鐵礦床開采井下近礦體帷幕注漿技術及應用

徐加夫

(1.中國礦業大學(北京)，北京 100083；2.魯中礦業萊新鐵礦有限公司，山東 萊蕪 271124)

巖溶大水礦山防治水技術，主要有疏干排水、礦區地面帷幕注漿、井下近礦體帷幕注漿技術三種[1-2]。疏干排水方法，主要不足是易引起地下水資源枯竭、地面塌陷等問題，甚至使礦山因排水量大要承擔高昂的排水費用。地面帷幕注漿工程投入高，需要查明過水通道，堵水效果也難以保證。井下近礦體帷幕注漿技術，是近幾年發展起來的對大水金屬礦山水害治理技術的完善與創新，它不僅解決了疏干排水技術方法引起礦區地面塌陷等隱患，以及高昂排水費用等問題，而且也解決了地面帷幕注漿技術工程造價高、堵水率相對較低，以及要求查明礦區水文地質條件等方面的問題[2]。

1 井下近礦體帷幕注漿可行性

萊新鐵礦為中型隱伏接觸交代型矽卡礦床。礦體主要賦存于-195～-305m標高間，水平厚度為10～120m。礦體上下盤圍巖是大理巖、閃長巖和矽卡巖。大理巖為礦床主要充水巖層，其富水性強，巖溶裂隙發育不均一，水文地質條件復雜，礦坑最大涌水量達60000m3/d，特別是礦體與圍巖接觸帶是地下水主要逕流通道，加上其穩固性差，遇水膨脹和軟化，工程地質條件差。

萊新鐵礦從基建到試投產開始，礦山防治水指導思想主要是以排水為主、防探堵水為輔的措施，其結果是導致礦房頂板多處冒落，不僅產生了大量的涌水，而且損失了大量的礦石，嚴重影響了井下的正常生產和安全作業。采用疏干排水的防治水技術，因礦區地下水靜、動儲量大，很難達到疏干的目的，一旦疏排過度，可能導致地面出現塌陷、地下水資源破壞等環境問題，尤其是高昂的排水費用，進而影響到企業的經濟社會效益以及可持續發展；采用地面帷幕注漿防治水方案，由于過水通道及大理巖富水程度等水文地質條件不清楚，加上主要含水層埋藏較深，勢必導致工程投資高昂，難以預計堵水效果能否保證采礦安全生產，并存在突水隱患。

研究礦床井下近礦體帷幕注漿是以堵水為主、排水為輔的防治水方法，研究重點是礦床頂板圍巖大理巖主要含水層富水程度、巖溶裂隙發育分布規律、水力聯系、地下水運動分布規律、地下水主要逕流通道等水文工程地質特征。實施穿脈水平探水鉆孔注漿工程和頂板加密注漿工程，查清礦床圍巖水文地質特征，進行全方位的鉆孔注漿，最終在礦床圍巖形成一定厚度的井下注漿帷幕保護層，達到既能保護礦區地下水資源，減小排水費用，防治地質災害，又能保證礦床高效安全開采。因此，采用井下近礦體帷幕注漿是萊新鐵礦防治水的必然選擇。

2 井下近礦體帷幕注漿的帷幕厚度研究

2.1 圍巖突水機理分析

圍巖突水的主要相關因素有水源、隔水層、水壓、地質構造及采掘活動等。通過對圍巖突水機理的深入研究，有助于防治水方案的確定與實施，以及對近礦體注漿帷幕的效果檢查、監測與維護起到指導作用。尤其針對圍巖隔水層(或人工注漿蓋層)阻水能力分析，根據帷幕堵水率要求，對比理論計算和帷幕注漿經驗所得滲透系數，在進行近礦體帷幕注漿時，采用雙排孔布置或縮小孔距的加密注漿方式，才能達到較高的堵水率。

