尾礦庫壩基防滲帷幕注漿工藝適用性與改進研究

高學通，韓貴雷

(1.華北有色工程勘察院有限公司，石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術創新中心，石家莊 050021)

1 研究背景

中國是一個礦業大國，在礦產開采過程中產出了大量的尾礦廢棄物，據統計從2000年以后，我國礦山年排放尾礦達6億t[1]。隨著礦產資源的日益貧化，尾礦產出比例還將逐漸增大，除小部分作為礦山充填或綜合利用外，絕大部分堆存于尾礦庫。截至2009年9月，我國登記在冊的尾礦庫26 000余座，且還在以每年300余座的速度新增[2]。尾礦庫作為礦山重要的輔助設施，對于保證選礦活動的正常開展和尾砂的安全貯存具有重要作用，在造成尾礦庫事故的眾多原因之中，尾礦庫的滲漏或滲流是主要因素之一。因此，尾礦庫滲漏治理防滲技術和治理效果在保證尾礦庫安全生產中顯得尤為重要，它為尾礦庫滲漏治理工程設計與施工提供了技術支撐，也為減少尾礦庫對周邊水體環境污染，以及降低事故災害發生提供了保障。

對于很多老舊尾礦庫而言，由于庫內防滲系統施工不規范或者老化失效，造成庫內污水滲漏并污染庫區下游環境；即使某些完全按照規范施工水平防滲系統的尾礦庫，其防滲土工膜的滲漏問題也往往不容忽視[3]。對于已經發生滲漏的尾礦庫而言，如具備相應條件的，往往需要在下游滲漏液主要徑流通道施工地下垂直防滲體以阻止污染物的運移和擴散。對于地下防滲體的建造工藝，淺部松散層可選擇地下防滲墻、咬合樁、高壓旋噴或攪拌樁等多種形式[4-5]；而基巖地層受到現有設備的性能限制，一般只能選擇帷幕注漿技術[6]。目前，常用的注漿工藝主要包括下行或上行分段純壓式和孔口封閉孔內循環式，但是針對一些覆蓋層較薄且注漿頂板埋深淺的風化基巖注漿施工而言，往往存在注漿壓力難以增大、易發生地面冒漿和孔內固管事故等問題。在類似場地條件下，有些工程案例采用了袖閥管注漿技術[7]，但是仍未能解決分段高壓注漿和孔內漿液穩定性問題。針對以上問題，研究形成“孔內封閉局部循環”注漿工藝及相關裝置。經現場實際驗證，該工藝適用性優于常規工藝，對于提高注漿質量、減少地面冒漿和孔內事故具有明顯改善，適于在類似場區工況條件下的帷幕注漿項目中推廣應用。

2 工程概況

某尾礦庫壩基滲漏治理工程位于內蒙古自治區，該尾礦庫為濕排庫，貯存鉛鋅礦選礦后剩余的尾礦砂漿。由于庫底和壩基滲漏問題，造成庫內重金屬離子擴散至下游草場，導致草場出現鹽漬化和沙化，嚴重破壞了庫區生態環境，同時引發工農矛盾糾紛，礦山亟待解決該尾礦庫滲漏問題。

2.1 場區地質條件

場區內地層由新到老主要分布素填土、腐殖土、含角礫黏性土、火山角礫巖和安山巖地層，各層巖土體強度和滲透性詳見表1。

表1 巖土層強度和滲透性統計表Table 1 Statistical table of strength and permeability of rock and soil layers

2.2 設計簡況

綜合分析場區地層條件以及治理需求，設計采用“截、堵、疏”系統工程作為治理方案。其中“截”是沿壩腳開挖一條截滲溝，開挖完畢后充填礫料以起到截流尾礦庫淺層滲漏液的目的；“疏”是在截滲溝的基礎上，在溝內地勢低洼及透水性較強地帶布置集水井，通過集水井收集滲濾液，然后用水泵抽回到尾礦庫中；“堵”是在壩腳截滲溝下游一定距離施工地下防滲體，要求防滲體底界和兩肩進入相對隔水層，以阻斷滲濾液擴散至下游區域。

設計方案平面布置示意圖詳見圖1。

圖1 設計方案平面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of design plan layout

