謙比希銅礦井下深孔加密注漿堵水技術研究及效果分析

李 輝 王貽明 武鵬杰 劉鵬鵬

(1.中色非洲礦業有限公司謙比希銅礦,贊比亞 基特韋 22592;2.北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083)

隨著近地表和淺部礦產資源的開采殆盡,深部開采是礦業發展的必然趨勢[1]。我國將開采深度超過800 m的金屬礦山定義為深部開采礦山,目前謙比希銅礦已進入深部開采階段。金屬礦山深部巖石賦存環境和水文地質條件與淺部迥然不同,深部開采往往伴隨著地壓凸顯、巖爆災害和開采擾動等問題[2]。而對于井下日涌水量達到一萬方的大水礦山,深部開采不僅面臨著“三高一擾動”的復雜開采條件,水文地質條件對開采的影響也產生了很大的變化。隨著開采深度的增加,巖隙水壓在水力梯度的作用下高達10 MPa以上,掘進或工作面回采過程中,破壞原生裂隙、弱層都可能打破深部原有流場的平衡,發生涌水事故。

國內外眾多學者針對不同大水礦山的水文地質條件開展防治水技術研究,取得了顯著的效果。王洋等[3]通過孔內窺視探測圍巖裂隙損傷情況分析平硐滲漏水原因,采用深—淺孔組合的注漿堵水技術方案治理井壁滲水,通過地質雷達監測治水效果,堵水修復率為52%～100%,滲水得到了明顯控制。袁東鋒等[4]針對巨厚白云巖透水率“上強下弱”的特性,采用不同的注漿材料和注漿壓力開展地面預注漿工藝,注漿完成后含水層透水率下降98.3%,堵水效果良好。劉正宇等[5]總結了“頂水注漿”、“壁后注漿”以及“中深孔預注漿”在望兒山金礦地下水治理工程中的應用效果和優缺點,中深孔預注漿堵水技術不僅改善井下涌水情況還刻意加固了巷道周邊的圍巖。王雪峰[6]采用坑內頂板注漿堵水技術,將上盤灰巖注漿形成與礦體平行的傾斜隔水帷幕,相較于傳統的先疏干、后開采的治水理念,該技術更能實現井下安全高效開采。李文光等[7]優化下行前進式注漿堵水技術的注漿參數和實施方案,分段注漿確保井下開拓工程的安全進行,涌水量從46 m3/h降到0.5 m3/h。陳海遠等[8]將深孔注漿堵水技術應用于谷家臺鐵礦淺部水平突水區域,堵水率高達99.9%,提高穿脈巷道的穩固性。肖松麗等[9]采用不同孔距單排直線布置的帷幕注漿堵水技術,合格率達到92%以上,確保了深部開拓工程安全。徐加夫[10]論證制定了“水平探水注漿—頂板加密注漿—群孔注漿”近礦體帷幕注漿堵水方案,注漿參數合理、堵水效果顯著。王海等[11]分析典型案例總結出我國現有大水礦山防治水技術主要包括:疏干(地表、地下、控制)、地面帷幕注漿、井下帷幕注漿,提出了側向帷幕注漿堵水新技術,實現礦山保水保采。

上述研究為謙比希銅礦的防治水措施提供了一定的參考價值,但是針對主礦體深部復雜特殊的水文地質情況及工程實際仍有一定的欠缺。本文對主礦體深部的復雜水文地質條件開展全面調查,明晰深部涌水機制,并有針對性地在770 m中段采用深孔加密注漿堵水技術,將礦體頂板的石英巖和礦體板巖形成注漿隔水層,隔絕燧石白云巖的動水補給作用。最終為主礦體下向充填采礦作業和深部開拓工程提供安全保障。

1 主礦體深部涌水機制

1.1 水文地質條件

謙比希銅礦田位于謙比希沉積盆地的北緣至東緣,礦區地層主要由基底和加丹加系地層構成,主要為白云巖類碳酸鹽巖以及鈣質砂巖、粉砂巖,長期的風化和溶蝕作用形成了廣泛的風化裂隙水和巖溶裂隙水含水層。由于構造運動,近地表的地層發生了較強烈的褶皺,深部地層也發生了不同程度的輕微褶曲。主礦體多級褶皺構造使得水文地質條件更加復雜。主礦體位于區域地表水和地下水向盆地外排泄的通道區域,區域含水層的側向補給和上羅恩含水層的越流補給也成為主礦體充水的補給來源。主礦體為以上羅恩亞群溶蝕裂隙承壓含水層和燧石白云巖含水層充水為主的礦床,且為頂板間接充水礦床。

