某露天開采鈾礦床注漿帷幕防治水效果分析

雷明信，張 群，馮張生

(1.中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司，北京 101149；2.中核沽源鈾業(yè)有限責(zé)任公司，河北 沽源 076561；3.中陜核工業(yè)集團(tuán)二一八大隊(duì)有限公司，陜西 西安 710100)

礦山地下水防治一般采用礦床疏干、防滲墻和防滲帷幕等方法。采用礦床疏干的礦山一般生產(chǎn)條件好，但前提條件是礦山附近有受納水體[1]1160。防滲墻能有效地截?cái)嗟叵滤?，從而減少進(jìn)入礦坑的滲流量，可代替或部分代替礦山疏干排水工程。利用防滲墻可以大幅度降低礦山排水費(fèi)用，并對地下水資源起到保護(hù)作用；但由于防滲墻雖施工深度不大，工程量卻較大，使其應(yīng)用受到限制。防滲帷幕在礦山地下水防治中應(yīng)用較廣，有高壓噴射(旋噴)防滲帷幕和注漿防滲帷幕。高壓噴射防滲帷幕是在施工時(shí)通過旋轉(zhuǎn)帶噴嘴的鉆桿，采用高壓空氣將水泥漿噴射到地層中，水泥漿與土體固結(jié)后形成防滲帷幕，它僅適用于砂類土、黏性土和淤泥等[2]。注漿帷幕適用于各種地層，在施工時(shí)先施工注漿鉆孔，然后通過高壓注漿泵將水泥漿泵入地層的裂隙中，水泥漿固結(jié)后與圍巖一起形成帷幕以防止地下水的流動；它的主要缺點(diǎn)是施工工藝較復(fù)雜、注漿工程量大、防治水投資高、工期較長[1]1147。

隨著注漿帷幕技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，注漿帷幕工藝已廣泛應(yīng)用于地下工程防水、治水領(lǐng)域[3-6]。注漿帷幕技術(shù)是通過設(shè)置鉆孔注漿工程，最終在礦床周圍形成一定厚度的注漿帷幕，切斷水體與開采礦床之間的水力聯(lián)系，保護(hù)水資源。該工藝為礦山的安全高效開采提供了技術(shù)保障，已在多個(gè)金屬礦山得到應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益[7]。

某礦床位于內(nèi)蒙高原南緣地帶，地表水貧乏，當(dāng)?shù)貨]有受納水體。礦床水冶工藝最大消納水量為33 m3/h，而礦坑地下水涌水量遠(yuǎn)大于水冶工藝可消納的水量。若不進(jìn)行地下水防治，多余的礦坑水將無處排放，礦山將無法正常生產(chǎn)。為了使礦山能夠持續(xù)生產(chǎn)，并保護(hù)地下水資源，必須采取措施對礦床地下水進(jìn)行治理。

1 礦床水文地質(zhì)條件

1.1 礦床地下水分類

1.1.1 第四系松散層孔隙水

第四系松散層孔隙水主要分布于第四系沖積洪積物中，巖性為粉砂、黏土、砂礫石互層，厚度為5～46 m，水位埋深為3～15 m，平均水位標(biāo)高為1 494.11 m。該層地下水淺部為潛水，深部為承壓水，巖層富水性較好。SHW-2水文地質(zhì)孔和4號供水機(jī)井的抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，第四系松散層孔隙水平均單位涌水量為1.440 L/(s·m)，平均滲透系數(shù)為3.891 m/d。

1.1.2 基巖裂隙水

基巖裂隙水主要分布于地層層間破碎帶和次流紋斑巖體內(nèi)外接觸帶。56個(gè)鉆孔的含水層統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，可以看出巖層含水性由地表向深部逐漸減弱，主要含水段處于1 200 m標(biāo)高以上?；鶐r裂隙水的水位埋深為30～50 m，平均水位標(biāo)高為1 509.83 m，含水層平均總厚度為80.60 m。根據(jù)SHW-1、SHW-2水文地質(zhì)孔，以及ZK12-11、ZK1-5A地質(zhì)水文孔的抽水資料，基巖裂隙水單位涌水量為0.004～0.053 L/s·m，平均滲透系數(shù)為0.038 m/d。

圖1 礦床含水層發(fā)育深度統(tǒng)計(jì)

