鐵礦床開(kāi)采井下近礦體帷幕注漿技術(shù)及應(yīng)用

徐加夫

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.魯中礦業(yè)萊新鐵礦有限公司，山東 萊蕪 271124)

巖溶大水礦山防治水技術(shù)，主要有疏干排水、礦區(qū)地面帷幕注漿、井下近礦體帷幕注漿技術(shù)三種[1-2]。疏干排水方法，主要不足是易引起地下水資源枯竭、地面塌陷等問(wèn)題，甚至使礦山因排水量大要承擔(dān)高昂的排水費(fèi)用。地面帷幕注漿工程投入高，需要查明過(guò)水通道，堵水效果也難以保證。井下近礦體帷幕注漿技術(shù)，是近幾年發(fā)展起來(lái)的對(duì)大水金屬礦山水害治理技術(shù)的完善與創(chuàng)新，它不僅解決了疏干排水技術(shù)方法引起礦區(qū)地面塌陷等隱患，以及高昂排水費(fèi)用等問(wèn)題，而且也解決了地面帷幕注漿技術(shù)工程造價(jià)高、堵水率相對(duì)較低，以及要求查明礦區(qū)水文地質(zhì)條件等方面的問(wèn)題[2]。

1 井下近礦體帷幕注漿可行性

萊新鐵礦為中型隱伏接觸交代型矽卡礦床。礦體主要賦存于-195～-305m標(biāo)高間，水平厚度為10～120m。礦體上下盤圍巖是大理巖、閃長(zhǎng)巖和矽卡巖。大理巖為礦床主要充水巖層，其富水性強(qiáng)，巖溶裂隙發(fā)育不均一，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦坑最大涌水量達(dá)60000m3/d，特別是礦體與圍巖接觸帶是地下水主要逕流通道，加上其穩(wěn)固性差，遇水膨脹和軟化，工程地質(zhì)條件差。

萊新鐵礦從基建到試投產(chǎn)開(kāi)始，礦山防治水指導(dǎo)思想主要是以排水為主、防探堵水為輔的措施，其結(jié)果是導(dǎo)致礦房頂板多處冒落，不僅產(chǎn)生了大量的涌水，而且損失了大量的礦石，嚴(yán)重影響了井下的正常生產(chǎn)和安全作業(yè)。采用疏干排水的防治水技術(shù)，因礦區(qū)地下水靜、動(dòng)儲(chǔ)量大，很難達(dá)到疏干的目的，一旦疏排過(guò)度，可能導(dǎo)致地面出現(xiàn)塌陷、地下水資源破壞等環(huán)境問(wèn)題，尤其是高昂的排水費(fèi)用，進(jìn)而影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益以及可持續(xù)發(fā)展；采用地面帷幕注漿防治水方案，由于過(guò)水通道及大理巖富水程度等水文地質(zhì)條件不清楚，加上主要含水層埋藏較深，勢(shì)必導(dǎo)致工程投資高昂，難以預(yù)計(jì)堵水效果能否保證采礦安全生產(chǎn)，并存在突水隱患。

研究礦床井下近礦體帷幕注漿是以堵水為主、排水為輔的防治水方法，研究重點(diǎn)是礦床頂板圍巖大理巖主要含水層富水程度、巖溶裂隙發(fā)育分布規(guī)律、水力聯(lián)系、地下水運(yùn)動(dòng)分布規(guī)律、地下水主要逕流通道等水文工程地質(zhì)特征。實(shí)施穿脈水平探水鉆孔注漿工程和頂板加密注漿工程，查清礦床圍巖水文地質(zhì)特征，進(jìn)行全方位的鉆孔注漿，最終在礦床圍巖形成一定厚度的井下注漿帷幕保護(hù)層，達(dá)到既能保護(hù)礦區(qū)地下水資源，減小排水費(fèi)用，防治地質(zhì)災(zāi)害，又能保證礦床高效安全開(kāi)采。因此，采用井下近礦體帷幕注漿是萊新鐵礦防治水的必然選擇。