2.2 井下近礦體注漿帷幕厚度確定

2.2.1 工程實踐綜合法確定帷幕厚度

根據萊新鐵礦近礦體注漿帷幕隔水的作用機理，把注漿帷幕厚度分為兩部分：有效厚度和無效厚度。有效厚度是注漿帷幕中未受采礦擾動破壞的部分，是防突水和自穩的主體。采礦爆破及采場應力重新分布作用，在井下注漿帷幕范圍內產生的松動圈厚度定為無效厚度，相對有效厚度而言，該層防漏、防突水和自穩能力稍差。

無效厚度與圍巖的巖性、礦體的形態、巖溶裂隙發育規律、注漿材料的性質、采礦方法等諸多因素有關。根據其它礦山類似巖性條件下采礦松動破壞帶厚度，同時考慮注漿加固巖體力學性能的改善，選定其無效厚度h1為5～7m。注漿帷幕有效厚度(h2)主要根據靜水壓作用下的抗滲防漏的要求而確定。在類似萊新礦區38～48kg/cm2的靜水壓情況下，若注漿材料在圍巖大理巖巖溶裂隙內充填密實，同時對裂隙中的泥質充填物部分擠密加固，依據我國礦山多年注漿工程實踐，注漿帷幕有效厚度h2選定為18m左右。所以，頂板注漿帷幕總厚度h1+h2選定在25m較為合適。

2.2.2 理論計算法確定帷幕厚度

萊新鐵礦西部礦體采礦高度約為50m，相鄰穿脈間距約為14m，考慮最不利情況，將其開采寬度設為Lx=24m，高度為Ly=100m。

根據G·Herget地應力公式計算開采前的原始應力場：

垂直應力σv=11.1MPa，水平應力σH=λσv=4.44MPa，λ為水平應力分力系數。

由巖體力學、流體力學理論，得到無效厚度計算公式為[3]：

(1)

式中：θ為破壞點與水平方向的夾角，采場頂板夾角為90°；Rc為帷幕注漿體抗壓強度，單位MPa；K為安全系數，考慮到頂板帷幕注漿屬特殊工程，安全性要求很高，K取為4。

計算得出：h1=10.72m。

注漿帷幕有效厚度h2基本不受開采擾動的影響，可看作是連續介質，主要承受礦體上覆含水層水壓的作用，其變形近似看作薄板的彎曲變形。由流體力學、巖體力學理論，得到注漿帷幕隔水體所承受的水壓與隔水體厚度的關系式為[3]：

(2)

計算得出：h2=4.62m。

考慮安全系數K=4，則帷幕有效厚度h2=18.48m，頂板注漿帷幕總厚度h1+h2選定在29.2m。

根據工程實踐經驗及理論計算，注漿帷幕的厚度在25～29.2m之間，為安全可靠起見，注漿帷幕最終厚度取30m。

3 井下近礦體帷幕注漿工程設計

3.1 地下水位動態觀測網的完善

為分析礦區地下水與礦坑涌水的水力聯系情況，建立長觀孔8個，由于礦區礦床充水主要來源是西南-東北方向，但礦區西南、東北方向無地表觀測孔，缺失地下水位觀測資料。因此，在礦區的西南、東北方向各實施一個地下水位觀測鉆孔，并在井下有代表性的出水點進行水壓觀測，形成了礦區與井下地下水位動態觀測系統。

3.2 穿脈水平鉆孔探水注漿工程

根據萊新鐵礦生產進度和采準工程，分別在西部礦體-205m、-255m、-305m、-219m、-231m、-243m、-266m、-279m和-293m九個分段水平進行鉆孔注漿設計。在采準巷道硐室，布置與穿脈方向一致的水平鉆孔，分別進行探水和注漿，鉆孔網度按10m×10m控制。每個穿脈巷道中只布置一個鉆孔，鉆孔深度范圍30～40m(以進入灰巖的深度計算)，鉆孔傾角為3°～5°的仰角孔。

3.3 橫斜鉆孔加密注漿工程

由于西部礦體的導水巖溶裂隙主要分布發育在礦床的西南部、東南部和礦巖上下盤接觸帶，其它地段少見涌水現象，從施工的部分穿脈水平探水鉆孔揭露的情況進一步表明，在以上地段大理巖和頂板接觸帶附近的含水豐富，是礦體采后充水的主要水源。因此，橫斜方向鉆孔注漿主要是在這些區域進行。

