某鐵礦溜破系統(tǒng)地表預(yù)注漿效果評價

趙曉明　宋世君　高學(xué)通

(華北有色工程勘察院有限公司)

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某鐵礦溜破系統(tǒng)地表預(yù)注漿效果評價

趙曉明宋世君高學(xué)通

(華北有色工程勘察院有限公司)

摘要礦山溜破系統(tǒng)包括溜井、上部礦倉、破碎硐室和下部礦倉，溜破系統(tǒng)預(yù)注漿工程區(qū)別于井筒，井上、井下工程分部的不規(guī)則性導(dǎo)致了其施工難度大，工程質(zhì)量難以控制，因此在溜破系統(tǒng)開掘之前需對注漿效果進(jìn)行評價。在井筒預(yù)注漿驗(yàn)收規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合帷幕注漿的評價方式，對注漿效果進(jìn)行了綜合評價，結(jié)果表明注漿效果滿足了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞地表預(yù)注漿溜破系統(tǒng)注漿效果

在礦山豎井建設(shè)過程中，由于受礦區(qū)地下水豐富或地層條件的影響，往往采用地表預(yù)注漿和凍結(jié)的施工形式解決此類問題，使掘進(jìn)工作順利進(jìn)行。

目前，預(yù)注漿工程對單獨(dú)豎井比較成熟，對溜破系統(tǒng)，由于其地下工程布置不規(guī)則，普通圍堵的注漿方式很難滿足其注漿效果。因此，需對注漿形式及注漿效果進(jìn)行評價。以某鐵礦溜破系統(tǒng)地表預(yù)注漿工程為例，進(jìn)行了該注漿效果的綜合評價。

1工程概況

1.1背景

某鐵礦位于河北省沙河市白塔鎮(zhèn)，屬接觸交代型鐵礦床。礦體圍巖為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，透水性強(qiáng)，礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜。礦體基底為燕山期火成巖，火成巖與石灰?guī)r接觸帶附近普遍發(fā)育著厚層矽卡巖化破碎地層，巖體完整性差、強(qiáng)度低，受礦山井巷工程掘進(jìn)開掘擾動，極易導(dǎo)通上部灰?guī)r地下水，造成工作面突水[1]。

該鐵礦溜破系統(tǒng)為礦山井下開拓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，為了保證溜破系統(tǒng)工作面掘砌時的正常施工，決定采用地表預(yù)注漿的施工方法治理地下水。

1.2地層概況

(1)第四系(Q)。礦區(qū)大部被第四系覆蓋，以紅褐色、黃褐色等雜色黏土為主，一般30～100 m，最厚可達(dá)264 m。施工場區(qū)第四系地層覆蓋厚度比較均勻，為25～29 m，層底平均標(biāo)高189.87 m。

(2)石炭二疊系(C-P)。礦區(qū)局部分布有石炭二疊系，巖性以泥巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖為主，厚度變化大。施工場區(qū)缺失該層。

(3)奧陶系(O2)。奧陶系中統(tǒng)為礦區(qū)地下水的主要賦存層位，全區(qū)皆有分布，主要為馬家溝組石灰?guī)r，巖性由青灰色中厚層致密灰?guī)r、淺灰至灰白色白云質(zhì)灰?guī)r、角礫巖、角礫狀灰?guī)r及結(jié)晶灰?guī)r等組成。施工場區(qū)揭露石灰?guī)r總厚度約327.97 m，層底平均標(biāo)高為-138.15 m。

受巖漿巖上侵的熱蝕作用，石灰?guī)r中廣泛分布有厚度不均的矽卡巖破碎帶和灰?guī)r蝕變破碎帶，該層物理力學(xué)性質(zhì)差，遇水膨脹、崩解、易坍塌，巖芯以灰白色、淺黃色居多。施工場區(qū)矽卡巖破碎帶分兩部分：上部主要分布在81.87～57.50 m，厚度約9.60 m；下部分布在-3.13～-20.10 m，厚約16.80 m。蝕變灰?guī)r破碎帶厚度較大，分布在-138.12～-167.62 m，厚度約29.53 m。

(4)巖漿巖。巖漿巖體總體走向北北東，傾向南東。施工區(qū)由巖漿巖侵入形成的矽卡巖破碎帶、蝕變閃長巖破碎帶普遍存在，是礦體與奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r的下臥層，主要礦物成分有輝石、角閃石、正長石等。

2工程施工概況

2015年6月11日—28日，完成鉆孔18個，其中注漿孔15個，檢查孔3個。鉆孔布置見圖1。完成主要工作量及材料用量見表1。

3注漿效果評價

該工程施工難度大，設(shè)計堵水率要求高(注漿堵水及固結(jié)后,溜破系統(tǒng)掘砌工作面涌水量小于10 m3/h)，工程按設(shè)計要求完成野外施工，但尚不具備井筒掘進(jìn)后驗(yàn)證條件，現(xiàn)根據(jù)施工資料、檢查孔檢查結(jié)果等資料，綜合評價注漿施工效果。

