大志山注漿帷幕防治水工程大型抽水試驗

李元松，吳春華，段鑫，李洋，董開源

1.武漢工程大學資源土木工程學院，湖北 武漢 430074；2.黃石市礦山安全檢測檢驗所，湖北黃石 435000

大志山注漿帷幕防治水工程大型抽水試驗

李元松1，吳春華2，段鑫1，李洋1，董開源2

1.武漢工程大學資源土木工程學院，湖北 武漢 430074；2.黃石市礦山安全檢測檢驗所，湖北黃石 435000

礦山帷幕注漿防治水工程具有典型隱蔽工程的特點，其施工質量檢查鑒定和堵水效果評價一直沒有可依照和遵循的標準，現有的單因素評價或多因素混合評價都難以給出定量結論，大型抽水試驗是目前最為直接且有效的方法，但因工程復雜費用昂貴，很少使用.本文基于Dupuit穩定井流基本原理，在充分調查、分析礦區生產現狀、水文地質條件、帷幕勘察、設計、施工資料的基礎之上，設計并成功實施一大型抽水試驗，使用單井抽水多個觀測孔計算公式求解注漿后復合巖體的等效滲透系數，采用擬“大井法”對礦井深部的涌水量進行預測，其成果直接用于大志山帷幕注漿工程的質量檢測與評價鑒定，取得較為滿意的效果.

巖溶礦床；地下水防治；帷幕注漿；穩定井流；抽水試驗

0 引言

隨著礦產資源的開發逐漸向深部發展，帷幕注漿堵水方法越來越多受到廣泛的應用.我國大多數富水巖溶礦床的開采，均或多或少使用了帷幕注漿技術進行地下涌水的封堵與阻隔［1－4］.然而，帷幕注漿工程具有典型的隱蔽工程特點，其工程施工質量檢查和效果評價仍然沒有可依照與遵循的標準.利用既有主井進行抽水試驗是目前檢驗帷幕注漿效果較為直接且有效的方法，根據抽水試驗取得的綜合成果，可采用地下水動力學法或涌水量曲線方程法預測礦坑涌水量、判定帷幕堵水率，并利用幕內外水位觀測孔水位動態資料，預測地下水位降落漏斗擴展情況及地面巖溶塌陷可能的擴展范圍［5－7］.

本文根據大冶市大志山注漿帷幕防治水工程的特點，結合多個溶巖礦山帷幕堵水工程質量檢測評定實踐，設計并實施大型主井抽水試驗.系統分析試驗工程背景、過程及成果，以供類似注漿工程質量檢測鑒定時參考.

1 工程背景

1.1 礦山基本情況

大冶市大志山礦區為一典型的矽卡巖型巖溶富水礦床，礦體產于接觸帶外矽卡巖中，其產狀基本與接觸帶一致.礦區水文地質條件復雜，曾進行過開采，因突水淹井而停產.之前礦山完成基建工程：a．主井掘砌安裝工程總深501 m；b．風井掘到－300 m標高，總深350 m；c．－300 m中段已掘石門平巷125 m及沿脈平巷360 m，主井與風井貫通；d．－350 m中段掘石門平巷135 m，沿脈巷180 m，水泵房及水倉形成21 312 m3/d的排水能力，已投入使用；e．－400 m中段已掘石門平巷135 m，沿脈平巷140 m，并有天井與－350 m中段聯通；f．－450 m中段掘石門平巷165 m，沿脈巷160 m，水泵房及水倉開掘安裝完成并投入使用，形成16 281 m3／d的排水能力；有天井與－400 m中段貫通.為開采利用銅資源，礦山決定恢復開采，經防治水技術研究，決定實施帷幕注漿，并于2014年11月底全部竣工.

根據“安全第一，預防為主，綜合治理”的安全生產方針，判斷帷幕構筑后井下開采是否安全，檢驗注漿帷幕的連續性和整體截流能力，明確是否具備安全驗收條件，為此設計并實施本次抽水試驗.

