礦山注漿防滲帷幕特點及相關(guān)參數(shù)分析

李國山 王安則

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

礦山注漿防滲帷幕特點及相關(guān)參數(shù)分析

李國山 王安則

(長沙有色冶金設計研究院有限公司)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，采用注漿防滲帷幕技術(shù)進行防治水的礦山逐漸增多，到目前為止，國內(nèi)大約有40多條帷幕建成使用。通過對多個礦防滲帷幕的分析，對帷幕的特點、帷幕結(jié)構(gòu)型式及平面布置、注漿工藝、堵水效果、投資費用組成、經(jīng)濟效益及社會效益等方面做了總結(jié)介紹，最后對未來礦山注漿防滲帷幕技術(shù)的發(fā)展提出了展望。

防滲帷幕 防治水 注漿工藝

注漿防滲帷幕是在礦區(qū)地下水主要進水通道上采用注漿的方法構(gòu)筑帷幕，堵截地下水，以確保開采安全的一種防治水技術(shù)措施[1]。注漿帷幕能將開采區(qū)和周邊區(qū)域分開，阻斷水力聯(lián)系，只抽排開采區(qū)的地下水，減少對區(qū)域水環(huán)境的影響，保證礦山的安全生產(chǎn)[2]。在某些具備條件的礦山，采用注漿防滲帷幕堵水，不僅可以確保開采安全，而且還能大量節(jié)省排水用電和經(jīng)營費用，其投資費用雖然比較高，但可以在短期內(nèi)得到補償，因此，在經(jīng)濟上仍然具有明顯的優(yōu)越性。

在國內(nèi)，目前已有40多個礦山建立了地下水防滲帷幕[3]，其中有色礦山有水口山鉛鋅礦、銅山嶺銅礦、銅錄山銅礦、大紅山銅礦、新華山銅礦、金敬咀銅礦等；黑色礦山有黑旺鐵礦、張馬屯鐵礦、紅衛(wèi)鐵礦、青山店子鐵礦、中關(guān)鐵礦等；化工礦山有新橋硫鐵礦等；煤礦山有協(xié)莊煤礦、田屯煤礦、青山泉煤礦、關(guān)春煤礦、大封煤礦等。鑒于注漿防滲帷幕技術(shù)的在礦山的不斷運用，有必要對其特點及相關(guān)參數(shù)進行總結(jié)，為將來礦山防治水技術(shù)提供有益借鑒。

1 礦山注漿防滲帷幕工程的特點

(1)受礦區(qū)水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件控制。礦山防滲帷幕通常是在大范圍內(nèi)堵截地下水。因此，帷幕堵截地段含水層的位置、隔水層及隔水邊界的位置和空間形態(tài)共同決定著帷幕的范圍、形狀及空間形態(tài)，對防滲帷幕的布置具有控制作用，同時也直接影響著帷幕的堵水效果，而帷幕地段水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件的任何變化，都會給帷幕的建造和施工帶來明顯影響。

(2)注漿工藝復雜。①工藝及設備要求高,有些礦山需在埋藏很深的含水層中采用高壓注漿的方法構(gòu)筑防滲帷幕，而高壓注漿對漿液的攪拌、輸送和造漿工藝及對注漿設備、輸漿管道以及連接件的性能均有較高要求,例如，張馬屯鐵礦含水層埋藏深達500 m，靜水壓力達4 MPa，其注漿壓力最高達10 MPa;②聯(lián)合注漿工藝復雜,為了減少注漿孔鉆探工程量，有些礦山采用地面與井下聯(lián)合注漿工藝，但這種工藝將使造漿、輸漿和注漿等工藝過程進一步復雜化,例如，水口山鉛鋅礦采用地面和井下聯(lián)合注漿，通過直通式輸漿孔，把地面造漿系統(tǒng)和井下注漿系統(tǒng)連接起來，使整個注漿工藝系統(tǒng)復雜化;③注漿工程量大，基建投資高，一般帷幕的長度和深度均較大,因此，注漿孔的鉆探工程量和注漿工程量很大，注漿材料消耗多，投資費用較高,表1列出了部分礦山帷幕注漿工程量及投資費用[4-6];④施工周期長,由于構(gòu)筑防滲帷幕工程量大，因此，從施工準備到竣工建成需要較長的時間,如張馬屯鐵礦自1975年12月—1979年9月竣工，歷時45個月；銅錄山銅礦帷幕注漿工程從1988年5月開始帷幕注漿試驗，到1992年11月施工結(jié)束，歷時4年半[7]；中關(guān)鐵礦帷幕施工從2008年6月—2010年6月結(jié)束，歷時24個月。

