 場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖

施工場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要含水層為中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r以溶隙為主，含豐富的裂隙巖溶潛水，平均滲透系數(shù)達(dá)到5.95 m/d，地下水靜水位標(biāo)高基本保持在+100 m左右。

場(chǎng)區(qū)含水層富水性在水平向呈現(xiàn)東側(cè)和北側(cè)較強(qiáng)、西側(cè)和南側(cè)較弱的趨勢(shì)：在垂向上體現(xiàn)上弱、中強(qiáng)、下弱的趨勢(shì)，其中+130 m標(biāo)高以上為弱富水段，+130～+100 m標(biāo)高為富水段，+100～-150 m 標(biāo)高為強(qiáng)富水段，-150～-200 m標(biāo)高為富水段，-200～-320 m標(biāo)高為弱富水段，但局部位置存在富水性和透水性強(qiáng)的裂隙巖溶。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)基底為燕山期閃長(zhǎng)玢巖，其頂板接觸帶在場(chǎng)區(qū)內(nèi)起伏不平，最淺處標(biāo)高為-129.87 m，最深處標(biāo)高為-490.92 m。在工程中對(duì)閃長(zhǎng)玢巖進(jìn)行壓水試驗(yàn)，其平均單位透水率僅為0.25 Lu，說(shuō)明燕山期閃長(zhǎng)玢巖可作為場(chǎng)區(qū)內(nèi)的隔水層。

3 高角度裂隙對(duì)注漿的影響分析

3.1 灰?guī)r裂隙形態(tài)劃分

裂隙角度是斷裂面與巖芯中軸線垂直面的夾角。按裂隙角度的大小，可將裂隙分為3個(gè)類(lèi)別：水平裂隙，傾角為0°～10°；斜交裂隙，傾角為10°～60°；高角度裂隙，傾角為60°～90°[5]。裂隙形態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 裂隙形態(tài)

3.2 灰?guī)r裂隙角度分析

以南李莊鐵礦帷幕注漿工程為例，對(duì)其中的Ⅰ序孔進(jìn)行裂隙夾角統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

-200 m標(biāo)高是中部強(qiáng)含水層的下限，因此，-200 m 標(biāo)高以上的石灰?guī)r含水層是本工程重點(diǎn)注漿治理對(duì)象，其裂隙角度發(fā)育規(guī)律見(jiàn)表2。

表1 Ⅰ序注漿孔石灰?guī)r含水層裂隙夾角統(tǒng)計(jì)

表2 -200 m標(biāo)高以上石灰?guī)r含水層裂隙夾角統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出，-200 m標(biāo)高以上的石灰?guī)r含水層中，大于60°的高角度裂隙占到了79.3%，10°～60°的斜交裂隙僅有19.4%，低于10°的水平裂隙只有1.4%，說(shuō)明場(chǎng)區(qū)內(nèi)石灰?guī)r含水層裂隙發(fā)育角度以高角度為主。

3.3 注漿與裂隙角度的關(guān)系

礦山帷幕注漿是利用鉆探揭露含水層裂隙，將可凝結(jié)的漿液通過(guò)外加高壓注入到裂隙之中，使其擴(kuò)散到一定范圍，待漿液凝結(jié)后完全充填裂隙空間，達(dá)到封堵裂隙通道，隔離帷幕內(nèi)外水力聯(lián)系的目的。

一般來(lái)說(shuō)，在水平裂隙進(jìn)行注漿，漿液通過(guò)裂隙向周?chē)鷶U(kuò)散，圍繞注漿段周?chē)纬梢欢ń鼒A形范圍的結(jié)石體以充填裂隙空間；在斜交裂隙中注漿，由于裂隙與注漿孔呈斜交狀，在注漿過(guò)程中，漿液在機(jī)械壓力和自身重力的雙重作用下，沿著裂隙向四周運(yùn)移，由于自重壓力的存在，在漿液擴(kuò)散距離和程度上，下方向勢(shì)必優(yōu)于上方向和水平方向；而高角度裂隙可能造成部分漿液順著裂隙越過(guò)待注漿段，對(duì)下部尚未鉆探施工的含水層進(jìn)行充填，不利于下段注漿漿液的擴(kuò)散，可能影響到帷幕的堵水效果[5]。

3.4 高角度裂隙對(duì)注漿的影響

南李莊鐵礦帷幕注漿工程中45個(gè)Ⅰ序孔有25個(gè)鉆孔在鉆探過(guò)程中揭露有漿液結(jié)石，占Ⅰ序孔總數(shù)的57.78%。Ⅰ序孔在注漿前出現(xiàn)漿液結(jié)石有2種可能：①含水層裂隙巖溶發(fā)育，連通性好，漿液平面擴(kuò)散距離遠(yuǎn)；②含水層高角度裂隙發(fā)育，漿液垂向?qū)ㄖ料虏课淬@探注漿段，這種漿液結(jié)石往往出現(xiàn)在垂向裂隙之中。

