銅多金屬礦帷幕注漿堵水方案研究

李萬全，夏焰光

（湖北地礦建設工程承包集團有限公司上海分公司，上海 200063）

銅多金屬礦帷幕注漿堵水方案研究

李萬全，夏焰光

（湖北地礦建設工程承包集團有限公司上海分公司，上海 200063）

結合江西樂平市月形銅多金屬礦帷幕注漿堵水工程，主要闡述了礦山發生涌水災害后治理的方法選擇及治理工序，并對注漿法的施工工藝加以研究和推廣，同時簡單介紹了施工過程中一些常見問題及處理對策。根據該工程的工程地質條件、工程性質、預算等限制條件選擇高壓孔內循環式注漿;下行式分段注漿方式方法。漿材為水泥粉煤灰和水泥粘土漿兩種，必要時加入適量水玻璃。最后，通過鉆心、壓水對比和面波檢測確定注漿是否達到工程要求。

巖溶裂隙水;礦山涌水;帷幕注漿;堵水;壓水試驗;防滲

0 前言

礦山水害，長期以來成為困擾著采礦安全工作的重大隱患。特別是隨著國家基建工作迅猛發展，對各種礦藏的需求量大幅度上升，對礦業開采要求也隨之提升，礦山水害就成了擺在人們面前的一大難題。隱藏在地下的巖溶裂隙水成了水害的主要源頭，在開采中發生涌水對生命財產造成了極大危害。對此，研究治理礦床涌水成了礦藏開采的主要課題。

在礦井防治水中占有主導地位的是含水層預先疏干降壓方法，它已逐漸代替被動排水。由于礦井排水成本越來越高，一些國家開始試用堵水截流的防治水措施。國外礦井防治水方法比較單一，主要采用地面疏干降水，堵水截流作為一種輔助措施。他們普遍認為，在生產階段，注漿堵水不能代替排水。但在我國，由于地質條件的限制，如:西北地區礦床基本不存在水害問題，相反礦區供水水源短缺成為礦產資源開發的制約因素;在南方和西南區，由于礦體與灰巖含水層直接接觸，使得該區金屬礦床的水文地質條件十分復雜，礦井涌水量很大，喀斯特水一旦被揭露后直接潰入或通過地下暗河溶洞導入，成為礦井突水的一大特點，礦井涌水往往突發性強，水量大。因此，發展注漿堵水勢在必行。

本次研究以江西省樂平市月形銅多金屬礦帷幕注漿堵水整治工程為研究對象，主要闡述礦山發生涌水災害后治理的方法選擇及治理工序，并對注漿法的施工工藝加以研究和推廣，同時簡單介紹了施工過程中一些常見問題及處理對策。

1 工程概況

1.1 地形地貌

樂平市月形銅多金屬礦位于樂平市北東26 km的涌山鄉境內。礦區為一構造侵蝕之喀斯特地形地貌，總體地勢呈北部高、南部略低而有起伏之勢，南北均被千枚巖組成的構造剝蝕丘陵所截，形成東西延長的狹長含水系統，最高點狗頭山標高為290.4 m，最低點為礦區的石峽河出口處，標高為+47.0 m，中部為河谷沖洪積平原。沖洪積平原區相對高差小，坡度平緩;南北丘陵相對高差較大，地形坡度相對較大。

1.2 地質構造

礦床處于不對稱傾伏向斜的南西端，向北東方向傾伏，組成向斜兩翼的石炭系壺天群灰巖、大理巖和二疊系長興組灰巖強溶蝕含水層，呈北東、南西向分布范圍廣、延伸長、含水層厚度大，受北東斷裂構造影響，溶洞、裂隙發育，富水性強。

1.3 水文地質條件

區內主要地表水體為石峽河、月形河。石峽河發源于界首一帶山區，由西流經礦區東部，洪水期流量為34600 L/s，枯水期河上游自石峽村以北干枯，以下有流量較大的泉溢流，流量為20 L/s。月形河主要發源于擬建的礦區，從礦區西南流過，于跑馬道南注入石峽河，一般流量20～200 L/s，枯水期無水。石峽河流出礦區的出口為當地侵蝕基準面，標高為47.00 m左右，月形河流出礦區的出口標高為49 m左右，最高洪水位標高為50.77 m。

