遷安市長(zhǎng)城金礦Ⅰ號(hào)礦體帷幕注漿工程的施工

高英強(qiáng)

(山西省地質(zhì)勘查局二一七地質(zhì)隊(duì)，山西 大同 037008)

1 工程概況

遷安市長(zhǎng)城金礦位于河北省遷安市軍屯村北側(cè)，礦方擬在其礦區(qū)內(nèi)(第7勘探線至第2勘探線)南部開(kāi)采Ⅰ號(hào)金礦體。因礦床富水性強(qiáng)，地下水水位埋深淺，礦體賦存于地下水水位之下約200 m，排水困難，開(kāi)采難度大，需對(duì)擬開(kāi)采礦體進(jìn)行帷幕注漿堵水。由山西省第十地質(zhì)工程勘察院編制了《遷安市長(zhǎng)城金礦Ⅰ號(hào)礦體帷幕注漿堵水施工設(shè)計(jì)方案》，該方案經(jīng)甲方同意后，山西省第十地質(zhì)工程勘察院實(shí)施遷安市長(zhǎng)城金礦Ⅰ號(hào)礦體帷幕注漿堵水工程。

2 注漿設(shè)計(jì)

本工程主要是通過(guò)鉆機(jī)成孔——高壓注漿，利用注漿材料的充填凝固，阻斷基巖裂隙和巖溶通道，形成隔水帷幕。根據(jù)地下水水位埋深，注漿段起始標(biāo)高定為+90 m。帷幕底界以進(jìn)入相對(duì)隔水的薊縣系楊莊組(Jxy)頂面以下50 m為限。這樣，在Ⅰ號(hào)礦體周圍形成一個(gè)與外圍相對(duì)隔離的堵水幕體，且長(zhǎng)期有效。帷幕內(nèi)排水量與堵水前相比，堵水后排水量降低率為85%以上，以減少礦坑排水，解決礦區(qū)排水難度，減少排水費(fèi)用，滿足采礦施工要求，提高采礦效益，保護(hù)地下水資源及礦山地質(zhì)環(huán)境。

2.1 鉆孔布設(shè)

該項(xiàng)目經(jīng)東、南、西、北4條帷幕線組成閉合的帷幕體，阻斷區(qū)域來(lái)水。帷幕平面呈不規(guī)則梯形，設(shè)計(jì)鉆孔100個(gè)，其中直孔92個(gè)，穿過(guò)帷幕線的F5斷層帶布置斜孔8個(gè)。南帷幕距離F1斷層帶較近，鉆孔按鋸齒狀布置，鉆孔斜距8 m，直距7 m，線距4 m，布置鉆孔19個(gè)，其余各帷幕布置單排鉆孔，鉆孔間距8 m，帷幕線長(zhǎng)760 m，鉆探總進(jìn)尺30060 m，其中注漿段長(zhǎng)26925 m，非注漿段長(zhǎng)3135 m，注漿量29620 m3，設(shè)計(jì)工作量情況見(jiàn)表1。

2.2 孔深和孔徑

設(shè)計(jì)要求，鉆孔注漿段孔徑≥96 mm，注漿段起始標(biāo)高+90 m以上采用套管永久封閉，孔斜控制在每百米1%以內(nèi)。

表1 設(shè)計(jì)工作量Table 1 Designed workload list

2.3 注漿壓力設(shè)計(jì)

注漿壓力是注漿的重要參數(shù)之一，注漿結(jié)束壓力標(biāo)準(zhǔn)：

P=P1+P2-P3≥3 MPa

式中：P——注漿全壓力，MPa，取靜水壓力的2～3倍；P1——孔口壓力表指示壓力，MPa；P2——漿液自重壓力，MPa；P3——地下水靜水壓力，MPa。

漿液自重壓力P2可按下式計(jì)算：

P2=〔hγ+(2S+L)/2+(γ-1)/2〕/100

式中：P2——漿液自重壓力，MPa；h——壓力表至地下水位間的高度，m；γ——漿液密度，g/cm3；S——地下水位至止?jié){塞的高度，m；L——注漿段長(zhǎng)度，m。

2.4 注漿材料

水泥、水、水玻璃。

3 注漿施工

3.1 注漿工程量

通過(guò)第1序次鉆孔施工，按設(shè)計(jì)深度進(jìn)入薊縣系楊莊組(Jxy)50 m后巖層仍破碎，注漿量較大。為此，將北帷幕線鉆孔深度增加至260 m(標(biāo)高-140 m)左右，南帷幕線鉆孔深度增加至400 m(標(biāo)高-250 m)左右。其余鉆孔根據(jù)地層破碎程度及注漿量情況適當(dāng)增加深度。