如圖1所示,2022年主礦體700 m中段和800 m中段不同月份的平均涌水量最小值為15 042.1 m3/d,最大涌水量為24 502.4 m3/d。日涌水量遠超10 000 m3,是典型的大水礦山,涌水問題嚴峻,亟需開展深部注漿堵水工程。

1.2 主礦體含水層

(1)礦體含水層。礦體及其上盤白云質泥板巖和石英巖互層統稱礦體含水層,是礦床疏干的主要對象之一。該層巖性變化較大,主要是底礫巖和板巖,上盤為砂質板巖、白云質板巖與石英巖互巖,其含水性與裂隙發育程度有很大關系。

(2)燧石白云巖含水層。該含水層距礦體頂板約37～60 m,溶蝕空洞非常發育,是礦區最主要含水層。該層的底板上部是石英巖,頂板是砂質滑石片巖與白云巖。

(3)隔水層。礦體含水層和燧石白云巖含水層之間為白云質泥板巖夾石英巖隔水層,總厚度40～60 m。其中的“上部石英巖”厚度15 m左右,隔水性很好,起到隔水層的作用。。

1.3 涌水機制分析

金屬礦山深部開采是否發生涌水,主要取決于水源、開采活動和導水裂隙3個因素。本文結合主礦體復雜水文地質條件及深孔加密注漿鉆孔編錄資料,分析主礦體深部涌水機制。

(1)水源補給。根據已有水文地質資料,主礦體自身具有含水屬性,是以上羅恩亞群溶蝕裂隙承壓含水層和燧石白云巖含水層充水為主的頂板間接充水礦床。目前礦坑涌水量75%來自上部燧石白云巖,25%來自礦體含水層,上部白云巖含水層對礦體含水層有較強補給作用。同時,770 m中段含水層水位線位于770 m水平以上30～40 m,說明深部礦體已位于水位線以下,礦體水源補給呈現多源性:上部補給、側向補給以及深部補給,如圖2所示。

(2)開采活動。如圖2所示,主礦體由于露天礦坑的存在,以及受到淺部崩落法開采影響。已被礦體上盤的相對隔水層上部石英巖破壞,崩落裂隙帶溝通上下羅恩含水層,形成“統一含水體”,使得主礦體井下水文地質條件變得更加復雜。礦床上部地下水及地表水隨著礦山開采對構造的揭露和對原巖穩定性的破壞,成為礦體充水的主要因素。

(3)導水裂隙。由于開采形成的巖體裂隙屬于采礦擾動類導水裂隙。同時主礦體上方發育有與次級褶皺相伴的層間剪切帶,其影響寬度約20～50 m,屬于原生導水通道,由于它的存在,主礦體區域礦體及其頂板碎屑巖裂隙水的富水性較強。此外,封閉較差的老鉆孔也會成為礦床充水的主要通道。

綜上所述,在礦床未開采之前,燧石含水層、上部石英巖隔水層以及礦體含水層處于一定的相對平衡狀態。由于地表開挖形成露天坑以及淺部崩落法開采,在水壓和礦壓的雙重擾動作用下,相對隔水層巖層必然受到不同程度的破壞。此時巖層原有的閉合裂隙因此而活化或者產生新的裂隙,當裂隙溝通上下羅恩含水層便形成了導水裂隙,導致主礦體深部涌水。

2 深孔加密注漿堵水技術應用

2.1 深孔加密注漿堵水原理

如圖3所示,利用鉆孔施工至上部石英巖,通過深孔加密注漿工藝,對礦體含水層和上部石英巖的層理、節理等導水裂隙進行注漿充填固結,使礦體板巖至上部石英巖之間形成隔水層,與上部石英巖這個天然的隔水層聯合達到對2個隔水層所包圍的礦巖體的防水作用,達到注漿堵水的目的。

2.2 深孔加密注漿堵水注漿參數

(1)擴散半徑。裂隙中漿液的擴散半徑隨巖石的滲透系數、注漿壓力、注入時間的增加而增大,隨漿液的濃度和黏度的增加而減少[12]。據現場觀測經驗,含水層滲透性良好,漿液平均擴散半徑為10～15 m,一般為4～8 m。

(2)注漿材料。本次注漿作業選用42.5#普通水泥,漿液類型為單漿液。

(3)注漿配比。注漿料的流動性、滲透性隨水灰比的增大而增大,但凝結時間隨水灰比的增大而延長,強度隨著水灰比的增大而降低。因此,在滿足施工要求的前提下,盡量減小水灰比、控制在0.65∶1～0.80∶1范圍之內。

