露天礦帷幕注漿多參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及堵水效果分析*

何全松,侯克鵬,者亞雷,趙雷,何平

(1.云南磷化集團(tuán)有限公司尖山磷礦分公司,云南 昆明 650114;2.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)

0 引言

露天開采中,往往會(huì)形成較大面積的凹陷坑,容易成為區(qū)域內(nèi)主要的匯積水點(diǎn)。為了滿足生產(chǎn)要求,以往對(duì)礦坑采取的防治水措施主要有礦坑外圍設(shè)置截洪溝攔截雨水、礦坑機(jī)械抽排水。對(duì)于地下水不豐富,開采標(biāo)高遠(yuǎn)高于地下水位的礦山,該方式能滿足治水要求。但是對(duì)于礦山屬于頂、底板巖溶水直接充水且在地下水位之下開采的大水礦床,其水文地質(zhì)條件復(fù)雜,當(dāng)?shù)V坑涌水量大時(shí),該單一的防治水方式成本高,會(huì)對(duì)礦區(qū)地下水環(huán)境造成破壞,且治水效果不佳。因此,根據(jù)礦坑的充水水源和充水途徑,建議采用截堵排結(jié)合的方案防治地下水,即防治水主體工程采用帷幕注漿堵水[1-4]。

帷幕注漿是一項(xiàng)耗材、耗時(shí)的施工工程,注漿工藝及參數(shù)的選取是礦坑積水治理工程堵水效果控制的關(guān)鍵,而參數(shù)的選取受工程地質(zhì)條件影響較大,需因地制宜,因此在開展大規(guī)模帷幕注漿施工前,需在現(xiàn)場(chǎng)有代表性的地點(diǎn)開展帷幕注漿試驗(yàn),以達(dá)到驗(yàn)證帷幕注漿的可行性及其效果,檢驗(yàn)注漿方法、鉆探工藝和注漿工藝的有效性等目的。并且通過帷幕注漿試驗(yàn)段工業(yè)試驗(yàn),獲得并確定以下技術(shù)參數(shù):漿液擴(kuò)散半徑;鉆孔布置方式,鉆孔間距、排距;合適的制漿材料、設(shè)備、漿液配比;注漿壓力;單孔注漿時(shí)間及注漿量等。在取得上述相關(guān)成果的基礎(chǔ)上,再推廣應(yīng)用到大型注漿工程中[5-7]。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),需選派經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆灌人員施工,主要管理人員、技術(shù)人員及鉆灌組長均應(yīng)到場(chǎng)跟蹤詳細(xì)了解試驗(yàn)中的每個(gè)環(huán)節(jié)。仔細(xì)研究試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的每個(gè)問題,然后結(jié)合試驗(yàn)施工經(jīng)驗(yàn)及成果,以取得對(duì)本工程地層鉆灌作業(yè)更直觀、更深刻的認(rèn)識(shí),提高對(duì)主要技術(shù)問題預(yù)判的合理性和準(zhǔn)確性,驗(yàn)證、優(yōu)化、調(diào)整、補(bǔ)充完善施工方案及已提出的處理措施,更好地指導(dǎo)施工,提高工效[8-9]。

1 項(xiàng)目概況

尖山磷礦采用露天開采,現(xiàn)已開采至地下水位之下約20 m,涌水量達(dá)上萬立方米,隨著采礦延深,礦坑涌水量會(huì)逐步增大,對(duì)采礦影響較大。為解決該礦未來開采水患問題,礦山前期開展了水文地質(zhì)專項(xiàng)勘探及采坑積水治理設(shè)計(jì),建議采用帷幕注漿方式進(jìn)行積水治理。注漿地層主要包括寒武系梅樹村組和震旦系上統(tǒng)燈影組。寒武系梅樹村組,巖性以砂質(zhì)頁巖為主,局部夾炭質(zhì)頁巖,薄層狀,巖體破碎至較完整,層狀裂隙發(fā)育,5～9條/m,傾角為5°～10°,傾向南北,裂隙多為細(xì)小,呈閉合型至擴(kuò)張型。震旦系上統(tǒng)燈影組,弱風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r,灰白色,塊狀構(gòu)造,厚層,巖體較完整,裂隙較發(fā)育,巖心呈短柱狀、塊狀及長柱狀。設(shè)計(jì)推薦帷幕鉆孔為雙排孔,梅花形布置,鉆孔間距為5 m,排距為9 m,注漿段長不超過10 m。

