半封閉式帷幕注漿堵水技術(shù)在銅山銅鐵礦的應(yīng)用

張 博，余 佳，桂 飛，王 成，董傳富

(1湖北興冶礦業(yè)有限公司，湖北 大冶 435100；2黃石市安全技術(shù)學(xué)會，湖北 黃石 435003；3湖北省偉澤安全技術(shù)咨詢有限公司，湖北 浠水 438200；4湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；5重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 400030)

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半封閉式帷幕注漿堵水技術(shù)在銅山銅鐵礦的應(yīng)用

張 博1，余 佳2，桂 飛3，王 成4*，董傳富5

(1湖北興冶礦業(yè)有限公司，湖北 大冶 435100；2黃石市安全技術(shù)學(xué)會，湖北 黃石 435003；3湖北省偉澤安全技術(shù)咨詢有限公司，湖北 浠水 438200；4湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；5重慶科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，重慶 400030)

根據(jù)銅山銅鐵礦水文地質(zhì)條件，從治理的必要性、方案的可行性、經(jīng)濟的合理性等方面出發(fā)，在充分考慮施工過程中可能出現(xiàn)的問題及相應(yīng)預(yù)防處理措施的情況下，選用半封閉式帷幕堵水方案,確定了帷幕注漿的參數(shù)值。該方案不僅具有安全效益和經(jīng)濟效益，同時具有保護地下水資料的社會效益。該項技術(shù)適用范圍廣，工藝成熟，易于實施，可作為深井大水礦山地下水治理的主要技術(shù)方法予以推廣。

大水礦山；帷幕注漿；堵水；影響半徑

1 礦區(qū)基本情況

1.1 礦區(qū)概況

大冶市銅山銅鐵礦(以下簡稱銅山礦)位于湖北省大冶市區(qū)西南方3 km處，行政區(qū)劃屬大冶市金湖街道辦事處。礦區(qū)北與有色銅錄山礦露天采坑相距500 m，南為大冶市鋼鐵廠，東為銅錄山礦職工住宅區(qū)，礦區(qū)鐵路、公路交通便利。

銅山礦床共分為43個礦體，其中規(guī)模較大的礦體為401，402號礦體，探明銅礦儲量A+B+C級礦石量5.13×105t，銅金屬量1.681×104t；D級礦石量4.406×106t，銅金屬量5.952 6×104t。銅山礦前期屬大冶市銅錄山鎮(zhèn)開采經(jīng)營，后由大冶市與銅錄山鎮(zhèn)聯(lián)營開采。1996年11月至1999年5月，因鄰近的金馬銅鐵礦非法越界至銅山礦407線以南-20 m至-76 m水平濫采亂挖，導(dǎo)致生產(chǎn)停止。1999年11月進行企業(yè)改制，由湖北興冶礦業(yè)有限公司控股，銅山礦逐漸恢復(fù)生產(chǎn)。經(jīng)過幾年開采，銅山礦401礦體除接近地表的保安礦層外，現(xiàn)已基本開采完畢。大部分采空區(qū)已經(jīng)充填完畢，目前正在進行402號礦體的開采，已完成開拓至-300 m、-350 m、-400 m、-450 m、-500 m等幾個中段。

1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

銅山礦床位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，礦坑主要充水含水層為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組第1段白云巖夾大理巖，巖溶裂隙較發(fā)育，富水性中等，為隱伏巖溶裂隙含水層，礦山在銅錄山礦降落漏斗內(nèi)，淺部基本已被疏干，地下水主要接受大氣降水補給，補給條件差，循環(huán)交替滯緩，在洪水期，易導(dǎo)致青山河水沿塌陷區(qū)倒灌井下，雨季礦坑最大涌水量將達正常涌水量的3倍以上，因此銅山礦床屬水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度中等的巖溶充水礦床。

2 帷幕注漿堵水在銅山礦的應(yīng)用分析

2.1 必要性分析

目前401礦體已開采完畢，下步將轉(zhuǎn)入深部開采402號礦體，該礦體賦存標(biāo)高為-300 m以下。由于歷史上多家民營企業(yè)無序開采，導(dǎo)致采空區(qū)眾多，空區(qū)分布位置及規(guī)模大小難以查清，有較多礦山巷道掘進至采空區(qū)附近，在正常情況下礦坑地下水補給有限，對礦山不構(gòu)成大的威脅，但在強降雨情況下，可能導(dǎo)致青山河水從塌洞倒灌入礦坑，以致井下突水淹井。因此，為了安全開采402號礦體，加強礦山防治水工作十分必要。