2 井下近礦體帷幕注漿的帷幕厚度研究

2.1 圍巖突水機(jī)理分析

圍巖突水的主要相關(guān)因素有水源、隔水層、水壓、地質(zhì)構(gòu)造及采掘活動(dòng)等。通過(guò)對(duì)圍巖突水機(jī)理的深入研究，有助于防治水方案的確定與實(shí)施，以及對(duì)近礦體注漿帷幕的效果檢查、監(jiān)測(cè)與維護(hù)起到指導(dǎo)作用。尤其針對(duì)圍巖隔水層(或人工注漿蓋層)阻水能力分析，根據(jù)帷幕堵水率要求，對(duì)比理論計(jì)算和帷幕注漿經(jīng)驗(yàn)所得滲透系數(shù)，在進(jìn)行近礦體帷幕注漿時(shí)，采用雙排孔布置或縮小孔距的加密注漿方式，才能達(dá)到較高的堵水率。

2.2 井下近礦體注漿帷幕厚度確定

2.2.1 工程實(shí)踐綜合法確定帷幕厚度

根據(jù)萊新鐵礦近礦體注漿帷幕隔水的作用機(jī)理，把注漿帷幕厚度分為兩部分：有效厚度和無(wú)效厚度。有效厚度是注漿帷幕中未受采礦擾動(dòng)破壞的部分，是防突水和自穩(wěn)的主體。采礦爆破及采場(chǎng)應(yīng)力重新分布作用，在井下注漿帷幕范圍內(nèi)產(chǎn)生的松動(dòng)圈厚度定為無(wú)效厚度，相對(duì)有效厚度而言，該層防漏、防突水和自穩(wěn)能力稍差。

無(wú)效厚度與圍巖的巖性、礦體的形態(tài)、巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律、注漿材料的性質(zhì)、采礦方法等諸多因素有關(guān)。根據(jù)其它礦山類似巖性條件下采礦松動(dòng)破壞帶厚度，同時(shí)考慮注漿加固巖體力學(xué)性能的改善，選定其無(wú)效厚度h1為5～7m。注漿帷幕有效厚度(h2)主要根據(jù)靜水壓作用下的抗?jié)B防漏的要求而確定。在類似萊新礦區(qū)38～48kg/cm2的靜水壓情況下，若注漿材料在圍巖大理巖巖溶裂隙內(nèi)充填密實(shí)，同時(shí)對(duì)裂隙中的泥質(zhì)充填物部分?jǐn)D密加固，依據(jù)我國(guó)礦山多年注漿工程實(shí)踐，注漿帷幕有效厚度h2選定為18m左右。所以，頂板注漿帷幕總厚度h1+h2選定在25m較為合適。

2.2.2 理論計(jì)算法確定帷幕厚度

萊新鐵礦西部礦體采礦高度約為50m，相鄰穿脈間距約為14m，考慮最不利情況，將其開(kāi)采寬度設(shè)為L(zhǎng)x=24m，高度為L(zhǎng)y=100m。

根據(jù)G·Herget地應(yīng)力公式計(jì)算開(kāi)采前的原始應(yīng)力場(chǎng)：

垂直應(yīng)力σv=11.1MPa，水平應(yīng)力σH=λσv=4.44MPa，λ為水平應(yīng)力分力系數(shù)。

由巖體力學(xué)、流體力學(xué)理論，得到無(wú)效厚度計(jì)算公式為[3]：

(1)

式中：θ為破壞點(diǎn)與水平方向的夾角，采場(chǎng)頂板夾角為90°；Rc為帷幕注漿體抗壓強(qiáng)度，單位MPa；K為安全系數(shù)，考慮到頂板帷幕注漿屬特殊工程，安全性要求很高，K取為4。

計(jì)算得出：h1=10.72m。

注漿帷幕有效厚度h2基本不受開(kāi)采擾動(dòng)的影響，可看作是連續(xù)介質(zhì)，主要承受礦體上覆含水層水壓的作用，其變形近似看作薄板的彎曲變形。由流體力學(xué)、巖體力學(xué)理論，得到注漿帷幕隔水體所承受的水壓與隔水體厚度的關(guān)系式為[3]：