2 多參數(shù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用的鉆孔布置方式及間排距選擇較為單一,為了進(jìn)行注漿多參數(shù)的注漿效果分析比較,現(xiàn)補(bǔ)充三角形布孔和矩形布孔方式,增加鉆孔間距6 m和8 m,注漿段長5 m、8 m 的試驗(yàn)段。注漿壓力是給予漿液擴(kuò)散、充塞、壓實(shí)的能量,漿液在巖層中擴(kuò)散、充塞的過程就是克服阻力的過程。如果注漿壓力過大、漿液擴(kuò)散過遠(yuǎn)、耗漿量大,會(huì)造成不必要的浪費(fèi),如果注漿壓力過小,漿液擴(kuò)散不能滿足交圈和干涉疊加要求。因此,正確的選擇注漿壓力是注漿堵水的關(guān)鍵。原設(shè)計(jì)注漿終壓力為注漿段靜水壓力的2.5倍,考慮到現(xiàn)場(chǎng)注入量比設(shè)計(jì)少,現(xiàn)增加至靜水壓力3倍和3.5倍進(jìn)行注漿試驗(yàn)。設(shè)計(jì)注漿水泥漿液水灰比從稀到濃分別為:5∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.6∶1,根據(jù)注漿操作經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為主灌漿液為1∶1和0.8∶1,現(xiàn)采取試驗(yàn)取值客觀分析的方式,對(duì)水灰比分別為1∶1、0.8∶1、0.6∶1不同主灌漿液的可注性、注入量和注漿效果進(jìn)行評(píng)判分析。

新增研究內(nèi)容包括布孔方式、間排距、注漿段長、注漿壓力、主灌漿液水灰比共5個(gè)因素3個(gè)水平的試驗(yàn)。借助正交設(shè)計(jì)方法對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),以最少的試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到與大量全面試驗(yàn)等效的結(jié)果。若采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)上述注漿5因素3水平的試驗(yàn)進(jìn)行分析的話,需要進(jìn)行16 組試驗(yàn),并且檢驗(yàn)帷幕注漿的注漿孔搭接帷幕形成的效果及注漿擴(kuò)散半徑最少需要3～4個(gè)注漿孔,因此,若嚴(yán)格按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn),至少需要補(bǔ)打48個(gè)孔。介于試驗(yàn)工程量、必要性以及可操作性,采用孔內(nèi)參數(shù)(注漿段長、注漿壓力、主灌漿液水灰比)正交設(shè)計(jì)和孔外參數(shù)(鉆孔布置方式及間排距)分布統(tǒng)籌的方式進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。孔內(nèi)考慮的因素見表1,孔外考慮的因素及補(bǔ)孔方式如圖1所示。

圖1 孔外因素布置

表1 孔內(nèi)因素水平

孔內(nèi)參數(shù)采用各孔注漿前后透水率、波速、注入量來評(píng)判注漿效果,孔外參數(shù)布置采用檢查孔來評(píng)判注漿效果,共需注漿孔9個(gè),鉆孔進(jìn)尺180 m,檢查孔4個(gè),試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

9個(gè)注漿鉆孔共進(jìn)行了24個(gè)注漿段的試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 注漿參數(shù)對(duì)單注量影響分析

從各分段單位注漿量來看,地層透水率對(duì)注漿量大小的影響最大,透水率越大,可注入漿液量越大,如圖2所示。通過多項(xiàng)式回歸得到不同地層透水率情況下鉆孔漿液單注量公式為:y=0.0079x2＋0.8894x＋255.15。

圖2 不同地層透水率鉆孔漿液單注量趨勢(shì)

