尾礦庫壩基防滲帷幕注漿工藝適用性與改進(jìn)研究

高學(xué)通，韓貴雷

(1.華北有色工程勘察院有限公司，石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心，石家莊 050021)

1 研究背景

中國是一個(gè)礦業(yè)大國，在礦產(chǎn)開采過程中產(chǎn)出了大量的尾礦廢棄物，據(jù)統(tǒng)計(jì)從2000年以后，我國礦山年排放尾礦達(dá)6億t[1]。隨著礦產(chǎn)資源的日益貧化，尾礦產(chǎn)出比例還將逐漸增大，除小部分作為礦山充填或綜合利用外，絕大部分堆存于尾礦庫。截至2009年9月，我國登記在冊的尾礦庫26 000余座，且還在以每年300余座的速度新增[2]。尾礦庫作為礦山重要的輔助設(shè)施，對于保證選礦活動的正常開展和尾砂的安全貯存具有重要作用，在造成尾礦庫事故的眾多原因之中，尾礦庫的滲漏或滲流是主要因素之一。因此，尾礦庫滲漏治理防滲技術(shù)和治理效果在保證尾礦庫安全生產(chǎn)中顯得尤為重要，它為尾礦庫滲漏治理工程設(shè)計(jì)與施工提供了技術(shù)支撐，也為減少尾礦庫對周邊水體環(huán)境污染，以及降低事故災(zāi)害發(fā)生提供了保障。

對于很多老舊尾礦庫而言，由于庫內(nèi)防滲系統(tǒng)施工不規(guī)范或者老化失效，造成庫內(nèi)污水滲漏并污染庫區(qū)下游環(huán)境；即使某些完全按照規(guī)范施工水平防滲系統(tǒng)的尾礦庫，其防滲土工膜的滲漏問題也往往不容忽視[3]。對于已經(jīng)發(fā)生滲漏的尾礦庫而言，如具備相應(yīng)條件的，往往需要在下游滲漏液主要徑流通道施工地下垂直防滲體以阻止污染物的運(yùn)移和擴(kuò)散。對于地下防滲體的建造工藝，淺部松散層可選擇地下防滲墻、咬合樁、高壓旋噴或攪拌樁等多種形式[4-5]；而基巖地層受到現(xiàn)有設(shè)備的性能限制，一般只能選擇帷幕注漿技術(shù)[6]。目前，常用的注漿工藝主要包括下行或上行分段純壓式和孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)式，但是針對一些覆蓋層較薄且注漿頂板埋深淺的風(fēng)化基巖注漿施工而言，往往存在注漿壓力難以增大、易發(fā)生地面冒漿和孔內(nèi)固管事故等問題。在類似場地條件下，有些工程案例采用了袖閥管注漿技術(shù)[7]，但是仍未能解決分段高壓注漿和孔內(nèi)漿液穩(wěn)定性問題。針對以上問題，研究形成“孔內(nèi)封閉局部循環(huán)”注漿工藝及相關(guān)裝置。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證，該工藝適用性優(yōu)于常規(guī)工藝，對于提高注漿質(zhì)量、減少地面冒漿和孔內(nèi)事故具有明顯改善，適于在類似場區(qū)工況條件下的帷幕注漿項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

2 工程概況

某尾礦庫壩基滲漏治理工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)，該尾礦庫為濕排庫，貯存鉛鋅礦選礦后剩余的尾礦砂漿。由于庫底和壩基滲漏問題，造成庫內(nèi)重金屬離子擴(kuò)散至下游草場，導(dǎo)致草場出現(xiàn)鹽漬化和沙化，嚴(yán)重破壞了庫區(qū)生態(tài)環(huán)境，同時(shí)引發(fā)工農(nóng)矛盾糾紛，礦山亟待解決該尾礦庫滲漏問題。

