中關鐵礦注漿帷幕檢查孔設計施工與優化

高廣鋒,劉殿鳳,韓貴雷

(1.河北鋼鐵集團礦業公司中關礦, 河北邢臺市 054103;2.華北有色工程勘察院,河北石家莊 050021)

中關鐵礦注漿帷幕檢查孔設計施工與優化

高廣鋒1,劉殿鳳2,韓貴雷2

(1.河北鋼鐵集團礦業公司中關礦, 河北邢臺市 054103;2.華北有色工程勘察院,河北石家莊 050021)

帷幕注漿是新興的礦山治水常用的重要手段,帷幕體抗滲效果的檢查通常采用施工檢查孔的方式。對中關鐵礦帷幕注漿工程已完工區段施工質量進行分析與研究,最終確定了檢查孔布置原則,根據此原則對相應區段布置了一定數量的檢查孔,通過大量資料的分析,認為鉆孔透水率與單位注灰量不存在對應的線性關系,因此,檢查孔按注漿孔進行注漿施工是非常必要,按上述研究成果進行了檢查孔的設計與施工,檢查結果表明,幕體具有較好的搭接效果,帷幕體防滲性能滿足 q≤2 Lu的設計指標。

帷幕注漿;礦山治水;檢查孔

0 引 言

河北鋼鐵集團礦業公司中關礦位于河北省沙河市白塔鎮中關村附近,礦區南北長 2000 m,寬 800 m左右,礦體平均厚度 38 m,最大厚度 193.06 m,埋深300～720 m,總儲量 9345萬 t。礦山治水采用帷幕注漿的方式,帷幕注漿工程由華北有色工程勘察院承擔,注漿帷幕線設計南北長 1140 m;東西最大寬度為 890 m,平面上形成環形橢圓狀展布的全封閉的帷幕,全長 3397 m,由 270個注漿孔、20個觀測孔、34個檢查孔、36個加密孔,共 360個鉆孔構成,最大設計孔深達 810 m。總鉆探進尺 201906 m,注漿段全長 126674 m,帷幕注漿采用分段注漿,每注漿段平均長度為 30 m。注漿帷幕墻體底板進入燕山期閃長巖隔水層,注漿帷幕完工后的帷幕防滲性能指標 q≤2 Lu,帷幕形成后堵水率達 80%,滲透系數 K≤0.08 m/d,質量要求高[1]。

由于帷幕注漿工程具有典型的隱蔽工程特點[2],帷幕注漿施工完成后,注漿質量好壞,防滲效果如何,均無法完全直接評定,因此,帷幕注漿工程施工質量檢查一直是人們研究關注的熱點[3～11],目前帷幕注漿防滲效果的檢驗主要有間接方式:利用電場、磁場等物探手段分析和研究帷幕注漿前后地質體的變化,借此來反映帷幕注漿效果,該方法具有簡單,經濟等優點;直接方式:通過施工檢查孔,利用單位透水率、單位注灰量等數據參數反映帷幕注漿效果,該方法評價方式直接,效果明顯,一般帷幕注漿工程中均需要按一定比例布置,但施工費用較高。

1 檢查孔優化設計

中關鐵礦帷幕注漿工程帷幕線全長 3397 m,設計施工 34個檢查孔,檢查孔位置及施工技術方案根據現場情況研究決定,在注漿帷幕施工過程中采用分區施工的方式,檢查孔的布置及施工以帷幕完成一段檢查一段為原則。

1.1 布置原則

非煤礦山帷幕注漿在我國發展相對滯后,成熟的經驗相對較少。借鑒水利水電領域大壩壩基帷幕注漿經驗,檢查孔布置可遵循以下原則:

(1)透水率與單位注灰量特別大的注漿孔附近;

(2)注漿過程中因故中斷或變漿不當,致使原來大量吸漿的孔段復注或變漿后,吸漿很小或不再吸漿的孔附近;

(3)發生串漿或冒漿事故的注漿孔附近;

(4)透水率很大,但單位注灰量很小;或恰恰與之相反,兩個數值相互不適應的注漿孔附近;

(5)注漿孔揭露顯示地質條件復雜的地段。

1.2 注漿孔質量分析

以中關鐵礦帷幕注漿工程 K8～W8區段鉆孔質量分析及檢查孔布置為例,進行一般規律的研究,K8～W8區段為中關鐵礦帷幕注漿工程中二工區中的一段,包括 49個鉆孔,其中Ⅰ序鉆孔 11個,Ⅱ序鉆孔 18個,Ⅲ序鉆孔 20個。

工程資料統計分析表明,該區段內Ⅱ序孔單位注灰量為Ⅰ序孔的 30.2%,Ⅲ序孔單位注灰量為Ⅰ序孔的 13.6%,Ⅲ序孔單位注灰量為 Ⅱ序孔的44.9%,同樣各序孔單位透水率之間也具有明顯的遞減趨勢,單位注灰量及單位透水率隨著注漿過程遞減,反映出隨著注漿工程的進行,帷幕墻體逐漸形成的過程,注漿效果理想。

變異系數在巖土工程界常被用來對大量的實驗結果進行統計分析。研究發現,將該參數引入帷幕注漿工程質量評價工作中具有直觀的工程意義。因此,此次中關鐵礦帷幕注漿效果成果分析研究也引入了該參數。

由表1可以看出,Ⅰ序孔透水率離散性較大,說明該區域原始地層裂隙分布差異性較大,地質情況復雜,巖層裂隙及其透水性不均一,注漿后離散系數變小,反映出注漿后地層中貫通裂隙被水泥封堵,透水性有所減小且較為均一,說明帷幕注漿的封堵效果理想。

