遷安市長城金礦Ⅰ號礦體帷幕注漿工程的施工

高英強

(山西省地質勘查局二一七地質隊，山西 大同 037008)

1 工程概況

遷安市長城金礦位于河北省遷安市軍屯村北側，礦方擬在其礦區內(第7勘探線至第2勘探線)南部開采Ⅰ號金礦體。因礦床富水性強，地下水水位埋深淺，礦體賦存于地下水水位之下約200 m，排水困難，開采難度大，需對擬開采礦體進行帷幕注漿堵水。由山西省第十地質工程勘察院編制了《遷安市長城金礦Ⅰ號礦體帷幕注漿堵水施工設計方案》，該方案經甲方同意后，山西省第十地質工程勘察院實施遷安市長城金礦Ⅰ號礦體帷幕注漿堵水工程。

2 注漿設計

本工程主要是通過鉆機成孔——高壓注漿，利用注漿材料的充填凝固，阻斷基巖裂隙和巖溶通道，形成隔水帷幕。根據地下水水位埋深，注漿段起始標高定為+90 m。帷幕底界以進入相對隔水的薊縣系楊莊組(Jxy)頂面以下50 m為限。這樣，在Ⅰ號礦體周圍形成一個與外圍相對隔離的堵水幕體，且長期有效。帷幕內排水量與堵水前相比，堵水后排水量降低率為85%以上，以減少礦坑排水，解決礦區排水難度，減少排水費用，滿足采礦施工要求，提高采礦效益，保護地下水資源及礦山地質環境。

2.1 鉆孔布設

該項目經東、南、西、北4條帷幕線組成閉合的帷幕體，阻斷區域來水。帷幕平面呈不規則梯形，設計鉆孔100個，其中直孔92個，穿過帷幕線的F5斷層帶布置斜孔8個。南帷幕距離F1斷層帶較近，鉆孔按鋸齒狀布置，鉆孔斜距8 m，直距7 m，線距4 m，布置鉆孔19個，其余各帷幕布置單排鉆孔，鉆孔間距8 m，帷幕線長760 m，鉆探總進尺30060 m，其中注漿段長26925 m，非注漿段長3135 m，注漿量29620 m3，設計工作量情況見表1。

2.2 孔深和孔徑

設計要求，鉆孔注漿段孔徑≥96 mm，注漿段起始標高+90 m以上采用套管永久封閉，孔斜控制在每百米1%以內。

表1 設計工作量Table 1 Designed workload list

2.3 注漿壓力設計

注漿壓力是注漿的重要參數之一，注漿結束壓力標準：

P=P1+P2-P3≥3 MPa

式中：P——注漿全壓力，MPa，取靜水壓力的2～3倍；P1——孔口壓力表指示壓力，MPa；P2——漿液自重壓力，MPa；P3——地下水靜水壓力，MPa。

漿液自重壓力P2可按下式計算：

P2=〔hγ+(2S+L)/2+(γ-1)/2〕/100

式中：P2——漿液自重壓力，MPa；h——壓力表至地下水位間的高度，m；γ——漿液密度，g/cm3；S——地下水位至止漿塞的高度，m；L——注漿段長度，m。

2.4 注漿材料

水泥、水、水玻璃。

3 注漿施工

3.1 注漿工程量

通過第1序次鉆孔施工，按設計深度進入薊縣系楊莊組(Jxy)50 m后巖層仍破碎，注漿量較大。為此，將北帷幕線鉆孔深度增加至260 m(標高-140 m)左右，南帷幕線鉆孔深度增加至400 m(標高-250 m)左右。其余鉆孔根據地層破碎程度及注漿量情況適當增加深度。

根據實際情況對原設計進行了調整，調整后的帷幕線長780 m，設計鉆孔108個(含8個取心孔)，鉆探工作量31917.00 m,其中注漿段長29296.42 m，非注漿段長2620.58 m,注漿量32226.06 m3，設計單位注入量1.1 m3/m。