1.2 礦區水文地質條件

礦區北部以碳酸鹽含水層同數條構造斷裂以及坑道組成了一個大志山礦區導水和積水的網絡，給礦體開采造成了重大隱患，南部以巖漿巖體形成了隔水邊界.礦區水文地質條件屬復雜類型巖溶充水礦床.

a．含水層.1）第四系殘坡積粘土夾碎石含水層；沖積、洪積粉質粘土夾砂石孔隙含水層；2）下三疊系大冶灰巖、嘉陵江灰巖巖溶裂隙含水層；3）下二疊系茅口灰巖溶洞裂隙含水層，為礦區內主要含水層，受構造斷裂帶的影響，發育深度達到-500 m，平均滲透系數2.886 9 m/d；4）下二疊系棲霞灰巖中等富水溶洞裂隙含水層；5）石炭系黃龍、船山灰巖中等富水溶洞裂隙含水層.

b．隔水層.1）石英閃長巖隔水層，分布在矽卡巖下盤；2）志留系砂頁巖隔水層.由于分布規模的局限性，僅具局部隔水作用.

c．構造含水帶.1）斷裂含水帶，礦區內斷裂構造以NWW一組較為發育，其中較大斷裂F1斷層涌水量達25 L／s；F2斷層涌水量11.46～14.03 L／s；F4斷層起關鍵的導水作用，發育深度大，連通性好，將地表水體和淺層地下水緊密連通起來，向礦坑補給；F5推測斷層：自水南灣村西緣沿河谷北西向延展；F6推測斷層：放水中水位有明顯反映，為推測導水斷層；2）接觸含水帶，茅口灰巖和大冶灰巖與陽新侵入體之邊緣相石英閃長巖相接觸，形成礦區構造接觸帶.富水性僅次于大理巖溶洞裂隙含水層，坑道中揭露涌水量1.0～10 L／s.

d．水文地質邊界條件.礦區南側已被陽新閃長巖體侵吞，東起葉家莊，西至曹家灣方向分布，基本阻隔了南面的基巖地下水.帷幕線兩端勘察孔均進入該閃長巖隔水邊界；志留系頁巖分布于礦區北部，受構造擠壓及風化作用影響，淺部巖石風化破碎，距礦坑1 km范圍內基本沒有完整的隔水體存在，礦區北東部為敞開邊界.

e．地下水天然補給、徑流與排泄.天然條件下，分布在低山丘陵地帶的裸露灰巖，為本區地下水的主要補給區，南北方向展布的水南灣河谷是地下水徑流區，北部的大冶湖盆低地是地下水排泄區.

f．采區充水因素.1）礦坑充水主要來自二疊系茅口灰巖溶洞裂隙含水層；2）接觸構造的充水，由蝕變石英閃長巖、蝕變大理巖、矽卡巖組成，受構造作用影響，裂隙發育，巖心破碎，地下水沿構造裂隙流出；3）礦區斷層的存在，特別是斷層與礦體斜交，是引起本礦床充水主要因素之一；4）越流與地表水對礦坑的充水，沖洪積亞粘土夾砂礫石含水層，主要分布在礦區東部水南灣河床一帶.

g．帷幕軸線巖層特征.帷幕軸線上巖溶發育規律與巖石透水率見表1.

1.3 帷幕設計參數

a．帷幕型式：平面封閉式，剖面半封底式；

b．帷幕長度：1 616.8 m；

表1 帷幕軸線巖溶發育規律與巖石透水率Table1 Karst development law and rock permeable rate on grouting curtain axis

c．帷幕深度（帷幕底邊界標高）：幕底深度沿軸線呈V字型，幕底最深-568.25 m.

d．帷幕高度：幕墻起始標高為+18.46 m，幕底最深標高-568.25 m，帷幕高度介于97.14～601.53 m之間；

e．帷幕厚度：10 m；

f．鉆孔孔徑：開孔孔徑Φ130～150 mm，終孔孔徑Φ91 mm；

g．鉆孔偏斜率：終孔最大偏斜率≤孔深的1.5%；

h．鉆孔間距：10 m；

i．注漿擴散半徑：7.1 m；

j．帷幕滲透系數：目標值≤0.09 m／d.