通過(guò)對(duì)工程中Ⅰ序孔發(fā)現(xiàn)漿液結(jié)石的位置、時(shí)間和相鄰注漿孔施工情況進(jìn)行對(duì)比，分析認(rèn)為其中18個(gè)Ⅰ序孔出現(xiàn)漿液結(jié)石是因?yàn)楦呓嵌攘严?。?duì)這18個(gè)Ⅰ序孔和鄰近Ⅲ序孔的注漿資料(表3)進(jìn)行分析,可以看出在高角度裂隙影響下，附近Ⅲ序孔注漿情況為30.55%的Ⅲ序孔單位注漿量小于Ⅰ序孔注漿量的50%，近50%的Ⅲ序孔單位注漿量大于Ⅰ序孔注漿量的70%，單位注漿量超過(guò)Ⅰ序孔的Ⅲ序孔占了20%。對(duì)比鄰近礦區(qū)帷幕注漿工程可以看出，南李莊礦區(qū)地層由于高角度裂隙較為發(fā)育，造成漿液水平向擴(kuò)散疊加困難，在經(jīng)過(guò)Ⅰ、Ⅱ序孔的注漿施工后，大部分Ⅲ序孔仍存在注漿量偏大的情況，需要加強(qiáng)分析。

3.5 注漿效果評(píng)價(jià)

對(duì)于上述分析中認(rèn)為由于高角度裂隙發(fā)育造成Ⅰ序孔出現(xiàn)漿液結(jié)石的18個(gè)Ⅰ序孔，通過(guò)布置檢查孔和加密孔對(duì)其中的12個(gè)孔進(jìn)行了注漿效果檢查驗(yàn)證，驗(yàn)證孔布置與注漿情況見(jiàn)表4。

由表4可以看出，12個(gè)驗(yàn)證孔中僅有2個(gè)孔平均單位注漿量大于0.5 m3/m，注漿量低于Ⅲ序孔的平均值。但是，在12個(gè)驗(yàn)證孔中共計(jì)進(jìn)行了170段次的壓水試驗(yàn)，其中有34段次壓水試驗(yàn)結(jié)果大于1 Lu(小于帷幕體設(shè)計(jì)防滲標(biāo)準(zhǔn)2 Lu)，有15段次單位注漿量大于1 m3/m，單段最大單位注漿量達(dá)到3.51 m3/m，說(shuō)明在高角度裂隙發(fā)育的地層部位漿液水平向擴(kuò)散較為困難，各序孔間注漿量的疊加遞減效應(yīng)不明顯，由此證明高角度裂隙對(duì)帷幕注漿施工和幕體堵水效果有較大不良影響。

表3 高角度裂隙影響下Ⅲ序孔注漿情況統(tǒng)計(jì)

表4 高角度裂隙條件下注漿效果驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

借助南李莊鐵礦帷幕注漿工程相關(guān)施工資料，分析了石灰?guī)r含水層中高角度裂隙對(duì)注漿施工的影響，認(rèn)為高角度裂隙在一定程度上影響了漿液的擴(kuò)散范圍，造成局部地段Ⅲ序孔注漿量偏大，影響了帷幕體局部的注漿效果。因此，對(duì)于受到高角度裂隙影響的Ⅰ序孔，如果附近Ⅲ序孔注漿量過(guò)大，應(yīng)視為注漿異常地段，必須進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)。

對(duì)于普遍存在高角度裂隙的大水礦山，在采用帷幕注漿技術(shù)治理地下水時(shí)，建議采取以下措施：

(1)開(kāi)展大規(guī)模注漿施工前必須進(jìn)行帷幕線地質(zhì)勘察和注漿試驗(yàn)，確定裂隙發(fā)育產(chǎn)狀及程度，對(duì)高角度裂隙發(fā)育的地段適當(dāng)縮短注漿孔孔距。

(2)要達(dá)到相同的水平擴(kuò)散范圍，在高角度裂隙中漿液需要更長(zhǎng)的流動(dòng)距離，必須選用適宜的混合漿液，增強(qiáng)漿液的流動(dòng)性，延長(zhǎng)漿液的凝結(jié)時(shí)間，從而降低高角度對(duì)于擴(kuò)散距離的影響。

(3)漿液的流動(dòng)距離一定程度上取決注漿泵施加的壓力，因此可以適當(dāng)增大有效注漿壓力，便于漿液在高角度裂隙含水層中擴(kuò)散。

[1] 盧 萍,侯克鵬.帷幕注漿技術(shù)在礦山治水中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(3):21-24.

[2] 王 軍.礦山地下水害防治技術(shù)新進(jìn)展[J].采礦技術(shù),2002,2(3):55-58.

[3] 蔣鵬飛,于同超,高廣鋒.帷幕注漿工藝在大水礦山中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(6):118-120.

[4] 宋 峰,劉新社.中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程科技成果匯編[M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2012.

[5] 高學(xué)通,劉殿風(fēng),蔣鵬飛.巖溶裂隙產(chǎn)狀對(duì)帷幕注漿施工及堵水的影響[J].金屬礦山,2013(3):25-28.

2014-10-20)

蔣鵬飛(1974—)，男，高級(jí)工程師，050021 河北省石家莊市。