2.3 設計及質量控制要點

作為尾礦壩下游防滲工程，防滲體的防滲性能和施工質量是關乎整個治理效果的關鍵因素。基于場區工程地質水文地質條件，將防滲體設計如下：

1)結構形式：防滲體采用上部混凝土防滲墻+下部注漿帷幕；

2)防滲性能：混凝土防滲墻滲透系數不大于1×10-7cm/s，注漿帷幕單位透水率不大于2 Lu；

3)防滲頂板：以軸線場區實際地面高程進行控制，保證上游地下水不發生頂部溢流；

4)防滲底板：帷幕注漿底板進入相對隔水層(單位透水率不大于2 Lu的中風化安山巖⑦-1或火山角礫巖⑤-1)深度不小于5 m。

根據以上設計，防滲墻平均深度7 m，帷幕注漿平均深度50 m。結合施工工藝和質量控制措施可知，混凝土防滲墻施工質量可控程度高，主要做好混凝土攪拌與澆筑、孔底沉渣以及槽段連接等工序；但是針對該場區條件下的帷幕注漿施工而言，如何保證漿液擴散和搭接，形成完全封閉的幕體是質量控制關鍵之處。

3 常規注漿工藝及應用情況

3.1 注漿工藝適用性分析

帷幕注漿施工中采用的主要注漿工藝包括分段純壓式(上行式和下行式)和孔口封閉孔內循環式，詳見圖2。兩種常規注漿工藝的各自特點及適用情況如下：

圖2 常規注漿工藝示意圖Fig.2 Schematic diagram of conventional grouting process

1)分段純壓式：依靠孔內下放止漿塞完成注漿段頂端封堵，每次注漿只針對單一注漿段進行，下行式適用于破碎地層，上行式適用于較完整地層，注漿壓力較大，地層吸漿部位明確；缺點是已完注漿段不能復注，對不完整地層易發生繞塞返漿事故，孔內漿液易離析沉淀影響灌注質量等。

2)孔口封閉孔內循環式：通過孔口封閉器封堵全孔，下入射漿管至孔底進行全孔循環注漿，每次全孔所有注漿段均進行灌注，漿液循環不宜離析沉淀，對于細微裂隙注漿效果較好；缺點是對于深孔易發生固管事故，注漿頂板埋深淺時易發生地面冒漿，難以分段增加注漿壓力，不易分辨主要吸漿層位等。

3.2 注漿試驗布置

由于本場區前期無注漿資料可以參照，為了研究不同注漿工藝的適用性，以便對工程設計進行優化調整，在現場選取了具有水文地質工程地質代表性的區段布置注漿試驗段。

針對上述兩種不同的注漿工藝，分別選取了相鄰的兩個注漿試驗段，每段包含注漿孔10個(其中Ⅰ序孔4個，Ⅱ序孔2個，Ⅲ序孔4個)和效果檢查孔4個，布孔形式詳見圖3。

圖3 注漿試驗段鉆孔平面布置圖Fig.3 Layout plan of drilling holes in grouting test section

帷幕注漿設計為雙排孔，排距2 m，單排孔距4 m。施工中先施工第一排，再施工第二排，每排按三序分別實施，所有注漿孔完成注漿后再施工檢查孔。試驗一區采用了孔口封閉孔內循環注漿，試驗二區采用了下行式分段純壓注漿，漿液類型為水灰比5∶1～0.5∶1的單液水泥漿，注漿壓力要求第1段1.0 MPa，第2段1.5 MPa，第3段2.0 MPa，第4段2.5 MPa，第5段及以下各段3.0 MPa。

3.3 試驗成果分析

兩個注漿試驗段注漿施工情況及成果統計詳見表2。

表2 試驗段施工情況及注漿成果統計表

通過表2可知，針對場區基巖風化裂隙注漿，孔口封閉孔內循環注漿方式更具適用性，其單位注灰量達到243.52 kg/m，而純壓式注漿為201.63 kg/m；采用循環注漿的試驗段檢查孔壓水合格率達100%，而純壓注漿試驗段中存在2段大于2 Lu，最大為2.67 Lu，合格率為84.61%。由此證明循環注漿對于保證漿液的穩定和灌注量存在有利影響。