2.2 可行性分析

銅山礦的水文地質(zhì)條件復(fù)雜程度為中等，在平面上礦區(qū)水文地質(zhì)邊界條件清晰，礦區(qū)東部石英閃長巖為隔水邊界，西部大理巖大量分布但多被巖漿巖覆蓋，地下水對礦坑的補給不充分；礦區(qū)400線以南，大理巖巖溶裂隙含水層為礦區(qū)地下水補給區(qū)，但因400～406線附近有火成巖穿插、覆蓋，致使地下水的補給有限。僅北部分布的三疊系下統(tǒng)嘉陵江組第1段白云巖夾大理巖裂隙巖溶含水層成為礦坑的主要進水通道。礦區(qū)主要含水層分布在礦區(qū)西北部與銅錄山礦區(qū)大理巖相連，正常時大部分地下水流向銅錄山礦，當(dāng)水位上漲過快、水位上升到一定高度時，就向銅山礦分流補給礦區(qū)。因此，主要來水補給方向為礦區(qū)西北部，從已有資料分析，該進水通道相對狹窄。垂向上巖溶含水層發(fā)育深度有限，接觸帶含水帶寬度有限，底部巖層含水性微弱，因此在平面上和垂向上具有帷幕注漿的客觀條件，適合采用帷幕注漿堵水的防治水方案[3]。

2.3 經(jīng)濟合理性分析

銅山礦在進行帷幕注漿處理前、后，其治理礦山地下水可采用傳統(tǒng)疏干或者帷幕注漿2種治水方案[1]。該2種方案的經(jīng)濟性相比，疏干排水設(shè)備多，成本高，對地質(zhì)環(huán)境有一定破壞。帷幕注漿礦坑涌水量小，排水費用低，保護了礦區(qū)水資源，較大程度地避免了環(huán)境工程地質(zhì)問題發(fā)生，雖然帷幕注漿初期投資較大，但總體上是非常經(jīng)濟合理的。

3 帷幕注漿堵水

3.1 帷幕線的確定

依據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)條件、開采深度、基巖錯動邊界、采礦方法、帷幕施工場地條件及經(jīng)濟性等因素綜合確定帷幕幕址[2]。帷幕左右邊界須落于隔水層中，軸線位于采礦移動帶以外，軸線地面場地允許帷幕施工，帷幕軸線盡可能縮短。根據(jù)礦山地下水的主要補給方向，帷幕平面布置在礦區(qū)西北部。為避免場區(qū)內(nèi)公路及高壓線給施工和交通帶來影響，帷幕線布置如下：帷幕北東端部位于421線南，銅錄山礦露天采坑邊(A點)，由A點向南西方向(257°15′14″)延伸30 m至B點，然后由B點向西南方向(221°25′13″) 延伸10 m穿過公路到C點，再由C點向西南方向(278°19′7″)延伸50 m至D點，為避開高壓線，再由D點向南(89°56′6″)延伸10.12 m至E點，從E點向西南向(243°52′14″)延伸40 m至417線F點，最后自F點向西南向(214°0′51″)延伸110 m至413線G點 (帷幕的南西端點)，幕線長250.12 m。帷幕軸線[4]控制(拐)點坐標(biāo)見表1。

表1 帷幕軸線控制(拐)點坐標(biāo)

帷幕軸線基本位于402號礦體巖石移動角(75°)范圍之外10 m，可最大限度地開發(fā)利用礦界內(nèi)的礦產(chǎn)資源。帷幕軸線長250.12 m。