礦區水文地質條件復雜，已知礦體呈脈狀產于壺天群強含水層中，即未來地下開采、巖體四周均為強含水層所包圍，故建造帷幕堵水，其平面布置形式，宜四周均勻布孔，形成阻截地下水的封閉系統。由于石炭系壺天群大理巖、白云巖巖溶含水層厚度＞500 m，帷幕的結構形式一般可為封底式和半封底式兩種結構形式。

2 堵水方案設計

2.1 帷幕注漿堵水方案

注漿帷幕堵水是恢復開采最為有效的方法，帷幕幕址的選擇首先由礦區水文地質條件、以及礦的開采深度、基巖錯動邊界、采礦方法及帷幕施工場地等條件綜合確定。本次設計主要是針對Ⅰ號礦體和Ⅶ號礦體-50 m標高以上部分。為了節約帷幕工程量，將帷幕設計成懸掛式，帷幕底線按-55.00 m標高控制，底板預留5.0 m厚的保安巖柱。采礦方法為淺孔留礦法回采，自上而下分層開采，設計中段高度為30 m，分別在+10、-20、-50 m標高布置開拓工程。巖石移動邊界線、開采設計方案根據礦床工程地質條件，同時參考類似礦山經驗，選取上盤錯動角 β=60°，下盤錯動角 γ =65°，端部 δ=75°圈定礦山巖石的移動界線。地表巖石移動帶范圍可參見恢復開發的可行性技術論證報告或礦區綜合平面圖（見圖1），帷幕線鉆孔原則上位于巖石移動帶外進行布孔。

圖1 工程所在區平面布置圖

2.2 礦坑涌水面積

根據礦體賦存狀態、賦存礦體為大理巖和白云巖、其巖溶發育最低標高為-453.57 m的特點，在未來的開采條件下，按潛水不完整大井考慮，計算石峽河在雨季有季節性補給的最大涌水量和無補給時的一般涌水量。計算方法分別按輻射流法、渠道法、達西公式法，計算結果:-50 m標高一般涌水量平均值為11720 m3/d，最大涌水量平均值為36368 m3/d。這與《地質災害危險性評估報告》采用降水入滲法計算礦坑補給量（動儲量）的計算結果十分接近［5］。其平均值為37000 m3/d。

2.3 帷幕注漿孔的布置

沿帷幕軸線注漿孔的布置，采用單排孔形式，注漿孔間距10 m，帷幕底線按-55 m標高控制，底板預留5.00 m厚的保安巖柱厚度，沿帷幕線共布置54個注漿孔（參見圖1），累計鉆孔工程量6710.92 m。

工點范圍一周面積為0.315 km2。一期14個注漿孔，二期13個注漿孔為觀測補注孔，三期27個注漿孔為檢測孔和補漏洞孔。

2.4 帷幕的厚度確定

帷幕的厚度按帷幕幕體內的水力坡降的最大允許值與幕厚的關系來確定。

式中:T——帷幕厚度，m;Ia——帷幕體內部帷幕前后的允許水力坡降;δ——通過帷幕的水頭衰減系數，δ=幕前壓力頭差/水頭;H——水頭，m;

礦區靜止水位標高平均為+51.00 m，ZK705孔最深巖溶發育標高為-453.568 m，含水層為潛水，水頭高度為504.568 m，經注漿后，幕體單位吸水量5 Lu，允許水力坡降Ia=10。

經計算帷幕厚度T=10.09 m，假定受灌介質為均勻巖層，漿液擴散范圍呈圓形，孔間距10 m，其有效擴散半徑R=7.10 m。

2.5 帷幕注漿試驗

為了節約資金，帷幕注漿試驗選擇第Ⅰ序注漿孔作為注漿試驗孔。注漿試驗的目的為:

（1）探索研究不同地質結構、不同地層所采用的注漿工藝的可行性和可靠性、所選擇的注漿參數是否合理;

（2）探索研究不同地質構造、不同地層所采用的注漿材料、漿液配比、漿液的物理力學性能是否符合工程實際情況;

