帷幕注漿堵水技術(shù)在羅河鐵礦的應(yīng)用

肖松麗 董亞寧 王忠強

（安徽馬鋼羅河礦業(yè)有限責(zé)任公司）

長期以來，礦山水害成為困擾著采礦安全工作的重大隱患，隱藏在地下的巖溶裂隙水成了水害的主要源頭，在開采中發(fā)生涌水對生命財產(chǎn)造成了極大危害［1］。水文地質(zhì)條件簡單的地下礦山可以采用先疏干、后采礦的傳統(tǒng)技術(shù)，但涌水量特別大、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山就不適合采用該技術(shù)，此時必然破壞水文地質(zhì)環(huán)境，不能實現(xiàn)安全高效采礦的目標(biāo)［2］。因此，注漿法成為防治礦山水害的選擇，通過注漿鉆孔將原來松散的土?；蛄严赌z結(jié)成整體，形成一個結(jié)構(gòu)新、強度大、防水性能強和化學(xué)穩(wěn)定性良好的結(jié)石體，形成隔水層［3］。隔水層厚度足夠保證頂板不受破壞，即可起到隔水的作用［4］。帷幕注漿為環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、直接有效的礦山水患處治方法，在生產(chǎn)中，遇到大涌水情況，采用帷幕堵水成本相對較低，是礦山首選的治水方案。

1 工程概況

羅河鐵礦礦床由大型高磷高硫含釩鈦磁鐵礦及大型硫鐵礦、大型硬石膏礦組成。羅河鐵礦礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬中等類型，礦體間接頂板次生石英巖的孔洞裂隙承壓水是礦坑充水的主要來源，但動儲量補給不足，靜儲量較大。上覆巖層風(fēng)化帶的裂隙潛水和側(cè)向的粗安巖類裂隙潛水則是礦坑充水的次要來源。礦體及頂板巖石不含水，礦體與次生石英巖含水層之間大部分被高嶺土化、泥化所隔。但在個別地段兩者之間相接，或被破碎帶聯(lián)通，礦區(qū)西北角30聯(lián)巷與40聯(lián)巷、5#穿脈至2#穿脈之間，含水層底板標(biāo)高在-420 m以下；30聯(lián)巷與50聯(lián)巷、7#穿脈至2#穿脈之間含水層底板標(biāo)高在-400 m以下，見圖1，屬水文地質(zhì)相對復(fù)雜區(qū)。該部位含水層底板與-540 m首采中段僅有120～140 m的高差，在礦床疏干完成前，這部分礦體屬水體下資源。經(jīng)計算，開采至-620 m階段時，坑內(nèi)總正常涌水量4 809 m3/d，最大24 839 m3/d，涌水量較大。

羅河鐵礦含水區(qū)域構(gòu)造裂隙發(fā)育、涌水量大，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，需要應(yīng)因地制宜地制定符合礦山實際情況的井下防治水技術(shù)方案，實施鉆孔注漿堵水，在短時間降低礦坑涌水量，控制開采區(qū)域的涌水量。

2 鉆孔注漿工藝

2.1 漿液與造漿

注漿材料應(yīng)具備快速堵水、價格便宜、穩(wěn)定性好、配制方便、結(jié)石體強度高等原則［5］。根據(jù)現(xiàn)場漿液配比與力學(xué)參數(shù)實驗數(shù)據(jù)，選擇采用42.5#普通硅酸鹽水泥與水配制成的單液水泥漿，設(shè)計水灰比為5∶1，3∶1，2∶1，1∶1，0.8∶1，0.6∶1共計6個等級。漿液容重為1.1～1.7 kN/m3，密度為0.05～0.10 g/cm3，容重1.48 kN/m3以上的漿液為濃漿（水灰比為1∶1），以下的為稀漿。

采用二次造漿的方案，即一級造漿站制好漿液后，采用2根直徑為50 mm、耐壓為3 MPa的輸漿管輸送至二級攪拌站，在二級攪拌站采用耐壓為21 MPa的高壓注漿管對鉆孔進(jìn)行注漿。一級造漿站場地選擇在注漿平巷進(jìn)口的南側(cè)，按最大日制漿能力為500 m3設(shè)計，采用半自動制漿系統(tǒng)，水使用時間計電器進(jìn)行計量，注漿材料采用電子稱重傳感器進(jìn)行計量。