1.2 斷裂構(gòu)造的含水性

礦床地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)孔和地質(zhì)水文孔分布如圖2所示。礦床內(nèi)斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，F(xiàn)45與F31為礦床主要斷裂構(gòu)造帶。近東西向F45-1、F45-2構(gòu)造規(guī)模大，影響范圍寬，沿構(gòu)造面充填有斷層泥。水文地質(zhì)滲水試驗(yàn)表明，構(gòu)造本身含水性和導(dǎo)水性差，如F45-2構(gòu)造帶滲透系數(shù)為4.650 m/d。SHW-3水文地質(zhì)孔在F45-1構(gòu)造帶內(nèi)的抽水試驗(yàn)結(jié)果表明，其單位涌水量為0.000 53 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.000 92 m/d。在F45-1與F45-2之間有寬約100 m的構(gòu)造影響帶，巖石破碎，漏水嚴(yán)重。F31為壓性斷裂構(gòu)造，呈北西走向，從礦床中心穿過，沿構(gòu)造帶硅化強(qiáng)烈，裂隙不發(fā)育，通過坑道觀察未發(fā)現(xiàn)含水現(xiàn)象，F(xiàn)31斷層滲透系數(shù)較小。

1—礦床范圍；2—實(shí)測斷層及編號；3—推測斷層及編號；4—水文地質(zhì)孔；5—地質(zhì)水文孔。圖2 礦床地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)孔和地質(zhì)水文孔分布圖

1.3 地下水的補(bǔ)給與排泄

礦床區(qū)域范圍內(nèi)無地表水體，地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，據(jù)鉆孔ZK0-3A長期觀測資料(圖3)，5～9月份(雨季)水位明顯上升，10月～翌年4月份水位明顯下降，礦床地下水與大氣降水關(guān)系密切。

圖3 礦床ZK0-3A孔地下水位與降雨量關(guān)系

由于礦床范圍內(nèi)第四系黏土層普遍發(fā)育，加之地形北高南低，大氣降水多以地表徑流流失，因此本礦床基巖裂隙水補(bǔ)給條件較差，補(bǔ)給水源不足，礦床地下水以靜儲量為主。

礦床地下水無地表出露，其排泄形式以機(jī)井、民井排泄為主，以蒸發(fā)為輔。根據(jù)地下水等水位線分析，礦床地下水總體流動方向?yàn)镹→SE及N→SW，其次為N→S；礦床地下水在向東面、西面徑流過程中匯集至2個(gè)水庫。

1.4 礦床充水因素分析

根據(jù)礦床地下水分布特征，影響礦床開采的充水因素有第四系孔隙水、基巖裂隙水和大氣降水。基巖裂隙水由于補(bǔ)給量有限，地下水以靜儲量為主，對礦床開采影響不大。第四系孔隙水的影響最大，特別是采用露天開采時(shí)，第四系孔隙水會直接補(bǔ)給采礦場。因此，對第四系孔隙水防治要給予足夠的重視。

1.5 礦坑涌水量預(yù)測

根據(jù)礦床水文地質(zhì)條件，結(jié)合礦床開采方案，運(yùn)用水文地質(zhì)“大井法”對礦坑涌水量進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表1。

表1 礦床露天坑各梯段地下水涌水量預(yù)測結(jié)果

從表1可看出，預(yù)測的礦坑地下水涌水量大于礦山水冶工藝可以消納的水量(33 m3/h)。為了礦山的持續(xù)生產(chǎn)，需要采取防治水方案，以減小礦坑地下水涌水量。

2 防治水方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《礦山帷幕注漿規(guī)范》編制防治水方案，在考慮正常注漿孔的同時(shí)，根據(jù)注漿效果檢查情況布置加密孔。

2.1 確定防水帷幕施工方法

根據(jù)礦床水文地質(zhì)條件及礦床開采條件，需要對礦床地下水進(jìn)行治理。治理的方法有高壓旋噴法和注漿帷幕法。由于露天坑為基巖，高壓旋噴法無法實(shí)施，因而選用注漿帷幕法。

