雙液漿在礦山帷幕注漿中的應用與探討

朱承敏，高 超，容玲聰

（長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012）

湖南省瀏陽市馬鞍嶺磷礦設計生產能力為10萬噸/年，開采方式為露天采礦，采坑長900m，寬450m。最低開采標高已至準采高程下界±0m。礦山開采過程中，從+80m中段開始，采場開始出現涌水，隨著開采深度的加深，出水標高逐漸下移，涌水量逐漸加大，涌水點大多位于33.5線～37.5線之間，主要集中在33.5線～34線，37線～37.5線的北段，+50m標高以下水量都很大，最大為+10m標高。開采過程中，隨著礦坑的疏干排水，地下水逕流通道將越來越暢通，地表水經巖溶、過水通道直接進入礦坑，采坑涌水量增加，從而導致諸如地面塌陷、礦坑涌水量增大、排水費用高昂、礦農矛盾日益突出[1-3]。據礦山技術人員統計，目前礦坑總水量超過60000m3/d，每月排水電費超過70萬元以上，且礦區周圍出現塌陷以及周邊居民房屋開裂趨勢嚴重，為解決此類一系列問題，礦方委托我院進行露天邊坡截流帷幕的防治水設計，并承擔現場施工技術指導，該工程于2013年10月開工，施工至2015年底，因資金問題項目終止，雖然礦坑最終涌水量無較大降低，但在帷幕西線和北線兩個鉆孔施工過程中，通過采用水泥水玻璃雙液漿，成功封堵該鉆孔揭露的強導水通道，采坑涌水量在短期內出現大幅減小，但因工程中止，帷幕未形成，地下水繞流，采坑總涌水量未減小。

1 項目介紹

馬鞍嶺磷礦帷幕注漿截流工程由北線和西線兩條帷幕線組成，帷幕總長531m。北面385m，設計34個孔。西面帷幕線146m，設計12個鉆孔。

施工過程中，由于地質資料誤差，兩條帷幕線端點均未揭露到隔水邊界，通過調整設計，增加了不少工程量，僅西線增加了8個鉆孔，且還未到邊界。工程投資遠超預算，而導致工程中止。注漿孔施工時分三序進行，第一序孔兼幕址工程水文地質補堪孔，鉆探過程中取芯、記錄、水文地質試驗均按勘探孔的要求進行[4]。第二、三序孔根據第一序孔的情況結合物探成果進行針對性布置，一方面檢驗物探的可靠性，另一方面提高主要巖溶通道的命中機率。注漿方式采用自上而下分段注漿的施工方法，使注漿段得到反復多次地充填，堵塞。注漿材料采用以改性水泥粘土漿為主，同時結合使用尾砂漿、粘土尾砂漿、速凝雙液漿、惰性材料（沙、稻草、海帶、黃豆等）等[5]。

2 施工中遇到的問題

磷礦礦區內共有10條斷層，規模最大的為橫（山）古（港）逆斷層。該斷層為縱貫全區的區域性斷裂，東起橫山，西至古港，延長30余千米。

據鉆孔資料，該斷層角礫巖厚11.61m～51.81m，角礫成分以板巖或白云巖為主，被鐵錳質膠結，較緊密，富水性極不均一，主要受上、下盤巖性、角礫成分及膠結程度所控制。

角礫不僅富水，而且導水。據32線CK69、CK70鉆孔，見有溶洞，最大達5.36m，該斷層可導致壺天群灰巖溶洞水潰入礦坑[6]。礦坑底部肉眼可見超寬橫向和縱向的巖溶裂隙通道，見圖1。整體上礦區巖溶發育強烈，構造裂隙縱橫交錯，相互聯通，因此，大水、強動水條件下注漿是本帷幕工程的難點。

圖1 采坑底部巖溶發育情況

露天采坑內主要共3個主要出水點，其中北線坑底1號和2號出水點，水量分別為10000m3/d、30000m3/d，西線坑底3號出水點水量約為20000m3/d。出水點標高位置+20m～+10m，且隨開采標高的降低而降低。施工過程中，西線的-1號孔揭露溶洞，并導通3號出水點，北線的27號孔揭露裂隙，導通1號出水點，且在開始采用普通漿液水泥粘土漿注漿過程中，存在著大量跑漿現象，注漿壓力提升困難，雖然通過采取增加漿液濃度、增加水玻璃量、添加稻草海帶等惰性材料一系列措施，通道封堵效果依然不好。后經分析導水通道的特點，采用水泥水玻璃雙液漿，最終取得較好的注漿效果，基本封堵了通道[7,8]。