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整后的帷幕線長(zhǎng)780 m，設(shè)計(jì)鉆孔108個(gè)(含8個(gè)取心孔)，鉆探工作量31917.00 m,其中注漿段長(zhǎng)29296.42 m，非注漿段長(zhǎng)2620.58 m,注漿量32226.06 m3，設(shè)計(jì)單位注入量1.1 m3/m。

據(jù)長(zhǎng)城金礦深部普查地質(zhì)報(bào)告資料，F(xiàn)1斷層位于南帷幕線南側(cè)10～50 m，F(xiàn)5斷層在北帷幕線ZK63～ZK64鉆孔、南帷幕線ZK27～ZK29鉆孔附近通過(guò)。實(shí)際施工中，根據(jù)西、南、東三側(cè)帷幕線注漿鉆孔揭露的斷層破碎帶位置，推斷F1斷層對(duì)應(yīng)的地面位置從南帷幕線內(nèi)側(cè)(西帷幕ZK88鉆孔與東帷幕ZK38鉆孔連線)通過(guò)，走向120°，傾向SW，傾角65°。較原資料向北平移80～100 m。據(jù)北帷幕鉆孔巖心破碎程度、注漿量情況，以及北帷幕內(nèi)外兩側(cè)+90 m平巷掘進(jìn)中揭露斷層破碎帶位置，推測(cè)F5斷層帶應(yīng)從北帷幕ZK67～ZK72鉆孔范圍通過(guò)。原設(shè)計(jì)的F5斷層南、北帷幕8個(gè)注漿斜孔調(diào)整到北帷幕F5破碎帶位置(ZK64～ZK77鉆孔)，進(jìn)行孔間加密，加密孔深度設(shè)計(jì)200 m左右。

實(shí)際完成鉆孔108個(gè)，鉆探工作量32192.96 m，其中注漿段長(zhǎng)29379.50 m，非注漿段長(zhǎng)2813.46 m，帷幕共注漿37450.09 m3，漿液?jiǎn)蚊鬃⑷肓?.33 m3。

3.2 注漿方法

采用下行式灌注法，鉆孔鉆進(jìn)20～40 m的注漿段，然后下入止?jié){塞到該注漿段頂部以上完整地層，進(jìn)行隔水后，連接注漿站的注漿管道，由注漿站攪拌漿液進(jìn)行不間斷注漿，達(dá)到注漿結(jié)束壓力標(biāo)準(zhǔn)后停止注漿[1-7]。

3.3 壓水試驗(yàn)和水泥配方

下好止?jié){器，先做壓水試驗(yàn)，檢查注漿系統(tǒng)，同時(shí)把鉆孔裂隙中的巖粉等充填物推出注漿范圍以外，以利漿液的充填密實(shí)，提高膠結(jié)程度，并獲取壓水試驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過(guò)壓水試驗(yàn)獲取的單位吸水量和滲透系數(shù)，及時(shí)判斷裂隙透水能力，通過(guò)壓水試驗(yàn)獲取的呂容值ω≤0.05 Lu時(shí)，注漿段巖心完整，裂隙極小甚至沒(méi)有裂隙，水在加壓的情況下都不可能在地層中擴(kuò)散，故漿液也不可能在地層中擴(kuò)散，該注漿段可跳過(guò)注漿程序，待鉆孔成孔完畢封孔時(shí)將該注漿段封實(shí)即可。

依據(jù)設(shè)計(jì)采用水灰比1.25∶1、1∶1、0.75∶1和0.6∶1四種濃度配比的漿液注漿，水玻璃添加質(zhì)量為水泥質(zhì)量的2%～5%。

4 注漿施工工藝

4.1 鉆孔成孔

(1)地表松散層段，開(kāi)孔采用?133 mm金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)，泥漿護(hù)壁。鉆進(jìn)至完整巖石5～8 m，下入?127 mm護(hù)孔管。

(2)地下水位以上段，采用?113 mm金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)，泥漿護(hù)壁。鉆進(jìn)至+90 m，下入?108 mm套管，用水泥漿固管。