(4)注漿壓力。注漿壓力對漿液的擴散影響很大,隨著注漿壓力的提高,充塞物質的強度急劇增加,這就保證了充塞物具有足夠的強度和不透水性[13]。故合理運用注漿壓力是本次注漿工作的關鍵,初步設定注漿壓力>7.0 MPa。

(5)注漿量。根據擴散半徑和巖石裂隙率計算各深孔注漿量為

式中,Q為注漿量,m3;r為漿液擴散半徑,m;A為漿液消耗系數,一般取1.2～1.3;H為孔深,m;n為裂隙率,由鉆孔編錄資料獲得;β為有效注漿系數,一般取0.9～0.95。

2.3 深孔加密注漿堵水工藝方案

注漿區域位于770 m中段勘探線2 070～2 700線之間,東西跨度630 m。其中2 160線以東90 m范圍為注漿試驗階段,共設計水文觀測孔、注漿深孔、檢查孔16個;2 160線以西540 m范圍為深孔注漿階段,共設計前序孔、加密孔和檢查孔40個,見圖4。

圖4 注漿深孔平面分布Fig.4 Distribution of grouting deep holes

2.3.1 注漿試驗階段

(1)首先施工3個水文觀測孔,對注漿區域內涌水量進行觀測。

(2)對30 m間距的4個深孔(1、3、5、7)進行鉆探并注漿。

(3)加密至15 m間距施工鉆孔(2、4、6)并注漿。

(4)全部注漿完成后再施工注漿檢查孔6個(a～f),以檢測注漿試驗階段的堵水效果。

2.3.2 深孔注漿階段

(1)首先按照15 m間距施工深孔18個(8～25)并完成注漿。

(2)在注漿過程中相鄰兩孔出現串漿情況,因此后18個孔先施工30 m間距鉆孔9個(26～43中的偶數序號孔),并完成注漿。

(3)接著,15 m間距加密施工剩下9個孔并完成注漿(26～43中的奇數序號孔),后續很好地避免了串漿等異常情況;

(4)深孔加密注漿全部完成后,施工4個注漿檢查孔(g～j)檢測堵水效果。

3 深孔加密注漿效果分析

由于注漿堵水工程屬于典型的礦山隱蔽工程,其堵水效果監測具有“黑箱”效應,無法直觀地觀察到注漿堵水效果[14]。因此,本文采用水文觀測孔對比法[15]、檢查孔觀察法[16]以及疊加效應分析法[17],分別對涌水量、單位注漿量以及鉆孔見混凝土情況進行檢測,分析本次深孔加密注漿堵水效果。

3.1 注漿試驗階段效果分析

3.1.1 水文觀測孔

如圖5所示,試驗階段深孔注漿前,3個水文觀測孔總涌水量約18.70 m3/d;在30 m間距深孔完成注漿后,3個水文觀測孔總涌水量降低到11.43 m3/d,與注漿前相比總涌水量降低了38.87%;15 m間距加密注漿后,水文觀測孔1和水文觀測孔2中已完全不涌水,水文觀測孔3涌水量為4.97 m3/d,與加密注漿前相比,15 m加密注漿后涌水量降低了56.52%。

圖5 水文觀測孔涌水量變化Fig.5 Changes in water inflow from hydrological observation holes

通過水文觀測孔在注漿前后涌水量的變化可知,深孔注漿堵水效果較好;而且相對于30 m間距注漿,15 m間距注漿的堵水效果更好。因此,在后續深孔注漿作業中,深孔間距為15 m。

3.1.2 注漿檢查孔

注漿檢查孔法是通過觀察檢查孔成孔是否涌水、見混凝土,從而定性評定注漿效果[18]。

注漿檢查孔的涌水量及其兩側的注漿深孔涌水量對比結果見表1。分析發現,注漿檢查孔介于兩側注漿深孔之間,在注漿完成一段時間后,檢查孔涌水量均小于兩側注漿深孔的涌水量,深孔注漿堵水效果明顯。

表1 注漿試驗階段檢查孔涌水量Table 1 The water inflow in the check hole during the grouting test stage

同時發現,15 m加密注漿深孔(2、4、6)涌水量均小于相鄰兩側的30 m間距注漿深孔。這是因為注漿試驗階段,前序30 m深孔注漿已取得較好的堵水效果。而在15 m加密注漿后,在6個檢查孔巖芯中見混凝土的鉆孔有4個,證明漿液擴散半徑基本可達到7.5 m左右,注漿參數設計合理。

