巖溶裂隙產(chǎn)狀對帷幕注漿施工及堵水的影響

高學通 劉殿風 蔣鵬飛

(華北有色工程勘察院有限公司)

帷幕注漿作為一種有效治理礦山地下水害的技術手段，能夠在保障礦山安全開采的同時有效保護區(qū)域地下水資源環(huán)境，已日益成為人們所關注的焦點［1-3］。對于基巖裂隙含水層，帷幕注漿是將具有膠凝性的漿液在一定壓力下泵入巖溶裂隙，并形成一定強度的結石體以堵截過水通道，從而起到減少礦坑涌水量，保障井下采礦作業(yè)安全的作用。

在帷幕注漿工程設計階段，為了便于制定施工質量標準，常把巖溶裂隙含水層視為各向均勻的透水體。根據(jù)含水層的平均裂隙率和滲透系數(shù)，計算漿液在一定注漿工藝下的擴散程度及疊加情況，從而對設計幕體的堵水效果進行評價分析。

但是，根據(jù)理論分析和實際施工情況可知，基巖裂隙發(fā)育情況受到區(qū)域構造和地下水潛蝕的影響，表現(xiàn)為明顯的不均勻性和分帶特征［4-6］，其對注漿效果的影響不言而喻。本研究結合南李莊鐵礦帷幕注漿施工過程，通過鉆探巖芯裂隙統(tǒng)計和區(qū)域構造分析，揭示了巖溶裂隙產(chǎn)狀對礦山帷幕注漿施工和堵水的影響。

1 工程概述

南李莊鐵礦原名胡峪鐵礦，位于河北省邯鄲縣南李莊村，已于1994完成地質勘探，查明鐵礦石儲量2 285.7萬t。礦區(qū)地層由老到新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、新近系和第四系。該礦屬于接觸交代型磁鐵礦床，賦存于中奧陶系鈣鎂質碳酸鹽巖與燕山期閃長玢巖的接觸帶上，中奧陶系灰?guī)r含水層為礦體的直接圍巖。

南李莊鐵礦為水文地質條件極為復雜的大水礦山，水文地質研究報告中預測該礦開采至－150 m水平時礦坑最高涌水量可達74 470 m3/d。為了減少礦山排水費用、保障開采安全并保護礦區(qū)地下水資源，礦山選擇帷幕注漿技術治理地下水，設計帷幕線長約1 691 m，注漿孔169個，帷幕線平面布置形式詳見圖1。

圖1 南李莊鐵礦設計帷幕線平面布置與礦區(qū)構造

礦區(qū)構造極其發(fā)育，主要表現(xiàn)為褶皺和斷裂，褶皺主要分布在中奧陶系地層中，為南北構造體系。斷裂主要分布在礦區(qū)東部及北部石炭、二疊系地層中，屬新華夏構造體系，斷層走向以北北東、北東向為主，多以高角度(70°左右)正斷層形式出現(xiàn)，礦區(qū)構造組合關系如圖1所示。

2 礦區(qū)巖溶裂隙產(chǎn)狀劃分

中奧陶系石灰?guī)r是礦區(qū)的主要含水層，以巖溶裂隙為主，裂隙率為0.7% ～1.5%，含水層平均滲透系數(shù)為5.954 m/d。

表1為鉆探施工中某10個終孔鉆孔注漿段巖芯導水裂隙情況統(tǒng)計結果(平均每孔注漿段總長595.25 m)，由此可見礦區(qū)裂隙產(chǎn)狀及發(fā)育情況。為便于分析，將導水裂隙劃分為水平巖溶裂隙、垂向巖溶裂隙、斜向巖溶裂隙3種類型。

表1 礦區(qū)巖溶裂隙發(fā)育情況統(tǒng)計

2.1 水平巖溶裂隙

如圖2所示，水平巖溶裂隙面基本垂直于鉆孔軸向，偶見于地層層位發(fā)生變化的部位，寬度一般有幾毫米，大者可達數(shù)厘米。雖然此種產(chǎn)狀裂隙在區(qū)內少見，但鉆探揭露層間構造破碎帶常發(fā)育有透水性和連通性較強的大型水平溶隙，為礦坑的主要進水通道之一，也是注漿施工的重點改造部位。