3.2 帷幕的深度

依據(jù)鄂東南地質(zhì)大隊詳查報告，銅山礦礦區(qū)巖溶發(fā)育分Ⅰ、Ⅱ兩帶，Ⅰ帶為強巖溶發(fā)育帶，主要發(fā)育標(biāo)高在-100 m以上，位于礦區(qū)413線以南，此帶發(fā)育下限為-62.34 m；413線以北至421線，此帶發(fā)育下限為-171.18 m；西部0，8線，此帶發(fā)育下限為-166.26 m。Ⅱ帶為弱巖溶發(fā)育帶，西部0，8線及北部421線，其巖溶發(fā)育下限分別為-402.30 m(426線)；-400.75 m(0線)；-542.4 m(8線)和-621.64 m(421線)。銅山礦礦區(qū)巖溶發(fā)育受巖性及深度控制，巖溶發(fā)育由淺至深逐漸減弱。因此，帷幕按-400 m標(biāo)高控制。

3.3 帷幕的厚度

帷幕厚度主要由注漿孔的孔距、注漿參數(shù)[5]、受注地層的可注性及帷幕投資等綜合因素決定，根據(jù)國內(nèi)多年類似帷幕工程實踐、試驗工程現(xiàn)場注漿試驗及工業(yè)試驗成果，設(shè)計帷幕厚度為10.0 m。

帷幕厚度10.0 m，鉆孔間距為10.0 m，則注漿影響半徑R：

(1)

式(1)中：b—注漿孔間距(m);T—注漿帷幕設(shè)計厚度(m);R—注漿影響半徑(m)。

經(jīng)計算R為7.07 m。

3.4 注漿孔的間距、數(shù)量及布置

單排等距離布孔，注漿孔間距為10.0 m，帷幕軸線全長250.12 m，共布置26個鉆孔，鉆探總進尺11 494.00 m，大冶市銅山銅鐵礦帷幕注漿防治水工程設(shè)計數(shù)據(jù)見表2。

表2 大冶市銅山銅鐵礦帷幕注漿防治水工程設(shè)計數(shù)據(jù)一覽表

3.5 帷幕滲透系數(shù)

由于不同礦區(qū)帷幕的服務(wù)年限、安全性要求以及資金投入等因素各不相同，礦區(qū)帷幕不同于水利水電大壩帷幕，對于堵水率要求不高，堵水率[5]達到60%即可取得顯著的截流效果，銅山礦目標(biāo)值是70%，參照國內(nèi)礦山帷幕工程經(jīng)驗，帷幕幕體透水率設(shè)計為5 Lu以下，壓水試驗段長設(shè)為30 m，鉆孔半徑為0.055 m，滲透系數(shù)平均約為0.061 m/d是適宜的。

3.6 注漿段高、壓力和水灰比

分段段高因垂直方向上裂隙發(fā)育的不均一性而不同。一般情況下注漿段長為30 m一段；但在溶洞發(fā)育區(qū)，注漿段長為5～10 m。若遇到大于1 m的溶洞時，即停鉆進行注漿。

注漿壓力是指注漿段承受的全壓力，孔內(nèi)循環(huán)式注漿施工過程中應(yīng)將壓力表安裝在孔口回漿管路上。注漿壓力采用靜水壓力的1.5～2.0倍。初始灌漿壓力在注漿過程中應(yīng)根據(jù)漿液的消耗量及是否有串漿、冒漿、地面抬動等情況而選定。

水泥水玻璃雙液漿膠凝時間可在幾秒至幾十分鐘之間隨意調(diào)節(jié)，結(jié)石率100%，結(jié)石體試塊抗壓強度可達2～5 MPa。在保證管路暢通、不堵塞的情況下，能使?jié){液在預(yù)期的時間內(nèi)凝固，有效控制漿液的流失，參考大紅山礦帷幕注漿水泥水玻璃雙液漿配比，得到水灰比為1∶1。

3.7 注漿孔施工順序

帷幕注漿施工屬地下隱蔽工程，雖然有水文資料支持，但由于地層的非均質(zhì)性，探查精度有限，因而在帷幕注漿時需采用分序施工，將前一序孔的施工成果作為后序孔施工的依據(jù)，從而彌補地質(zhì)資料的不足。施工分3序，第I序7個鉆孔沿軸線按孔間距40 m布置;鉆探進尺3 093.00 m，中間加密到20 m施工，第Ⅱ序鉆孔6個，鉆探進尺2 653.00 m;最后孔間距加密到10 m時施工第Ⅲ序孔，第Ⅲ序鉆孔13個，鉆探進尺5 748.00 m。