3.2 注漿階段效果分析

3.2.1 疊加效應分析

根據注漿階段前序深孔和加密深孔的孔深及總注漿量,繪制各深孔單位注漿量頻數分布直方圖和頻率累計曲線,如圖6所示。分析發現,加密孔單位注漿量頻數直方圖完全分布于0～0.04 m3/m之間,頻率累計曲線較陡,頻率累計較早地累積到1;而前序深孔單位注漿量分布較廣,最大可達到0.2 m3/m。這說明,前序孔單位注漿量較大(>0.04 m3/m)的深孔出現頻率較高,由于上部巖層裂隙發育,前序深孔注漿作業漿液擴散范圍較大,注漿需求量大。而隨著前序深孔水泥漿的堵水作用,加密孔注漿量明顯減少。隨著加密注漿作業,深孔單位注漿量具有明顯的疊加效應,也反映出注漿階段深孔加密注漿取得了較好的堵水效果。

根據注漿階段前序深孔和加密深孔的涌水量,繪制各深孔涌水量頻數分布直方圖和頻率累計曲線,如圖7所示。隨著加密注漿作業,深孔涌水量表現出與單位注漿量相同的疊加遞減效應,在前序孔水泥漿的擴散封堵作用下,加密深孔涌水量明顯減少,堵水效果顯著。

圖7 涌水量疊加效應分析Fig.7 Analysis of superposition effect of water inflow

3.2.2 注漿檢查孔

注漿檢查孔g位于注漿深孔9和10之間,東西間距7.5 m,涌水量82.6 m3/d。9號深孔涌水量172.5 m3/d,10號深孔涌水量402.7 m3/d,檢查孔涌水量明顯低于兩側注漿孔涌水量。同時檢查孔g分別在進尺34～37 m,42～50 m,71～74 m發現混凝土碎塊,證明水泥漿已經注入此區域,兩側注漿起到隔水效果。

注漿檢查孔h涌水量為47.52 m3/d,東西兩側注漿孔13和14涌水量分別為152.55 m3/d和130 m3/d。同時在52.0～55.0 m進尺見有混凝土碎塊,證明兩側注漿堵水效果較好。

注漿檢查孔i位于注漿深孔27和28之間,終孔涌水量為90.99 m3/d,而東側27深孔涌水量為49.29 m3/d,西側28深孔涌水量為118.80 m3/d,檢查孔與兩側深孔涌水量差異不明顯。檢查孔i鉆孔水量觀測數據顯示,52.4 m進尺處無涌水,而在57 m處又開始有水,后續水量逐漸變大。這說明在礦體含水層的注漿產生了較好的效果,但在接近上部主含水層時由于受主含水層的水流補給而堵水效果下降,涌水量逐漸增大。

注漿檢查孔j位于注漿孔34及35中間,終孔涌水量87.88 m3/d,東側34深孔涌水量為128.0 m3/d,西側35深孔涌水量為218.73 m3/d。通過水量對比,檢查孔j涌水量明顯小于兩側注漿深孔涌水量,且在39～40 m進尺處見有少量混凝土碎塊。

如圖8所示,對比深孔注漿階段前序孔和加密孔與檢查孔的單位注漿量發現:經過深孔加密注漿作業后,注漿檢查孔所需單位注漿量遠小于注漿深孔的單位注漿量。同樣證明深孔加密注漿作業注漿擴散作用明顯,堵水效果較好。

圖8 注漿階段鉆孔單位注漿量Fig.8 Grouting amount per drilling unit during grouting stage

4 結 論

(1)綜合分析主礦體復雜水文地質條件和開采活動,從水源補給、開采擾動、導水裂隙3個角度分析了主礦體深部涌水機制:開采擾動導致隔水層巖層受到破壞,崩落裂隙溝通上部燧石含水層和下部礦體含水層形成了導水裂隙,最終導致主礦體深部涌水。

(2)注漿試驗階段,采用水文觀測孔法和注漿檢查孔法,觀測注漿前后孔內涌水量變化及見混凝土情況,表明深孔注漿堵水技術可行,且15 m間距加密布設深孔堵水效果較好。

(3)深孔注漿階段,引入疊加效應分析法對深孔加密注漿作業過程中前序孔和加密孔的單位注漿量和涌水量進行分析,疊加減小效應明顯,取得顯著的注漿堵水效果。

(4)井下深孔加密注漿技術的成功應用,不僅解決了謙比希銅礦深部開采的涌水風險。同時以此注漿隔水層為基礎構筑下向充填采礦法的假頂,為深部礦體回采提供有利的開采條件。