加固破碎礦巖注漿強度GIN值的控制方法

王 恒 吳愛祥 王貽明 黃明清 沈顯嶺 薛振林

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

加固破碎礦巖注漿強度GIN值的控制方法

王 恒1,2吳愛祥1,2王貽明1,2黃明清1,2沈顯嶺1,2薛振林1,2

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

云南某銅礦礦體軟弱破碎，成孔鑿巖開采困難，引入化學注漿預加固方案優化開采，然而前期注漿工業實驗中遇到漿液用量過多，難以準確控制的情況。為了對速凝的化學注漿施工進行精確控制、簡化控制流程，應用注漿強度控制理論GIN值法(Grouting Intensity Number)研究開展破碎礦體化學注漿試驗,建立破碎銅礦化學注漿控制標準，并通過鉆孔探測儀檢測注漿效果。結果表明，注漿強度GIN值法的工業應用應綜合考慮注漿終壓Pf與每米漿液用量Vf，確定扇形注漿孔不同深度范圍的控制標準為：孔深0～8 m，Pf<60 MPa·L/m；孔深8～15 m，Pf<95 MPa·L/m；孔深>15 m，Pf<160 MPa·L/m。鉆孔探測儀檢測結果顯示，漿液擴散范圍滿足設計擴散半徑2.5 m，注漿后成孔效果有了顯著改善。研究結果可用于量化注漿控制標準，簡化工程應用，提高破碎礦體的穩定性。

化學注漿 GIN強度值 控制標準 效果檢驗

1 工程概況

云南某銅礦，礦區工程地質條件屬中等復雜，區內構造、裂隙較發育，不良工程地質現象發育，局部礦巖破碎嚴重；礦石含泥量較高，遇水板結、膠結嚴重。現行淺孔留礦法開采，目前存在成孔率低、卡釬、斷釬、堵孔、塌孔頻發、礦石損失貧化率高、采場放礦困難等一系列問題。針對這一現狀，該銅礦2013年7—9月開展了化學注漿預加固工業試驗。試驗注漿區域為該銅礦4#礦體3采2分段，傾角67°，礦塊沿走向15 m，厚22 m，高20 m。初期試驗階段漿液擴散與加固效果相對較好，但化學漿液用量超出設計較多，注漿成本超標。在保證注漿效果的前提下，盡可能減少漿液用量成為此項技術成功的關鍵。注漿施工中，可控變量為注漿壓力P、注漿量Q及其與時間相關的變量。單一壓力控制，可能造成漿液用量過大；單一注漿量控制，又恐難以滿足不同地質情況的加固要求[1-2]，因此，建立經濟有效的注漿強度控制方法尤為重要。

目前，注漿控制技術主要以壓力分析為主，主要有：基于模糊邏輯理論的注漿瞬時壓力解讀分析的TPA法，基于注漿壓力、殘余壓力、壓力—注漿量變化率、時間相關行為等因素的敏感注漿壓力分析控制PSG法[3-7]，基于詳細注漿壓力、漿液性質、漿液擴散范圍研究的時時注漿控制RTGC方法[1，8]以及基于注漿壓力P、漿液用量Q、注漿時間T的P-Q-T曲線分析控制方法[9]等。然而，這些方法的研究與應用均基于大型土木工程與煤礦工程，效果雖好，但控制系統龐大、復雜，成本投入極高，不便于銅礦的應用。尋找適用于破碎銅礦這一特殊巖體的注漿控制標準勢在必行。

銅礦注漿預加固與其它工程有以下4點突出區別：①整體預加固是保證回采期間采場穩定的一種臨時加固形式；②地下空間有限，要求施工與控制盡量簡便有效；③加固是為開采創造條件，加固等級應考慮后續爆破、采礦的經濟性；④過多的化學漿液勢必影響選礦指標。這一切都在要求最大化減少漿液用量，且保證回采安全。Weaver K D等[5]曾提出注漿強度GIN值控制法在巖石中應用的可靠性，但并未給出相關的工程實例，國內化學注漿也無應用于銅礦的先例。同時，GIN強度控制可實現簡單靈活、高效便捷的控制方式，在金屬礦山中的工業應用極具前景。

2 注漿強度GIN值控制方法

注漿強度GIN值是基于注漿壓力與注漿量兩者共同作用的一種“能量”的體現，能夠很好地避免考慮單一因素的諸多弊端。

2.1 注漿強度GIN值

注漿強度控制GIN法由瑞士灌漿專家Lombardi G.率先提出，在歐洲、南美洲地區的壩體注漿工程中得到應用，獲得較理想的注漿效果[3,10]。該理論認為注漿加固效果既不與注漿壓力，也不與漿液用量單一相關，而與二者乘積直接相關，施工時注漿量達到設計值即可停止注漿施工。注漿強度值GIN定義為注漿終壓Pf與每米注漿量Vf二者的乘積(式1)。

GIN=Pf·Vf.

