井下近礦體帷幕注漿技術(shù)在高原地區(qū)金屬礦山的應(yīng)用

易偉功 ，辛小毛

（1長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410012；2金屬礦山安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410012）

1 前言

黃崗鐵礦屬于典型的內(nèi)蒙古高原地區(qū)大水礦山，海撥較高，礦山涌水量大，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，礦山開(kāi)采過(guò)程中一直采用疏干排水的方法，排水費(fèi)用昂貴，同時(shí)由于長(zhǎng)時(shí)間的抽排地下水，出現(xiàn)了地表水枯竭，植被破壞和地表塌陷等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。目前在礦山防治水領(lǐng)域主要的防治水技術(shù)有疏干排水、礦區(qū)地面帷幕注漿和井下近礦體帷幕注漿三種［1］，其中井下近礦體帷幕注漿技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的礦山防治水新技術(shù)，該技術(shù)在平原地區(qū)大水金屬礦山已得到成功應(yīng)用［2-6］。介紹了井下近礦體帷幕注漿技術(shù)在黃崗鐵礦的研究與應(yīng)用，是該防治水技術(shù)在高原地區(qū)大水金屬礦山的成功應(yīng)用，為今后該技術(shù)在高原地區(qū)類似大水礦山的推廣應(yīng)用提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

2 近礦體帷幕注漿可行性分析

2.1 井下近礦體帷幕注漿的必要//可能性

黃崗鐵礦床屬于孔隙—裂隙充水礦床，礦區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜。礦床頂板為碎屑巖裂隙含水層，與第四系松散巖類孔隙含水層水力聯(lián)系密切。第四系松散巖類孔隙含水層地下水靜動(dòng)儲(chǔ)量豐富，導(dǎo)水性好，富水性強(qiáng)；同時(shí)，由于其底部隔水層分布不穩(wěn)定，在礦區(qū)局部地段有缺失，形成“天窗”現(xiàn)象，致使礦體直接與第四系富水砂層相通，大大增加了礦山開(kāi)采難度。如果礦區(qū)繼續(xù)采用疏干排水的防治水方案，將致使礦區(qū)地下水位持續(xù)下降，形成較大范圍的降落漏斗，繼而造成礦區(qū)地面塌陷、地下水資源消耗、地質(zhì)環(huán)境破壞等一系列問(wèn)題。與此同時(shí)，礦山排水費(fèi)用大幅度增加，開(kāi)采成本提高，不利于企業(yè)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，更不利于對(duì)地下水資源及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。如采取礦區(qū)地面帷幕注漿防治水方法，由于礦床充水含水層分布于礦體頂板及四周，礦床進(jìn)水通道多而寬闊，其結(jié)果勢(shì)必導(dǎo)致工程投資高昂，周期長(zhǎng)、堵水效果不直接且質(zhì)量難以保證，帷幕建設(shè)期間井下時(shí)刻存在突水隱患，威脅礦山安全生產(chǎn)。

此項(xiàng)研究既能保護(hù)礦區(qū)地下水資源，避免礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境遭到破壞，又能保障礦床安全高效開(kāi)采。要滿足上述目的，只有在礦體周?chē)鷰r內(nèi)形成一定厚度的連續(xù)人工隔水層，形成礦體開(kāi)采的保護(hù)層。井下近礦體帷幕注漿是以堵水為主、排水為輔的防治水方法，其研究的重點(diǎn)是通過(guò)對(duì)含水層構(gòu)造、裂隙發(fā)育分布規(guī)律、水力聯(lián)系、地下水分布規(guī)律、富水性、主要徑流通道等水文工程地質(zhì)特征的研究；通過(guò)設(shè)計(jì)布置實(shí)施水平和斜孔探水注漿工程及帷幕加密注漿工程，查清礦床水文地質(zhì)特征，并通過(guò)縱橫交錯(cuò)的注漿鉆孔形成空間網(wǎng)格，最終在礦床四周?chē)鷰r中形成一定厚度的注漿蓋層，為礦山的安全高效開(kāi)采提供技術(shù)保障，因此井下近礦體注漿帷幕是該礦區(qū)的必然選擇。

2.2 礦山基本具備井下近礦體帷幕注漿的條件

前期在黃崗鐵礦區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)勘探工作，掌握了相關(guān)地質(zhì)資料，對(duì)分析研究礦區(qū)礦床水文、工程地質(zhì)條件和制定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的防治水方案有較大的幫助。該礦區(qū)礦帶頂板及四周?chē)鷰r均為厚度大的矽卡巖或安山巖，而底板為花崗巖，并且矽卡巖或安山巖在10～185 m深度發(fā)育含水風(fēng)化裂隙帶，裂隙發(fā)育分布有一定的規(guī)律，為實(shí)施井下近礦體帷幕注漿，保證其堵水效果，提供了必要的客觀條件；同時(shí)，井下部分分段水平實(shí)施的探礦巷道、回風(fēng)巷道和運(yùn)輸巷道已基本到位，為探水注漿鉆孔的布置提供了空間條件，且井下排水泵房具備2.5萬(wàn)m3/d的排水量能力，為礦山安全開(kāi)采及探水帷幕注漿工程實(shí)施，提供了一定的安全保障，因此通過(guò)以上分析研究表明，井下近礦體帷幕注漿技術(shù)在黃崗鐵礦的應(yīng)用具有可行性。