1.4 帷幕施工

a．注漿材料：采用水泥尾砂漿、水泥粘土漿和水泥尾砂粘土漿.

b．漿液配制：漿液配制采用集中制漿站攪拌配制，用泵經過輸漿管道送到各注漿孔的二次攪拌桶，再用注漿泵向鉆孔內注漿.

c．注漿方式：采用孔口封閉，孔內循環，自上而下分段注漿.為保證注漿質量，加快施工進度，采用φ42鉆桿作為射漿管，射漿管的下置深度進入受注段底部距孔底0.5～5.0 m，注漿過程的觀測和記錄采用灌漿自動記錄儀.

d．分段高度：注漿段長原則上為30 m，在溶洞發育區，注漿段長5～10 m.在遇到大于1 m的溶洞時，停鉆注漿.

e．壓水試驗.試驗采用孔口封閉或孔內膠塞止水封閉，單點式壓水，壓力表安裝在孔口，試驗壓力取灌漿壓力的80%.

f．注漿壓力：注漿終壓采用靜水壓力的1.5～2.0倍.

2 抽水試驗

2.1 試驗方案

本次抽水試驗采用既有主井抽水，礦山原進行過開采，形成一定的空區，原有采空區有一定的靜儲量.抽水試驗的目的是通過試驗求得礦井各階段的涌水量，抽水試驗設計要分出靜儲量與動涌水量，與相關抽水試驗規范的條件不完全一致.解決這一問題有兩種方法：控制循環時間法與控制水位法.考慮大志山礦井抽水降深大（－350 m），水中泥砂含量高，試驗條件困難，本次試驗采用控制水位法.即假定某一降深段單位時間的涌水量為常數q，控制井筒水位在一定范圍內進行抽水、恢復水位循環，經過若干循環后，達到每一循環的抽水量與循環時間趨于相同時，視為穩定.

2.2 試驗步驟

抽水試驗步驟如下：

a．一次抽水至－350 m水平，停機，記錄時間，抽水量；

b．水位恢復至－300 m，開機，記錄時間，水位降至－350 m水平，停機，記錄時間，抽水量；

c．水位恢復至－300 m時，開機，記錄時間，水位降至－350 m水平，停機，記錄時間，抽水量；

d．如此循環，直到每一循環單位時間抽水量連續5次相差不到5%時，視為滲流穩定，可停止抽水.

e．恢復水位至－252 m水平，按上述步驟進行第二降深段抽水試驗.

抽水試驗各時段的流量觀測，主井與觀測孔水位觀測同步進行，試驗期安排專職人員進行地表塌陷，主要建（構）物的變形觀測與巡查.

2.3 儀器設備及試驗過程

2014年度10月30日10：00開始坑內試抽水，主井采用兩臺深水潛水泵，型號分別為HN QB1300－550／470和HNQB560－270／460.采用電測水位計觀測水位，TDS－100F1超聲波流量計計量.平均每天排水約12 000 m3，日均降深約2 m，至12月27日凌晨4點水位降至－350 m.隨后停機恢復水位至－300 m，27日凌晨5點開始正式循環抽水試驗.經5個循環，單位時間的涌水量基本穩定，折算日排水量約9 200 m3／d，隨后停機恢復水位至－252 m，至28日上午10點開始第二降深段抽水試驗，經6個循環，單位時間的涌水量基本穩定，至12年30日上午8時兩階段抽水試驗圓滿結束.

3 試驗結果分析

a．抽水量－循環－時間關系

將抽水試驗結果整理，繪制抽水量－循環－歷時曲線如圖1所示.