針對(duì)不同地層透水率情況,采用不同注漿參數(shù)進(jìn)行注漿分析,結(jié)果如下。

(1)試段3(孔號(hào))-2(分段)、3-3、4-2、8-1、9-2注前透水率小于20 Lu,屬于中等偏弱透水,由于注漿參數(shù)選取的不同,導(dǎo)致注漿量也大不相同。注漿量最少的試段4-2為147.3 kg/m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值,相對(duì)于其他孔其注漿壓力最小、漿液較濃;試段3-3、9-2雖然選取的漿液相對(duì)較濃,但是在相對(duì)較高的注漿壓力下也能注入相對(duì)較多的漿液。漿液注入較好的是試段8-1,選取了稀漿,且注漿壓力不必過大。因此,當(dāng)?shù)貙油杆市∮?0 Lu,屬于中等偏弱透水地層時(shí),由于地層本身就較難注入漿液,應(yīng)選取水灰比為1∶1的稀漿,注漿壓力可適當(dāng)增大至2.4 MPa。

(2)試段1-2、2-2、3-1、3-2、5-2注前透水率大于20 Lu小于50 Lu,屬于中等透水,由于注漿參數(shù)選取的不同,導(dǎo)致注漿量也大不相同。其中,試段5-2選取了0.6∶1的濃漿,低壓下漿液較難注入,試段3-1、3-2采用了較高的壓力后才能順利注入漿液;試段1-2雖采用了1∶1的稀漿,但注漿壓力太小,注漿量并不理想。因此,當(dāng)?shù)貙油杆蚀笥?0 Lu小于50 Lu,屬于中等透水地層時(shí),水灰比選取為0.8∶1,注漿壓力可選取為中等壓力1.7 MPa。

(3)試段2-1、6-1、6-2、7-1、7-2注前透水率大于100 Lu,屬于強(qiáng)透水。不論采用濃漿還是低壓注漿,注漿量均較大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)值。因此建議采取相應(yīng)的間歇注漿等控漿措施。

通過上述對(duì)不同注漿參數(shù)下的注漿情況分析,推薦了一套尖山磷礦不同地層信息條件下的最優(yōu)的注漿參數(shù)選取以及最佳的單注量,具體參數(shù)見表4。

表4 不同地層透水率注漿參數(shù)

3.2 鉆孔間距及布置形式分析

通過施工檢查孔,對(duì)不同鉆孔間距及不同鉆孔布置形式注漿后形成的幕體進(jìn)行壓水試驗(yàn),計(jì)算其透水率。結(jié)果顯示,當(dāng)鉆孔間距大于6 m 時(shí),采用三角形和矩形布孔方式,幕體的透水率大于10 Lu,不能滿足80%的堵水效果。因此,建議注漿鉆孔孔距不宜超過6 m,可選用三角形布孔形式,能夠減小注漿造孔數(shù)量,節(jié)省費(fèi)用,提高施工效率。

4 結(jié)論

通過在尖山磷礦露天采場(chǎng)內(nèi)開展帷幕注漿多參數(shù)試驗(yàn),分析了注漿鉆孔布孔方式、間排距、注漿段長、注漿壓力、主灌漿液水灰比5個(gè)因素對(duì)帷幕注漿堵水效果的影響,得到以下結(jié)論:

(1)地層透水率對(duì)注漿量影響最大,透水率越大,可注入漿液量越大;

(2)當(dāng)注漿地層為弱透水性質(zhì)時(shí),選用稀漿、高壓、大段長進(jìn)行注漿,當(dāng)注漿地層為強(qiáng)透水性質(zhì)時(shí),選用濃漿、低壓、短段長進(jìn)行注漿;

(3)推薦不同透水率地層信息下的注漿鉆孔最佳單注量;

(4)尖山磷礦注漿鉆孔孔距不宜超過6 m,布孔方式除雙排孔梅花形布置外,可選用三角形布孔形式,能夠減小注漿造孔數(shù)量,節(jié)省費(fèi)用,提高施工效率。