表1 部分礦山帷幕注漿工程量及投資費用

2 帷幕注漿技術(shù)及相關(guān)參數(shù)

2.1 水文地質(zhì)條件

現(xiàn)有礦山采用防滲帷幕主要是堵截富水的巖溶石灰?guī)r和大理巖含水層，這些含水層除具有分布廣、富水性強等共同特點外，還因礦床所在的地理區(qū)域和礦床種類的不同而異。

(1)位于我國南方的礦山，其碳酸質(zhì)巖石的特點是溶洞發(fā)育，且溶洞內(nèi)有泥沙充填。如湖南水口山鉛鋅礦、銅山嶺有色礦多為大碳酸質(zhì)巖石，溶洞十分發(fā)育，溶洞內(nèi)有大量的泥沙充填物，水口山鉛鋅礦最大線巖溶率高達30.6%。

(2)位于我國北方的礦山，其碳酸質(zhì)巖石的特點主要以溶蝕裂隙為主，局部有小的溶孔存在，裂隙及溶孔中無泥沙充填。如山東張馬屯鐵礦及黑旺鐵礦的奧陶系石灰?guī)r具有這種特點。

(3)煤礦采用大型注漿防滲帷幕，主要是用于堵截北方煤系地層中1～10層富水的石灰?guī)r含水層，和金屬礦床相比，這些含水層厚度小，埋藏比較淺，富水性較弱，含水層主要以溶蝕裂隙為主，且很少有泥沙充填。

上述水文地質(zhì)條件的差異決定了構(gòu)筑防滲帷幕時注漿方式和方法、注漿參數(shù)及堵水效果等。

2.2 帷幕結(jié)構(gòu)形式及平面布置

(1)冶金礦山根據(jù)其水文地質(zhì)特點，絕大部分礦區(qū)采用半封底式帷幕，即在垂向上，帷幕在采區(qū)強含水帶的進水通道或集中徑流帶上完全截斷地下水，幕底設在含水層下部弱帶中，允許含水層的弱帶向采區(qū)滲流，而在平面上則采用封閉式布置在兩端隔水邊界上。張馬屯鐵礦在一期施工的半封底式帷幕的基礎(chǔ)上，在二期工程中，采取了封底措施，封底式帷幕明顯地提高了堵水效果。

(2)煤礦由礦區(qū)的水文地質(zhì)特點決定，在堵截煤系石灰?guī)r地下水時，常采用封底式的淺截帷幕，和冶金礦山相比，帷幕工程量小，堵水效果較好。

(3)在國內(nèi)已建礦山帷幕中，帷幕線上注漿孔均按單排非等距布置，孔距變化在5～15 m，帷幕線距地下礦開采錯動線一般為20～40 m。

2.3 注漿工藝及注漿材料

國內(nèi)大部分帷幕注漿工程采用地面注漿施工和壓入式下行分段注漿工藝，其注漿段段高則因注漿層的完整程度和單位吸水量的不同而異，一般在5～30 m，注漿壓力最高可達10 MPa。水口山鉛鋅礦因地制宜采用地面和井下聯(lián)合、自溜式下行分段注漿工藝，也取得了預期堵水效果。

在注漿材料使用方面，主要以水泥為主，采用單液水泥漿，漿液水灰比在0.25～3.0。在某些煤礦帷幕的施工中，根據(jù)注漿層的特點及堵水要求，也曾采用雙液水泥-水玻璃漿液及強度較低、價格低廉的水泥-黏土漿液。此外，在溶洞及充填物相當發(fā)育的水口山鉛鋅礦及銅山嶺有色礦，注漿過程中，填加了尾礦及木屑等摻合料，也填加了水玻璃、碳酸鈉及氯化鈣等促凝劑。

2.4 帷幕堵水效果

帷幕結(jié)構(gòu)形式直接關(guān)系到帷幕的堵水效果，在很大程度上取決于礦區(qū)水文地質(zhì)特點及投資。從國內(nèi)冶金礦山來看，采用半封底式帷幕，其堵水率可達53%～70%，其中張馬屯鐵礦經(jīng)二期補底成為封底式帷幕后，其堵水率由原來的53%提高到82%；大封煤礦淺帷幕采用單液、雙液注漿后，其堵水率達99%，是煤礦堵水效果最好的礦山之一。

