王雪峰

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083；2.中國國土資源經(jīng)濟研究院，北京 101149)

多水礦山地下采礦注漿堵水技術及案例分析

王雪峰1，2

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京100083；2.中國國土資源經(jīng)濟研究院，北京 101149)

涌水量特別大、水文地質條件復雜的礦山不適合采用先疏干、后采礦的傳統(tǒng)技術。通過地下礦山防治水技術研究與開發(fā)，采用坑內近礦體頂板灰?guī)r注漿堵水技術進行治理涌水問題，取得了較好的成效。該技術的總體思路是對近礦體頂板灰?guī)r巖溶裂隙充塞、密實，將灰?guī)r連接加固形成隔水層，使之形成平行與礦體的傾斜隔水帷幕，防止地下水進入采場。本研究結合實例分析多水礦山地下采礦注漿堵水技術的設計思路、實施方法和應用成效。根據(jù)礦床、礦體和礦物特征和礦區(qū)水文地質條件，論述了工程布置和鉆探注漿工程量統(tǒng)計方法，解析了注漿層安全厚度的確定、頂板注漿堵水工藝設計、注漿方式和注漿段高、壓水試驗、注漿順序、注漿參數(shù)等注漿技術參數(shù)等確定原則和方法。

多水礦山 注漿 堵水 技術

控水技術一直是水文地質條件復雜的礦山采礦技術難題。水文地質條件簡單的地下礦山，可以采用先疏干、后采礦的傳統(tǒng)技術，但涌水量特別大、水文地質條件復雜的礦山就不適合采用該技術，因為必然破壞水文地質環(huán)境，不能實現(xiàn)安全高效采礦的目標。近幾年來，通過地下礦山防治水技術的深層次研究與開發(fā)，采用坑內近礦體頂板灰?guī)r注漿堵水技術進行治理涌水問題，取得了較好的成效。礦區(qū)坑下近礦體頂板灰?guī)r注漿堵水技術的總體思路是，對近礦體頂板灰?guī)r巖溶裂隙充塞、密實，將灰?guī)r連接加固形成隔水層，使之形成平行于礦體的傾斜隔水帷幕，防止地下水進入采場。

1 礦區(qū)基本情況

1.1 礦床、礦體和礦物特征

1.1.1 礦床構造

礦床范圍內構造簡單，多是單斜構造。接觸帶構造是該礦床的主要控礦構造。其走向290°～320°，傾向北東，傾角一般30°～40°。礦床范圍內的巖漿巖系礦山巖體的一部分，是成礦母巖。巖石類型主要有輝石閃長巖，黑云母輝石閃長巖和正長閃長巖，另有少量灰綠玢巖和二長巖。

1.1.2 礦體地質特征

本礦床礦體分布在1～45線間，全長2 300 m左右。總體走向NW，29線以西漸變?yōu)榻鼥|西向(圖1)。礦體嚴格受閃長巖和大理巖接觸帶所控制，根據(jù)礦體的產(chǎn)出特點及其規(guī)模，將其劃分為Ⅰ和Ⅱ兩個礦體。Ⅰ礦體完全賦存于接觸帶中(僅尖滅端的礦體小分支有插入大理巖中的)，是礦床的主礦體；Ⅱ礦體則完全賦存于接觸帶上盤。即Ⅰ礦體上盤的大理巖中，它是由8個斷續(xù)分布的小礦體組成。Ⅰ礦體的礦石儲量占礦床總儲量的99.1%，Ⅱ礦體的礦石儲量僅占礦床總儲量的0.9%。

圖1 地層接觸關系示意圖

1.1.3 礦石礦物成分

礦石中金屬礦物主要為磁鐵礦，其次是黃鐵礦、少量赤鐵礦和微量黃銅礦等。礦石主要有益元素為Fe，伴生有益元素為Cu、Co。有害元素主要是S，其次是P、Ba、Mn、Zn、Ga、Ti、Pb、Ni、V等。造渣組分為CaO、MgO、SiO2、Al2O3。造渣組分MgO含量1.14%～7.63%，平均3.92%(表1)。礦石屬一般含鎂礦石，礦石自熔比平均為1.30，屬自熔性—堿性礦石。