（3）為Ⅱ、Ⅲ序孔注漿提供符合月形銅多金屬礦實際情況的各項注漿參數及漿液材料的配比資料。

2.6 漿液注入量預估

注漿系隱蔽性工程，漿液注入量的精確計算尚有一定困難，故多采用經驗公式計算，供預估注漿材料用量。本注漿帷幕厚度預計10.09 m，孔間距10 m，則漿液擴散半徑R=7.10，注漿量q采用下式進行估算。

式中:R——漿液擴散半徑，m;θ——帷幕厚度對應的圓周角，sin（θ/2）=（b/2）R;b——鉆孔間距，m;H—注漿段高度，m;n——巖石的孔隙率。

按礦區平均巖溶率3.058%來計算，經計算注漿量為29589.62 m3。但由于計算時采用的平均巖溶率，在實際注漿時，預估注漿量可能偏低。

2.7 注漿材料預估

按水泥粉煤灰漿液進行注漿材料的預估，水固比取0.6∶1，水泥∶粉煤灰∶水∶水玻璃=1∶1.5∶1.5∶0.05，經計算，每立方米水泥粉煤灰漿液的材料用量為:水泥384.95 kg;粉煤灰577.43 kg;水577.43 kg;水玻璃19.25 kg。注漿量29589.62 m3，加檢查孔注漿量1013.91 m3，合計為30603.53 m3。漿液材料用量為:水泥11780.83 t;粉煤灰17671.40 t;水玻璃 589.12 t。

3 注漿施工工藝設計

3.1 注漿方式與方法

為確保注漿安全和工程質量，擬采用孔口封閉孔內循環、下行式分段注漿方式方法。注漿段長通常按下述原則劃分:（1）將裂隙相同的巖層劃分在同一個段長內，力求使漿液均勻擴散;（2）裂隙發育程度相差較大的含水層，不宜劃分在同一段長內，以保證注漿質量和減少不必要的漿液浪費;（3）涌水量大、裂隙較寬時，注漿段長度較小，反之較大;（4）注漿段長應與注漿泵的供漿能力（泵量）相適應，泵量小，注漿段長度應當縮小，以保證漿液有足夠的擴散半徑;（5）注漿段長一般應根據現場實際情況靈活掌握，但為了方便在均質巖層內注漿，一般按20 m一段進行控制。

3.2 注漿工藝

3.2.1 注漿孔結構及技術要求

（1）注漿孔開孔孔徑為130 mm，終孔孔徑為91 mm，為保證注漿質量，宜采用高壓孔內循環式注漿。

（2）注漿孔設計為直孔，允許偏斜率應控制在1.5%以內。為保證注漿孔的偏斜在允許范圍之內，鉆進過程中每50 m孔深測斜一次，發現孔斜應及時采取有效的糾偏處理措施。

（3）注漿孔巖心采取率及地質編錄:注漿孔要求全部采取巖心以觀察巖溶裂隙的發育情況。地質編錄內容符合相關規范要求，側重于溶洞、裂隙及地下水活動痕跡，溶蝕現象及巖石破碎程度。了解溶洞裂隙充填程度及充填物。

3.2.2 壓水試驗

壓水試驗的目的是為了了解注漿孔各注漿段巖層的富水性、透水率，用以進行分段，確定漿液配比，預估漿液消耗量，預估材料用量。

第Ⅰ序鉆孔，即是注漿孔又是勘察孔，做正規壓水試驗，采用3個壓力階段;其余鉆孔做簡易壓水試驗，只做一個壓力階段。壓水試驗方法采用雙塞止水法，壓力表安裝在孔口回水管路上，試驗壓力取注漿壓力的80%，或孔口壓力為1.00 MPa。試驗時，每間隔10 min觀測一次流量和壓力，流量和壓力保持相對穩定，流量連續4次讀數，其最大值與最小值之差小于最終值的10%，試驗工作即可結束，以最終流量讀數作為計算流量。壓水試驗管路安裝見圖2。