(3)待水泥漿凝固后，采用?96 mm金剛石繩索鉆具，清水鉆進(jìn)，每到一個(gè)注漿段先洗孔后做壓水試驗(yàn)、注漿、凝固4～6 h、掃孔鉆進(jìn)，如此反復(fù)直至終孔。

部分鉆孔覆蓋層較厚，見(jiàn)基巖深度超過(guò)設(shè)計(jì)起始注漿深度(+90 m)，致使下入套管深度超過(guò)設(shè)計(jì)起始注漿深度，根據(jù)巖層實(shí)際情況調(diào)整了鉆進(jìn)工藝，采取在注漿孔段內(nèi)套管割花管的方法注漿(低于+90 m套管均打孔至+90 m處)。

4.2 鉆孔注漿順序

為了防止竄漿、保證注漿質(zhì)量和效果，鉆孔按三個(gè)序次依次施工，第一序次鉆孔編號(hào)為1、5、9、13、……，第二序次鉆孔編號(hào)為3、7、11、15……，第三序次鉆孔編號(hào)為2、4、6、8、12、……。在施工二次序和三次序鉆孔過(guò)程中，均從巖心裂隙中發(fā)現(xiàn)前一次序鉆孔注的水泥漿，對(duì)裂隙進(jìn)行了有效充填(參見(jiàn)圖1)。

圖1巖心裂隙充填水泥照片
Fig.1Core cracks filled with cement

4.3 注漿流程

根據(jù)設(shè)計(jì)要求及鉆進(jìn)中的具體清況，當(dāng)鉆孔達(dá)到一個(gè)注漿段長(zhǎng)度時(shí)，洗孔、下止?jié){器，首先確定壓水、注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、漿液濃度，然后做壓水試驗(yàn)，而后制作漿液，先向一級(jí)攪拌池按配比標(biāo)定加水，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，加入水泥，攪拌10 min，放入二級(jí)攪拌池，加水玻璃，攪拌5 min，開(kāi)始注漿。

一般情況下注漿由稀漿開(kāi)始，為的是滿足擴(kuò)散半徑的要求。如遇大吸漿量的注漿段時(shí)，當(dāng)一種漿液注入量>50 m3時(shí)，采用間歇式注漿，防止?jié){液無(wú)為擴(kuò)散，使其既能達(dá)到充滿帷幕體的效果，又不至消耗太多漿液。間歇后注漿改用下一級(jí)配比開(kāi)始，最后由濃漿結(jié)束。

注漿開(kāi)始一般先用大排量即高擋位，隨著注漿量的增加，孔口壓力表有一定反映，壓力值逐漸升高，并最終達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，此時(shí)改用次一級(jí)擋位，直到變?yōu)樽畹鸵患?jí)擋位注漿吸漿量<0.58 L/s時(shí)，利用注漿泵回水閥，保持壓力不變，穩(wěn)定30 min后停止注漿。如果在穩(wěn)定階段又發(fā)生異?，F(xiàn)象，比如壓力突然增大或吸漿量突然增大等，注漿不停止，繼續(xù)進(jìn)行，視前面已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力和吸漿量為無(wú)效，重新開(kāi)始，直到達(dá)到新的平衡后，穩(wěn)定注入30 min無(wú)異常才停止注漿[8-15]。

所有鉆孔最后一段注漿結(jié)束后，又對(duì)鉆孔分段進(jìn)行了壓水試驗(yàn)、復(fù)注漿，如果壓水試驗(yàn)測(cè)的呂容值<0.05 Lu時(shí)，用0.8∶1漿液進(jìn)行無(wú)壓封孔，如果壓水試驗(yàn)測(cè)的呂容值>0.05 Lu時(shí)，有壓注漿封孔。

4.4 礦區(qū)抽水量觀測(cè)

礦山主井、副井均位于帷幕線外北側(cè)，主井水位標(biāo)高85.85 m，副井水位標(biāo)高87.70 m。帷幕線內(nèi)有水井6眼、西帷幕線外側(cè)1眼，井深120～130 m，帷幕注漿施工前水位標(biāo)高在85～87 m。在帷幕鉆孔注漿時(shí)，水泥漿灌入井內(nèi)將水井淤堵，多數(shù)水井淤至井深70～80 m，致使水井水量減少或無(wú)水。

