均衡法在礦山帷幕注漿堵水效果評價中應(yīng)用

韓貴雷

(華北有色工程勘察有限公司，　河北 石家莊　050021)

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均衡法在礦山帷幕注漿堵水效果評價中應(yīng)用

韓貴雷

(華北有色工程勘察有限公司，河北 石家莊050021)

水患礦山實施帷幕注漿后評價堵水效果的方法一直不完善。利用礦山帷幕將改變礦區(qū)地下水流場，在帷幕內(nèi)形成相對獨立的水文地質(zhì)單元的特點，采用均衡法計算評價帷幕滲透性及堵水效果。在詳細(xì)闡述均衡法計算原理的基礎(chǔ)上，利用中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程作為計算實例進(jìn)一步驗證了均衡法的有效性，計算結(jié)果表明：采用均衡法計算帷幕平均滲透系數(shù)K=0.039 m/d，幕體防滲性能指標(biāo)滿足設(shè)計，具有可行性。

帷幕注漿；堵水效果；均衡法

0　引　言

隨著我國對礦產(chǎn)資源需求量的增加和開采強(qiáng)度不斷加大，礦山開采過程中由于疏排水帶來的一系列環(huán)境、水資源保護(hù)及安全等問題日益凸顯。帷幕注漿技術(shù)能夠有效解決保護(hù)區(qū)域地下水環(huán)境與安全開采礦產(chǎn)資源之間的矛盾，其應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)成為國內(nèi)水患礦山主要的治水手段，并取得了良好的效果。

由于礦山帷幕注漿工程具有典型的隱蔽工程特點，水患礦山實施帷幕注漿后，其堵水效果和帷幕體本身的滲透性的評價方法一直不完善。目前，帷幕注漿工程領(lǐng)域一直采用實施檢查孔以及相關(guān)物探等手段評價帷幕體本身的透水性。采用檢查孔的評價方法不僅投資費用較高，同時其評價結(jié)果只是驗證了檢查孔附近的帷幕體透水性，難以對帷幕體整體透水性以及堵水效果做出全面的評價。2015年出版的《礦山帷幕注漿規(guī)范》提出了礦山帷幕注漿的堵水效果評價可利用礦坑疏干放水或者進(jìn)行專門的抽、放水試驗進(jìn)行驗證。該方法數(shù)據(jù)真實性、可靠性強(qiáng)，但是礦山的基建期受影響因素較多，且礦坑放水也存在較長的排水期，也就是說，整個堵水效果的驗證可能需要等1～2 a甚至更長的時間。因此，研究新的技術(shù)方法及評價手段預(yù)測幕體堵水效果，對帷幕注漿工程施工尤為重要。

礦山帷幕形成后，將改變礦區(qū)地下水流場，在帷幕內(nèi)形成相對獨立的水文地質(zhì)單元。在同一時間，帷幕內(nèi)外的地下水位會產(chǎn)生一定的變化，但不管是帷幕內(nèi)還是帷幕外均會存在有聯(lián)系的地下水補、徑、排條件，因此可以利用這些條件試算帷幕體的堵水效果。

1　均衡法原理

水均衡法也稱水量平衡法或水量均衡法，是全面研究某一地區(qū)(或均衡區(qū))在一定時間段地下水的補給量、儲存量和消耗量之間的數(shù)量轉(zhuǎn)化關(guān)系的平衡計算。對于一個飽和富水的含水層來說，含水層組中水體積(或質(zhì)量)為穩(wěn)定量。因而建立水均衡方程式：

Q進(jìn)=Q排

(1)

式中：Q進(jìn)——某一時刻進(jìn)入計算區(qū)域內(nèi)的水量；

Q排——某一時刻流出計算區(qū)域內(nèi)的水量。

針對礦山帷幕注漿工程，在礦山堵水帷幕形成后，在開拓及開采過程中，單位時間內(nèi)流入或流出礦井(坑)，包括井筒、巷道和開采系統(tǒng)的水量，一般都是通過周邊含水體向礦坑內(nèi)補充，在每一時間點上，補給量和排出量應(yīng)該是相同的，也就是補給和輸出是均衡的。

因此根據(jù)均衡原理，通過研究某一時期(均衡期)帷幕體內(nèi)外地下水各均衡要素(補給量、消耗量和儲存量)之間的關(guān)系，建立地下水均衡方程，計算出帷幕體在特定條件下的滲透特性，為評價帷幕體的堵水效果提供依據(jù)。

2　應(yīng)用實例

2.1工程背景

中關(guān)鐵礦位于河北邢臺沙河市，隸屬于河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司，2004評價礦坑涌水量豐水年為15.03萬m3/d，屬于典型的大水礦山，采用傳統(tǒng)的疏干采礦將嚴(yán)重破壞邢臺地區(qū)的地下水資源，2004年以前被列為限采礦山。2005年華北有色工程勘察院有限公司為其進(jìn)行了礦山帷幕注漿試驗并取得成功，中關(guān)鐵礦由規(guī)劃限采區(qū)調(diào)整為允許開采區(qū)，經(jīng)過2006年的再次試驗最終確定了在中關(guān)鐵礦實施全封閉整體帷幕的治水方案。