2.2 垂向巖溶裂隙

圖2 水平巖溶裂隙

由圖3可知，垂向裂隙面基本平行于鉆孔軸向或與軸向相交角度極小，為礦區(qū)最為常見的裂隙形態(tài)，多為巖體經(jīng)受先期構造運動剪切或張拉產(chǎn)生，后期地下水溶蝕改造。由鉆探取芯可見，部分垂向裂隙為閉合節(jié)理，斷面充填方解石脈，基本隔水，而大部分則具有一定的張開度，寬度不一，從數(shù)毫米至數(shù)厘米，斷面粗糙，常具水蝕現(xiàn)象，說明其具有很強的透水性和連通性，為礦區(qū)主要巖溶過水通道，也是帷幕注漿施工中漿液的主要充填部位，其充填程度直接影響幕體的堵水性能。

圖3 垂向巖溶裂隙

2.3 斜向巖溶裂隙

圖4 所示為斜向巖溶裂隙的發(fā)育情況，其斷面傾角介于以上2種裂隙之間，為鉆探中較為常見的裂隙形態(tài)，發(fā)育寬度數(shù)毫米甚至更大，斷面十分粗糙，連通性和延展性均較好，同樣是礦區(qū)巖溶水的賦存場所和運移通道，需要注漿施工予以封堵改造。

圖4 斜向巖溶裂隙

3 漿液在不同裂隙中的運移情況

裂隙產(chǎn)狀形態(tài)控制著注漿過程中漿液的運移、擴散等，是幕體堵水效果的影響因素之一，同時對注漿施工存在一定的影響。

3.1 漿液在水平裂隙中的運移

漿液在水平巖溶裂隙中的運移情況如圖5所示，漿液通過裂隙向周圍擴散，圍繞注漿段周圍形成一定近圓形范圍的結石體以充填裂隙空間，此種情況最為符合設計和驗算要求。但是，漿液實際運移距離范圍受到裂隙寬度、裂隙面粗糙程度等因素控制，本研究不作探討。

圖5 水平巖溶裂隙中漿液運移情況

3.2 漿液在斜向裂隙中的運移

如圖6所示，由于斜向巖溶裂隙與注漿孔呈斜交狀，在注漿過程中，漿液在機械壓力和自身重力的雙重作用下，沿著裂隙向四周運移，其中向下流動的漿液擴散距離和程度勢必優(yōu)于向上方流動的漿液，因為后者需要抵消掉一部分自重壓力。

圖6 斜向巖溶裂隙中漿液運移情況

3.3 漿液在垂向裂隙中的運移

對于垂直鉆孔帷幕注漿施工而言，垂向裂隙是一種較為特殊的產(chǎn)狀形式(其中包括斷面陡傾的裂隙)，通過圖6的分析可知，漿液在近平行于鉆孔軸向的平面內流動，在壓力作用下逐漸充填所有連通性較好的導水部位。

然而，此種裂隙產(chǎn)狀對注漿施工存在較大的影響。如果裂隙垂向連通性強，可能造成部分漿液順著裂隙繞過注漿段充填該段底板以下尚未進行鉆探施工的部位(如圖7中④處所示)，因裂隙被先期充填，從而影響下段注漿時漿液的擴散程度，對幕體堵水不利。這也是造成部分Ⅰ序孔鉆探過程中偶爾發(fā)現(xiàn)漿液結石的主要原因之一。

圖7 垂向巖溶裂隙中漿液運移情況

4 帷幕線與裂隙組合形式對注漿施工及堵水的影響

前文分析了單孔漿液在3種不同產(chǎn)狀巖溶裂隙中的運移特點，但工程的最終目的是形成具備堵水能力的帷幕體，這需要沿帷幕線的一排注漿孔間的漿液具有相互疊加補充作用才能達到目的，因而帷幕線與幾種裂隙間的組合關系是影響注漿施工、幕體質量和堵水效果的重要因素。

4.1 水平和斜向裂隙的影響

如圖8所示，水平和斜向巖溶裂隙與帷幕線鉆孔的組合關系較為簡單，因為裂隙平面在水平向具有較好的展布，注漿施工中容易被控制，不易造成疏漏。漿液擴散范圍較均勻，相鄰各次序注漿孔間連通裂隙中漿液能夠起到互相加密補充的作用，在此情況下形成的幕體堵水性能較好。