1.1.4 礦體頂?shù)装鍘r石的穩(wěn)定性

礦體頂板圍巖主要為大理巖，個別處為薄層矽卡巖，部分勘探線附近的頂板圍巖為砂礫巖。礦體頂部曾被風化剝蝕，穩(wěn)定性較差，裂隙和溶洞不甚發(fā)育。夾層主要為矽卡巖或含鐵矽卡巖，個別為大理巖。底板圍巖主要為矽卡巖化閃長巖、蝕變閃長巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育。矽卡巖較松散，易破碎。設計選用的礦巖物理力學性質參數(shù)如表2所示。

表1 各類型礦石化學成分

Table 1 Chemical composition of each type of ore %

礦體號礦石類型元素含量TFeCuCoSPSiO2氧化礦47 60 0560 0080 2790 05511 61煉鋼用礦57 670 0120 0090 030 0996 78Ⅰ需選礦石45 350 0230 010 5350 0659 2含銅需選礦50 50 1590 0282 9310 0396 15平均值48 090 0750 0181 3990 0578 03氧化礦35 080 0970 0070 1130 0169 24煉鋼用礦64 620 0110 0060 0817 05Ⅱ需選礦石39 940 0540 0260 8977 23含銅需選礦50 430 1870 0263 70 0269 78平均值36 720 10 010 4170 0179 13Ⅰ+Ⅱ合 計47 980 0760 0161 3890 0568 04

表2 礦巖物理力學性質

注：松散系數(shù)1.5。

1.2 礦區(qū)水文地質條件

1.2.1 地下水的補給來源

礦區(qū)地下水的補給來源包括側向補給和垂向補給2部分。側向補給主要是來自南部山區(qū)灰?guī)r補給區(qū)的地下水，通過礦區(qū)西南面的弱透水邊界補給礦區(qū)地下水。

1.2.2 礦坑涌水量預測

水文地質報告中按礦區(qū)全面疏干的條件，采用大井類推法，地下水動力學法和有限差分數(shù)值法計算了礦床開采時的礦坑涌水量，礦區(qū)-150 m水平礦坑正常涌水量為63 000 m3/d，最大涌水量為75 000 m3/d。計算結果見表3、表4。

表3 全面疏干時坑內涌水量

表4 礦井各水平涌水量

2 工程布置

2.1 穿脈鉆探注漿工程

鉆探注漿工程布置在+70 m、+30 m、-10 m、-50 m水平，按照10 m×10 m網(wǎng)度，分段高度50 m布置注漿鉆孔?？咨疃冗_到灰?guī)r水平厚度45 m以上，角度3°，礦體形態(tài)變化大的地段適當加深。超前穿脈鉆孔一孔三用，探礦、探水、注漿，初步查清礦體邊界和頂板灰?guī)r含水層水文、工程地質的情況。

2.2 上盤灰?guī)r硐室扇形鉆孔注漿工程

上盤灰?guī)r硐室距離上盤邊界30～40 m,硐室間距為50 m，注漿硐室分別布置在+30 m 、-10 m、-50 m水平。鉆孔分為仰角孔、水平孔、下向俯角孔，從傾斜面上看鉆孔呈360°輻射狀布置，仰角與俯角鉆孔根據(jù)礦體產(chǎn)狀確定，鉆孔深度依據(jù)上下、左右鉆孔抄手疊加確定，鉆孔的孔底間距為20 m左右，上下層、左右相鄰硐室的鉆孔能夠相互抄手對接。注漿硐室采用包圍式分段鉆探、注漿、掘進，施工硐室至確定位置。

2.3 分層采準巷道施工注漿檢查鉆孔

完成上盤灰?guī)r硐室鉆探注漿工程施工后，按照10 m×10 m網(wǎng)度，分段高度10 m布置注漿檢查鉆孔,角度3°～35°按照采準段高逐層進行注漿質量檢查注漿，達到對礦體頂板灰?guī)r注漿形成可靠的隔水層。