3.4 主要問題分析

雖然孔口封閉孔內循環注漿方式在注漿量和效果驗證方面優于純壓式注漿，但也暴露出明顯問題。主要表現在由于場區覆蓋層較薄，注漿頂板埋深淺，在灌注施工過程中，極易發生地面冒漿，由此造成施工效率大幅降低，嚴重影響工期進度。對比施工數據可知，純壓式注漿的地面冒漿次數比循環注漿施工少一倍，主要是因為止漿塞逐步往下安置，隨著基巖完整性和強度的提高，其抵抗注漿壓力的能力越來越好；但循環注漿時，隨著注漿段的加深，地面控制注漿壓力不斷提高，但孔口封閉方式迫使全部壓力要施加在全孔范圍內，造成淺部已經結束的注漿段圍巖地層再次劈裂形成冒漿通道，多次反復注漿致使施工工期大幅延長。另外，由于孔深的增加，射漿管不斷加長，施工過程中曾發生多次固管事故，在處理過程中也增加了工期占用。

4 注漿工藝優化與裝置改進

4.1 工藝優化

針對以上兩種常規注漿工藝在本次注漿試驗中暴露出來的主要問題進行分析，明確場區風化基巖地層更適用于循環注漿方式，但是孔口封閉是造成地面冒漿和射漿管增長的主要原因。為此，常規的孔口封閉循環注漿方式的主要改進措施是變孔口封閉為孔內封閉，形成局部循環的注漿方式。

4.2 裝置改進

為了實現上述注漿工藝和功能，對現有兩種常規工藝進行組合改進，將常規單液止漿塞調整為具有雙通道的循環止漿塞，可以下放至孔內任意完整地層并實現孔內局部封閉，詳見圖4。

圖4 孔內封閉局部循環注漿工藝及裝置Fig.4 Technology and device of local circulation grouting in hole closure

利用上述孔內封閉局部循環注漿工藝及裝置，通過孔內注漿管路將孔內循環注漿止漿塞下放至注漿孔內待注段頂部，孔內循環注漿止漿塞下部連接射漿管，上部同時連接回漿管路和打壓管路，利用打壓管路使其膨脹后完成注漿段頂端封堵。注漿過程中，漿液由射漿管送至注漿段底部，然后返回至回漿管路中，通過調節回漿閥控制漿液流動速度和注漿壓力，從而實現不同壓力下的孔內局部循環灌漿。上述工藝避免了孔口封閉造成的注漿段過長、孔內殘留漿液多的問題，降低了因射漿管過長而造成的孔內固管事故，減少了注漿后的掃孔工作量，最大限度避免了孔口封閉注漿方式導致的地面冒漿情況。

4.3 應用效果

采用孔內封閉局部循環注漿工藝及裝置，在現場選取了10個注漿孔(其中包括Ⅰ序孔4個，Ⅱ序孔2個，Ⅲ序孔4個)進行了應用驗證。

通過采用本工藝裝置，10個孔注漿過程中冒漿次數為9次，比試驗一區施工時減少了44%，各孔平均注灰量達到264 kg/m，在注漿量和效果保證方面優于純壓式注漿方式。由于采用本裝置，造成單段下放連接止漿塞的時間比常規注漿方式要延長近30%，但是大幅減少了冒漿處理時間和注漿間歇待凝時間，通過綜合對比發現仍然具有很好的適用性。

5 結論與不足

通過薄覆蓋層下風化基巖現場注漿試驗，對常規注漿工藝的適用性進行了驗證，同時針對現有工藝存在的主要問題進行優化改進，形成適用于該工況條件下的注漿工藝，本項研究得出的主要結論如下：

1)對于薄覆蓋層下基巖風化裂隙注漿，孔口封閉孔內循環注漿方式相比于純壓式注漿對于保證漿液穩定性和注漿效果具有較好適用性，但是易造成地面冒漿和孔內固管事故，不利于保證施工進度和節約工期。

2)通過研究改進，形成適用于薄覆蓋層下基巖風化裂隙注漿的“孔內封閉局部循環”注漿工藝及裝置，經現場實際驗證，能夠解決現有工藝中注漿裝置在進行深孔弱透水地層注漿時地面易冒漿、孔內事故率高且掃孔工作量大等問題。

3)改進后的注漿裝置在止漿塞下放過程中，由于增加了回漿和打壓管路，造成設備安裝輔助工時延長。在后期的研究中，需重點改進管路連接方式并優化下放工序，以便在保證注漿效果的前提下盡量減少工時占用，提高綜合效益。