2.5 帷幕工程投資費用組成

根據(jù)冶金礦山統(tǒng)計，在防滲帷幕工程投資費用組成中，注漿孔鉆探工程量(包括重復鉆進工程量)占總投資費用的39.8%～51%，注漿材料費用占30%～48.1%，注漿施工及其他費用占6.43%～25%，部分礦山帷幕工程投資費用見表2。

表2 帷幕工程投資費用組成

2.6 社會效益及經(jīng)濟效益

張馬屯鐵礦帷幕建成后，取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟效益，保護了礦山附近的地下水資源，滿足了附近電廠及農(nóng)業(yè)用水的需要。礦山原-240 m水平預計礦坑涌水量為5萬m3/d，帷幕形成后，坑內(nèi)總排水量已降至1.1萬m3/d，按此計算，每年可節(jié)約排水費用213.53萬元，其帷幕投資回收期為2.6 a，取得了明顯的經(jīng)濟效果。

水口山鉛鋅礦從1980年起，礦坑涌水量已降至706 m3/h，年節(jié)約排水費用73萬元，投資回收期為7.2 a。帷幕建成后，控制了地面塌陷向外圍擴展，減少了經(jīng)濟賠償損失。

銅錄山銅礦建成帷幕后，綜合防治水效率達到62%，減少了井下、露天坑的排水量。1991年銅錄山礦遭受大暴雨，7月份連降暴雨12d，全月降雨量高達395mm，但井下的洪峰排水量只有21萬m3，井下沒有增加排水設備，礦山安全得到了保證[7]。

3 結(jié) 語

(1)以往將礦坑地下水的進口比較狹窄作為采用防滲帷幕的必要水文地質(zhì)條件，但是隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，目前此條件已經(jīng)被突破，例如中關(guān)鐵礦、后江橋錳礦礦區(qū)在平面上都是360°進水，且隨著建幕對礦坑地下水進口狹窄要求的突破，帷幕規(guī)模和投資會更大。

(2)目前雖然帷幕技術(shù)發(fā)展突飛猛進，但是影響設計、施工和帷幕質(zhì)量的不確定因素較多，因此，在帷幕方案確定時，應持謹慎態(tài)度。當?shù)V山資源情況不佳，如品位低、儲量小、礦石價值不高時，建立帷幕獲得的經(jīng)濟效益可能難以補償帷幕的投資，對這類不適于疏干，又不宜于采用帷幕的礦山，應該列為暫不宜開采礦山。

(3)防滲帷幕治水實質(zhì)上應理解為與礦場疏干的聯(lián)合治水。防滲帷幕建成后，只是阻隔了幕內(nèi)外區(qū)域地下水對礦坑補給的主要部分，幕內(nèi)外地下水位仍然很高，并未解除礦井采掘突然涌水的威脅。因此，在礦山設計時，仍要采用合適的疏干工程，不斷降低幕內(nèi)的地下水位，排除幕內(nèi)巨大地下水靜儲量和幕外補給的動流量，才能保證礦井采掘安全。

[1] 采礦設計手冊編委會.采礦設計手冊—礦產(chǎn)地質(zhì)卷(下)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989.

[2] 白聚波,李現(xiàn)波,楊清蓮.帷幕注漿技術(shù)在大水礦山治水中的應用[J].石家莊鐵道學院學報：自然科學版,2008,21(1):80-83.

[3] 王 亮.大水金屬礦床井下近礦體帷幕注漿堵水技術(shù)研究[D].長沙:長沙礦山研究院,2011.

[4] 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)的應用[J].中國有色冶金,2006(6):55-59.

[5] 王 興.中關(guān)鐵礦堵水帷幕穩(wěn)定性初步研究[D].沈陽:東北大學,2011.

[6] 蔣兵輝,劉殿鳳,韓貴雷,等.中關(guān)鐵礦帷幕注漿后基建期突水因素剖析及防治措施[J].礦產(chǎn)勘查,2010(6):525-529.

[7] 劉 旺.銅錄山礦帷幕注漿堵水技術(shù)[J].礦業(yè)研究與開發(fā),1993(2):19-38.

2015-03-31)

李國山(1981—)，男，工程師，碩士，410011 湖南省長沙市。