圖2 壓水試驗管路安裝示意圖

3.2.3 注漿材料及制漿

帷幕注漿的主要對象為裂隙巖溶含水層和構造破碎帶裂隙含水層，為了節約水泥，降低成本，采用水泥粉煤灰和水泥粘土漿，漿液的配比及物理力學試驗在現場通過試驗確定。粘土要求塑性指數≮14，粘粒含量≮25%，含砂量≯5%，有機物含量≯3%。粉煤灰應選用未經磨細原狀粉煤灰，密度一般為2.03～1.81 g/cm3，要求質純，不含雜質。水玻璃模數為2.4～3.4，濃度宜為30～45波美度。水泥采用P.O 32.5普通硅酸鹽水泥，水泥的細度要求為通過80 μm方孔篩的篩余量≯5%，所用水泥必須新鮮，無結塊。

漿液的制備在集中制漿站攪拌配置，用泵通過輸漿管道送到注漿鉆孔的第二次攪拌桶內，再通過注漿泵向鉆孔內注漿。

3.2.4 鉆孔沖洗

帷幕注漿孔各注漿段在注漿之前均應進行鉆孔沖洗。沖洗的目的是清除鉆孔中殘留巖粉、巖石裂隙中的充填物。具體做法是:

（1）鉆孔結束后，視孔內殘留物多少，用鉆具帶取粉管進行撈粉，并用大水量進行沖洗，直至回水變清，孔內殘留物沉淀厚度≯20 cm。

（2）在壓水試驗和灌漿前，止水膠塞、射漿管路系統安裝完畢后，用壓力水進行沖洗，采用高壓脈動沖洗法。沖洗直至回水潔凈后再延續10～20 min。

3.2.5 注漿

巖石裂隙的發育情況、地下水的滲流速度、止水封堵的空間容積及其連通性的差異是千變萬化的，要取得好的注漿效果，必須認真掌握好、控制好每一注漿段的注漿全過程，珍惜每一孔、每一注漿段的注漿機會，掌握好注漿的幾個重要參數。

3.2.5.1 注漿壓力

注漿壓力是漿液擴散的動力，是檢測漿液在裂隙中充填擴散過程是否正常的主要依據。注漿壓力系指注漿段所承受的全壓力。施工過程中將壓力表安裝在孔口回漿管路上。為保證注漿質量、漿液擴散半徑，注漿壓力采用靜水壓力的2倍，循環式注漿采用下式計算:

式中:P——注漿壓力，MPa;P1——孔口壓力表壓力，MPa;P2——漿柱壓力，MPa;Pf——管路壓力損失，MPa。

其中:管路壓力的確定方法是當工作管內徑一致，且內壁粗糙度變化不大時，管路壓力損失為:

式中:λ——摩阻系數，λ =2 × 10-4MPa/m;Lp——工作管長度，m;d——工作管內徑，m;V——管內流速，m/s;g——重力加速度，g=9.8 m/s。

3.2.5.2 漿液濃度的變化

一般采用先稀后濃，逐級加濃的原則進行漿液濃度的變換。初始濃度根據巖石單位吸水率確定。裂隙巖溶含水層溶洞發育，多采用水泥粉煤灰灌注，對于裂隙發育含水層則采用水泥粘土漿灌注。

漿液濃度的變換，一般在裂隙巖層中注漿連續灌注40 min仍不起壓，則改用濃一級的漿液，當加濃一級注漿壓力上升很快，則應立即變稀回到原來的稀漿繼續灌注。當采用最濃的水泥粉煤灰灌注仍不起壓時，則應采用間歇注漿，間歇時間為漿液初凝以后，終凝之前，必要時可采用其它的措施，如在漿液中加入速凝劑。

3.2.5.3 注漿結束標準

注漿結束標準對注漿質量起控制作用，掌握好注漿結束時機，既可以使注漿達到設計要求，取得比較好的堵水效果，又可以節省工程費用。在注漿過程正常的前提下，注漿過程中注漿壓力均勻持續上升達到設計終壓，同時注漿段單位時間吸漿量＜10 L/min時，穩壓20～30 min，即可結束注漿。