圖1 抽水量－時程曲線Fig.1 Water output-time history curve

從圖1中可以看出，兩降深段曲線相似，均從第二循環后近似于平行水平軸的直線，抽水量與循環時間趨于平穩，符合設計穩定流試驗要求.－350降深段循環5.5 h，抽水量約2 115 m3，折算成日排水量為9 257 m3/d；－300降深段循環時間4.05 h，抽水量為1 360 m3，折算成日排水量為8 047 m3／d.

b．觀測孔的降深

將抽水試驗過程中各觀測點水位觀測數據，整理繪制降深－歷時曲線如圖2所示.從圖2中可以看出，從10月30日開始至12月30日止，帷幕內外側觀測孔水位變化特點不同，幕內觀測孔（觀9，觀11）降深較大，與主井水位聯動性明顯.幕外各觀測孔（觀1，觀3，觀4，觀6，觀7，觀13）水位降深小，且與主井水位聯動性差.

c．Q－S，q－s曲線

對于穩定流抽水試驗，除及時繪制出Q－t和s－t曲線外，尚需繪制出Q－s和q－s關系曲線（q為單位降深涌水量）.Q－s、q－s曲線可幫助了解抽水試驗進行是否正常.常見的Q－s和q－s曲線類型如圖3和圖4所示.圖3中：

1）曲線Ⅰ表示承壓井流；

2）曲線Ⅱ表示潛水或承壓轉無壓井流；

3）曲線Ⅲ表示從某一降深值起，涌水量隨降深的加大而增加很少；

4）曲線Ⅳ表示補給衰竭或水流受阻，隨s加大Q反而減少；

5）曲線Ⅴ表示涌水量隨降深增加而加速增大，異常.

由于各種原因，試驗只進行兩個降深，根據本次抽水試驗結果，結合先前－160 m的涌水記錄，繪制Q－S曲線與q－s曲線如圖5和圖6.從圖5可以看出，試驗Q－S比較符合圖3中曲線Ⅱ－潛水或承壓轉無壓井流的特征，這與事先設計的抽水試驗特征相符.對比圖4和圖6，可以看出本次試驗所得q－s曲線符合曲線Ⅱ的特征.

圖2 主井與部分觀測孔降深－歷時曲線Fig.2 Main shaft and the observation hole drawdown-time curve

圖3 常見抽水試驗的Q－S曲線類型Fig.3 Q－S curve in common type of pumping test

圖4 常見抽水試驗的q－s曲線類型Fig.4 q－s curve common type of pumping test

圖5 本次抽水試驗的Q-S曲線Fig.5 Q-S curve in this pumping test

圖6 本次抽水試驗的q-s曲線Fig.6 q-s curve in this pumping test

4 涌水量計算

目前，礦山帷幕注漿施工后分階段涌水量預測還沒有統一的理論計算方法，也無相應規范可以參照.實際工程中往往以水文地質學中關于均質水體的滲透理論為基礎進行計算，然后根據工程經驗進行適當修正.常用的方法有曲線方程法、大井法、相似比擬法和數值模擬法.本次采用大井法進行深部兩階段的涌水量預測.

據礦區水文地質條件，礦區北邊為大理巖含水層分布區，南邊為閃長巖隔水巖體，可近似看作為一直線隔水邊界.第四系土層上部有一層粘土，為隔水層.粘土下部為洪積粉質粘土夾砂石孔隙含水層，滲透系數采用承壓潛水非完整井公式，如圖7所示.

圖7 承壓潛水非完整井計算示意圖Fig.7 Computing sketch of partially penetrating well in phreatic aquifer under pressure

a．等效滲透系數計算

式（1）中：Q－涌水量（m3/d）；K為滲透系數（m/d）；Sw為主井的水位降深（m）；S1為觀測孔的水位降深（m）；Ha為靜止水位至有效帶下限的水柱高度（m）；r0為大井引用半徑（m）；r1為主井距觀測孔的距離（m）；β為大理巖地下水進入礦坑范圍與礦坑（大井）周長的比值.

計算參數的選擇與確定：

1）靜止地下水位標高：取抽水試驗前靜止水位標高18．46 m.