施工地點：+30 m 8-11線、-50 m 19-25線、-50 m 28線以西覆蓋注漿范圍。

2.4 鉆探注漿工程量

鉆探注漿工程量統(tǒng)計情況如表5所示。

表5 巷道掘進、鉆孔進尺、注漿工程量統(tǒng)計表

3 注漿技術參數(shù)

3.1 注漿層安全厚度的確定

由于礦床開采時破壞了原有地應力的平衡，一方面表現(xiàn)在礦山地壓對采空區(qū)頂板的破壞和巖層自身重力的破壞使用；另一方面表現(xiàn)在上覆含水層地下水壓力對頂板人工隔水層向采區(qū)方向施加的作用力。因此當采空區(qū)形成后，在地應力和水壓力共同作用的條件下，人工注漿隔水層能否產(chǎn)生破壞以至于發(fā)生突水淹井的重大事故，關鍵是采空區(qū)頂板人工隔水層的安全厚度[1]。

由于設計采用膠結充填法采礦而且礦體的直接頂板為硬性巖層，當采空區(qū)形成后，頂板圍巖一般只有裂隙帶產(chǎn)生，所以注漿隔水層的厚度必須大于裂隙帶的頂部一定厚度，才能保證頂板不受破壞，起到阻水的目的[2]。

裂隙帶的產(chǎn)生極為復雜，根據(jù)對礦房開采后礦體頂板的巖石力學分析計算，裂隙帶的發(fā)育厚度一般7～10 m。

人工注漿隔水層是一個以巖石為基本結構，其中含有少量充填物和注漿漿液結石組成的非均質組合體，其抗?jié)B防漏的質量，主要取決于地下水運動流向上的巖溶裂隙注漿封堵的密實程度及其強度。據(jù)我國礦山多年注漿工程實施經(jīng)驗，在靜水壓力2～3 MPa的情況下，帷幕厚10 m左右時，就可形成一穩(wěn)定的隔水體，防止地下水向采場內的流動；如果采用膠結充填法采礦，只要在礦體的頂板預留7 m厚的巖柱(礦柱)，就可保證采礦生產(chǎn)的安全正常運行。

綜上所述，考慮到礦坑內頂板高壓注漿工藝的復雜性，注漿后人工隔水的最小安全厚度：-50 m水平以上，東區(qū)為20 m，西區(qū)25 m。

3.2 頂板注漿堵水工藝設計

礦區(qū)開采分段高度為10 m，在每個10 m高的小分段礦體內，以沿脈(或穿脈)鑿巖巷道為注漿聯(lián)絡巷，沿巷道側壁按規(guī)定間距10 m×10 m布置鉆探注漿硐室和注漿鉆孔，鉆孔注漿硐室尺寸為3 m×3 m×3.5 m，注漿聯(lián)絡巷道可通過各分段采區(qū)的穿脈聯(lián)絡巷道與中段運輸大巷相接(圖2)。人工注漿層垂直于礦體頂板方向上的厚度，根據(jù)試采經(jīng)驗及注漿試驗，取40 m。

圖2 注漿堵水示意

3.3 注漿系統(tǒng)布置原則

(1)應以在最短的工期內，以最經(jīng)濟的代價取得最佳的注漿效果。

(2)頂板灰?guī)r注漿采用坑內鉆孔注漿方式。由于礦山將在不同標高上同時進行開采，另外，考慮到漿液傳送時的輸送倍線問題，故確定各自設置一套獨立的注漿傳送系統(tǒng)。

(3)由于是在高水壓的條件下進行坑內頂板注漿，為保證注漿作業(yè)的安全，所有的注漿聯(lián)絡巷道和鉆機硐室均應布置在穩(wěn)固并隔水的鐵礦體或閃長巖體內，巷道頂板至礦體與頂板灰?guī)r接觸界面的法線距離不得小于20 m。

(4)在注漿系統(tǒng)設計中，應盡量體現(xiàn)管理方便、自動化程度高、漿液輸送線路最短等。

(5)為保證注漿質量和堵水效果，注漿孔的布置應與各礦塊的采礦方法相適應，其施工順序與采礦生產(chǎn)進度計劃密切配合。并應超前于礦塊回采1～2 a前來完成注漿堵水工作。