據長城金礦深部普查地質報告資料，F1斷層位于南帷幕線南側10～50 m，F5斷層在北帷幕線ZK63～ZK64鉆孔、南帷幕線ZK27～ZK29鉆孔附近通過。實際施工中，根據西、南、東三側帷幕線注漿鉆孔揭露的斷層破碎帶位置，推斷F1斷層對應的地面位置從南帷幕線內側(西帷幕ZK88鉆孔與東帷幕ZK38鉆孔連線)通過，走向120°，傾向SW，傾角65°。較原資料向北平移80～100 m。據北帷幕鉆孔巖心破碎程度、注漿量情況，以及北帷幕內外兩側+90 m平巷掘進中揭露斷層破碎帶位置，推測F5斷層帶應從北帷幕ZK67～ZK72鉆孔范圍通過。原設計的F5斷層南、北帷幕8個注漿斜孔調整到北帷幕F5破碎帶位置(ZK64～ZK77鉆孔)，進行孔間加密，加密孔深度設計200 m左右。

實際完成鉆孔108個，鉆探工作量32192.96 m，其中注漿段長29379.50 m，非注漿段長2813.46 m，帷幕共注漿37450.09 m3，漿液單米注入量1.33 m3。

3.2 注漿方法

采用下行式灌注法，鉆孔鉆進20～40 m的注漿段，然后下入止漿塞到該注漿段頂部以上完整地層，進行隔水后，連接注漿站的注漿管道，由注漿站攪拌漿液進行不間斷注漿，達到注漿結束壓力標準后停止注漿[1-7]。

3.3 壓水試驗和水泥配方

下好止漿器，先做壓水試驗，檢查注漿系統，同時把鉆孔裂隙中的巖粉等充填物推出注漿范圍以外，以利漿液的充填密實，提高膠結程度，并獲取壓水試驗的各項數據。通過壓水試驗獲取的單位吸水量和滲透系數，及時判斷裂隙透水能力，通過壓水試驗獲取的呂容值ω≤0.05 Lu時，注漿段巖心完整，裂隙極小甚至沒有裂隙，水在加壓的情況下都不可能在地層中擴散，故漿液也不可能在地層中擴散，該注漿段可跳過注漿程序，待鉆孔成孔完畢封孔時將該注漿段封實即可。

依據設計采用水灰比1.25∶1、1∶1、0.75∶1和0.6∶1四種濃度配比的漿液注漿，水玻璃添加質量為水泥質量的2%～5%。

4 注漿施工工藝

4.1 鉆孔成孔

(1)地表松散層段，開孔采用?133 mm金剛石復合片鉆頭鉆進，泥漿護壁。鉆進至完整巖石5～8 m，下入?127 mm護孔管。

(2)地下水位以上段，采用?113 mm金剛石復合片鉆頭鉆進，泥漿護壁。鉆進至+90 m，下入?108 mm套管，用水泥漿固管。

(3)待水泥漿凝固后，采用?96 mm金剛石繩索鉆具，清水鉆進，每到一個注漿段先洗孔后做壓水試驗、注漿、凝固4～6 h、掃孔鉆進，如此反復直至終孔。

部分鉆孔覆蓋層較厚，見基巖深度超過設計起始注漿深度(+90 m)，致使下入套管深度超過設計起始注漿深度，根據巖層實際情況調整了鉆進工藝，采取在注漿孔段內套管割花管的方法注漿(低于+90 m套管均打孔至+90 m處)。

4.2 鉆孔注漿順序

為了防止竄漿、保證注漿質量和效果，鉆孔按三個序次依次施工，第一序次鉆孔編號為1、5、9、13、……，第二序次鉆孔編號為3、7、11、15……，第三序次鉆孔編號為2、4、6、8、12、……。在施工二次序和三次序鉆孔過程中，均從巖心裂隙中發現前一次序鉆孔注的水泥漿，對裂隙進行了有效充填(參見圖1)。

圖1巖心裂隙充填水泥照片
Fig.1Core cracks filled with cement

4.3 注漿流程

根據設計要求及鉆進中的具體清況，當鉆孔達到一個注漿段長度時，洗孔、下止漿器，首先確定壓水、注漿結束標準、漿液濃度，然后做壓水試驗，而后制作漿液，先向一級攪拌池按配比標定加水，開動攪拌機，加入水泥，攪拌10 min，放入二級攪拌池，加水玻璃，攪拌5 min，開始注漿。

一般情況下注漿由稀漿開始，為的是滿足擴散半徑的要求。如遇大吸漿量的注漿段時，當一種漿液注入量>50 m3時，采用間歇式注漿，防止漿液無為擴散，使其既能達到充滿帷幕體的效果，又不至消耗太多漿液。間歇后注漿改用下一級配比開始，最后由濃漿結束。