2）含水層厚度（Ha）：有效帶下限取鉆孔揭露的溶洞，綜合考慮取－500 m，故含水層總厚度（Ha）為518．46 m；

3）大井引用半徑r0：大井引用半徑r0：分別取－300 m，－350 m等水位線圈定的范圍折算出大井引用半徑r0分別為20 m和25 m.鉆孔剖面揭露的粉質粘土最低點標高為0．66 m；

4）β大理巖地下水進入礦坑范圍與礦坑大井周長的比值（近似直線隔水邊界）為0．5.

將上述參數與實測結果代入公式（1），計算－300 m水平和－350水平的等效滲透系數，其結果如表2所示.

表2 -300/-350水平等效滲透系數K值計算表Table 2 Equivalent permeability coefficient K value calculation at-300/-350 level

預測中段－400 m和－450 m的等效滲透系數按線性插值法近似計算，分別為0．086 m/d和0．085 m/d.

b．涌水量計算

為了說明帷幕注漿以后，幕內礦坑排水量與帷幕注漿前比較其堵水效果、堵水率，采用大井法估算－400 m（標高）和－450 m的涌水量，仍采用承壓－潛水非完整井涌水量計算公式：

式（2）中：

Ma為含水層頂板至有效帶下限的厚度（m）；

ha為動水位至有效帶下限的水柱高度（m）；

其余參數同式（1）.

根據礦山水文地質確定的參數與實測水位降深代入式（2），計算結果如表3所示.

表3 地下水動力學法礦坑涌水量計算結果表Table 3 Calculation result of mine water inflow by groundwater dynamics method

根據表3計算結果，可算出礦坑水位降至相應中段的堵水率，見表4.

表4 分中段堵水率表Table 4 Water plugging rate in typical level

從以上分析計算可知，帷幕堵水率均超過70%的設計目標，最高達到75．5%，最低也達到72．1%，從而判定注漿效果明顯，達到設計要求.

5 結語

a．主井抽水試驗規模大，涉及環節多，成本高，管理復雜.本次試驗方案既遵循了相關規范規程，取得數據科學有效，又考慮了礦山的實際情況，因地制宜，切實可行，達到試驗目的.

b．抽水試驗與“大井法”計算結果表明，大志山礦－300、－350、－400和－450四個中段的堵水率分別為75．5%、72．3%、72．1%和72．7%.

致謝

感謝大冶市大志山礦業有限司提供項目經費支持，同時感謝中南基礎工程公司的全力配合.

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Steady－flow pumping test of groundwater blockage by grouting curtain in Dazhishan mine

LI Yuan－song1，WU Chun－hai2，DUAN Xin1，LI Yang1，DONG Kai－yuang2
1．School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；2．Huangshi Institute of Mine Safety Inspection，Wuhan 435000，China

The grouting curtain，with the typical characteristics of underground engineering，has no specific standard to inspect its construction quality and evaluate the effect of grouting，and the quantitative conclusion is difficult to be given by single factor or multiple factors combination，so the large pumping test，which is rarely be implemented in practice because of its expensive and complicated characteristics，could be the most direct and effective method．Based on the basic principle of Dupuit’s steady well flow，a large pumping test was designed and completed after the sufficient investigation and analysis of production status，hydrogeological conditions and grouting curtain document of investigation，design and construction about Dazhishan mine．In the test，the equivalent permeability coefficient of composite rock body after grouting curtain was solved by using single well pumping-multiple observation hole calculation formula，and the amount of water in deep was forecasted using“virtual large diameter well”method，which was used in quality evaluation and appraisal in grouting curtain water plugging engineering in Dazhishan mine，and the results are satisfactory．

Karst water－filled deposit；groundwater blockage；grouting curtain；steady－flow；pumping test

TU 443

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.08.002

1674－2869（2015）08－0006－07

本文編輯：龔曉寧

2015－04－30

李元松（1964－），男，湖北應城人，博士，教授.研究方向：巖土工程領域的教學與研究.