均衡法在礦山帷幕注漿堵水效果評價中應用

韓貴雷

(華北有色工程勘察有限公司，　河北 石家莊　050021)

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均衡法在礦山帷幕注漿堵水效果評價中應用

韓貴雷

(華北有色工程勘察有限公司，河北 石家莊050021)

水患礦山實施帷幕注漿后評價堵水效果的方法一直不完善。利用礦山帷幕將改變礦區地下水流場，在帷幕內形成相對獨立的水文地質單元的特點，采用均衡法計算評價帷幕滲透性及堵水效果。在詳細闡述均衡法計算原理的基礎上，利用中關鐵礦帷幕注漿工程作為計算實例進一步驗證了均衡法的有效性，計算結果表明：采用均衡法計算帷幕平均滲透系數K=0.039 m/d，幕體防滲性能指標滿足設計，具有可行性。

帷幕注漿；堵水效果；均衡法

0　引　言

隨著我國對礦產資源需求量的增加和開采強度不斷加大，礦山開采過程中由于疏排水帶來的一系列環境、水資源保護及安全等問題日益凸顯。帷幕注漿技術能夠有效解決保護區域地下水環境與安全開采礦產資源之間的矛盾，其應用越來越廣泛，已經成為國內水患礦山主要的治水手段，并取得了良好的效果。

由于礦山帷幕注漿工程具有典型的隱蔽工程特點，水患礦山實施帷幕注漿后，其堵水效果和帷幕體本身的滲透性的評價方法一直不完善。目前，帷幕注漿工程領域一直采用實施檢查孔以及相關物探等手段評價帷幕體本身的透水性。采用檢查孔的評價方法不僅投資費用較高，同時其評價結果只是驗證了檢查孔附近的帷幕體透水性，難以對帷幕體整體透水性以及堵水效果做出全面的評價。2015年出版的《礦山帷幕注漿規范》提出了礦山帷幕注漿的堵水效果評價可利用礦坑疏干放水或者進行專門的抽、放水試驗進行驗證。該方法數據真實性、可靠性強，但是礦山的基建期受影響因素較多，且礦坑放水也存在較長的排水期，也就是說，整個堵水效果的驗證可能需要等1～2 a甚至更長的時間。因此，研究新的技術方法及評價手段預測幕體堵水效果，對帷幕注漿工程施工尤為重要。

礦山帷幕形成后，將改變礦區地下水流場，在帷幕內形成相對獨立的水文地質單元。在同一時間，帷幕內外的地下水位會產生一定的變化，但不管是帷幕內還是帷幕外均會存在有聯系的地下水補、徑、排條件，因此可以利用這些條件試算帷幕體的堵水效果。

1　均衡法原理

水均衡法也稱水量平衡法或水量均衡法，是全面研究某一地區(或均衡區)在一定時間段地下水的補給量、儲存量和消耗量之間的數量轉化關系的平衡計算。對于一個飽和富水的含水層來說，含水層組中水體積(或質量)為穩定量。因而建立水均衡方程式：

Q進=Q排

(1)

式中：Q進——某一時刻進入計算區域內的水量；

Q排——某一時刻流出計算區域內的水量。

針對礦山帷幕注漿工程，在礦山堵水帷幕形成后，在開拓及開采過程中，單位時間內流入或流出礦井(坑)，包括井筒、巷道和開采系統的水量，一般都是通過周邊含水體向礦坑內補充，在每一時間點上，補給量和排出量應該是相同的，也就是補給和輸出是均衡的。

因此根據均衡原理，通過研究某一時期(均衡期)帷幕體內外地下水各均衡要素(補給量、消耗量和儲存量)之間的關系，建立地下水均衡方程，計算出帷幕體在特定條件下的滲透特性，為評價帷幕體的堵水效果提供依據。

2　應用實例

2.1工程背景

中關鐵礦位于河北邢臺沙河市，隸屬于河北鋼鐵集團礦業公司，2004評價礦坑涌水量豐水年為15.03萬m3/d，屬于典型的大水礦山，采用傳統的疏干采礦將嚴重破壞邢臺地區的地下水資源，2004年以前被列為限采礦山。2005年華北有色工程勘察院有限公司為其進行了礦山帷幕注漿試驗并取得成功，中關鐵礦由規劃限采區調整為允許開采區，經過2006年的再次試驗最終確定了在中關鐵礦實施全封閉整體帷幕的治水方案。