3.2.6 孔口套管的安置

按照正常設計，打到完整巖石2 m鉆進停止，準備安放孔口管，孔口管放到巖石底部，注水灰比0.6的水泥漿固定，待48 h水泥漿已固牢孔口管后，鉆進注漿。

4 注漿效果監測

帷幕質量檢查以打檢查孔、取心觀測、壓水試驗成果為主，結合注漿成果資料來綜合評定，必要時可進行物探測試。

目前，按照壓水試驗、鉆心檢測，結合面波檢測來進行。

帷幕注漿效果最直接的檢驗方法是通過抽（放）水試驗，得出坑內水量變化數值，計算出堵水率;通過幕內外觀測孔水位測量球的兩側水位差。堵水率越高，水位差值越大，說明注漿效果越好。除此之外還可以進行以下工作。

（1）提前打好帷幕內外水位觀測孔，在注漿過程中，不斷觀測和研究水位流場變化，可以及時發現地下水主要通道，得以加速、加強該通道的注漿工作，提前得知注漿效果。在以往的注漿工程中均據此受益。

（2）打檢查孔，通過壓水試驗檢查帷幕體的滲透性能。通過巖心裂隙檢查，有無水泥結合，綜合分析漿液擴散范圍和注漿質量。檢查孔為注漿孔總數的10%。

（3）用地球物理勘探方法，檢查帷幕注漿前和帷幕注漿后巖石彈性波速的變化。

5 結論

本文以江西省樂平市月形銅多金屬礦帷幕注漿堵水工程為例，對礦床堵水工程做了深入的研究和探討，得出以下結論:

（1）在礦區開采既有條件下，地下水突水量很高，強排費用明顯高于治理費用時，選擇注漿堵水，從適用性、可靠性和可行性3方面考慮都不失為一種整治礦區突水的好辦法。

（2）該方法施工過程中采用3期作業，一邊注漿一邊檢查注漿效果的探灌結合的手法，可以及時了解施工地質現狀并可以據此優化設計和施工進程;當工程施工結束時也基本弄清了溶洞的分布情況和處理情況，為進一步研究工作提供了豐富的一手資料。

（3）工程實踐表明，注漿堵水效果明顯，礦區內排水量不到治理前的40%，該事實充分說明該礦區的堵水工程采用注漿法是行之有效的。

（4）本次研究中多次采用雙液注漿，但由于施工工藝的限制，易造成浪費和工程質量不合格，建議可以研制一套完備的配置注漿設備，以進一步提高施工工藝。

［1］ 彭振斌.注漿工程設計計算與施工［M］.湖北武漢:中國地質大學出版社，1997.

［2］ 李相然，趙春官，等.地下與基礎工程防滲與加固技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000.

［3］ 程驍，張鳳祥.土建注漿施工與效果檢測［M］，上海:同濟大學出版社，1998.

［4］ Donald P.Coduto.Geotechnical Engineering Principles and Practices［M］.Upper Saddle River，NJ，USA:prentice Hall，1999.

Scheme Study on Curtain Grouting for Water Blocking in Copper Polymetallic Deposit

LI Wan-quan，XIA Yanguang（Shanghai Branch，Hubei Geology ＆ Mineral Resources Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Shanghai 200063，China）

According to the engineering of curtain grouting for water control in Yuexing copper polymetallic deposit of Jiangxi，the paper described the selection of treatment methods and the treatment process，the grouting construction technology was studied and promoted;briefly introduced some common problems in construction process with countermeasures.Based on the restricting conditions such as engineering geological conditions，engineering properties and the budget，high-pressure hole with internal circulation grouting and downward stage grouting were selected.The grouting material were cement fly-ash and cement clay grout，water glass grout could be added while necessary.The engineering quality was determined by drilling coring，water pressure test and surface wave detection.

karst fractured groundwater;water surging in mine;curtain grouting;water control;water pressure test;seepage prevention

TD743

A

1672-7428（2012）01-0068-05

2011-07-29

李萬全（1985-），男（漢族），吉林公主嶺人，湖北地礦建設工程承包集團有限公司項目經理、助理工程師，巖土工程專業，從事巖土工程科研及施工工作，上海市曹楊路1040弄中友大廈801室，liwanquan05204310@163.com;夏焰光（1967-），男（漢族），湖北人，湖北地礦建設工程承包集團有限公司上海分公司總工程師，探礦工程專業，從事巖土工程科研及施工工作。