2.2 試驗孔布置

以注漿試驗段能夠為整個帷幕服務(wù)為原則，注漿試驗孔均布置在帷幕軸線上，共設(shè)計7個鉆孔，分別采用不同序次不同孔距單排直線的形式，見圖2。試驗孔包括注漿試驗孔5個和檢查孔2個，注漿試驗孔編號SK-1～5號，檢查孔編號SK-6～7號。其中，注漿試驗孔分三序施工。

（1）I序孔。SK-1、SK-4號孔，作用是了解注漿試驗段的地層分層情況和各層裂隙發(fā)育程度并作裂隙統(tǒng)計，掌握每個地層透水率等資料。

（2）II序孔。SK-2、SK-5號孔，其作用是完成一序孔所要了解和掌握的地質(zhì)及水文地質(zhì)資料等工作，SK-2號孔還可了解漿液擴(kuò)散半徑是否達(dá)到20 m，SK-5號孔則可檢查單個注漿孔的擴(kuò)散半徑是否達(dá)到10 m。

（3）III序孔。SK-3號孔，其作用是除了完成一序孔所要了解和掌握的地質(zhì)及水文資料等工作外，尚可檢查在勢能迭加的影響下，注漿孔的擴(kuò)散半徑是否達(dá)到了10 m。

（4）檢查孔。SK-6、SK-7號孔，其目的是檢查在各項勢能迭加的影響下注漿效果，其中SK-7號孔檢查后不封孔，留下作為以后帷幕注漿工程的水位觀測孔。

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

鉆探孔為垂直孔，采用φ130 mm鉆頭開孔，見較完整基巖，即下入φ127 mm的護(hù)壁管進(jìn)行護(hù)壁，注漿段設(shè)計口徑為110～75 mm，帷幕段普遍存在破碎程度不均的地層，施工中遇到該層便及時起鉆進(jìn)行注漿，并在變徑時采用φ108 mm或φ89 mm地質(zhì)套管進(jìn)行護(hù)壁，φ75 mm口徑鉆進(jìn)至終孔。

2.4 鉆孔沖洗

各鉆孔在壓水試驗或注漿前均按規(guī)范要求進(jìn)行了鉆孔沖洗，將孔內(nèi)雜物沖到需要注漿半徑范圍之外，保證注漿范圍空隙的潔凈。其流程如圖3所示，各次序孔均采用自上而下分段卡塞進(jìn)行壓水試驗，并按設(shè)計要求采用三級五段法或單點法。壓水壓力為0.3、0.6、1 MPa，每級壓水20 min；壓力與流量均由自動記錄儀進(jìn)行記錄，壓水每2 min測讀一次壓水流量，每次讀取的流量值作為計算流量，按式（1）計算出透水率：

式中，q為試段透水率，Lu；Q為壓入流量，L/min；P為作用于試段內(nèi)的全壓力，MPa；L為試段長度，m。

2.5 注漿施工

（1）注漿方法。采用自上而下純壓式分段注漿法，即從上向下逐段進(jìn)行鉆孔注漿，直至孔底的注漿方法（圖4）。注漿前均對注漿材料、制漿設(shè)備、注漿管道、注漿設(shè)備進(jìn)行檢查，止?jié){塞安放在待注漿段頂板上2～3 m井壁比較完整的地層，下止?jié){塞時準(zhǔn)確記錄注漿管的長度和數(shù)量；止?jié){塞下至設(shè)計位置后，孔內(nèi)注入清水檢查隔離效果；注漿過程中采用注漿自動記錄儀對注漿壓力和流量進(jìn)行觀測和記錄，嚴(yán)格控制，達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后方可結(jié)束注漿。

帷幕注漿段長度原則上為30 m，在遇到巖體裂隙發(fā)育、孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重或漏水嚴(yán)重時，根據(jù)實際情況適當(dāng)縮短注漿段段長，遇到巖芯完整，裂隙、巖溶發(fā)育程度很弱，鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量少的情況，適當(dāng)加大注漿段段長，但最大段長不超過40 m。

（2）注漿壓力。根據(jù)注漿帷幕所在位置的地質(zhì)、巖性及溶蝕裂隙發(fā)育特征，結(jié)合注漿段的埋深、巖性及地下水位埋深、所注漿液特征情況，注漿壓力一般按帷幕頂部注漿壓力不宜小于注漿段靜水柱高度的1.5倍，幕底注漿壓力不宜小于注漿段靜水柱高度的2倍確定。在裂隙開度較小、連通性較差且土體滲透性較低的條件下，主要采用劈裂注漿法［6］，各注漿深度注漿壓力詳見表1。