注漿開始一般先用大排量即高擋位，隨著注漿量的增加，孔口壓力表有一定反映，壓力值逐漸升高，并最終達到設計終壓，此時改用次一級擋位，直到變為最低一級擋位注漿吸漿量<0.58 L/s時，利用注漿泵回水閥，保持壓力不變，穩定30 min后停止注漿。如果在穩定階段又發生異?，F象，比如壓力突然增大或吸漿量突然增大等，注漿不停止，繼續進行，視前面已經達到設計壓力和吸漿量為無效，重新開始，直到達到新的平衡后，穩定注入30 min無異常才停止注漿[8-15]。

所有鉆孔最后一段注漿結束后，又對鉆孔分段進行了壓水試驗、復注漿，如果壓水試驗測的呂容值<0.05 Lu時，用0.8∶1漿液進行無壓封孔，如果壓水試驗測的呂容值>0.05 Lu時，有壓注漿封孔。

4.4 礦區抽水量觀測

礦山主井、副井均位于帷幕線外北側，主井水位標高85.85 m，副井水位標高87.70 m。帷幕線內有水井6眼、西帷幕線外側1眼，井深120～130 m，帷幕注漿施工前水位標高在85～87 m。在帷幕鉆孔注漿時，水泥漿灌入井內將水井淤堵，多數水井淤至井深70～80 m，致使水井水量減少或無水。

自主盲豎井排水開始(2017年10月24日)，對7眼水井進行水位觀測。從水位觀測記錄可看出，隨著帷幕線注漿孔、加密孔施工的實施，其中5眼水井水位下降明顯(見表2), 各水井因與排水的主盲豎井距離及水泥漿注入后淤堵程度不同，水位下降幅度不同。

5 注漿效果

主盲井位于北帷幕線西段內側12 m處。2017年10月16日掘進至深度15.5 m(標高74.5 m)時，在井筒北側井壁揭露一斷層帶，走向35°，傾向125°，傾角75°，斷層帶寬度2.5 m，巖性為灰色白云巖碎塊與紫紅色泥砂混雜。斷層帶有地下水涌出，涌水量約為10 t/h。

2017年10月24日掘進至深度19.8 m(標高70.2 m)時，在井筒東北側井壁揭露一斷層帶，走向近340°，傾向250°，傾角45°，斷層帶寬度約3.0 m，巖性為泥質白云巖碎塊與紫紅色泥砂混雜。地下水沿井壁裂隙涌出，水量約30 t/h。在井底打炮眼孔1.5 m深時，炮眼孔內向上涌水，最高水頭高達1.0 m。當時井內一臺水泵(排水量60 t/h)排水，水位不降，后增加一臺水泵(排水量50 t/h)同時排水，水位降至井底，根據泵量及揚程，估計總涌水量達90 t/h。連續排水30 d，炮眼孔內涌水水頭約0.2 m，排水量漸減少到約50 t/h，在北帷幕ZK69、ZK70鉆孔注漿時在井底裂隙有少量水泥漿隨地下水滲出。

2017年11月28日起，在排水條件下開始掘進。掘進至深度25 m(標高65.0 m)時，井內出水量明顯減小，在12月8日排水量約為30 m3/h。

2017年12月12日井底深度30.5 m(標高59.5 m)，南馬頭門掘進6.0 m、北馬頭門掘5.0 m。兩處掘進工作面及頂板均有水從巖縫中流出(無壓力)，井內總出水量增加至80～100 m3/h。

隨著北帷幕線注漿孔及加密注漿孔，在不同深度注漿不斷閉合，從帷幕線外側補給水量逐漸減小。

5.1 不同序次鉆孔吸漿率變化特征

根據不同序次鉆孔注漿量、吸漿率值及各序次鉆孔吸漿率曲線圖可看出，各序次吸漿率逐次遞減，符合裂隙巖層注漿規律，反映注漿效果良好(見表3、圖2)。

表3 各序次鉆孔吸漿率統計Table 3 Summary of grout absorption rate of the boreholes in each sequence

圖2 各序次鉆孔吸漿率曲線圖Fig.2 Absoption rate curves of the boreholes in each sequence

5.2 帷幕線注漿及吸漿率變化特征

根據已完成鉆孔注漿量統計，各帷幕線注漿量及吸漿率情況見表4，各帷幕線吸漿率等值線見圖3～6。

表4 各帷幕線注漿量及吸漿率情況統計Table 4 Grouting quantity and absorption rate of each curtain line