(1)

式中，GIN為注漿強度值，MPa·L/m；Pf為注漿速率為零時孔口注漿壓力顯值，MPa；Vf為注漿中止單孔每米漿液用量，L/m。

2.2 注漿強度GIN值的獲取

采用注漿強度值GIN的方法作為注漿控制標準，限定Pf·Vf為一常數，這樣針對寬大裂隙限制其注入量，控制漿液用量；注漿條件不佳時提高注漿壓力，保證相當的漿液擴散半徑。GIN值計算公式為雙曲線型反函數，屬無窮函數，而工程應用中應界定最大值Pmax、Vmax[6]。

(2)

(3)

式中，Pmax為限制注漿壓力，MPa；Vmax為限制注漿量，L/m；Fmax為注漿區域上方巖體的質量，kN；C為漿液凝固的黏聚力，MPa；t為裂隙寬度一半，mm。

由注漿強度GIN曲線與最大漿液用量與最大注漿壓力組成的注漿強度包絡線如圖1所示。

圖1 注漿強度控制曲線GIN限制包絡線

注漿強度包絡線反映了設計達到的注漿強度值，實際注漿強度曲線與GIN限制包絡線相交即認為達到注漿標準，可結束對此孔的注漿。總的來講可以將注漿強度曲線分為3類[1,7,11]：①注入量達到預設值(圖1線曲線g))；②注漿壓力達到預設值(圖1線曲線e)；③壓力與注人量雖小于限定值，但二者乘積達到GIN值(圖1曲線f)，滿足以上3種情況任意1種即可結該孔注漿施工。這樣通過施工中注漿壓力、漿液用量或二者乘積的簡單觀測計算即可實現注漿工程的有效控制。

3 工業應用

3.1 工程背景

注漿試驗加固區域為礦體及與之毗鄰的上盤圍巖，確保回采期間的采場穩定。注漿材料選用MP 357固化劑(MEYCO MP 357 Flex)，可以快速膠結固化破碎礦體。注漿設備主要包括鑿巖設備和注漿設備，其中鑿巖使用YGZ-90型導軌式中孔鑿巖機，注漿器材有氣動雙液注漿泵、微型三通、微型攪拌器、封孔器、注漿(花)管等。通過理論計算及工程類比，最終確定化學注漿主要技術參數如表1所示。

表1 化學注漿主要技術參數

注漿巷道沿礦體走向布置于礦房內，位于礦體下盤圍巖內礦巖交界處，沿注漿巷道設計3排注漿孔，排距5 m。每排均采用扇形布孔形式，如圖2所示。

圖2 每排扇形注漿孔布置

考慮鉆孔作業時方便出渣，從最容易出渣、鑿巖的5號孔開始，依次4-3-2-1-6-7-8-9。采用后退式分段注漿，每孔設計分3段注漿，分段長度為5～8 m，按從孔底至孔口的順序后退注漿施工。

3.2 扇形孔注漿強度GIN值確定

Lombardi G[10]提出注漿強度GIN值可通過理論計算法、室內試驗法、觀察評價法等求得。本研究采用觀察評價法，以初期試驗的注漿深度、注漿量、注漿終壓等實測記錄為依托，對淺部段(孔深0～8 m范圍)進行注漿強度GIN值的回歸計算。試驗區域礦巖性質相似，加固等級相當，GIN值相近。用Origin軟件選擇對應函數對數據點進行回歸擬合如圖3。

圖3 現場實際施工中注漿強度GIN值回歸分析

回歸曲線復相關系數R2為0.88，標準差為2.5，滿足精度要求。通過以上回歸分析，確定0～8 m范圍內注漿控制標準為GIN=60，另根據工程類比經驗限定最大注漿壓力Pmax=12 MPa，每米最大漿液注入量Vmax=11.5 L/m，Pmax與Vmax均在式(2)、(3)的計算范圍內。此范圍內的注漿控制標準為：

(1)達到最大注漿靜壓Pmax=12 MPa，且在5 min內流量小于0.3 L/min，延續5 min結束注漿；

(2)達到最大每米注入量Vmax=11.5 L/m結束注漿；

(3)注漿壓力與每米注漿量乘積達到設計注漿強度GIN值60 MPa·L/m，且漿液注入流量小于2 L/min，延續5 min結束注漿。

同樣得出扇形注漿孔(孔深0～23 m)不同孔深段的注漿強度GIN標準系列值如表2，GIN值包絡線如圖4。

表2 不同孔深的GIN值

圖4 某銅礦加固工程GIN注漿包絡線

孔深范圍8～15 m、>15 m段注漿控制詳細標準參考前述0～8段的標準。建議中等注漿速率(5～7 L/min)注漿；漿液注入速率小于0.3 L/min時為避免漿液凝固堵塞管路應考慮中止注漿；達到注漿結束標準時漿液注入速率應小于2 L/min。化學漿液加固效果極好，每米漿液用量Vf很小，注漿壓力P較大，GIN值較高。單孔內，深部段每米注漿孔控制范圍更大，注漿壓力與漿液用量也越大，對應圖4中更高的GIN值。引入GIN值控制標準表征加固強度、漿液用量、注漿壓力三者的定量關系，使得施工中注漿壓力與注漿量的控制有據可循，對指導注漿施工意義重大。