3.8 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)對注漿質(zhì)量起控制作用，掌握好注漿結(jié)束時機，既可取得較好的堵水效果，又可節(jié)約工程費用。一般情況下，可依據(jù)注漿壓力均勻持續(xù)上升并達到設(shè)計終壓，同時鉆孔吸漿量小于10 L/min時，穩(wěn)壓20～30 min，或者注漿完畢后，進行掃孔沖洗，再進行壓水試驗，單位吸水率q小于5 Lu時可結(jié)束注漿。

4 帷幕注漿堵水效果及效益分析

由于礦山帷幕注漿主要是在巖溶裂隙發(fā)育地段進行注漿，加上礦山水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，因此帷幕注漿堵水效果有別于水利水電工程注漿，其允許部分地下水滲透進入礦坑。采用封閉式帷幕注漿，根據(jù)大冶大紅山、金井咀、趙家灣銅礦和廣東凡口鉛鋅礦等帷幕注漿的堵水效果來看，銅山礦帷幕注漿堵水率可滿足需求。

帷幕建成后取得了明顯經(jīng)濟、社會效益。不僅可以減少礦坑涌水量，降低礦山排水費用，節(jié)約生產(chǎn)成本；還可降低礦山開采對周邊環(huán)境的影響，加強周邊村莊、道路、農(nóng)田等的安全；同時為礦山實現(xiàn)安全生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ)。

5 帷幕注漿技術(shù)常見問題

5.1 第4系土層與大理巖接觸部位的注漿問題

礦區(qū)帷幕軸線北側(cè)是青山河，屬于大冶湖盆區(qū)。除人工填土層外，湖積粘土孔洞含水層底部有平均厚約8.72 m的粘土隔水層分布，粘土隔水層之下依次為砂礫石孔隙含水層和大理巖裂隙溶洞含水層。而大理巖裂隙溶洞含水層又是礦坑的直接充水因素，湖積粘土孔洞含水層和砂礫石孔隙含水層均將以越流形式補給礦坑，前者是礦坑次要間接充水因素，后者是礦坑主要間接充水因素。因此，砂礫石層和大理巖接觸帶應(yīng)進行專門的注漿處理。

5.2 注漿中斷問題

注漿中斷的主要原因如下：注漿設(shè)備發(fā)生機械故障；注漿管路堵塞、破裂或接頭崩脫；儀表失靈；止?jié){塞止不住水而發(fā)生孔口返漿；停水、停電等。注漿中斷所造成的危害有以下幾種：注漿中斷后單位注漿量比中斷前明顯減小，甚至不吸漿。特別是漿液中水泥顆粒的沉淀和漿液的凝固使灌漿無法繼續(xù)進行，影響灌漿效果；當(dāng)中斷時間較長時，止?jié){塞被固結(jié)在孔內(nèi)，起拔困難，造成事故；特別是當(dāng)灌注濃水泥漿液出現(xiàn)注漿中斷時，易造成注漿管路被水泥漿液凝固的事故；由于灌漿不符合要求，需重新掃孔，延誤工期等。

5.3 串漿問題

串漿的主要原因是：巖層裂隙較發(fā)育并相互串通，或注漿壓力較高時，致使灌漿孔與相鄰鉆孔之間裂隙被沖開，造成漿液通路。

串漿所造成的危害有以下幾種：使灌漿工作無法繼續(xù)進行，停灌后灌不進漿或因待凝后重新掃孔，影響工期；浪費灌漿材料；影響其他串漿孔的鉆進及灌漿質(zhì)量，易使其他串漿孔出現(xiàn)水泥“抱鉆”井故等。

5.4 溶洞注漿問題

注漿的過程中會遇到地層中有較大的溶洞。溶洞所造成的危害有以下幾種：注漿壓力達不到要求，帷幕線難于形成；漿液孔內(nèi)裂隙難以灌入，影響灌漿質(zhì)量；漿液擴散半徑較大，造成水泥漿液不必要的浪費。

5.5 跑漿問題

跑漿的主要原因是：由于帷幕區(qū)地層巖溶發(fā)育，各向異性明顯，漿液沿溶洞或大裂隙流失很遠，而近處的小裂隙則難以進漿，漿液有效擴散范圍呈極不規(guī)則狀。

