構(gòu)造裂隙大水礦床帷幕注漿工程試驗及參數(shù)研究

楊 柱 王 軍 趙 恰

(長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

構(gòu)造裂隙大水礦床帷幕注漿工程試驗及參數(shù)研究

楊 柱 王 軍 趙 恰

(長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

構(gòu)造裂隙大水礦床含水介質(zhì)復雜多變，基建難度大，突水風險高，防治水技術(shù)難度大。借鑒巖溶大水礦床治水經(jīng)驗，設計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。通過帷幕注漿生產(chǎn)性試驗，從注漿前后帷幕體透水性、檢查孔壓水試驗、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)造導水通道及微細裂隙都能被漿液有效充填，注漿堵水效果顯著，該方法可為同類礦床防治水工作借鑒。

構(gòu)造裂隙大水礦床 帷幕注漿試驗 注漿參數(shù)

我國復雜大水礦床分布廣泛，礦石儲量大，種類多，大多為強巖溶充水礦床[1]。針對巖溶充水礦床的水文地質(zhì)特征，20世紀60年代開始，礦山防治水工作者開發(fā)了巖溶礦床帷幕截流技術(shù)[2]。經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，目前我國已完成的礦山地面帷幕工程近40多個，保障了這些巖溶大水礦床的安全開采，但帷幕注漿技術(shù)應用于構(gòu)造裂隙充水的大水礦床仍是空白。

隨著金屬礦山開采規(guī)模的不斷擴大，構(gòu)造裂隙充水的復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。該類礦床受復雜水文地質(zhì)條件和礦床構(gòu)造條件等不利因素困擾，含水介質(zhì)復雜多變，普遍面臨基建難度大，突水風險高，采礦排水費用高等問題[3]。本研究以黃屯硫鐵礦火山巖構(gòu)造裂隙大水礦床為例，通過分析該類礦床含水介質(zhì)特征，選擇合適的注漿材料，進行帷幕注漿工程生產(chǎn)性試驗及帷幕注漿參數(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)，為未開發(fā)利用的新礦床，已探明鐵礦石資源量4 000多萬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，地下水儲量極其豐富，數(shù)值模擬法預測涌水量達108 668 m3/d[4]，為水文地質(zhì)條件復雜的火山巖地層大水金屬礦床。設計采用礦山帷幕注漿方法根治地下水害，帷幕全長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)龍門院火山碎屑巖。總體來說，龍門院組含水層根據(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。實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)，以保證有效的擴散半徑。

(1)塊狀巖石。該類型含水介質(zhì)在淺部高角度裂隙網(wǎng)絡狀密集發(fā)育，連通性較好，滲透性較強。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存場所。因此，該含水介質(zhì)表現(xiàn)出導水性能較好、儲水性能也較強的特點，在空間上形成巨厚層的塊狀含水體。但總體上來說，該類型含水介質(zhì)在深部發(fā)育變?nèi)?。需要使用可注性較好的材料，通過高壓注漿工藝對該類地下水通道進行封堵。

(2)斷層帶。根據(jù)物探探測，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移的場所，也是未來礦坑突水、涌水的主要通道和來源，為注漿封堵的主要對象。導水斷層帶中，寬大裂隙發(fā)育，規(guī)模大、連通性極好，順沿斷層方向會表現(xiàn)出極強的導水性能，空間上形成強富水、導水的條帶狀含水體。

(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)出較強的導水性能，注漿擴散效果較好。

2 帷幕注漿生產(chǎn)性試驗

2.1 漿液類型選擇及原材料試驗

根據(jù)巖溶礦床帷幕注漿經(jīng)驗[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)試驗后選定，為選擇合適的廉價注漿材料，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處黏土樣品進行了材料試驗。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 黏土基本性質(zhì)試驗成果