(2)

計(jì)算得出：h2=4.62m。

考慮安全系數(shù)K=4，則帷幕有效厚度h2=18.48m，頂板注漿帷幕總厚度h1+h2選定在29.2m。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算，注漿帷幕的厚度在25～29.2m之間，為安全可靠起見(jiàn)，注漿帷幕最終厚度取30m。

3 井下近礦體帷幕注漿工程設(shè)計(jì)

3.1 地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)的完善

為分析礦區(qū)地下水與礦坑涌水的水力聯(lián)系情況，建立長(zhǎng)觀孔8個(gè)，由于礦區(qū)礦床充水主要來(lái)源是西南-東北方向，但礦區(qū)西南、東北方向無(wú)地表觀測(cè)孔，缺失地下水位觀測(cè)資料。因此，在礦區(qū)的西南、東北方向各實(shí)施一個(gè)地下水位觀測(cè)鉆孔，并在井下有代表性的出水點(diǎn)進(jìn)行水壓觀測(cè)，形成了礦區(qū)與井下地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)。

3.2 穿脈水平鉆孔探水注漿工程

根據(jù)萊新鐵礦生產(chǎn)進(jìn)度和采準(zhǔn)工程，分別在西部礦體-205m、-255m、-305m、-219m、-231m、-243m、-266m、-279m和-293m九個(gè)分段水平進(jìn)行鉆孔注漿設(shè)計(jì)。在采準(zhǔn)巷道硐室，布置與穿脈方向一致的水平鉆孔，分別進(jìn)行探水和注漿，鉆孔網(wǎng)度按10m×10m控制。每個(gè)穿脈巷道中只布置一個(gè)鉆孔，鉆孔深度范圍30～40m(以進(jìn)入灰?guī)r的深度計(jì)算)，鉆孔傾角為3°～5°的仰角孔。

3.3 橫斜鉆孔加密注漿工程

由于西部礦體的導(dǎo)水巖溶裂隙主要分布發(fā)育在礦床的西南部、東南部和礦巖上下盤接觸帶，其它地段少見(jiàn)涌水現(xiàn)象，從施工的部分穿脈水平探水鉆孔揭露的情況進(jìn)一步表明，在以上地段大理巖和頂板接觸帶附近的含水豐富，是礦體采后充水的主要水源。因此，橫斜方向鉆孔注漿主要是在這些區(qū)域進(jìn)行。

利用井下開(kāi)拓系統(tǒng)，分別在-205m、-231m、-255m、-279m和-305m水平巖層穩(wěn)定的頂板大理巖內(nèi)布置聯(lián)絡(luò)巷道(尺寸為2.5m×2.5m)和鉆注硐室(尺寸為4m×2.8m×2.8m)。利用井下開(kāi)拓系統(tǒng)，分別在-205、-231、-255、-279和-305m水平巖層穩(wěn)定的頂板大理巖內(nèi)布置聯(lián)絡(luò)巷道(尺寸為2.5m×2.5m)和鉆注硐室(尺寸為4m×2.8m×2.8m)。在每個(gè)硐室中，沿近平行礦體走向施工6～8個(gè)鉆孔，其中2個(gè)為水平鉆孔，2個(gè)為下俯孔(俯角為3°～5°)，2～4個(gè)為上仰孔(仰角為6°～16°)，孔深為50～60m。

3.4 注漿技術(shù)參數(shù)

3.4.1 帷幕參數(shù)

井下近礦體注漿帷幕厚度定為30m，帷幕高度范圍從-175m至-335m水平，垂直高度約160m，帷幕長(zhǎng)度從西部礦床的西01線至東20線，長(zhǎng)度約340m。

3.4.2 注漿方式和注漿段長(zhǎng)度

采用下行壓入式注漿法。當(dāng)鉆孔涌水量Q小于10L/min，可采用全孔注漿。當(dāng)鉆孔涌水量大于10L/min時(shí)，應(yīng)停鉆進(jìn)行注漿堵水，封堵之后，再鉆到設(shè)計(jì)的孔深進(jìn)行注漿。注漿段長(zhǎng)度一般取30m。