2.1 場區(qū)地質(zhì)條件

場區(qū)內(nèi)地層由新到老主要分布素填土、腐殖土、含角礫黏性土、火山角礫巖和安山巖地層，各層巖土體強(qiáng)度和滲透性詳見表1。

表1 巖土層強(qiáng)度和滲透性統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of strength and permeability of rock and soil layers

2.2 設(shè)計(jì)簡況

綜合分析場區(qū)地層條件以及治理需求，設(shè)計(jì)采用“截、堵、疏”系統(tǒng)工程作為治理方案。其中“截”是沿壩腳開挖一條截滲溝，開挖完畢后充填礫料以起到截流尾礦庫淺層滲漏液的目的；“疏”是在截滲溝的基礎(chǔ)上，在溝內(nèi)地勢低洼及透水性較強(qiáng)地帶布置集水井，通過集水井收集滲濾液，然后用水泵抽回到尾礦庫中；“堵”是在壩腳截滲溝下游一定距離施工地下防滲體，要求防滲體底界和兩肩進(jìn)入相對隔水層，以阻斷滲濾液擴(kuò)散至下游區(qū)域。

設(shè)計(jì)方案平面布置示意圖詳見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)方案平面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of design plan layout

2.3 設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制要點(diǎn)

作為尾礦壩下游防滲工程，防滲體的防滲性能和施工質(zhì)量是關(guān)乎整個(gè)治理效果的關(guān)鍵因素?；趫鰠^(qū)工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件，將防滲體設(shè)計(jì)如下：

1)結(jié)構(gòu)形式：防滲體采用上部混凝土防滲墻+下部注漿帷幕；

2)防滲性能：混凝土防滲墻滲透系數(shù)不大于1×10-7cm/s，注漿帷幕單位透水率不大于2 Lu；

3)防滲頂板：以軸線場區(qū)實(shí)際地面高程進(jìn)行控制，保證上游地下水不發(fā)生頂部溢流；

4)防滲底板：帷幕注漿底板進(jìn)入相對隔水層(單位透水率不大于2 Lu的中風(fēng)化安山巖⑦-1或火山角礫巖⑤-1)深度不小于5 m。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，防滲墻平均深度7 m，帷幕注漿平均深度50 m。結(jié)合施工工藝和質(zhì)量控制措施可知，混凝土防滲墻施工質(zhì)量可控程度高，主要做好混凝土攪拌與澆筑、孔底沉渣以及槽段連接等工序；但是針對該場區(qū)條件下的帷幕注漿施工而言，如何保證漿液擴(kuò)散和搭接，形成完全封閉的幕體是質(zhì)量控制關(guān)鍵之處。

3 常規(guī)注漿工藝及應(yīng)用情況

3.1 注漿工藝適用性分析

帷幕注漿施工中采用的主要注漿工藝包括分段純壓式(上行式和下行式)和孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)式，詳見圖2。兩種常規(guī)注漿工藝的各自特點(diǎn)及適用情況如下：

圖2 常規(guī)注漿工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of conventional grouting process

1)分段純壓式：依靠孔內(nèi)下放止?jié){塞完成注漿段頂端封堵，每次注漿只針對單一注漿段進(jìn)行，下行式適用于破碎地層，上行式適用于較完整地層，注漿壓力較大，地層吸漿部位明確；缺點(diǎn)是已完注漿段不能復(fù)注，對不完整地層易發(fā)生繞塞返漿事故，孔內(nèi)漿液易離析沉淀影響灌注質(zhì)量等。

2)孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)式：通過孔口封閉器封堵全孔，下入射漿管至孔底進(jìn)行全孔循環(huán)注漿，每次全孔所有注漿段均進(jìn)行灌注，漿液循環(huán)不宜離析沉淀，對于細(xì)微裂隙注漿效果較好；缺點(diǎn)是對于深孔易發(fā)生固管事故，注漿頂板埋深淺時(shí)易發(fā)生地面冒漿，難以分段增加注漿壓力，不易分辨主要吸漿層位等。