6 預(yù)防處理措施

根據(jù)上述帷幕灌漿出現(xiàn)的主要技術(shù)問題，從以下幾個方面采取不同的預(yù)防處理措施[6]。

6.1 針對第4系土層與大理巖接觸部位注漿的處理措施

采用止水膠塞在粘土層中止水，然后利用較濃漿液自溜或低壓注漿方式對一段固結(jié)專門注漿。選用合適壓力對注漿進行測斜，至符合要求后用濃水泥漿封口。

6.2 針對注漿中斷的處理措施

制定解決措施恢復(fù)注漿，恢復(fù)時從稀漿開始，若吸漿率很低，則應(yīng)及時清洗鉆孔，然后進行灌注。若中斷時間較長，應(yīng)及時沖冼鉆孔或掃孔后復(fù)注彌補，以保證注漿質(zhì)量。對于間歇、冒漿等人為的有意中斷，應(yīng)將鉆孔清理至原深度后再進行復(fù)灌。

6.3 針對串漿的處理措施

當(dāng)發(fā)現(xiàn)串漿時應(yīng)立即采取措施，對串漿孔同時注漿，或者將串漿孔用止?jié){塞封閉，待灌漿孔灌漿結(jié)束后，對串漿孔進行掃孔，沖洗，而后繼續(xù)鉆進或者進行灌漿。

6.4 針對溶洞注漿的處理措施

依據(jù)類似工程的施工經(jīng)驗，可以采取以下處理措施：以溶洞底板作為注漿段的底板;壓縮注漿段段長;注漿時采用濃水泥漿進行注漿;降低注漿壓力或孔口自流注漿。若多次注水泥漿液仍無效果，則采用水泥、尾礦砂混合漿液或水泥漿液中加入早強劑或投放粗骨料進行注漿。

6.5 針對跑漿的處理措施

根據(jù)具體情況采取低壓、限流、限量、間歇注漿、變換漿液品種等措施進行處理。在注漿初期階段，應(yīng)采用廉價惰性充填材料雙液漿限制漿液的流失；注漿后期，則用尾砂漿液加壓注漿，在溶洞充填物或細小裂隙中形成劈裂或壓密注漿，促進漿液側(cè)向擴散，加大有效擴散半徑，直至壓力逐漸上升，達到設(shè)計的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 李萬金,夏焰光.銅多金屬礦帷幕注漿堵水方案研究[J].探礦工程,2012,39(1):68-72.

[2] 孫波.濟南張馬屯鐵礦帷幕注漿堵水工程簡介[J].山東國土資源,2005,21(6):89-91.

[3] 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(6):118-120.

[4] 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(3):19-37.

[5] 彭振斌.注漿工程設(shè)計計算與施工[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1997:75-76.

[6] 游紅江.中關(guān)鐵礦帷幕灌漿技術(shù)常見問題與預(yù)防處理措施[J].西部探礦工程,2013,5(1):97-99.

(責(zé)任編輯 高 嵩)

Application of Semi-enclosed Curtain Grouting for WaterPlugging in Tongshan Copper & Iron Mine

ZhangBo1,YuJia2,GuiFei3,WangCheng4*,DongChuanfu5

(1Hubei Hing Mining Co.Ltd.,Daye Hubei 435100;2Huangshi Safety Technology Association,Huangshi Hubei 435003;3Hubei Wei Ze Security Technology Consulting Co.,Ltd,Xishui Hubei 438200;4School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;5Safty Engineering School,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 400030)

According to the hydrogeological conditions of Tongshan Copper&Iron Mine,the necessity of treatment,the feasibility of the program and the economic rationality,a semi-enclosed curtain water plugging scheme has been chosen to determine the parameters of curtain grouting by fully taking all the problems occurring in the construction process and the corresponding preventive measures into consideration.This scheme not only has highly safety benefits and economic efficiency,but also has social benefits of protecting underground water resource.This technology has such advantages as wide application scope and mature technology,which can be applied widely as a major technology of treating underground water in deep-wells mines.

flood mine;curtain grout;water plugging;radius of influence

2016-08-18

湖北理工學(xué)院校級青年項目(項目編號：11yjz23Q);湖北省高校青年教師深入企業(yè)行動計劃項目(項目編號：XD2012492)。

張博，工程師，本科。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.05.005

TD741

A

2095-4565(2016)05-0017-05

*通訊作者：王成，講師，碩士。