3 強導水通道封堵方法探索

3.1 惰性材料充填注漿

西北線-1號孔施工至119m時掉鉆，約3m溶洞，鉆進沖洗液全漏，漏失量大于300L/min，首次注漿采用1:2:3（水泥：粘土：水，以下相同）的水泥粘土漿液，添加2%水玻璃。

在注漿1個小時（約18m3，注漿壓力為0Mpa）后，3號出水點水質開始變渾濁，為注漿漿液與水混合物，立即更換注漿配比為1:2:3.6，水玻璃3%，繼續注漿一小時后，注漿壓力仍為0，出水點水質渾濁度為減小，結束本次注漿。后續采用相同注漿配比注漿兩次后，出水點跑漿現象持續，水量無變化，決定調整漿液類型，先后采用在漿液中添加惰性材料稻草和孔口投沙水泥粘土漿液輸送的方案。具體情況如下：

3.1.1 添加惰性材料稻草

按10kg/m3的比例添加，輸送漿液配比為1:1:2，水玻璃添加2%，漿液流量為250L/min。注漿次數1次，總注入量為50m3。稻草由人工切割至1cm～3cm長度，均勻投入攪拌桶后，通過注漿泵輸送至孔內。實際使用稻草約400kg。

3.1.2 孔口投沙

采用河沙，粒徑大小為中粗沙。根據鉆孔孔徑大小，按m沙：m漿液=1:10投放。輸送漿液配比為1:1:2，水玻璃添加2%，漿液流量為250L/min。漿液注入量約100m3，投沙總量約1.5t。

兩種方案施工后，出水點水量無明顯變化，漿液流失顯著，通道未封堵[9]。

分析原因：通過資料分析，鉆孔出水點位置位于橫古斷層附近，斷層破碎帶寬10m～35.33m，該通道與斷層間接連通，通道寬度大（掉鉆3m），出水點水量非常大（20000m3/d）。兩種方案添加的惰性材料中稻草質量小，沙體積小，無法快速在通道中積累存儲，從而無法有效的封堵通道。

考慮到鉆孔孔徑小約為91mm，采用孔口投碎石，卵石的方法容易將鉆孔堵死。我院綜合分析后，決定后續采用水泥水玻璃雙液漿來封堵該通道[10]。

3.2 水泥水玻璃雙液漿

西北線-1號孔在采用惰性材料充填注漿方案堵水效果不理想的情況下，經分析研究，決定采用水泥水玻璃雙液漿方式來封堵該通道。

3.2.1 配比選擇

根據前期注漿過程中，出水點跑漿時間約1小時。為保證漿液充分充填通道又盡量減少漿液流失，應選擇初凝時間為1小時范圍內的配比。根據我院在其他工程中試驗數據表分析，應采用水泥漿和水玻璃體積比小于1:0.1的配比，見表1。

表1 幾種雙液漿配比的初凝時間

3.2.2 現場配比試驗

為選擇合適初凝時間的雙液漿配比，現場對水泥漿與水玻璃體積比為1:0.09～1:0.05的配比做初凝時間測定試驗。

（1）材料及配比：

水泥標號P32.5，水泥漿水灰比為1:1。水玻璃模數為3.2，波美度為42，不稀釋。

（2）初凝時間測定：

現場采用倒杯法簡易實驗測定雙液漿的初凝時間。按一定體積比將水泥單液漿和水玻璃溶液分別置于兩個燒杯中，再將兩個燒杯重復交替進行倒杯，直至燒杯傾斜45°漿液無法流動為止，所用時間即為初凝時間。

每個配比測三組數據，取的平均值后，最終所測結果如下表：

表2 現場測定不同配比雙液漿初凝時間表

根據現場測試結果，選擇注漿配比為1:0.07。

（3）注漿過程：

注漿設備采用衡陽320注漿泵，最大流量350L/min，注漿方式采用孔口封閉全孔注漿。

注漿壓力控制為不超過2 Mpa。單次注漿量不超過100m3，每次注漿結束后繼續注入5m3粘土漿，保護鉆孔不被雙液漿堵死。經過三次注漿后，共注242m3，壓力開始上升。結果如下表：

