復雜富水環境下帷幕注漿工程布設及工藝優化

王澤群 章 林

(1.銅陵化學工業集團有限公司，安徽 銅陵 244023；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，243000 安徽 馬鞍山；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，243000 安徽 馬鞍山；4.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心，243000 安徽 馬鞍山)

復雜富水環境下帷幕注漿工程布設及工藝優化

王澤群1章 林2,3,4

(1.銅陵化學工業集團有限公司，安徽 銅陵 244023；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司，243000 安徽 馬鞍山；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，243000 安徽 馬鞍山；4.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心，243000 安徽 馬鞍山)

帷幕注漿工程可以有效截斷開采區域的地下水補給，為安全開采復雜富水環境下的礦體創造條件。在對礦區水文地質環境詳細勘察的基礎上，通過現場工業試驗，以堵水率為評價指標，分析注漿工程在不同帷幕線路和注漿參數下的堵水效果。通過優化帷幕注漿線路和布設參數，采用分區不等距大孔距布設注漿孔的方式，降低了36.01%的鉆探工程量；遴選了改性黏土固化漿(90%)和粉煤灰固化漿(10%)作為注漿材料，降低了帷幕工程成本。研究結果表明：注漿帷幕兩側的水位差最高達40.6 m，堵水率達77.96%，帷幕注漿工程達到了預期堵水效果。

帷幕注漿 復雜富水環境 工藝優化 水位監測

安徽省銅陵新橋硫鐵礦是我國第二大硫鐵礦山，礦體開采分為露天和地下2個部分。礦山地表河網交錯，水文地質條件復雜[1]。自建礦以來，多次發生嚴重的突水事故，造成地表塌陷和開裂。隨著露天采坑的不斷延伸，磯山東部區域的地下滲流場發生了很大的變化，開采環境更加復雜[2]。

為解決礦區東翼地下水害問題，封堵地下水徑流通道，礦山開展了復雜富水環境下注漿帷幕工程建設，取得了良好的效果[3]。

1 礦區水文地質情況

新橋礦中部閃長巖株將礦區分割為東西2個相對獨立的水文地質單元。東翼水文地質條件較復雜，東翼的東南側及西側分別由高驪山組砂頁巖及燕山期閃長巖株組成隔水邊界，北部及東部由棲霞灰巖組成直接充水巖層，屬巖溶充水礦山，灰巖巖溶發育[4]。東翼存在2個主要進水通道：東側的Fc破碎巖溶帶，西側的閃長巖株侵入破碎帶。礦坑涌水量達50 000 m3/d以上。礦山區域地質剖面如圖1所示。

圖1 Ⅲ-Ⅳ區段地質剖面

2 帷幕路線選擇

為提高注漿帷幕防滲漏效果，降低工程投資，礦山對帷幕線位置、注漿孔布置、注漿材料、注漿參數、注漿工藝進行了優化設計，不同優化方案對比見表1。

表1 帷幕線位置優化方案(至-144 m)

經多次反復優化、論證，綜合考慮堵水率、投資、礦石損失等因素，磯山東部帷幕注漿的帷幕線位置最終選定為東端始于8.5線露天礦坑的東邊界，沿勘探線方向(327)延伸至0 m臺階，向西擴展至11線的8#和9#勘探孔的中間，到達8#勘探孔，折向西北至5#勘探孔，再折向西至4#勘探孔，又折向南西西至巖株隔水體為止。帷幕投影為通過多個拐點A-B-C-D-E-F-G的折線形(如圖2)，帷幕線全長約690 m。

由于帷幕工程量及投資額度較大，礦山分為3個階段施工。即先期施工主要過水通道的第II段，再施工次要堵水段的第Ⅲ、Ⅳ段，最后施工次要堵水段的第Ⅰ段。

3 帷幕參數的確定

帷幕參數主要包括：帷幕深度、帷幕厚度、帷幕孔間距、帷幕滲透系數等4個要素[5-7]。根據對比分析論證結果，相關參數確定如下。

(1)帷幕深度。隨地層不同而有所變化，灰巖分布區全部揭穿棲霞灰巖上段，控制至弱含水或相對不含水的棲霞灰巖下段、深部船山灰巖及閃長巖體；礦體(矽卡巖)分布區則控制至高驪山組砂巖、閃長巖隔水層，帷幕孔最深281 m，最淺30.23 m。

圖2 注漿孔位置

(2)帷幕孔間距。帷幕孔間距選用不等距大孔距布設。注漿形成的非均質組合體，能夠封閉巖溶徑流過水通道的空間范圍即能滿足要求。各區段采用不均勻布孔，在巖溶、構造發育透水性強和物探低速區采用較小的孔距，且孔位盡量布置在低速區，在高速區則采用較大的孔距。

(3)帷幕厚度。國內的帷幕注漿工程案例表明[8-9]，注漿液的擴散范圍大于8 m，通常設計的孔間距離在8～12 m。礦山選擇帷幕的厚度為10 m。

(4)帷幕滲透系數。由于礦山的特殊性，對帷幕的主要性能參數要求不是很高，滿足礦山服務期的正常堵水即可。如果能保證60%以上的堵水，基本能實現正常采礦需求。根據礦山實際情況以及國內成功的工程案例[10-12]，考察礦山的控制塌陷擴展范圍，帷幕滲透系數擬定為0.065 m/d。

4 注漿材料選擇

注漿材料是決定帷幕工程總投資的一個重要因素[13]。為了降低注漿材料成本，根據試驗研究成果，礦山帷幕選用改性黏土固化漿(90%)和粉煤灰固化漿(10%)的注漿材料。