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（3）注漿過程中壓力的控制。對灌漿壓力采用一次升壓和分次升壓法的控制方式，以保證該試驗段帷幕注漿的質(zhì)量。當(dāng)對某個孔段開始灌漿時，首先盡快升到設(shè)計壓力，在灌注過程中，按吸漿量變化的情況，恰當(dāng)?shù)目刂乒酀{壓力。對于巖體比較完整、斷裂不甚發(fā)育的巖層或當(dāng)灌漿進(jìn)入II、III序孔時，采用一次升壓法注漿；對于斷裂、溶蝕裂隙等發(fā)育程度較強的地層，如起始壓力很難一次升到設(shè)計壓力，則采用連續(xù)分次升壓法；對于斷裂破碎及強溶蝕地帶，出現(xiàn)比較嚴(yán)重串、漏漿，在低壓下即大量耗漿，甚至不能起壓，單位吸漿量大于泵的排漿能力的情況時，采用間斷分次升壓法，并為了減少間斷次數(shù)，每次間斷前盡可能提高灌漿壓力。

（4）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計壓力，流量小于30 L/min時，維持20 min結(jié)束注漿；當(dāng)注漿壓力大于設(shè)計壓力0.5 MPa并持續(xù)上升，流量小于15 L/min時結(jié)束注漿，停注后閉漿10～15 min。采用了注漿全自動記錄系統(tǒng)按程序進(jìn)行全過程記錄，確保了注漿按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2.6 孔施工檢查

注漿試驗孔施工一段時間后便開始進(jìn)行檢查孔的施工，以了解注漿試驗的質(zhì)量，鑒定注漿試驗的效果，本次布置檢查孔2個，編號SK-6、SK-7號孔。檢查孔鉆探施工原則上按注漿孔鉆探施工技術(shù)要求進(jìn)行施工，采用清水鉆進(jìn)，全孔取芯，巖芯采取率完整巖層不小于80%，破碎巖層不小于65%，并觀察巖芯、裂隙中有無水泥漿液結(jié)石及結(jié)石體的固結(jié)情況；每30 m采用“三級五段法”進(jìn)行一次壓水試驗，單位透水率不大于3 Lu為合格，若出現(xiàn)鉆孔漏水嚴(yán)重地段，則進(jìn)行補強注漿。

2.7 漿液配比與變換

帷幕注漿設(shè)計漿液變換如表2所示。漿液濃度一般先從稀漿開始，隨著注漿過程進(jìn)展再逐級變濃，最后由濃漿結(jié)束注漿。

如果注漿在持續(xù)時間內(nèi)沒有達(dá)到設(shè)計壓力，則換濃一級漿液；如果注漿壓力不變，漿液注入率有所減小，或者漿液注入率不變，注漿壓力有所上升，則不改變漿液濃度；如果漿液注入量達(dá)到或超過規(guī)定指標(biāo)后，漿液注入率和注漿壓力均無明顯變化時，則把漿液濃度升高一個級別；如果注漿時間超過9～10 h采用間歇注漿，停止注漿后進(jìn)行掃孔，待初凝后再繼續(xù)注漿，直至達(dá)到呂容值小于3 Lu。

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3 注漿工業(yè)試驗質(zhì)量評價

3.1 含水層可注性分析

現(xiàn)場工業(yè)試驗段施工3個次序注漿孔共5個，各次序孔注漿前透水率為0.02～7.39 Lu，平均透水率不大于1 Lu，大多小于Lu（帷幕設(shè)計透水率），屬于弱富水地層，注漿量偏小，可灌性、全帷幕代表性欠佳。但各注漿孔中局部存在透水率、注漿量異常情況，如SK-2號孔的170.7～179.4 m段透水率達(dá)7.39 Lu、注漿量為22.7 m3，SK-5號孔的584.3～597.0 m段透水率為2.99 Lu、最大單位注漿量達(dá)2 932.91 L/m，可能是SK-5號孔揭露F35斷層所致?？傮w上該試驗段地層可注性差，無規(guī)律性可循，具有一定的方向性，在平行裂隙和地層方向擴(kuò)散半徑較大，垂直裂隙或地層面方向擴(kuò)散半徑小。