表3 雙液漿注漿情況表

壓力上升后，更換為高濃度水泥粘土漿材料（配比為1:2:2.4、1:1:1.6），共注650m3，壓力上升，達到設計要求，最終將該通道封堵。

（4）出水點水量變化觀測：

前期準備：將出水點蓄水坑擴大圍護，水坑四周只留一個梯形堰缺口引出水流。制作標尺放置蓄水坑中，每8小時觀測一次標尺讀數，記錄變化情況。同時，測量梯形堰面積與水流速度的變化，從而計算出出水點水量變化情況。

觀測結果：見下表。

表4 注漿過程中出水點水量變化情況表

10.24 22 0.238 0.55 471.24 水泥粘土10.25 22 0.232 0.55 459.36 水泥粘土11.03 12 0.43 0.55 851.4 一周后

從表中觀測結果可知，通過注入雙液漿，該通道較大幅度被封堵或縮小，水量減小257.4m3/h。

為進一步封堵該通道，繼而采用高濃度水泥粘土漿注漿，一方面在通道逐步縮小情況下，既保證封堵通道的成功性，又充分減小漿液的流失，另一方面，在保證注漿效果的前提下，通過減小雙液漿的注入量，減少了注漿的成本，最終成功封堵住該通道。本段注漿結束一周后，該出水點水量又逐漸恢復到原來的大小，這是因為，該區域各通道相關聯系性非常密切，在未形成整體帷幕墻體前，地下水通過擠壓、沖洗、繞流連通了其他通道，再經出水點位置流出。在接下來施工的0、-3號鉆孔時，出水點出現相同跑漿情況，證明了此推斷。

3.3 北線27號孔通道封堵方案

北線27號孔施工至109 m時，鉆進沖洗液全漏，開始注漿。

在7次不連續注入水泥粘土漿約350m3后，壓力由0.7Mpa突然降至0，同時1號出水點開始大量跑漿。其后兩次注漿提高漿液濃度，注入約95m3，壓力仍無法上升，出水點跑漿嚴重，決定暫停水泥粘土漿的使用，經分析，該孔為裂隙導通出水點通道，從開始注漿到出水點開始跑漿時間約為兩小時。參照西線-1號孔處理措施，決定采用1:0.05和1:0.06兩種配比的水泥水玻璃雙液漿。每次注漿首先采用1:0.05的配比，注入50m3后，壓力無明顯上升時，再采用1:0.06的配比，繼續注入50m3后，壓力無明顯變化，則停止本次注漿，并待凝3小時后開始第二次注漿。最終在三次注漿約注入270m3雙液漿后，壓力開始上升。更換為水泥粘土漿注入350m3后，該段注漿達到設計要求。通過觀測計算，出水點水量由10000m3/d降至約6000m3/d。并且，從圖2中紅色矩形圖框處對比可以看出水量減小明顯。

圖2 注雙液漿漿前后水量變化對照圖

4 結論

馬鞍嶺磷礦是一個典型的大水礦山，建礦早，長期開采過程中，礦區巖溶疏通流暢，治理難度極大，選擇合理的堵水方案是關鍵。

本次帷幕工程注漿材料首選水泥粘土漿，較大程度的減小了施工成本，同時，遇到強導水通道，適當的使用水泥水玻璃雙液漿實現快速封堵，縮短治理工期，減小漿液浪費，保證注漿效果。

在雙液漿施工過程中，總結了以下施工難點、缺性及需改進的措施：

（1）雙液漿膠凝時間隨漿液配比變化很大，準確了解導水通道的特性，選擇合適的配比是堵水成功的關鍵。

（2）雙液漿現場測試實驗需嚴格仔細，準確掌握各材料參數對試驗的影響，同時，還需考慮現場施工條件、設備的實用性，以及對施工人員的操作、技術指導，保證施工工藝正常進行。

本次注漿設備采用單液注漿設備，需要在配制雙液漿過程中充分攪拌均勻，防止漿液局部凝固造成堵泵、堵孔。根據現場測試，攪拌時間應不少于3min。

（3）本工程在導水通道中選用注漿方法合理，堵水效果顯著。未選擇雙液注漿泵是因為本次注漿采用的配比初凝時間較長，有充足的時間配制攪拌均勻的漿液。但對單液注漿泵及制漿攪拌桶等設備性能要求較高，施工人員須有豐富的經驗。

（4）本工程中，通過選擇合理配比的雙液漿成功實現了強導水通道的封堵。但是選擇雙液漿不是唯一方法，應根據通道的特性，鉆孔孔徑的大小，現在施工的設備及條件綜合分析，選擇合適的方法。總的原則是，先通過充填逐步縮小通道的大小，再通過注漿使漿液與充填物形成膠結體，從而封堵通道。