利用井下開拓系統，分別在-205m、-231m、-255m、-279m和-305m水平巖層穩定的頂板大理巖內布置聯絡巷道(尺寸為2.5m×2.5m)和鉆注硐室(尺寸為4m×2.8m×2.8m)。利用井下開拓系統，分別在-205、-231、-255、-279和-305m水平巖層穩定的頂板大理巖內布置聯絡巷道(尺寸為2.5m×2.5m)和鉆注硐室(尺寸為4m×2.8m×2.8m)。在每個硐室中，沿近平行礦體走向施工6～8個鉆孔，其中2個為水平鉆孔，2個為下俯孔(俯角為3°～5°)，2～4個為上仰孔(仰角為6°～16°)，孔深為50～60m。

3.4 注漿技術參數

3.4.1 帷幕參數

井下近礦體注漿帷幕厚度定為30m，帷幕高度范圍從-175m至-335m水平，垂直高度約160m，帷幕長度從西部礦床的西01線至東20線，長度約340m。

3.4.2 注漿方式和注漿段長度

采用下行壓入式注漿法。當鉆孔涌水量Q小于10L/min，可采用全孔注漿。當鉆孔涌水量大于10L/min時，應停鉆進行注漿堵水，封堵之后，再鉆到設計的孔深進行注漿。注漿段長度一般取30m。

3.4.3 注漿參數

漿液擴散“半徑”：漿液在裂隙中擴散實際上是不規則的，一般隨注漿壓力、滲透系數、漿液濃度、裂隙開度和注入時間等因素的變化而變化。目前，準確確定裂隙介質中漿液擴散半徑沒有實用的公式[4-6]。根據有關注漿技術規程，灰巖巖溶裂隙含水層中漿液有效擴散半徑一般取6～15m，另外根據國內礦山的實際經驗[7-8]，擴散半徑一般約為10m，因此設計漿液有效擴散半徑為10m 。

注漿壓力：設計初始壓力為靜水壓力的1.0倍。過程壓力控制在1.5～2.0倍靜水壓力間。設計注漿終壓為2.5～3.0倍靜水壓力。

漿液材料與濃度：注漿材料選用單液水泥漿為主，水泥、水玻璃雙液漿為輔。單液水泥漿起始濃度按水灰比0.8∶1、1∶1和1.5∶1等三個等級分別進行配比，注漿過程中根據消耗量選擇；水泥、水玻璃雙液漿一般選用1∶1的水泥漿，與水玻璃的體積配比，體積比為1∶1。

漿液注入量：根據萊新鐵礦大理巖含水層巖溶發育分布特征和已施工鉆孔注漿情況，鉆孔漿液消耗量為0.5t/m，考慮到礦床頂底板巖溶裂隙較為發育，鉆孔漿液消耗量按1.0t/m設計，其余地段則按0.1～0.3t/m設計。

注漿結束標準：單液注漿時，在設計的終值壓力下，注漿段吸漿量小于20～35L/min，持續30min后即可結束注漿。

3.5 群孔注漿技術

針對萊新鐵礦大理巖富水性及巖溶裂隙發育不均一，且要求注漿帷幕必須保證安全、穩妥、可靠的特點，在局部地段采用了群孔關(放)水試驗及群孔注漿技術[2]，注漿效果明顯。

4 井下帷幕注漿效果分析

4.1 鉆孔涌水量

在橫斜鉆孔加密注漿施工中，部分鉆孔涌水量小于3m3/h，個別鉆孔涌水量50m3/h，但絕大部分鉆孔都未見出水或滲漏水。與前期工程相比，明顯出現從大到小的遞減規律，充分說明穿脈水平鉆孔和橫斜鉆孔構成全方位的立體鉆孔體系，控制了礦床圍巖的巖溶地下水。