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

2.2 帷幕注漿工程試驗段設計

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段，取得帷幕注漿工藝參數(shù)。結(jié)合黃屯礦基建進度及場地條件，設計布置中帷幕試驗段、南帷幕試驗段2段帷幕注漿生產(chǎn)性試驗。中帷幕試驗段利用礦山已完成的馬頭門防滲注漿工程資料，在風井馬頭門橫向開挖20 m范圍內(nèi)，布置雙排注漿孔，設計注漿孔8個，孔距5 m，排距6 m。南帷幕試驗段布置注漿孔9個，單排孔布置，孔距5 m、6 m，南帷幕試驗段長度44 m。

2.2.1 設計參數(shù)

(1)帷幕幕頂：設計帷幕幕頂為基巖面。

(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，透水性相對較弱，為相對弱含水層。帷幕底板布置在相對弱含水層，為懸掛式帷幕。平均孔深293.10 m。

(3)帷幕厚度：設計帷幕厚度為6 m。

(4)漿液擴散半徑：設計為4～6 m。

(5)帷幕防滲標準：設計帷幕的防滲性能指標為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，設計采用高壓注漿方式，注漿終壓設計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，設計為5～30 m。

(5)注漿工藝流程：造孔→簡易壓水試驗→注黏土水泥漿→停泵→待凝→掃孔→簡易壓水試驗→進行下一個注漿循環(huán)。

(6)施工順序：一序孔→二序孔→三序孔→檢查或補注孔→資料整理→抽水試驗質(zhì)量評定。

2.3 試驗結(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險，提高帷幕工程的經(jīng)濟性，應根據(jù)試驗段成果對帷幕體的關(guān)鍵參數(shù)進行優(yōu)化[8-9]、動態(tài)管理。

2.3.1 生產(chǎn)性注漿試驗成果分析

(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。說明通過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，通過從檢查孔的壓水數(shù)據(jù)分析中得出，微細裂隙封堵效果較明顯及漿液得到有效擴散，注漿效果顯著。

圖1 中帷幕試驗段各序孔注漿前透水率

圖2 南帷幕試驗段各序孔注漿前透水率

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

表2 帷幕注漿試驗段檢查孔壓水試驗成果

(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，含水斷層及裂隙密集帶。從注漿后檢查孔(后序施工鉆孔)取芯情況來看，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)實體，并在多處裂隙面上發(fā)現(xiàn)有水泥黏土漿薄層，見圖3、圖4。表明漿液有效地對導水斷層、導水裂隙進行了充填，漿液擴散范圍滿足設計要求。

2.3.2 帷幕體關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

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

(2)注漿孔孔距設計：本次試驗段設計孔距5、6 m。從三序注漿孔及檢查孔壓水試驗透水率分析，孔距可適當增大，設計為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)實體(注漿后照片)

(3)注漿壓力：本工程普遍面臨微細裂隙注漿情況，設計采用高壓劈裂注漿方式，通過提高注漿壓力，將裂隙內(nèi)的充填物用漿液劈裂并彼此溝通，來加大注入量。通過試驗段注漿試驗發(fā)現(xiàn)，在局部裂隙密集帶中，高壓注漿可能使大的過水通道中的漿液反復劈裂，造成漿液擴散距離太遠，注漿成本提高。因此，設計注漿終壓為靜水壓力的2.0～4.0倍，施工過程中根據(jù)含水介質(zhì)類型控制注漿壓力。

3 結(jié) 論

黃屯硫鐵礦是典型的構(gòu)造裂隙充水的復雜大水礦床，含水介質(zhì)既有導水性極強的斷層帶、裂隙密集帶，又有塊狀巖石中發(fā)育的微細裂隙。本次試驗選用流動性好、可注性好的水泥黏土漿液，采用高壓注漿工藝，解決了該類地層注漿的關(guān)鍵難題。通過帷幕注漿生產(chǎn)性試驗，表明注漿效果比預期好，孔距可設計為7 m，注漿孔鉆探費用比原設計減少1 151萬元。通過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，突水風險高、采礦排水費用高等問題，可為其他同類礦山借鑒。

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(責任編輯 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