3.4.3 注漿參數(shù)

漿液擴(kuò)散“半徑”：漿液在裂隙中擴(kuò)散實(shí)際上是不規(guī)則的，一般隨注漿壓力、滲透系數(shù)、漿液濃度、裂隙開(kāi)度和注入時(shí)間等因素的變化而變化。目前，準(zhǔn)確確定裂隙介質(zhì)中漿液擴(kuò)散半徑?jīng)]有實(shí)用的公式[4-6]。根據(jù)有關(guān)注漿技術(shù)規(guī)程，灰?guī)r巖溶裂隙含水層中漿液有效擴(kuò)散半徑一般取6～15m，另外根據(jù)國(guó)內(nèi)礦山的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[7-8]，擴(kuò)散半徑一般約為10m，因此設(shè)計(jì)漿液有效擴(kuò)散半徑為10m 。

注漿壓力：設(shè)計(jì)初始?jí)毫殪o水壓力的1.0倍。過(guò)程壓力控制在1.5～2.0倍靜水壓力間。設(shè)計(jì)注漿終壓為2.5～3.0倍靜水壓力。

漿液材料與濃度：注漿材料選用單液水泥漿為主，水泥、水玻璃雙液漿為輔。單液水泥漿起始濃度按水灰比0.8∶1、1∶1和1.5∶1等三個(gè)等級(jí)分別進(jìn)行配比，注漿過(guò)程中根據(jù)消耗量選擇；水泥、水玻璃雙液漿一般選用1∶1的水泥漿，與水玻璃的體積配比，體積比為1∶1。

漿液注入量：根據(jù)萊新鐵礦大理巖含水層巖溶發(fā)育分布特征和已施工鉆孔注漿情況，鉆孔漿液消耗量為0.5t/m，考慮到礦床頂?shù)装鍘r溶裂隙較為發(fā)育，鉆孔漿液消耗量按1.0t/m設(shè)計(jì)，其余地段則按0.1～0.3t/m設(shè)計(jì)。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：?jiǎn)我鹤{時(shí)，在設(shè)計(jì)的終值壓力下，注漿段吸漿量小于20～35L/min，持續(xù)30min后即可結(jié)束注漿。

3.5 群孔注漿技術(shù)

針對(duì)萊新鐵礦大理巖富水性及巖溶裂隙發(fā)育不均一，且要求注漿帷幕必須保證安全、穩(wěn)妥、可靠的特點(diǎn)，在局部地段采用了群孔關(guān)(放)水試驗(yàn)及群孔注漿技術(shù)[2]，注漿效果明顯。

4 井下帷幕注漿效果分析

4.1 鉆孔涌水量

在橫斜鉆孔加密注漿施工中，部分鉆孔涌水量小于3m3/h，個(gè)別鉆孔涌水量50m3/h，但絕大部分鉆孔都未見(jiàn)出水或滲漏水。與前期工程相比，明顯出現(xiàn)從大到小的遞減規(guī)律，充分說(shuō)明穿脈水平鉆孔和橫斜鉆孔構(gòu)成全方位的立體鉆孔體系，控制了礦床圍巖的巖溶地下水。

4.2 鉆孔注漿量

在施工橫斜向鉆孔注漿時(shí)，單位鉆孔注入量為0.081t/m，單孔注入量最大到100t，大部分鉆孔注入量小于5t，少量鉆孔注入量極少，即是注漿進(jìn)行封孔。對(duì)比穿脈水平鉆孔注漿量，橫向單位鉆孔注入量大大降低，充分說(shuō)明了兩者有機(jī)地結(jié)合，可以保證井下注漿帷幕的穩(wěn)定性和高堵水率。

4.3 鉆孔注漿壓力

在穿脈水平鉆孔注漿施工時(shí)，單孔注漿正常壓力為4～6MPa，最終壓力到8～10MPa，能保證漿液正常進(jìn)入導(dǎo)水巖溶裂隙中；而橫斜向鉆孔注漿時(shí)，單孔注漿正常壓力為6～8MPa，最終壓力達(dá)10～12MPa。兩者相對(duì)比，充分說(shuō)明了帷幕注漿前期注漿壓力低而后期注漿壓力高的規(guī)律。