從以上等值線圖可看出：西帷幕吸漿率較大范圍分布在標高+90～-100 m；南帷幕吸漿率較大范圍分布在標高+90～-100和-150～-250 m兩段，上部為侏羅系后城組(J2h)礫巖、安山質凝灰巖、流紋質凝灰巖，巖石裂隙較發育，下部對應為F1斷層破碎帶；東帷幕及北帷幕東段位于F1與F6斷層之間，巖石裂隙發育相對較弱，吸漿率偏小，受廢棄巷道影響，上部有小范圍吸漿率偏大；北帷幕西段位于F5與F2斷層交匯部位，斷層破碎帶發育，巖石裂隙發育，吸漿率較大范圍分布在標高+90～-50 m。

圖3北帷幕吸漿率等直線圖
Fig.3Contour map showing the absorption rate of the north curtain

圖4 西帷幕吸漿率等直線圖Fig.4 Contour map showing the absorption rate of the west curtain

綜上所述，吸漿率大小主要受斷層破碎帶位置及深度控制。在斷層帶附近，巖石破碎程度高，吸漿率增大；隨著深度增加，巖石裂隙發育程度逐漸降低，吸漿率減小。

5.3 地下水導水通道特征

地下水補給通道：Ⅰ號礦體帷幕注漿施工前，礦區地下水水位標高在85～88 m，北高南低，地下水由北向南徑流。由于礦區內斷裂構造發育，F2、F3、F5、F6、F8、F10六條斷裂在設計開采區西北部(Ⅰ號礦體采區西北約200 m)交匯，斷裂帶巖石裂隙發育，巖層破碎嚴重。F2、F10斷層向北東延伸3～5 km，穿過采區北部的大岔溝、地眼溝及多條溝谷，地表水通過斷裂帶向下游(設計開采區)地下入滲補給，向6條斷裂交匯處徑流，成為地下水的導水通道。

圖5南帷幕吸漿率等直線圖
Fig.5Contour map showing the absorption rate of the south curtain

圖6 東帷幕吸漿率等直線圖Fig.6 Contour map showing the adsorptiotn rate of the east curtain

導水通道特征：根據區域構造分布特征，長城金礦設計開采區內斷裂帶是多期構造運動的產物。冷口斷裂帶位于五道河-冷口復式向斜的東北翼，在燕山期構造運動近南北向擠壓應力的作用下，形成了高角度冷口逆沖斷裂。受喜山構造運動的影響地應力轉換為拉張應力，逆沖的冷口斷裂轉換為正斷層。應力轉換過程中伴生了多條NW向和NE-NNE向斷裂，這些斷裂沿主應力方向追蹤式發育，在水平和垂向上呈鋸齒狀延伸。即構造導水通道在水平和垂向亦為不規則的帶狀延伸。

在北帷幕內外兩側+90 m水平巷道和主盲豎井掘進中，揭露的斷層破碎帶均為不規則的帶狀延伸。

6 存在問題及建議

由于該礦地質勘查程度低，特別是對礦區內構造及水文地質條件研究不夠，在Ⅰ號礦體帷幕線及注漿孔布置時，對Ⅰ號礦體地下水主要充水來源認識不夠，對導水斷裂帶封堵的針對性不強。如施工順序安排、部分注漿孔吸漿率偏低以及西帷幕被帷幕交匯處施工發現連串鉆孔注漿量大導致該段采取加密孔的補救措施。

建議遷安市長城金礦對礦區做水文地質、工程地質的詳查工作，以便查明開采技術條件，同時盡快施工大口徑疏干孔8～10眼，以排出帷幕圈內積水，確保礦區安全生產建設。另外，為確保安全，采礦活動至少與帷幕線保持15～20 m距離。

7 結語

通過本注漿工程的施工，本堵水工程實施后，Ⅰ號礦體周圍巖石裂隙、斷層導水通道將會被填堵，呂容值ω≤0.05 Lu。Ⅰ號礦體帷幕范圍內排水量大幅度減少。與堵水前排水量相比，堵水后排水量降低率為85%以上，既解決了排水難度，又減少了排水費用，滿足采礦施工要求。