中關鐵礦帷幕注漿方案確定帷幕形成后堵水率不小于80%，即在-230 m中段帷幕形成后礦坑涌水量平水年最大不超過2.44萬t/d，豐水年最大不超過3.00萬t/d。主要技術參數為：帷幕線全長3397 m，在平面上呈橢圓形封閉圈；帷幕體厚度不小于10 m；帷幕體防滲性能不大于2 Lu；注漿孔單排；注漿孔間距12 m。

中關鐵礦帷幕注漿工程自2008年開始施工，2011年完成了全部的野外工作，野外工作量見表1。

表1　中關鐵礦帷幕注漿工程工作量

2.2均衡法計算帷幕體滲透系數

中關鐵礦注漿帷幕形成后，阻斷了與區域地下水主要的水力聯系，在帷幕內外產生水頭差，也是洪水期幕外水向幕內滲透的動力。根據地下水補給排泄的均衡原理，以觀測期內某一天的水位觀測資料為基礎(圖1為帷幕線附近觀測孔布置圖)，運用均衡法試算注漿帷幕的平均滲透系數。

2.2.1計算公式

根據達西定律確認本次計算公式，具體過程如下：

(2)

Q=KiA

(3)

(4)

(5)

式中：K——帷幕體平均滲透系數，m/d；

A1——進水斷面面積，m2；

A2——出水斷面面積，m2；

Q1——主副井排水量，m3/d；

Q進——進入帷幕內的水量，m3/d。

圖1　帷幕觀測孔布置

計算中主要涉及到以下幾個方面參數：

(1) 由于帷幕注漿孔間距是等距的，故設定帷幕體是均質的；

(2) 計算中采用的數據為某體觀測日的水位觀測資料；

(3) 主、副井2010年3月開始停產，其中主井排水量為25m3/h，副井排水量為20m3/h，日排水量穩定在1080m3/d；

(4) 幕內外觀測孔間距為40m；

(5) 滲透系數為帷幕體的平均滲透系數。

2.2.2參數計算

(1) 進水斷面。由水位觀測數據可知，觀測時期正處于洪水期的帷幕體呈現幕外水向幕內滲透的趨勢，因此可以看作帷幕體為全過水斷面，其含水層的厚度以當時水位為頂板，底板為注漿孔揭露灰巖的平均深度，過水斷面剖面面積按條分法劃分，見圖2。

(2) 出水斷面。由于觀測日處于洪水期，帷幕外地下水向帷幕內滲透，因此無出水斷面。

(3) 水力坡度。將地下水位觀測數據帶入公式(6)，求解帷幕內外水力坡度，計算結果見表2。

(6)

式中：l——觀測孔距離，40 m。

圖2　條分法計算過水斷面面積

表3　進水斷面觀測孔水位數據

為了準確計算過水斷面平均水力坡度，采用面積加權平均的方法，根據不同觀測孔控制長度與剖面條分寬度計算各對觀測孔的控制面積。計算公式見式(7)，計算結果見表3，最終計算得進水總面積為1118228.21 m3, 加權平均水力坡度為0.0248。

(7)

(3) 主、副井日排水量。根據礦山排水記錄表，主副井日排水量1080 m3/d，并且該排水量已穩定有6個月。

(4) 試算結果。根據上述假設，將表中數據代入公式(5)，經試算中關鐵礦注漿帷幕的平均滲透系數K=0.039 m/d，小于設計要求的0.08 m/d，表明帷幕體防滲性能指標滿足設計，帷幕體堵水率應能夠達到80%。

3　結　論

(1) 礦山實施帷幕注漿后，帷幕內外在每一時間點上補給量和排出量應該是相同的，也就是補給和輸出是均衡的，因此，采用均衡法評價帷幕注漿堵水效果具有可行性。

(2) 通過采用均衡法對中關鐵礦帷幕注漿工程堵水效果進行評價，中關鐵礦注漿帷幕的平均滲透系數K=0.039 m/d，小于設計要求的0.08 m/d，表明帷幕體防滲性能指標滿足設計，帷幕體堵水率應能夠達到80%。

(3) 中關鐵礦評價實例表明均衡法評價帷幕注漿工程堵水效果具有較高可信度。

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2016￣04￣15)

韓貴雷(1980-)，男，河北保定人，高級工程師，碩士，主要從事礦山防治水研究，Email：hanguilei@tom.com。