2.2 確定帷幕深度

因含水裂隙發(fā)育深度主要在1 300 m以上(圖1)，所以帷幕底部設(shè)計(jì)在1 300 m以下。當(dāng)開采1 300 m以下礦體時(shí)，由于含水裂隙不發(fā)育，預(yù)測其礦坑涌水量不會太大；當(dāng)局部地段出現(xiàn)涌水時(shí)，可以在局部地段有針對性地采取注漿堵水措施。根據(jù)上述分析，并考慮到后期開采方式將從露天開采轉(zhuǎn)為地下開采，從標(biāo)高1 504 m進(jìn)行注漿，帷幕深度可確定在標(biāo)高1 280 m，那么帷幕注漿鉆孔平均孔深約為220 m。

2.3 布置帷幕注漿孔

由于礦床范圍不大，礦體比較集中，所以采用全封閉帷幕注漿方案，即在巖石移動界線以外10 m處施工一周帷幕。當(dāng)注漿孔為單排時(shí)，孔間距宜為6～12 m[8]15，本項(xiàng)目注漿孔間距取8 m。共布置注漿孔226個(gè)，檢查孔21個(gè)，加密孔21個(gè)，監(jiān)測孔17個(gè)(圖4)。

1—陡坡；2—梯段標(biāo)高；3—注漿孔布置。圖4 設(shè)計(jì)注漿孔布置示意圖

2.4 確定注漿材料

通常使用的懸濁液注漿材料主要包括黏土漿、純水泥漿、水泥黏土漿、水泥水玻璃漿等，這些材料容易取得、成本較低、無毒性，既適用于巖土工程加固，也適用于防滲，在各個(gè)工程中應(yīng)用較為廣泛[8]380。

黏土類漿液由普通的黏土配制而成，由于普通黏土來源廣泛和成本低廉，在防滲工程中得到了廣泛的應(yīng)用；但黏土漿黏粒過大、析水性差，以及固結(jié)收縮性較大易產(chǎn)生裂縫，因而單純的黏土漿在防滲工程中的應(yīng)用受到限制[9]385。

純水泥漿易析水、穩(wěn)定性差、凝結(jié)時(shí)間較長，在地下水流速較大的條件下注漿時(shí)，漿液易受水沖刷和稀釋，純水泥漿在防滲工程中應(yīng)用不多[9]382。

水泥黏土漿由于在水泥漿液中加入了分散性、親水性好的黏土，使得漿液的穩(wěn)定性大大提高，被廣泛應(yīng)用于工程中[9]384。

水泥水玻璃漿液克服了純水泥漿凝結(jié)時(shí)間長且不易控制、結(jié)實(shí)率低等缺點(diǎn)，提高了水泥注漿的效果。水泥水玻璃漿液凝結(jié)時(shí)間與水玻璃的加入量有關(guān)，當(dāng)加入的水玻璃占水泥漿液體積小于16%時(shí)，水泥漿液凝結(jié)時(shí)間隨水玻璃加入量增大而縮短；當(dāng)水玻璃的加入量大于16%時(shí)，水泥漿液凝結(jié)時(shí)間隨水玻璃加入量增大而延長(圖5)。一般情況下，加入水玻璃的目的是為了縮短水泥漿液的凝固時(shí)間，所以水玻璃的加入量不會超過16%。由于水泥水玻璃類漿液凝結(jié)時(shí)間短，因而在堵水工程中，當(dāng)應(yīng)用于水壓較大、流速較快或充填較大裂隙時(shí)，要求漿液的凝結(jié)時(shí)間短且具有一定的抗壓強(qiáng)度[9]492。

圖5 水泥水玻璃漿液中水玻璃含量與凝結(jié)時(shí)間關(guān)系

根據(jù)本礦床地下水的特點(diǎn)，并結(jié)合幾種漿液的優(yōu)缺點(diǎn)比較，在設(shè)計(jì)時(shí)選用水泥黏土漿進(jìn)行注漿堵水，注漿材料配比為水泥∶黏土∶水=1∶3∶6。

3 防治水方案實(shí)際施工

礦床初期開采時(shí)為山坡露天，開采過程中不存在地下水的影響，因而設(shè)計(jì)的防治水方案沒有實(shí)施。在礦床開采轉(zhuǎn)入凹陷露天時(shí)，由于出現(xiàn)了地下水的影響，礦山企業(yè)為了節(jié)省生產(chǎn)成本，與注漿施工單位自行制訂注漿方案。在涌水量比較大的東南側(cè)和西南側(cè)進(jìn)行了局部帷幕注漿，新注漿方案的注漿帷幕不是布置在礦坑開采境界10 m以外，而是在礦坑內(nèi)的車輛行駛平臺上進(jìn)行了注漿施工。