將初期記錄回歸計算的扇形孔GIN值控制標準，應用于后續第2排與第3排注漿施工，簡化、量化了現場施工控制。結果顯示，第1排漿液用量1 552 L，采用GIN強度值控制后第2排、第3排漿液用量分別為1 227 L、1 181 L，分別節省漿液17.7%、23.9%，提升了化學注漿的經濟性。

3.3 應用GIN值控制方法的注漿效果檢驗

(1) 檢查孔法分析漿液擴散半徑。試驗中為避免竄漿而采用間隔注漿方式，完成7號孔注漿后，用鉆孔探測儀檢查9號孔時在近孔口端觀測到化學漿液，將其反映在圖5中，計算與相鄰孔最小距離，推算漿液擴散半徑2.52～2.88 m，滿足2.5 m的設計值。施工中距孔口2 m處封孔，仍會出現巷道面少量返漿，反映了漿液優良的擴散性能。

圖5 化學漿液擴散半徑計算

(2) 鉆孔探測儀檢查注漿孔。巖層鉆孔探測儀對鉆孔內巖體結構、成孔質量、化學注漿效果進行檢查，注漿前后成孔效果如圖6。

圖6 注漿前后成孔效果對比

圖6(b)中亮白色雜亂無序的細脈為化學漿液。從巖層鉆孔探測儀的成像可知，化學注漿有效地改善了成孔效果，進一步提高了成孔率，從成孔角度說明了化學注漿對改善破碎礦巖性質發揮著積極作用。隨后的工業開采將能夠更好地證明化學注漿與注漿強度GIN值法控制的優越性。

4 結 論

(1)將注漿強度GIN值控制方法引入到某銅礦的整體預加固中，通過最大注漿靜壓、最大每米漿液注入量、注漿強度GIN值三者對注漿施工進行定量控制。開展了高壓速凝化學注漿工業試驗，研究了簡化注漿控制，節省漿液用量的控制標準，對化學注漿在金屬礦山中的推廣有著重要借鑒意義。

(2)回歸分析得到了適用于現場的注漿強度GIN值：孔深0～8 m，<60 MPa·L/m；孔深8～15 m，<95 MPa·L/m；孔深>15 m，<160 MPa·L/m，并依此給出了基于注漿強度GIN值的控制標準。

(3)采用檢查孔法對注漿效果進行了分析評價。鉆孔探測儀觀察驗證了漿液有擴散半徑達到了2.5 m的設計標準，成孔效果得到了很大改善，注漿后礦巖性質有了顯著提高。

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(責任編輯 徐志宏)

Controlling Method of Grouting Intensity Number for Reinforced Fractured Ore Rocks

Wang Heng1,2Wu Aixiang1,2Wang Yiming1,2Huang Mingqing1,2Shen Xianling1,2Xue Zhenlin1,2

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Beijing 100083，China)

A copper mine ore body in Yunnan Province is soft and fractured，so it is difficult to realize mining by hole drilling.Pre-reinforcement mining-optimized scheme with chemical grouting was introduced.However，in the beginning of the experiment，it is hard to accurately control the experiment，resulting in the problems that chemical slurry was over used.In order to quantize and simplify the control process of quick-setting chemical grouting applied in the copper mine，the Grouting Intensity Number method was applied to the chemical grouting experiment for the study of fractured ore-body.The controlling standard for chemical grouting of a fractured copper mine was established and the grouting effect was detected by the drilling detector.Results showed that the industrial applications of GIN method should fully consider final pressurePfand volume of chemical slurryVfper meter.Furthermore，the controlling standards based on depth range of fan-pattern grouting holes were as follows：at the hole depth of from 0 to 8 m，Pfis less than 60 MPa·L/m；at the hole depth of from 8 m to 15 m，Pfis less than 95 MPa·L/m；at the hole depth of greater than 15 m，Pfis less than 160 MPa·L/m.The drilling detector indicated that the diffusion radius of chemical slurry reached 2.5 m and the pore-forming effect had been significantly improved after grouting.Consequently，this study can be used to quantify the grouting control standards，simplify engineering applications and improve the stability of the fractured ore body.

Chemical grouting，Grouting Intensity Number method，Control standards，Effect testing

2014-09-04

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB08B02，2013BAB02B05),高等學校博士學科點專項(編號：20110006130003，2011000612002)。

王 恒(1990—)，男，碩士研究生。通訊作者 吳愛祥(1963—)，男，教授，博士研究生導師。

TD 853

A

1001-1250(2014)-11-035-04