3.2 注漿試驗(yàn)布置

由于本場區(qū)前期無注漿資料可以參照，為了研究不同注漿工藝的適用性，以便對工程設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在現(xiàn)場選取了具有水文地質(zhì)工程地質(zhì)代表性的區(qū)段布置注漿試驗(yàn)段。

針對上述兩種不同的注漿工藝，分別選取了相鄰的兩個(gè)注漿試驗(yàn)段，每段包含注漿孔10個(gè)(其中Ⅰ序孔4個(gè)，Ⅱ序孔2個(gè)，Ⅲ序孔4個(gè))和效果檢查孔4個(gè)，布孔形式詳見圖3。

圖3 注漿試驗(yàn)段鉆孔平面布置圖Fig.3 Layout plan of drilling holes in grouting test section

帷幕注漿設(shè)計(jì)為雙排孔，排距2 m，單排孔距4 m。施工中先施工第一排，再施工第二排，每排按三序分別實(shí)施，所有注漿孔完成注漿后再施工檢查孔。試驗(yàn)一區(qū)采用了孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)注漿，試驗(yàn)二區(qū)采用了下行式分段純壓注漿，漿液類型為水灰比5∶1～0.5∶1的單液水泥漿，注漿壓力要求第1段1.0 MPa，第2段1.5 MPa，第3段2.0 MPa，第4段2.5 MPa，第5段及以下各段3.0 MPa。

3.3 試驗(yàn)成果分析

兩個(gè)注漿試驗(yàn)段注漿施工情況及成果統(tǒng)計(jì)詳見表2。

表2 試驗(yàn)段施工情況及注漿成果統(tǒng)計(jì)表

通過表2可知，針對場區(qū)基巖風(fēng)化裂隙注漿，孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)注漿方式更具適用性，其單位注灰量達(dá)到243.52 kg/m，而純壓式注漿為201.63 kg/m；采用循環(huán)注漿的試驗(yàn)段檢查孔壓水合格率達(dá)100%，而純壓注漿試驗(yàn)段中存在2段大于2 Lu，最大為2.67 Lu，合格率為84.61%。由此證明循環(huán)注漿對于保證漿液的穩(wěn)定和灌注量存在有利影響。

3.4 主要問題分析

雖然孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)注漿方式在注漿量和效果驗(yàn)證方面優(yōu)于純壓式注漿，但也暴露出明顯問題。主要表現(xiàn)在由于場區(qū)覆蓋層較薄，注漿頂板埋深淺，在灌注施工過程中，極易發(fā)生地面冒漿，由此造成施工效率大幅降低，嚴(yán)重影響工期進(jìn)度。對比施工數(shù)據(jù)可知，純壓式注漿的地面冒漿次數(shù)比循環(huán)注漿施工少一倍，主要是因?yàn)橹節(jié){塞逐步往下安置，隨著基巖完整性和強(qiáng)度的提高，其抵抗注漿壓力的能力越來越好；但循環(huán)注漿時(shí)，隨著注漿段的加深，地面控制注漿壓力不斷提高，但孔口封閉方式迫使全部壓力要施加在全孔范圍內(nèi)，造成淺部已經(jīng)結(jié)束的注漿段圍巖地層再次劈裂形成冒漿通道，多次反復(fù)注漿致使施工工期大幅延長。另外，由于孔深的增加，射漿管不斷加長，施工過程中曾發(fā)生多次固管事故，在處理過程中也增加了工期占用。

4 注漿工藝優(yōu)化與裝置改進(jìn)

4.1 工藝優(yōu)化

針對以上兩種常規(guī)注漿工藝在本次注漿試驗(yàn)中暴露出來的主要問題進(jìn)行分析，明確場區(qū)風(fēng)化基巖地層更適用于循環(huán)注漿方式，但是孔口封閉是造成地面冒漿和射漿管增長的主要原因。為此，常規(guī)的孔口封閉循環(huán)注漿方式的主要改進(jìn)措施是變孔口封閉為孔內(nèi)封閉，形成局部循環(huán)的注漿方式。