自主盲豎井排水開(kāi)始(2017年10月24日)，對(duì)7眼水井進(jìn)行水位觀測(cè)。從水位觀測(cè)記錄可看出，隨著帷幕線注漿孔、加密孔施工的實(shí)施，其中5眼水井水位下降明顯(見(jiàn)表2), 各水井因與排水的主盲豎井距離及水泥漿注入后淤堵程度不同，水位下降幅度不同。

5 注漿效果

主盲井位于北帷幕線西段內(nèi)側(cè)12 m處。2017年10月16日掘進(jìn)至深度15.5 m(標(biāo)高74.5 m)時(shí)，在井筒北側(cè)井壁揭露一斷層帶，走向35°，傾向125°，傾角75°，斷層帶寬度2.5 m，巖性為灰色白云巖碎塊與紫紅色泥砂混雜。斷層帶有地下水涌出，涌水量約為10 t/h。

2017年10月24日掘進(jìn)至深度19.8 m(標(biāo)高70.2 m)時(shí)，在井筒東北側(cè)井壁揭露一斷層帶，走向近340°，傾向250°，傾角45°，斷層帶寬度約3.0 m，巖性為泥質(zhì)白云巖碎塊與紫紅色泥砂混雜。地下水沿井壁裂隙涌出，水量約30 t/h。在井底打炮眼孔1.5 m深時(shí)，炮眼孔內(nèi)向上涌水，最高水頭高達(dá)1.0 m。當(dāng)時(shí)井內(nèi)一臺(tái)水泵(排水量60 t/h)排水，水位不降，后增加一臺(tái)水泵(排水量50 t/h)同時(shí)排水，水位降至井底，根據(jù)泵量及揚(yáng)程，估計(jì)總涌水量達(dá)90 t/h。連續(xù)排水30 d，炮眼孔內(nèi)涌水水頭約0.2 m，排水量漸減少到約50 t/h，在北帷幕ZK69、ZK70鉆孔注漿時(shí)在井底裂隙有少量水泥漿隨地下水滲出。

2017年11月28日起，在排水條件下開(kāi)始掘進(jìn)。掘進(jìn)至深度25 m(標(biāo)高65.0 m)時(shí)，井內(nèi)出水量明顯減小，在12月8日排水量約為30 m3/h。

2017年12月12日井底深度30.5 m(標(biāo)高59.5 m)，南馬頭門掘進(jìn)6.0 m、北馬頭門掘5.0 m。兩處掘進(jìn)工作面及頂板均有水從巖縫中流出(無(wú)壓力)，井內(nèi)總出水量增加至80～100 m3/h。

隨著北帷幕線注漿孔及加密注漿孔，在不同深度注漿不斷閉合，從帷幕線外側(cè)補(bǔ)給水量逐漸減小。

5.1 不同序次鉆孔吸漿率變化特征

根據(jù)不同序次鉆孔注漿量、吸漿率值及各序次鉆孔吸漿率曲線圖可看出，各序次吸漿率逐次遞減，符合裂隙巖層注漿規(guī)律，反映注漿效果良好(見(jiàn)表3、圖2)。

表3 各序次鉆孔吸漿率統(tǒng)計(jì)Table 3 Summary of grout absorption rate of the boreholes in each sequence

圖2 各序次鉆孔吸漿率曲線圖Fig.2 Absoption rate curves of the boreholes in each sequence

5.2 帷幕線注漿及吸漿率變化特征

根據(jù)已完成鉆孔注漿量統(tǒng)計(jì)，各帷幕線注漿量及吸漿率情況見(jiàn)表4，各帷幕線吸漿率等值線見(jiàn)圖3～6。

表4 各帷幕線注漿量及吸漿率情況統(tǒng)計(jì)Table 4 Grouting quantity and absorption rate of each curtain line

從以上等值線圖可看出：西帷幕吸漿率較大范圍分布在標(biāo)高+90～-100 m；南帷幕吸漿率較大范圍分布在標(biāo)高+90～-100和-150～-250 m兩段，上部為侏羅系后城組(J2h)礫巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、流紋質(zhì)凝灰?guī)r，巖石裂隙較發(fā)育，下部對(duì)應(yīng)為F1斷層破碎帶；東帷幕及北帷幕東段位于F1與F6斷層之間，巖石裂隙發(fā)育相對(duì)較弱，吸漿率偏小，受廢棄巷道影響，上部有小范圍吸漿率偏大；北帷幕西段位于F5與F2斷層交匯部位，斷層破碎帶發(fā)育，巖石裂隙發(fā)育，吸漿率較大范圍分布在標(biāo)高+90～-50 m。