改性黏土漿主要由黏土、結構劑、促進劑、水等組成。黏土為漿液的基本成分，結構劑是一種常見的建材輔助劑，促進劑是一種常用的無機鹽水溶液，在漿液結構形成過程中起加速劑作用。改性黏土漿[14]的特點有：①源豐價廉，就地取材；②流變性能好；③漿液結石體的塑性強度高；④漿液結石體抗滲性能好；⑤抵抗地下水稀釋沖刷能力強；⑥抗侵蝕能力強等。

粉煤灰固化漿具有強度較高，凝固時間短，最終塑性強度高等特點。其綜合性能高于改性黏土漿，比較適用于需要較高強度的大溶洞等部位的注漿充填。

5 注漿帷幕施工

根據磯山東部注漿試驗揭露的巖溶、構造發育程度、透水性強弱等特點，以及探孔、物探成果，帷幕全線(自8.5線至11線間)分為4個區段。

Ⅰ區段：約180.3 m。主要封堵淺地表的裂隙水及礦體上盤巖體的裂隙水，鉆孔時，接觸到高驪山組砂頁巖(C1g)1 m左右，或船山組厚層灰巖(C3c)2 m為止。平均孔距9.7 m，共設20個鉆孔。

II區段：約長50.5 m。主要封堵Fc斷裂破碎帶及其上盤的巖溶強發育帶，為本帷幕的第一重點封堵段。平均孔距8.3 m，布置6個孔，孔深為進入巖溶發育帶的底板為止。

III區段：約225 m。主要封堵局部破碎帶和巖溶裂隙帶。此區段除原有探5、探7孔以外，另布置了16個孔，平均孔間距14.06 m，孔深進入棲霞組中段(P1q2)10 m左右為宜。考慮到探5、探7孔附近的深部有物探異常，其兩側注漿孔相對較深。

Ⅳ區段：長約235 m。主要封堵磯頭巖株侵入破碎帶，控制帷幕西邊界。平均孔間距13.8 m，共布置了18個孔，孔深以進入閃長巖株(δ)或較完整棲霞中段灰巖(P1q2)2 m。深孔、淺孔相間排列。

經過6 a施工，帷幕注漿的工程量如表2所示。

表2 帷幕注漿工程量

6 截流效果

截流效果是關系到注漿帷幕成敗的關鍵[15-16]。帷幕內外水位以及露天坑水量觀測結果表明，堵水效果明顯。

(1)帷幕內、外地下水位監測。帷幕內、外地下水位監測結果表明：帷幕未施工前，幕內外水位基本持平；隨著施工的進行，幕內外水位差逐漸增大，到帷幕完工，第Ⅳ段幕內外水位最高達到了17.4 m左右；第III段達到了近32.7 m，在第Ⅰ、Ⅱ段(主逕流帶)達到了40.6 m以上。

(2)露天坑排水量監測。磯山東部礦體上盤帷幕工程施工期間，露天坑的滲流線不斷往下延伸，從-38 m降低至-100 m(見圖3)。帷幕施工完成后，當露天坑向下延伸至-88 m以后，坑內實際涌水量反而減少，幕內外的最高水位差達40.6 m。

圖3 露天坑實際排水量統計與實際堵水率

礦坑排水量統計，堵水率達77.96%，表明注漿帷幕工程截流效果顯著。

7 結 論

(1)磯山東部注漿帷幕工程封堵上盤水系開采區域的補給，減輕了滲流場的壓力，為新橋礦復雜富水環境下的礦體開采創造了安全條件，降低礦山開采綜合成本，提高了經濟效益，僅排水費用每年就節約達900萬元以上。

(2)優化了注漿帷幕工程線路，確定了經濟合理的帷幕線路、布設參數和方式。與傳統的等距布孔相比，采用分區不等距大孔距布設注漿孔方式，鉆探工程量減少36.01%。

(3)遴選了改性黏土固化漿(90%)和粉煤灰固化漿(10%)作為注漿工程主要材料，降低了注漿材料成本達80%以上。

(4)地下水位監測表明，隨著施工的進行，幕內外水位差逐漸增大，帷幕兩側水位差可達40.6 m以上。露天坑排水量監測比對表明，帷幕施工完成后，當露天坑向下延伸至-88 m以后，坑內實際涌水量減少，幕內外的最高水位差達40.6 m。礦坑排水量統計表明，帷幕注漿工程的堵水率達到77.96%，監測表明帷幕注漿工程截流效果顯著。

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(責任編輯 徐志宏)

Curtain Grouting Layout and Process Optimization under Complex Water-rich Environment

Wang Zequn1Zhang Lin2,3,4

(1.TonglingChemicalIndustryGroupCo.，Ltd.，Tongling244000，China; 2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China; 3.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines，Maanshan243000，China; 4.NationalEngineeringResearchCenterofHighEfficientRecycleandUtilizationofMetalMineralResources，Maanshan243000，China)

Curtain grouting can effectively cut off the groundwater recharge in exploitation areas，which creates conditions for the safe mining of ore-body under complex water-rich environment.Based on the detailed investigation on hydrogeological environment in mining area，water plugging effect of the curtain grouting under different curtain lines and grouting parameters were analyzed through the industrial tests，with the water plugging rate as index.By optimizing the lines and layout parameters of curtain grouting，drilling volume was reduced by 36.01% through the layout of unequal-spacing and wide-spacing holes.Modified solidified cured slurry (90%) and pulverized coal ash solidified slurry (10%) as grouting material reduced the costs of curtain project.The results show that the maximum water level difference on both sides of the curtain was up to 40.6m，and the plugging water rate reached 77.96%.Curtain grouting project gained the desired water plugging effect.

Curtain grouting，Complex water-rich environment，Process optimization，Water level monitoring

2014-06-23

王澤群(1957—)，男，高級工程師，副總經理，碩士。

TD745

A

1001-1250(2014)-09-026-04