4.2 裝置改進(jìn)

為了實(shí)現(xiàn)上述注漿工藝和功能，對現(xiàn)有兩種常規(guī)工藝進(jìn)行組合改進(jìn)，將常規(guī)單液止?jié){塞調(diào)整為具有雙通道的循環(huán)止?jié){塞，可以下放至孔內(nèi)任意完整地層并實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)局部封閉，詳見圖4。

圖4 孔內(nèi)封閉局部循環(huán)注漿工藝及裝置Fig.4 Technology and device of local circulation grouting in hole closure

利用上述孔內(nèi)封閉局部循環(huán)注漿工藝及裝置，通過孔內(nèi)注漿管路將孔內(nèi)循環(huán)注漿止?jié){塞下放至注漿孔內(nèi)待注段頂部，孔內(nèi)循環(huán)注漿止?jié){塞下部連接射漿管，上部同時(shí)連接回漿管路和打壓管路，利用打壓管路使其膨脹后完成注漿段頂端封堵。注漿過程中，漿液由射漿管送至注漿段底部，然后返回至回漿管路中，通過調(diào)節(jié)回漿閥控制漿液流動速度和注漿壓力，從而實(shí)現(xiàn)不同壓力下的孔內(nèi)局部循環(huán)灌漿。上述工藝避免了孔口封閉造成的注漿段過長、孔內(nèi)殘留漿液多的問題，降低了因射漿管過長而造成的孔內(nèi)固管事故，減少了注漿后的掃孔工作量，最大限度避免了孔口封閉注漿方式導(dǎo)致的地面冒漿情況。

4.3 應(yīng)用效果

采用孔內(nèi)封閉局部循環(huán)注漿工藝及裝置，在現(xiàn)場選取了10個(gè)注漿孔(其中包括Ⅰ序孔4個(gè)，Ⅱ序孔2個(gè)，Ⅲ序孔4個(gè))進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

通過采用本工藝裝置，10個(gè)孔注漿過程中冒漿次數(shù)為9次，比試驗(yàn)一區(qū)施工時(shí)減少了44%，各孔平均注灰量達(dá)到264 kg/m，在注漿量和效果保證方面優(yōu)于純壓式注漿方式。由于采用本裝置，造成單段下放連接止?jié){塞的時(shí)間比常規(guī)注漿方式要延長近30%，但是大幅減少了冒漿處理時(shí)間和注漿間歇待凝時(shí)間，通過綜合對比發(fā)現(xiàn)仍然具有很好的適用性。

5 結(jié)論與不足

通過薄覆蓋層下風(fēng)化基巖現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，對常規(guī)注漿工藝的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)針對現(xiàn)有工藝存在的主要問題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，形成適用于該工況條件下的注漿工藝，本項(xiàng)研究得出的主要結(jié)論如下：

1)對于薄覆蓋層下基巖風(fēng)化裂隙注漿，孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)注漿方式相比于純壓式注漿對于保證漿液穩(wěn)定性和注漿效果具有較好適用性，但是易造成地面冒漿和孔內(nèi)固管事故，不利于保證施工進(jìn)度和節(jié)約工期。

2)通過研究改進(jìn)，形成適用于薄覆蓋層下基巖風(fēng)化裂隙注漿的“孔內(nèi)封閉局部循環(huán)”注漿工藝及裝置，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證，能夠解決現(xiàn)有工藝中注漿裝置在進(jìn)行深孔弱透水地層注漿時(shí)地面易冒漿、孔內(nèi)事故率高且掃孔工作量大等問題。

3)改進(jìn)后的注漿裝置在止?jié){塞下放過程中，由于增加了回漿和打壓管路，造成設(shè)備安裝輔助工時(shí)延長。在后期的研究中，需重點(diǎn)改進(jìn)管路連接方式并優(yōu)化下放工序，以便在保證注漿效果的前提下盡量減少工時(shí)占用，提高綜合效益。