表1 單位注灰量和透水率離散性分析

圖1表明:由于注漿過程及地層條件的不同,區內鉆孔平均單位注漿量各不相同,其中 W9、W3、W6附近表現異常,W9附近最為異常,存在一定的隱患,應進行注漿質量檢查及加密補強。

圖1 水平向全孔平均單位注灰量分析

1.3 檢查孔布置

根據注漿孔質量分析與研究,最終確定檢查孔的布置原則:檢查孔應布置在具有代表性同時兼顧重點部位的地段,重點部位主要包括:注漿異常段、注漿事故段、地層異常段、壓水異常段等。

根據上述原則,對 K8～W8區段進行帷幕注漿效果檢查,設計布置 3個檢查孔,J1、J2、J3,檢查孔距離帷幕線 5 m,鉆探施工按注漿孔施工要求進行,對每段及鉆孔進行壓水試驗,以壓水試驗結果作為檢查標準。

K8～W8區段檢查孔布置見圖2。

圖2 檢查孔布置

2 檢查孔注漿必要性研究

一般來說,巖體單位透水率大,單位注灰量也會大,但是想要尋找一個具有普遍代表性的近似關系確實很難,其原因是多方面的:除了地質、水文地質條件的差異外,透水率與單位注灰量兩個參數本身的性質、運動規律也有較大的差異,他們之間是不成線性比的。

根據中關鐵礦帷幕注漿不同施工階段的注漿資料,總結出相應的單位注灰量與透水率之間的關系(見圖3),透水率與單位注灰量對應關系是在兩條斜線限定的范圍內變化,而不是一條固定直線,說明透水率與單位注灰量之間不存在固定線性關系。

圖3 單位注灰量與透水率之間的關系

在礦山帷幕注漿領域,鉆孔單位注灰量大于800 kg/m時認為該鉆孔吃漿量較大,地層透水性較強,根據對中關鐵礦帷幕注漿已施工鉆孔的不完全統計,透水率小于 1 Lu,而單位注灰量大于 800 kg/m的鉆孔占全部鉆孔的 16%,表2為部分透水率小而單位注灰量特大的鉆孔資料,表中數據進一步說明這兩個參數之間的非線性對應關系。

表2 鉆孔注漿結果統計

上述研究結果表明:由于中關礦區注漿對象寒武系石灰巖裂隙巖溶發育存在很大不均一性,鉆孔透水率與單位注灰量并非理想的線性關系,存在較多的異常段。上述分析說明,利用注漿段透水率單一指標評價帷幕注漿效果是不全面的。因此,利用檢查孔在進行完壓水試驗后,按注漿孔進行注漿施工是非常必要的,一方面確保質量評價指標得以完善,另一方面及時補強整體帷幕異常注漿段,確保工程施工質量。同時,檢查孔注漿后,以其單位注灰量作為檢查注漿質量的另一個評價指標,可使帷幕注漿抗滲效果評價體系更加全面、更加科學。

3 檢查孔檢驗效果

中關鐵礦礦區漿液擴散通道存在兩種形式,即溶洞和裂隙。由于存在形式不同,其強度也不同(見表3),但均滿足幕體強度要求。水泥結石體的存在,在一定程度上反映了漿液具有較大的擴散范圍,反映出幕體具有較好的搭接效果。檢查孔巖芯水泥結石實物見圖4。

圖4 水泥結石實物

表4為檢查孔壓水試驗結果。試驗數據表明:各壓水段及全孔壓水試驗結果均小于帷幕設計防滲性能指標 q≤2 Lu,結石強度較高,幕體的厚度可達10 m,滿足設計要求。

表3 水泥結石試驗結果

表4 檢查孔壓水成果

4 結 論

通過對中關鐵礦帷幕注漿工程 K8～W8區段注漿孔技術資料的詳細分析與研究,最終確定了檢查孔的布置原則與檢查孔的施工方案。檢查結果表明漿液具有較大的擴散范圍,幕體具有較好的搭接效果,帷幕體防滲性能滿足 q≤2 Lu的設計指標,同時得到以下重要結論:

(1)檢查孔布置應在具有代表性同時兼顧重點部位的地段,重點部位主要包括:注漿異常段;注漿事故段;地層異常段;壓水異常段等。

(2)利用檢查孔在進行完壓水試驗后,按注漿孔進行注漿施工是非常必要的,一方面確保質量評價指標得以完善,另一方面及時補強整體帷幕異常注漿段,確保工程施工質量。

[1] 華北有色工程勘察院.邯鋼集團沙河市中關礦業有限公司中關鐵礦帷幕注漿工程施工設計[R].石家莊:華北有色工程勘察院,2008.

[2] 孫 釗.大壩基巖灌漿[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

[3] 王自清.水利水電工程地層注漿堵水與施工新技術及標準規范[M].西安:中國知識出版社,2006.

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[10] 曾紹權.水口山鉛鋅礦鴨公塘礦區大型帷幕注漿治水工程技術的應用[J].中國有色冶金,2006,(6):55～59.

[11] 白聚波,張國軍,周輝峰.帷幕注漿在礦山治水中的應用[J].西部探礦工程,2008,(3):96～98.

2010-04-28)

高廣鋒 (1971-),男,河北邯鄲人,工程師,從事采礦及巖土工程研究工作,Email:gao6071954@126.com。