3.2 各鉆孔注漿迭加效應(yīng)分析

帷幕注漿試驗共完成注漿孔5個，其中I序孔2個、II序孔2個、III序孔1個。在現(xiàn)有設(shè)計施工參數(shù)條件下，由于該試驗段巖溶裂隙、斷層破碎帶不甚發(fā)育，富水性較弱，3個序注漿孔（注漿段）未呈現(xiàn)出明顯的疊加遞減效應(yīng)，3個序孔的透水率無明顯差異，甚至出現(xiàn)II序孔大于I序孔透水率的倒掛現(xiàn)象，表明試驗段的裂隙、溶蝕孔、洞互通性較差，漿液擴(kuò)散呈不規(guī)則型，注漿時，漿液在壓力作用下，向貫通性較好的裂隙擴(kuò)散，將過水通道進(jìn)行封堵，當(dāng)該段貫通裂隙充滿時，注漿壓力達(dá)到設(shè)計值，灌漿流量迅速減少而終止灌漿。

3.3 透水率與注漿量關(guān)系分析

整個試驗段相對透水性較弱，連通性較差，方向性明顯，導(dǎo)致后續(xù)鉆孔僅揭露到少量的水泥結(jié)石體。鉆孔揭露統(tǒng)計結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可看出，I、II、III序注漿孔單位注漿量分布遞減規(guī)律不明顯，各孔序偶或性較大、無規(guī)律可循，但總體裂隙不大、可灌性差；從單位透水率頻率分布來看，試驗段透水率小于3 Lu的頻率達(dá)到92%以上。

在試驗段3個次序孔的施工中，共施工7個孔，累計鉆灌長度4 813.81 m，注漿前各注漿孔段透水率為0.02～7.39 Lu，平均透水率均不大于1 Lu，注漿1 345.23 m3（有效注入水泥543.28 t），單位注漿量為279.45 L/m，折合單位耗灰量為0.113 t/m，注漿后僅SK-2、SK-5號孔見到呈聚密充填的漿液結(jié)石體，單位耗灰量低說明試驗段巖體較完整，裂隙、巖溶不發(fā)育，可注性、裂隙聯(lián)通性差；檢查孔未見水泥結(jié)實體，說明裂隙發(fā)育弱、分布不均、具有方向性；通過檢查孔的壓水試驗，呂容值為＜3 Lu，說明該段帷幕質(zhì)量符合設(shè)計要求。

3.4 帷幕設(shè)計參數(shù)分析

在依序注漿后，雖然I序孔與II序孔的單位注漿量和單位透水率無明顯減少，疊加效應(yīng)不明顯，但I(xiàn)II序孔的單位注漿量和單位透水率明顯減少了，表現(xiàn)出了良好的注漿堵水效果。

試驗鉆灌過程表明，全試驗段除幕頂以下約120 m巖體完整性好，透水率變化較小外，其余各段巖體完整性稍差，據(jù)注漿孔揭露巖體表明，巖溶、裂隙發(fā)育程度隨深度的遞減或遞增趨勢不明顯，但整體性較弱，除遇構(gòu)造導(dǎo)水、富水性稍好外，基本屬弱含水體。

4 結(jié)論

（1）首采段-540 m水平屬于水下礦體，需要采取相應(yīng)的防水措施；由于其地下涌水量較大，不宜采取先疏干再采礦的方案，因此設(shè)計采用帷幕注漿堵水的方式防治水害。

（2）帷幕注漿施工過程中同時補充了解了該試驗段的水文地質(zhì)資料，發(fā)現(xiàn)該段巖溶裂隙、斷層破碎帶不甚發(fā)育，富水性較弱等情況，試驗段的裂隙、溶蝕孔、洞互通性較差，漿液擴(kuò)散呈不規(guī)則型。

（3）結(jié)合羅河鐵礦水文地質(zhì)情況和開采工藝要求，設(shè)計了該礦帷幕注漿技術(shù)方案，開展注漿實驗，并通過鉆孔揭露檢驗注漿效果。工程實踐表明，注漿堵水效果明顯，以呂容值＜3 Lu為合格檢驗標(biāo)準(zhǔn)，則合格率達(dá)到92%以上，說明該礦區(qū)的堵水工程采用帷幕注漿法是行之有效的。