圖8 水平與斜向溶裂隙中漿液擴散疊加情況垂向剖面

但是，在相鄰或孔距較小的鉆孔同時進行注漿施工的情況下，如果彼此存在連通性較好的水平或斜向裂隙，兩孔間易發(fā)生串漿事故，嚴重者漿液甚至把止?jié){塞和注漿管凝固在鉆孔內，處理起來難度很大。因此，在注漿施工過程中應嚴格遵守技術規(guī)程，采取孔口注水等方法監(jiān)測孔內水位抬動情況，在保證注漿質量的同時減少此類事故的發(fā)生幾率。

4.2 垂向裂隙的影響

垂向或陡傾巖溶裂隙斷面與帷幕線可呈平行或者斜交形式，通過沿帷幕線方向的垂向剖面(圖9)的分析可以看出:圖9(a)中顯示基本平行于帷幕線的垂向裂隙只要被鉆孔揭露，漿液就可以在順著帷幕線方向裂隙平面內流動，形成堵截地下水通道的墻狀結石體，對幕體堵水有利;然而在圖9(b)中，裂隙與帷幕線成一定角度相交，在注漿孔間距一定、裂隙間連通性差、為獨立過水通道的情況下，將會存在部分如圖中①～④所示的裂隙難以被漿液充填，從而成為工程質量的隱患部位，對于幕體形成良好堵水性能極為不利。另外，圖10(a)、(b)分別為圖9中2種情況所對應的水平剖面示意圖，由此也十分明確地解釋上述了問題。

4.3 礦區(qū)構造對注漿施工的影響

本區(qū)構造十分發(fā)育，屬新華夏構造體系，由圖1分析可知，區(qū)內分別發(fā)育有NNE向的背斜、向斜和正斷層穿越帷幕線南北兩段。

對于褶皺而言，其核部地層往往較為破碎，層間錯動和各向裂隙極為發(fā)育，而斷層兩側常伴生有次級斷裂，這些部位后期經(jīng)地下水流侵蝕、沖刷，形成良好的過水通道，是帷幕注漿施工中應當重點勘察、治理的位置。

由圖1所示，設計帷幕線的BD、GH和HA段均和礦區(qū)主要構造跡線相交，因此，在施工過程中，首先應結合Ⅰ序注漿孔進行詳細的地質勘察，探明以上位置構造及各種巖溶裂隙的發(fā)育特征、透水情況等，為注漿施工、布置檢查加密孔和后期幕體堵水效果評價打下基礎。

5 結論

(1)本研究結合南李莊鐵礦帷幕注漿工程實例，將礦區(qū)內的巖溶裂隙劃分為3種常見類型，分別為水平、垂向和斜向巖溶裂隙。

(2)闡述了漿液在上述3種不同類型巖溶裂隙中的運移、疊加規(guī)律，在此基礎上分析了帷幕線與裂隙、構造的組合形式對帷幕注漿施工、幕體堵水效果的影響，重點提出應關注與帷幕線相交的垂向(陡傾)裂隙對工程質量可能造成的不良影響。

(3)根據(jù)鉆孔巖芯難以判別裂隙面走向，故對幾種裂隙間的組合關系缺少相關分析。在很多地層中，各種不同類型的裂隙往往交錯發(fā)育，形成良好的裂隙網(wǎng)絡，這些連通性良好的裂隙對于施工過程中漿液的擴散和互相疊加是有利的，同時地層吸漿量也是很大的。因此，結合區(qū)域構造發(fā)育特征，加強礦區(qū)的地質條件研究是保障帷幕注漿工程達到預期要求的先決條件，應予以高度重視。

［1］ 盧 萍，侯克鵬.帷幕注漿技術在礦山治水中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2010(3):21-24.

［2］ 王 軍.礦山地下水害防治技術新進展［J］.采礦技術，2002，2(3):55-58.

［3］ 蔣鵬飛，于同超，高廣峰.帷幕注漿工藝在大水礦山中的應用［J］. 現(xiàn)代礦業(yè)，2010(6):118-120.

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［5］ 安潤蓮，寧永香.巖溶研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.煤炭技術，2002，21(5):55-57.

［6］ 莊金銀，黃永亮.影響巖溶發(fā)育因素的幾點探討［J］.西部探礦工程，2008(1):127-129.