3 井下近礦體帷幕注漿工程設(shè)計(jì)

本次井下近礦體帷幕注漿工程主要是在井下利用穿脈、探礦和運(yùn)輸巷道等地下空間，施工水平和斜向探水注漿鉆孔，其目的主要是查明礦床頂板裂隙發(fā)育分布情況、地下水分布規(guī)律、含水層間水力聯(lián)系等水文、工程地質(zhì)特征，并通過(guò)對(duì)這些探水鉆孔進(jìn)行科學(xué)、有序地注漿施工，構(gòu)建隔水帷幕體，基本達(dá)到封堵地下水主要徑流通道的目的。

3.1 穿脈鉆孔探水注漿工程設(shè)計(jì)

穿脈鉆孔以各中段水平鉆孔為主，由于礦體的走向?yàn)榻茤|北向，碎屑巖裂隙含水層裂隙和接觸帶的走向主要為東北向，因此，穿脈探水注漿鉆孔的鉆進(jìn)方向與之垂直，為西北方向，主要是為了能夠增大揭露構(gòu)造裂隙的機(jī)率，并達(dá)到注漿封堵的目的。結(jié)合工程實(shí)際情況本工程主要在1 450、1 400、1 350、1 325、1 287.5、1 250、1 212.5、1 187.5、1 150 m這9個(gè)中段或分段水平進(jìn)行穿脈鉆孔布置設(shè)計(jì)。

3.2 鉆孔加密注漿工程設(shè)計(jì)

加密鉆孔的工程設(shè)計(jì)必須根據(jù)穿脈探水鉆孔實(shí)施揭露的水文情況，如礦床頂板的裂隙發(fā)育情況、富水性和地下水的分布規(guī)律等水文地質(zhì)特征，以及隨著前期穿脈探水注漿工程的結(jié)束，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后礦區(qū)的地下水位可能會(huì)有所回升，而導(dǎo)致新的涌水點(diǎn)，針對(duì)薄弱地段進(jìn)行鉆孔加密注漿。

根據(jù)前期穿脈鉆孔的實(shí)施表明礦體的導(dǎo)水裂隙主要分布發(fā)育在礦床的東北部、西南部和礦巖上下盤(pán)接觸帶，其他地段少見(jiàn)涌水現(xiàn)象，即以上地段頂板接觸帶附近的含水更為豐富，是礦床充水的主要來(lái)源，因此，針對(duì)這些區(qū)域設(shè)計(jì)了部分加密注漿鉆孔。

3.3 帷幕注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

3.3.1 帷幕參數(shù)

井下近礦體帷幕注漿厚度確定為30 m；帷幕高度從1 150～1 435m水平，垂直高度為285 m；帷幕長(zhǎng)度從礦床的西部11線至東部90線，長(zhǎng)度約1 976 m。

3.3.2 注漿方式和注漿段高

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)礦山注漿的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮到本工程的具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用下行壓入式注漿法；如果鉆孔涌水量較小時(shí)（Q＜10 L/min），采用全孔不分段注漿；當(dāng)鉆孔涌水量較大時(shí)，立即停鉆進(jìn)行注漿封堵，再鉆到設(shè)計(jì)孔深進(jìn)行注漿。注漿段長(zhǎng)度一般情況下取50 m。

3.3.3 注漿壓力和漿液配比

注漿壓力是漿液克服流動(dòng)阻力進(jìn)行滲透擴(kuò)散的動(dòng)力，是決定注漿效果的主要因素。在整個(gè)注漿過(guò)程中，注漿壓力隨著注漿孔周?chē)鷿{液的擴(kuò)散、沉析、充填壓裂等情況的變化而隨時(shí)變化。一般分為初始?jí)毫Α⑦^(guò)程壓力和終值壓力3個(gè)階段。一般注漿終壓為2.5～3.0倍靜水壓力，根據(jù)本工程實(shí)際特征1 300 m水平以上設(shè)計(jì)終壓為6 MPa；1 200～1 300 m水平設(shè)計(jì)終壓為10 MPa；100 m水平以下設(shè)計(jì)終壓為12 MPa。

漿液配比直接影響漿液的可注性和結(jié)石強(qiáng)度，由于注漿段中含有不同寬度的裂隙，因此每次注漿中都應(yīng)采用幾種濃度的漿液，原則是先稀后濃，用不同濃度的漿液分別去適應(yīng)各種不同寬度的裂隙。單液水泥漿起始濃度按水灰比2∶1、1.5∶1、1∶1和0.8∶1這4個(gè)級(jí)別進(jìn)行配比，供注漿時(shí)選擇；水泥水玻璃雙液漿采用1∶1的水泥漿，與水玻璃的體積配比，體積比為1∶1。