4.4 檢查孔注漿效果檢驗(yàn)

通過(guò)在穿脈水平鉆孔注漿工程和橫斜向鉆孔注漿工程施工完后，分別布置了5％和10％的檢查鉆孔來(lái)檢驗(yàn)井下帷幕注漿效果，發(fā)現(xiàn)90％以上檢查鉆孔未出水，只有少量檢查鉆孔有滲水，水量小于2m3/h，鉆孔單位吸水量不大于0.02L/(min·m)，部分檢查鉆孔可取到水泥結(jié)石。綜合分析認(rèn)為，井下近礦體帷幕注漿的堵水率大于90％。

4.5 礦區(qū)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)

隨著萊新鐵礦井下近礦體帷幕注漿工程的逐步實(shí)施，礦井涌水量逐漸減少。礦井涌水量從穿脈水平鉆孔注漿實(shí)施前50000m3/d左右，大幅度減少到10000m3/d左右，同時(shí)井下觀測(cè)水壓則明顯上升，礦區(qū)地面觀測(cè)孔的水位也有不同程度的回升；在橫斜鉆孔加密注漿實(shí)施后，礦坑涌水量降到4000m3/d左右時(shí)，-205m水平水壓升到3.5MPa左右，-305m水平水壓升到4.5MPa左右。因此，從礦區(qū)地面與井下的地下水壓動(dòng)態(tài)觀測(cè)的數(shù)據(jù)綜合分析，井下近礦體帷幕注漿的堵水效果是非常理想的。

4.6 取得的效果和效益分析

自礦床頂板近礦體井下帷幕注漿工程實(shí)施后，礦山實(shí)際最大涌水量為50000m3/d。自從2009年開(kāi)始，礦井涌水量控制在4000m3/d，每年節(jié)約排水電費(fèi)(每方水排水電費(fèi)為2元計(jì)算)3358萬(wàn)元，西區(qū)礦體還可采12年左右(不含-305m水平以下的二期工程)，共節(jié)約排水費(fèi)用為4億元以上。另外，解放礦山可采礦量有700萬(wàn)t以上，礦石價(jià)值達(dá)20億元以上，而井下近礦體帷幕注漿工程投入的總成本只有2500萬(wàn)左右。同時(shí)，礦區(qū)地下水已基本回升至礦山開(kāi)采前的水平，不僅保護(hù)礦區(qū)地下水資源，避免了地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，而且不會(huì)因此發(fā)生礦農(nóng)矛盾，從而帶來(lái)顯著的社會(huì)效益和環(huán)境效益。

5 結(jié)論

1) 井下帷幕注漿厚度根據(jù)工程實(shí)踐綜合法及以流體力學(xué)、巖體力學(xué)為依據(jù)的理論計(jì)算確定。經(jīng)井下近礦體帷幕注漿實(shí)施前后的堵水效果對(duì)比以及多個(gè)礦房實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采證實(shí)，證明了萊新鐵礦礦床開(kāi)采井下帷幕注漿厚度確定為30m是合理、安全可靠和經(jīng)濟(jì)的。

2) 井下近礦體帷幕注漿工程是由穿脈水平探水鉆孔注漿和橫斜向鉆孔加密注漿組成，二者相互補(bǔ)充，缺一不可。多年實(shí)踐證明，查清礦床圍巖含水層的富水性、巖溶裂隙發(fā)育狀況、地下水水力聯(lián)系等水文地質(zhì)特征，確定適合礦床圍巖的注漿參數(shù)，科學(xué)合理地利用單孔注漿和群孔注漿組合是技術(shù)關(guān)鍵。

3) 井下近礦體帷幕注漿工程中，存在礦坑涌水量大、水壓高、頂板易冒落等諸多難點(diǎn)得到有效地解決，注漿堵水效果顯著，解決了萊新鐵礦因水害困擾無(wú)法正常安全生產(chǎn)的根本問(wèn)題，為安全高效開(kāi)采創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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