化學注漿技術在礦山涌水治理中的應用

楊國華

摘要：本文主要通過望兒山金礦20中段化學注漿堵水的成功案例，向讀者介紹化學注漿的原理，以及化學注漿堵水技術在礦山涌水治理、改善井下作業環境、減少礦山安全生產隱患中的應用。

關鍵詞：化學注漿；技術原理；礦山涌水治理；安全

1、工程現狀

望兒山礦區20中段運輸大巷目前開拓至14線，已完全揭露富水區域。隨著20中段富水區域的揭露，該中段涌水量劇增，給礦區排水帶來較大壓力，增加了礦區排水費用。并且因富水區域涌水量大、水溫高，導致20中段南大巷水汽大、溫度高、空氣濕熱稀薄、能見度低，作業條件極差；嚴重影響了望兒山礦區20中段開拓進度及深部探礦工作的開展。此外巷道內電纜、電線及其他電氣設備也極易被腐蝕損壞，造成礦山安全用電隱患，并增加電氣設備維護費用。為改善望兒山礦區20中段作業環境，減少礦區安全生產隱患，降低礦區排水成本，減小礦區排水壓力。

2、礦床水文地質特征

自2000年以來，經過對望兒山金礦開拓過程中水文地質條件研究，總結望兒山礦區水文地質條件如下：

2.1 西部隔水邊界

焦家斷裂為礦床西部隔水邊界，因為焦家斷裂成礦后表現為壓扭性斷裂，主構造面相對封閉，隔水性好。西側上盤主要是片理發育的變質巖系，東側則主要是脆性較大的花崗巖體。焦家金礦涌水量小，平均氯離子濃度較高；望兒山金礦涌水量大，平均氯離子濃度較低。

2.2 東部隔水邊界

望兒山斷裂（F1）為礦床東部隔水邊界，其為焦家斷裂的一條支斷裂，與焦家斷裂延伸方向相近，成礦后總體表現為壓扭性，主構造面相對封閉，隔水性較好。礦坑涌水主要來自上盤，而下盤為較完整的黑云母花崗巖，涌水量不大，且易于疏干。

2.3 北部隔水邊界

望兒山金礦北2km的河西金礦，開拓深度750m，豎井日出水量不到1000方。2005年4月份的新城金礦水文孔觀測水位-340m，比本礦同期井下水位低（-250m），說明本礦北部不遠是分水嶺（零流量邊界）。

2.4 南部無明顯邊界

根據地表和鉆孔水位長期觀測資料所作的等水位線圖來看，礦井疏排水形成的降落漏斗長軸延伸向南，說明礦井南部為來水方向。

3、礦區20中段富水區域特點

望兒山20中段富水區域通過工程揭露主要非集中在18-14線之間，該富水區域四組EW向導水構造破碎帶（分別為Z1、Z2、Z3、Z4主導水構造）與巷道右幫近SN向導水構造相互切割交匯組成，且富水區域內張性節理極為發育，巖石較為破碎，頂板淋水較大。該富水區域穩定涌水量約400m3/h，水溫38.5℃。

3.1 EW向導水構造破碎帶

根據深部中段工程揭露，在18線-14線之間發育4組EW向導水構造破碎帶。與主斷裂（F1）呈“山”字形發育，是該中段主要的低溫熱水主要通道。構造帶由一系列密集的張性破裂面構成，裂隙形態多不規則，延伸較短，當被揭露時，往往形成寬0.2-0.8米的裂縫，構成出水點。依照揭露順序由北向南分別為“Z1、Z2、Z3、Z4”導水構造。

3.2 SN向導水構造

于20中段南巷18-14線之間巷道右幫揭露一SN向導水構造，該導水構造近直立，構造面較為光滑，涌水量較大，與該富水區域四組EW向導水構造破碎帶相互切割交匯。

4、注漿區域及注漿方法的選擇

本次注漿試驗區域主要選擇在20中段14—16線之間，共兩個注漿區域，注漿區域包括Z3、Z4兩主導水構造及其兩構造之間的節理發育區，該次注漿試驗區域核定工程量為263平方米，穩定涌水量約為180 m3/h。

結合本次注漿區域涌水量大、節理、斷裂等構造較為發育、巖石破碎的特點，通過對注漿材料及注漿工藝優劣對比，本次注漿試驗選擇進行化學注漿。注漿材料為水溶性彈性聚氨酯材料。

5、化學注漿原理及優點

本次注漿化學材料是由多氰酸酯和多羥基聚醚進行化學合成的高分子注漿堵漏材料。該材料遇水后發生化學反應，形成彈性膠狀固結體，從而達到很好的止水目的漿液遇水后自行分散、乳化、發泡，立即進行化學反應，形成不透水的彈性膠狀固結體，有良好的止水性能。反應后形成的彈性膠狀固結體有良好的延伸性、彈性及抗滲性、耐低溫性，在水中永久保持原形。

本次化學注漿利用機械高壓動力，將化學材料裂縫中。聚氨酯灌漿材料進入裂縫的深度與裂縫寬度相關：裂縫越寬，漿液流速越大，進入裂縫就越深，灌漿效果越好。水溶性聚氨酯初始膨脹率能夠達到100%以上。當漿液遇到裂縫中的水就會迅速分散、乳化、膨脹、固結，形成膠凝體以后，第一次膨脹消失，但具有很好的彈性，成為穩定的類似止水橡皮的彈性體。這樣固結的彈性體填充所有裂縫，將水流完全地堵塞在結構體之外，以達到止水堵漏的目的。水溶性聚氨酯堵漏劑堵漏施工的特點：水溶性聚氨酯與水作用后，產生交聯反應、發泡生成多元網狀封閉彈性體的特征，迅速膨脹堵塞裂縫，達到止水的目的。聚氨酯遇水后伴隨交聯反應，釋放大量CO2氣體，產生二次滲壓，高壓推力與二次滲壓再次將彈性體壓入并充滿所有縫隙，達到止漏目的。

化學注漿的優點：化學注漿設備及注漿材料簡潔輕便，便于攜帶運輸，可減少設備和材料的下放及運輸成本，節約設備、材料倒運時間；化學注漿膨脹性較好，堵水效果好，凝固時間可控；化學材料有較強的膨脹性和黏結性，對巖石的牢固性有一定加強作用，改善巖石條件；施工方便速度快，堵漏成功率高。

6、注漿效果及涌水量變化觀測

本次注漿工程結束后核定注漿面積為262平方米。注漿結束后注漿區域內涌水量明顯減少，注漿堵水效果顯著，作業環境明顯改善。

本次注漿前后及工程施工期間，我們通過現場觀察水位變化情況進行了詳細的涌水量觀測記錄。注漿后現場水位下降0.1m，現場淋水約10 m3/h，注漿區域內涌水量減少170 m3/h，堵水率達到94.4%。此外我們對礦區水倉排水時間進行了詳實記錄。通過對比發現注漿工程結束后，20中段水倉每日抽水時間減少4.52h，日涌水量減少約4080m3；每年可節約排水成本160萬元。

此外注漿結束后兩周內20中段南大巷氣溫由原來40.5℃降低至33.8℃，南大巷內水汽明顯減少，巷道內可見度大幅提升，作業環境得到明顯改善，降低安全隱患風險。

結語

此次化學注漿的成功改善了20中段作業環境，減少礦區安全生產隱患，降低礦區排水成本，減小礦區排水壓力，為礦區深部中段涌水治理工作積累了經驗，同時也為同類地質條件下的礦山涌水治理工作提供理論參考和實踐依據。endprint