中關(guān)鐵礦帷幕注漿方案確定帷幕形成后堵水率不小于80%，即在-230 m中段帷幕形成后礦坑涌水量平水年最大不超過2.44萬t/d，豐水年最大不超過3.00萬t/d。主要技術(shù)參數(shù)為：帷幕線全長3397 m，在平面上呈橢圓形封閉圈；帷幕體厚度不小于10 m；帷幕體防滲性能不大于2 Lu；注漿孔單排；注漿孔間距12 m。

中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程自2008年開始施工，2011年完成了全部的野外工作，野外工作量見表1。

表1　中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程工作量

2.2均衡法計算帷幕體滲透系數(shù)

中關(guān)鐵礦注漿帷幕形成后，阻斷了與區(qū)域地下水主要的水力聯(lián)系，在帷幕內(nèi)外產(chǎn)生水頭差，也是洪水期幕外水向幕內(nèi)滲透的動力。根據(jù)地下水補給排泄的均衡原理，以觀測期內(nèi)某一天的水位觀測資料為基礎(chǔ)(圖1為帷幕線附近觀測孔布置圖)，運用均衡法試算注漿帷幕的平均滲透系數(shù)。

2.2.1計算公式

根據(jù)達(dá)西定律確認(rèn)本次計算公式，具體過程如下：

(2)

Q=KiA

(3)

(4)

(5)

式中：K——帷幕體平均滲透系數(shù)，m/d；

A1——進(jìn)水?dāng)嗝婷娣e，m2；

A2——出水?dāng)嗝婷娣e，m2；

Q1——主副井排水量，m3/d；

Q進(jìn)——進(jìn)入帷幕內(nèi)的水量，m3/d。

圖1　帷幕觀測孔布置

計算中主要涉及到以下幾個方面參數(shù)：

(1) 由于帷幕注漿孔間距是等距的，故設(shè)定帷幕體是均質(zhì)的；

(2) 計算中采用的數(shù)據(jù)為某體觀測日的水位觀測資料；

(3) 主、副井2010年3月開始停產(chǎn)，其中主井排水量為25m3/h，副井排水量為20m3/h，日排水量穩(wěn)定在1080m3/d；

(4) 幕內(nèi)外觀測孔間距為40m；

(5) 滲透系數(shù)為帷幕體的平均滲透系數(shù)。

2.2.2參數(shù)計算

(1) 進(jìn)水?dāng)嗝?。由水位觀測數(shù)據(jù)可知，觀測時期正處于洪水期的帷幕體呈現(xiàn)幕外水向幕內(nèi)滲透的趨勢，因此可以看作帷幕體為全過水?dāng)嗝妫浜畬拥暮穸纫援?dāng)時水位為頂板，底板為注漿孔揭露灰?guī)r的平均深度，過水?dāng)嗝嫫拭婷娣e按條分法劃分，見圖2。

(2) 出水?dāng)嗝?。由于觀測日處于洪水期，帷幕外地下水向帷幕內(nèi)滲透，因此無出水?dāng)嗝妗?/p>

(3) 水力坡度。將地下水位觀測數(shù)據(jù)帶入公式(6)，求解帷幕內(nèi)外水力坡度，計算結(jié)果見表2。

(6)

式中：l——觀測孔距離，40 m。

圖2　條分法計算過水?dāng)嗝婷娣e

表3　進(jìn)水?dāng)嗝嬗^測孔水位數(shù)據(jù)

為了準(zhǔn)確計算過水?dāng)嗝嫫骄ζ露?，采用面積加權(quán)平均的方法，根據(jù)不同觀測孔控制長度與剖面條分寬度計算各對觀測孔的控制面積。計算公式見式(7)，計算結(jié)果見表3，最終計算得進(jìn)水總面積為1118228.21 m3, 加權(quán)平均水力坡度為0.0248。

(7)

(3) 主、副井日排水量。根據(jù)礦山排水記錄表，主副井日排水量1080 m3/d，并且該排水量已穩(wěn)定有6個月。

(4) 試算結(jié)果。根據(jù)上述假設(shè)，將表中數(shù)據(jù)代入公式(5)，經(jīng)試算中關(guān)鐵礦注漿帷幕的平均滲透系數(shù)K=0.039 m/d，小于設(shè)計要求的0.08 m/d，表明帷幕體防滲性能指標(biāo)滿足設(shè)計，帷幕體堵水率應(yīng)能夠達(dá)到80%。

3　結(jié)　論

(1) 礦山實施帷幕注漿后，帷幕內(nèi)外在每一時間點上補給量和排出量應(yīng)該是相同的，也就是補給和輸出是均衡的，因此，采用均衡法評價帷幕注漿堵水效果具有可行性。

(2) 通過采用均衡法對中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程堵水效果進(jìn)行評價，中關(guān)鐵礦注漿帷幕的平均滲透系數(shù)K=0.039 m/d，小于設(shè)計要求的0.08 m/d，表明帷幕體防滲性能指標(biāo)滿足設(shè)計，帷幕體堵水率應(yīng)能夠達(dá)到80%。

(3) 中關(guān)鐵礦評價實例表明均衡法評價帷幕注漿工程堵水效果具有較高可信度。

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2016￣04￣15)

韓貴雷(1980-)，男，河北保定人，高級工程師，碩士，主要從事礦山防治水研究，Email：hanguilei@tom.com。