3.1疊加效應(yīng)分析

前序孔的注漿影響了后序孔的注漿量(或地層透水性)，一般呈現(xiàn)出后序孔注漿量(或地層透水性)小于前序孔的趨勢。

圖1　鉆孔平面位置(單位:m)

鉆探/m注漿/m3注漿材料用量/t水泥膨潤土水玻璃9199.1911586.343783.791207.6979.29

按注漿的先后順序?qū)Ω餍蚩椎膯挝蛔{量和單位透水率進(jìn)行統(tǒng)計，注漿疊加效應(yīng)見表2。

表2　疊加效應(yīng)評價

注：百分比是與Ⅰ序孔相比。

從表2可以看出，各序注漿孔注漿量逐漸減小，疊加效應(yīng)明顯，說明漿液的搭接效果較好，注漿效果明顯。

3.2頻率曲線分析

將不同孔序注漿段的單位注漿量和注漿前的單位透水率劃分到不同數(shù)據(jù)區(qū)間，以不同孔序在區(qū)間中所占比例規(guī)律來評價注漿效果。

根據(jù)各序孔注漿結(jié)果繪制的頻率曲線見圖2、圖3。

圖2　單位注漿量頻率曲線

從圖2可以看出，Ⅰ序孔86.67%的注漿段單位注漿量0.5～2.0 m3/m；Ⅱ序孔中92.30%的注漿段單位注漿量小于2.0 m3/m；Ⅲ序孔100%注漿段單位注漿量小于0.5 m3/m。

從圖3可以看出，Ⅰ序孔中有26.67%的注漿段單位透水率大于1.0 Lu，單位透水率主要集中在0.3～1 Lu，占44.44%；Ⅱ序孔中96.15%的注漿段單位透水率小于1.0 Lu，且小于0.3 Lu的注漿段為50.00%；Ⅲ序孔注漿段平均透水率均小于1.0 Lu，小于0.3 Lu的注漿段占75%。

圖3　單位透水率頻率曲線

3.3涌水量評價

采取注漿后井筒涌水量預(yù)測方式，進(jìn)一步評價注漿效果。選取最后施工的3#、8#、11#鉆孔做檢查，在三級壓力下分別測定試驗(yàn)段單位透水率，根據(jù)壓水試驗(yàn)資料，計算注漿后的井筒涌水量。

3.3.1井筒涌水量的計算[2]

按承壓轉(zhuǎn)無壓(水位降至含水層底板)計算井筒涌水量：

(1)

(2)

式中，QJ為預(yù)計井筒涌水量，m3/d；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；M為含水層厚度，m；H0為含水層靜水位至含水層底板高度，m；R為水位降至含水層底板時的影響半徑，m；rJ為井筒荒半徑，m；Sw為含水層水位最大降深，m。

3.3.2計算滲透系數(shù)K

(3)

式中，rK為鉆孔半徑，m，取0.066 5 m；α為系數(shù)，當(dāng)含水層厚度大于1/3L時，取α=1.32，當(dāng)含水層厚度不大于1/3L時，取α=0.66；L為壓水段高，m;W為壓水試驗(yàn)參數(shù)。

3.3.3計算壓水試驗(yàn)參數(shù)W[2]

(4)

式中，Q為壓水流量，L/min；P為壓水壓力，換算成水柱高度，m。

利用3次壓水?dāng)?shù)據(jù)計算，

(5)

(6)

(7)

(8)

式中，m為曲線判別參數(shù)。

利用m值判別Q～p曲線類型：m=1時，Q～p為直線，數(shù)學(xué)方程式為：Q=qp；12時，Q～p為對數(shù)曲線，數(shù)學(xué)方程式：Q=a+blgp；如果m<1，則壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)有誤，或另有其他原因，需重新試驗(yàn)。

根據(jù)上述計算公式及三點(diǎn)壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計算出相應(yīng)3段壓水試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)、滲透系數(shù)及預(yù)計井筒涌水量(見表3)。通過計算結(jié)果可知，檢查孔試驗(yàn)段計算出井筒涌水量均小于10 m3/h，滿足設(shè)計要求。

表3　井筒涌水量計算結(jié)果

4結(jié)論

通過疊加系數(shù)法、頻率曲線法對注漿后涌水量計算,對溜破系統(tǒng)注漿效果進(jìn)行綜合評價，認(rèn)為本工程漿液搭接良好，滿足注漿量依孔序遞減的規(guī)律，帷幕連續(xù)性滿足要求,注漿后涌水量計算結(jié)果可知，注漿效果達(dá)到了設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)

[1]宋世君.某礦業(yè)溜破系統(tǒng)地表預(yù)注漿工程報告[R].石家莊:華北有色工程勘察院有限公司，2015.[2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.MT/T 1058—2008立井井筒地面預(yù)注改性黏土水泥漿技術(shù)規(guī)范[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

(收稿日期2015-09-03)

趙曉明(1979—)，男，工程師，050021 河北省石家莊市匯通路39號。