圖3北帷幕吸漿率等直線圖
Fig.3Contour map showing the absorption rate of the north curtain

圖4 西帷幕吸漿率等直線圖Fig.4 Contour map showing the absorption rate of the west curtain

綜上所述，吸漿率大小主要受斷層破碎帶位置及深度控制。在斷層帶附近，巖石破碎程度高，吸漿率增大；隨著深度增加，巖石裂隙發(fā)育程度逐漸降低，吸漿率減小。

5.3 地下水導(dǎo)水通道特征

地下水補(bǔ)給通道：Ⅰ號(hào)礦體帷幕注漿施工前，礦區(qū)地下水水位標(biāo)高在85～88 m，北高南低，地下水由北向南徑流。由于礦區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，F(xiàn)2、F3、F5、F6、F8、F10六條斷裂在設(shè)計(jì)開(kāi)采區(qū)西北部(Ⅰ號(hào)礦體采區(qū)西北約200 m)交匯，斷裂帶巖石裂隙發(fā)育，巖層破碎嚴(yán)重。F2、F10斷層向北東延伸3～5 km，穿過(guò)采區(qū)北部的大岔溝、地眼溝及多條溝谷，地表水通過(guò)斷裂帶向下游(設(shè)計(jì)開(kāi)采區(qū))地下入滲補(bǔ)給，向6條斷裂交匯處徑流，成為地下水的導(dǎo)水通道。

圖5南帷幕吸漿率等直線圖
Fig.5Contour map showing the absorption rate of the south curtain

圖6 東帷幕吸漿率等直線圖Fig.6 Contour map showing the adsorptiotn rate of the east curtain

導(dǎo)水通道特征：根據(jù)區(qū)域構(gòu)造分布特征，長(zhǎng)城金礦設(shè)計(jì)開(kāi)采區(qū)內(nèi)斷裂帶是多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。冷口斷裂帶位于五道河-冷口復(fù)式向斜的東北翼，在燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)近南北向擠壓應(yīng)力的作用下，形成了高角度冷口逆沖斷裂。受喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響地應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉張應(yīng)力，逆沖的冷口斷裂轉(zhuǎn)換為正斷層。應(yīng)力轉(zhuǎn)換過(guò)程中伴生了多條NW向和NE-NNE向斷裂，這些斷裂沿主應(yīng)力方向追蹤式發(fā)育，在水平和垂向上呈鋸齒狀延伸。即構(gòu)造導(dǎo)水通道在水平和垂向亦為不規(guī)則的帶狀延伸。

在北帷幕內(nèi)外兩側(cè)+90 m水平巷道和主盲豎井掘進(jìn)中，揭露的斷層破碎帶均為不規(guī)則的帶狀延伸。

6 存在問(wèn)題及建議

由于該礦地質(zhì)勘查程度低，特別是對(duì)礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件研究不夠，在Ⅰ號(hào)礦體帷幕線及注漿孔布置時(shí)，對(duì)Ⅰ號(hào)礦體地下水主要充水來(lái)源認(rèn)識(shí)不夠，對(duì)導(dǎo)水?dāng)嗔褞Х舛碌尼槍?duì)性不強(qiáng)。如施工順序安排、部分注漿孔吸漿率偏低以及西帷幕被帷幕交匯處施工發(fā)現(xiàn)連串鉆孔注漿量大導(dǎo)致該段采取加密孔的補(bǔ)救措施。

建議遷安市長(zhǎng)城金礦對(duì)礦區(qū)做水文地質(zhì)、工程地質(zhì)的詳查工作，以便查明開(kāi)采技術(shù)條件，同時(shí)盡快施工大口徑疏干孔8～10眼，以排出帷幕圈內(nèi)積水，確保礦區(qū)安全生產(chǎn)建設(shè)。另外，為確保安全，采礦活動(dòng)至少與帷幕線保持15～20 m距離。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本注漿工程的施工，本堵水工程實(shí)施后，Ⅰ號(hào)礦體周圍巖石裂隙、斷層導(dǎo)水通道將會(huì)被填堵，呂容值ω≤0.05 Lu。Ⅰ號(hào)礦體帷幕范圍內(nèi)排水量大幅度減少。與堵水前排水量相比，堵水后排水量降低率為85%以上，既解決了排水難度，又減少了排水費(fèi)用，滿足采礦施工要求。