礦山企業(yè)根據(jù)礦坑涌水量情況分別于2018年、2020年進(jìn)行了2次注漿帷幕施工。2018年注漿時(shí)，注漿平臺標(biāo)高為1 504 m，西北側(cè)布置56個(gè)鉆孔，東南及南側(cè)布置71個(gè)鉆孔，單排孔的孔距為10 m，雙排孔的孔距為5 m。2020年注漿集中在西南側(cè)，平臺標(biāo)高為1 504 m、1 492 m，共布置51個(gè)鉆孔，2次注漿孔布置如圖6所示，2次注漿參數(shù)見表2。2020年的注漿帷幕防治水效果沒有達(dá)到預(yù)期效果。

1—陡坡；2—平臺標(biāo)高。圖6 實(shí)際施工注漿孔布置示意圖

4 防治水效果分析

4.1 注漿材料用量分析

2次注漿孔的布置形式、孔間距、注漿段長度基本相同，但2次注漿后的防水效果不同。2018年注漿時(shí)，水泥單位用量為0.382 t/m，水泥中水玻璃的添加量為0.5%；2020年注漿時(shí)，水泥單位用量為0.086 t/m，水泥中水玻璃的添加量為8.9%。2018年的注漿水泥單位用量是2020年注漿水泥單位用量的4.4倍，而2020年注漿時(shí)水玻璃的添加量卻是2018年的17.8倍。由于2020年注漿時(shí)水玻璃添加量遠(yuǎn)高于2018年，導(dǎo)致漿液無法注入，使得水泥用量減少，因而防治水效果較2018年差。

4.2 注漿孔布置分析

在設(shè)計(jì)中，注漿孔布置在露天境界以外10 m處，可以保證在注漿時(shí)漿液有足夠的擴(kuò)散距離；同時(shí)通過檢查孔發(fā)現(xiàn)注漿效果不佳時(shí)，可以施工加密孔進(jìn)行補(bǔ)注，從而保證注漿效果。而實(shí)際施工注漿孔布置在露天坑內(nèi)的平臺上，2020年施工的注漿孔距坑內(nèi)爆破點(diǎn)太近，且注漿材料為水泥-水玻璃漿液，沒有使用原設(shè)計(jì)的水泥黏土漿。水泥-水玻璃漿液固結(jié)后呈脆性，由于注漿平臺靠近坑底，注漿封堵的裂隙在爆破震動時(shí)會重新開裂，從而影響防治水效果。

另外，當(dāng)注漿孔為雙排布置時(shí)，通常采用“梅花形”布置；但實(shí)際注漿時(shí)，部分注漿段雙排孔采用平行布置(圖6)。在基巖裂隙含水層中，裂隙發(fā)育不像第四系松散層孔隙那樣均勻分布，這種布置方法有可能使同一列中2個(gè)鉆孔之間的裂隙得不到漿液充填，影響防治水效果。

4.3 漿液擴(kuò)散距離分析

2018年帷幕注漿施工時(shí)，由于水玻璃添加量小，水泥漿需要固結(jié)的時(shí)間較長，因而水泥漿沿裂隙擴(kuò)散的距離較遠(yuǎn)，防治水效果較好。而2020年防水帷幕注漿施工時(shí)，由于注漿平臺距坑底較近，為了防止?jié){液從裂隙流出形成冒漿，從而加大了水玻璃的用量。由于水玻璃用量的加大，使得水泥漿在裂隙中固結(jié)時(shí)間縮短，導(dǎo)致漿液擴(kuò)散距離較近，再加上爆破震動的影響，從而導(dǎo)致在注漿部位仍有地下水涌出，防水效果沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)(圖7)。

圖7 注漿帷幕施工后坑壁涌水情況

5 建議

礦山采用露天開采時(shí)，為了最大限度地減小礦坑水涌水量，防滲帷幕線應(yīng)布置在開采境界以外，并且與礦坑開采境界保持一定的距離。這種情況下，漿液有一定的擴(kuò)散距離，結(jié)合施工過程中對注漿效果的檢查結(jié)果，必要時(shí)可以施工加密孔進(jìn)行注漿。當(dāng)含水層為裂隙含水層時(shí)，防水帷幕的注漿材料應(yīng)采用黏土漿或水泥-黏土漿，以減小爆破震動對防治水效果的影響。