4.2 鉆孔注漿量

在施工橫斜向鉆孔注漿時，單位鉆孔注入量為0.081t/m，單孔注入量最大到100t，大部分鉆孔注入量小于5t，少量鉆孔注入量極少，即是注漿進行封孔。對比穿脈水平鉆孔注漿量，橫向單位鉆孔注入量大大降低，充分說明了兩者有機地結合，可以保證井下注漿帷幕的穩定性和高堵水率。

4.3 鉆孔注漿壓力

在穿脈水平鉆孔注漿施工時，單孔注漿正常壓力為4～6MPa，最終壓力到8～10MPa，能保證漿液正常進入導水巖溶裂隙中；而橫斜向鉆孔注漿時，單孔注漿正常壓力為6～8MPa，最終壓力達10～12MPa。兩者相對比，充分說明了帷幕注漿前期注漿壓力低而后期注漿壓力高的規律。

4.4 檢查孔注漿效果檢驗

通過在穿脈水平鉆孔注漿工程和橫斜向鉆孔注漿工程施工完后，分別布置了5％和10％的檢查鉆孔來檢驗井下帷幕注漿效果，發現90％以上檢查鉆孔未出水，只有少量檢查鉆孔有滲水，水量小于2m3/h，鉆孔單位吸水量不大于0.02L/(min·m)，部分檢查鉆孔可取到水泥結石。綜合分析認為，井下近礦體帷幕注漿的堵水率大于90％。

4.5 礦區地下水動態觀測

隨著萊新鐵礦井下近礦體帷幕注漿工程的逐步實施，礦井涌水量逐漸減少。礦井涌水量從穿脈水平鉆孔注漿實施前50000m3/d左右，大幅度減少到10000m3/d左右，同時井下觀測水壓則明顯上升，礦區地面觀測孔的水位也有不同程度的回升；在橫斜鉆孔加密注漿實施后，礦坑涌水量降到4000m3/d左右時，-205m水平水壓升到3.5MPa左右，-305m水平水壓升到4.5MPa左右。因此，從礦區地面與井下的地下水壓動態觀測的數據綜合分析，井下近礦體帷幕注漿的堵水效果是非常理想的。

4.6 取得的效果和效益分析

自礦床頂板近礦體井下帷幕注漿工程實施后，礦山實際最大涌水量為50000m3/d。自從2009年開始，礦井涌水量控制在4000m3/d，每年節約排水電費(每方水排水電費為2元計算)3358萬元，西區礦體還可采12年左右(不含-305m水平以下的二期工程)，共節約排水費用為4億元以上。另外，解放礦山可采礦量有700萬t以上，礦石價值達20億元以上，而井下近礦體帷幕注漿工程投入的總成本只有2500萬左右。同時，礦區地下水已基本回升至礦山開采前的水平，不僅保護礦區地下水資源，避免了地面塌陷等地質災害的發生，而且不會因此發生礦農矛盾，從而帶來顯著的社會效益和環境效益。

5 結論

1) 井下帷幕注漿厚度根據工程實踐綜合法及以流體力學、巖體力學為依據的理論計算確定。經井下近礦體帷幕注漿實施前后的堵水效果對比以及多個礦房實現安全高效開采證實，證明了萊新鐵礦礦床開采井下帷幕注漿厚度確定為30m是合理、安全可靠和經濟的。

2) 井下近礦體帷幕注漿工程是由穿脈水平探水鉆孔注漿和橫斜向鉆孔加密注漿組成，二者相互補充，缺一不可。多年實踐證明，查清礦床圍巖含水層的富水性、巖溶裂隙發育狀況、地下水水力聯系等水文地質特征，確定適合礦床圍巖的注漿參數，科學合理地利用單孔注漿和群孔注漿組合是技術關鍵。

3) 井下近礦體帷幕注漿工程中，存在礦坑涌水量大、水壓高、頂板易冒落等諸多難點得到有效地解決，注漿堵水效果顯著，解決了萊新鐵礦因水害困擾無法正常安全生產的根本問題，為安全高效開采創造了堅實的基礎。

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