4 井下近礦體帷幕注漿效果分析

4.1 鉆孔涌水量

穿脈鉆孔施工中，多數(shù)鉆孔涌水量較大，最大鉆孔涌水量達(dá)300 m3/h，而在后期加密鉆孔施工中，部分鉆孔涌水量＜2 m3/h，個(gè)別鉆孔涌水量30 m3/h，但絕大部分鉆孔都未見(jiàn)出水或滲漏水。通過(guò)前后鉆孔涌水量對(duì)比，明顯出現(xiàn)從大到小的遞減規(guī)律，充分說(shuō)明穿脈水平鉆孔和橫斜向加密鉆孔在礦床圍巖周邊形成了全方位的立體鉆孔體系，有效封堵了地下水進(jìn)入礦床的導(dǎo)水通道。

4.2 檢查孔注漿效果檢驗(yàn)

穿脈水平鉆孔注漿工程和橫斜向加密鉆孔注漿工程施工完后，布置了10%的檢查鉆孔來(lái)檢驗(yàn)井下近礦體帷幕注漿效果，發(fā)現(xiàn)90%以上檢查鉆孔未出水，只有少量檢查鉆孔有滲水，且滲水量＜2 m3/h，鉆孔單位吸水量＜0.03 L/（min·m），部分檢查鉆孔可取到水泥結(jié)石。綜合分析認(rèn)為，井下近礦體帷幕注漿的堵水率＞80%。

4.3 礦區(qū)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)

隨著井下近礦體帷幕注漿工程的逐步實(shí)施，礦井涌水量逐漸減少。礦井實(shí)際涌水量從工程注漿實(shí)施前的13 000 m3/d左右大幅度減少到4 000 m3/d左右，同時(shí)礦區(qū)地面觀測(cè)孔的水位也有不同程度的回升；因此，從礦區(qū)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)的數(shù)據(jù)綜合分析，井下近礦體帷幕注漿的堵水效果是非常理想的。

4.4 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)環(huán)境效益顯著

礦山預(yù)測(cè)最大涌水量約為21 556 m3/d，自井下近礦體帷幕注漿工程實(shí)施后，從2014年開(kāi)始，礦井涌水量控制在4 000 m3/d左右，堵水率＞80%，每年節(jié)約排水電費(fèi)（按2元/m3計(jì)算）約1 280萬(wàn)元，同時(shí)可釋放礦山受水患威脅的可采礦量約1 000萬(wàn)t，礦石價(jià)值達(dá)20億元以上。另外，礦區(qū)地下水已基本回升至礦山開(kāi)采前的水平，不僅保護(hù)礦區(qū)地下水資源，還避免了地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，從而帶來(lái)顯著的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

4.5 問(wèn)題討論

通過(guò)井下近礦體帷幕注漿工程的實(shí)施，發(fā)現(xiàn)存在兩個(gè)問(wèn)題：1）在井下對(duì)近礦體圍巖的水文地質(zhì)條件探查方法比較單一；2）近礦體帷幕鉆孔施工的針對(duì)性不強(qiáng)，無(wú)效鉆進(jìn)偏多。針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，是否可以在井下近礦體帷幕注漿工程實(shí)施前采用井下物探的手段對(duì)近礦體圍巖的水文地質(zhì)條件進(jìn)行探查，查明其存在的薄弱地帶。一方面可以利用井下物探方法加強(qiáng)對(duì)礦體圍巖水文地質(zhì)條件的分析研究，另一方面可以提高鉆孔施工的針對(duì)性，減少鉆孔的無(wú)效鉆進(jìn)量，并可在帷幕工程實(shí)施完成后利用井下物探的方法對(duì)帷幕體的完整性進(jìn)行檢測(cè)。目前瞬變電磁法等物探方法在煤礦井下和隧道探測(cè)水患方面應(yīng)用的比較普遍［7-10］，井下物探和井下近礦體帷幕注漿技術(shù)相結(jié)合的方法，在理論上是可行的，但其在金屬礦山的具體運(yùn)用及效果如何均有待驗(yàn)證。

5 結(jié)論

5.1 實(shí)踐證明井下近礦體帷幕注漿技術(shù)在高原地區(qū)大水金屬礦山的應(yīng)用是可行的，并取得了很好的效果，為今后該技術(shù)在高原地區(qū)大水金屬礦山的推廣應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

5.2 井下近礦體帷幕注漿工程實(shí)施后礦井實(shí)際涌水量為400 m3/d左右，堵水率＞80%，有效地降低了礦井排水量，每年為礦山節(jié)約將近1 280萬(wàn)元排水費(fèi)用，并指導(dǎo)礦山的生產(chǎn)和實(shí)踐，合理優(yōu)化相關(guān)資源的配置。

5.3 通過(guò)實(shí)施井下近礦體帷幕注漿工程，有效的遏制了水患對(duì)該礦山的威脅，為礦山安全高效開(kāi)采打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，不僅為礦山增加了大約1 000萬(wàn)t的可采礦量，同時(shí)避免了礦區(qū)地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，為礦山創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。