3.4 注漿鉆孔

在每個分段的鉆探注漿硐室內布置注漿鉆孔，鉆孔在平面上的間距為10 m，在垂向上的間距為分段高10 m，從而形成10 m×10 m的注漿孔網(wǎng)。鉆孔位置在巷道中線位于巷道底板1.2 m處。

3.5 漿液制備站

由于礦山在不同中段標高上同時進行開采，地表建立2座漿液制備站，制好的漿液通過注漿輸送鉆孔送入井下。

制漿站內設2個鋼結構散裝水泥罐(80 t)貯料，罐下設振動給料斗，采用長螺旋輸送機出料。制漿站內設3臺風動攪拌機(造漿能力每臺200～300 L/min)，2臺工作，1臺備用。

輸漿管為φ100 mm×6 mm無縫鋼管，制漿站內按設計的濃度制備好的漿液通過該輸送井送到各注漿中段，然后通過輸漿管及漿液加壓泵傳到各工作面注漿硐室的二次攪拌池內，加壓泵選用BW-250/50型泥漿泵。

3.6 注漿鉆孔的結構及鉆進方法

(1)注漿孔間距的確定。從地質勘探資料可知，礦體頂板灰?guī)r裂隙開度在5～10 mm，據(jù)《YBJ44—1992 注漿技術規(guī)程》[3](以下同)規(guī)定，注漿孔孔距應為6～10 m。

(2)注漿孔的長度。根據(jù)地質勘探資料，礦體傾角東區(qū)平均為33°，西區(qū)平均為27°，在保證礦體頂板注漿層厚度35～40 m的情況下，注漿孔長60～100 m。

(3)注漿孔的鉆進。鉆孔開孔孔徑φ150 mm，鉆深3 m，鉆完后下孔口管，并用水泥砂漿固封，然后改為φ91 mm或φ75 mm口徑繼續(xù)鉆至設計深度。

(4)孔口管結構。孔口管采用φ150 mm×6 mm無縫鋼管，長度3 m，沿孔口管縱向焊一圈鋼筋環(huán)，用以加強孔口管與充塞水泥間的結合力?？卓诠艿捻敳亢附臃ㄌm盤，用以安裝高壓閥門和壓蓋及密封圈。

3.7 注漿方式

如果鉆孔涌水量<10 L/min，采用一段注漿，即1次鉆到設計孔深，然后全段注漿。當鉆孔涌水量>10 L/min，時，就立即停鉆進行注漿，將水封堵以后，再鉆到設計孔深進行注漿。

3.8 注漿順序

采用隔一注一的注漿原則，即在各采準礦房每個注漿分段水平上，把注漿孔的位置按序號編好，然后先注如2、4、6、8號孔，一期孔注完后開注二期鉆孔如1、3、5、7，同時對一期孔的注漿效果進行檢查。

3.9 壓水試驗

壓水試驗是為了檢測注漿孔中各段注漿層的富水性和透水性，壓水試驗分別以注漿所采用的初壓、過程壓力和終壓做為3個壓力階段的壓力值，然后繪制壓力與吸水量的關系曲線，并計算出單位吸水率。

3.10 注漿參數(shù)

(1)漿液擴散“半徑”。漿液在巖石裂隙中擴散凝結后，能起到堵水或加固作用的范圍，稱為漿液擴散“半徑”。目前，準確確定裂隙介質中漿液擴散半徑尚無實用的理論公式，灰?guī)r裂隙含水層中一般取6～10 m，由于深部巖溶裂隙發(fā)育相對較弱，漿液有效擴散半徑相對于上部小，根據(jù)注漿試驗數(shù)據(jù)，漿液在裂隙中的有效擴散半徑確定為7.0 m。

(2)注漿壓力。各階段注漿壓力與靜水壓力關系如表6所示。

表6 注漿壓力與靜水壓力對比

(3)漿液濃度。①水泥漿的濃度，結合國內礦山帷幕注漿實際經(jīng)驗，設計采用漿液濃度為2∶1、1.5∶1、1.25∶1、1∶1、0.75∶1、0.6∶1 6個濃度級(表7)；②雙液注漿，水泥、水玻璃漿濃度采用雙液注漿時，水泥漿水灰比為1∶1、0.75∶1、0.6∶1 3個級別供注漿時選擇，水泥、水玻璃注漿漿液濃度的調整，只改變水泥漿的濃度和調節(jié)水泥漿與水玻璃的體積比，不改變水玻璃的濃度。水泥漿與水玻璃漿的體積比控制在1∶0.4～1∶1之間[4]。

表7 漿液起始濃度與吸水率關系

(4)采用巖石裂隙率計算單孔注漿量[5]。

式中，R為漿液有效擴散半徑，取7 m；L為注漿段長度；e為巖層裂隙率；β為充填系數(shù)，取0.9；α為漿液消耗系數(shù)，取1.15。

根據(jù)地質報告中的資料，巖溶裂隙率平均為1.1%，水泥漿水灰比按1∶1考慮，其容重為1.5 t/m3。

(5)總體積法計算單孔注入量。按照帷幕總體積和裂隙率計算單孔漿液注入量，該方法可以克服各交圈處的重復算量，比較符合實際。東區(qū)注漿試驗的實踐，表明總體積法比較符合實際。

式中，Vj為單孔漿液注入量，m3；Vz為帷幕總體積，m3；n為孔數(shù)。

(6)注漿結束標準。在終值壓力下，注漿結束標準指標如表8所示。

表8 注漿結束標準指標

(7)注漿效果檢查。采用鉆孔取芯壓水試驗結合聲波測試法對注漿孔的注漿質量進行檢查?！蹲{技術規(guī)程》規(guī)定的不少于注漿孔總數(shù)的5%，沿每一注漿水平每60 m設一鉆孔進行檢查，也即檢查孔數(shù)量相當于注漿孔總數(shù)的10%。

4 結 論

多水礦山地下采礦注漿堵水技術注漿方案分為三步實施。第一步，在礦體下盤穿脈方向巖石內，按照10 m×10 m網(wǎng)度，分段高度50 m布置注漿鉆孔，鉆孔穿透礦體進入灰?guī)r，鉆孔揭露灰?guī)r40～50 m深度，按照注漿技術要求進行高壓注漿；第二步，將巷道(硐室)掘進進入灰?guī)r巖層，硐室間距為50 m，在硐室內沿礦體走向與巖體傾斜面布置扇形注漿鉆孔，對灰?guī)r含水層進行注漿，在礦體上部灰?guī)r含水層內形成不透水層；第三步，分層采準巷道施工注漿檢查鉆孔，在礦體內沿穿脈方向，按照10 m×10 m網(wǎng)度，分段高度10 m布置注漿檢查鉆孔，對注漿帷幕進行檢查補充注漿。

多水礦山地下采礦注漿堵水技術實現(xiàn)“不排水、不塌陷、不搬遷、不改河、不還水”，大水地下礦床綜合回收率達到90%以上，大量降低排水費用，節(jié)約寶貴的水資源和電力能耗。最大限度的開發(fā)利用了礦石資源、保護了區(qū)域地質環(huán)境。

[1] 程教伍.采空區(qū)注漿處治技術及其應用[M].北京：清華大學出版社,2012. Cheng Jiaowu.Goaf Grouting Treatment Technology and Its Application[M].Beijing:Tsinghua University Press,2012.

[2] GB50830—2013 冶金礦山采礦設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,2013. Mining Design Specification of Metallurgy Mine(GB50830—2013)[S].Beijing:China Planning Press,2013.

[3] 西安勘察院.YBJ211—92 注漿技術規(guī)程[S].西安：西安交通出版社,1993. Xi 'an Geotechnical Investigation Institute.The Grouting Technique Regulation(YBJ211—92)[S].Xi'an:Xi'an Jiaotong Publishing House,1993.

[4] 光明日報出版社.建筑工程水泥-水玻璃雙液注漿技術規(guī)程[S].北京：光明日報出版社,2010. Guangming Daily Press.Construction Engineering Cement-Sodium Silicate Double Fluid Grouting Technique Regulations[S].Beijing:Guangming Daily Press,2010.

[5] 黃德發(fā).地層注漿堵水與加固施工技術[M].北京：中國礦業(yè)大學出版社,2003. Huang Defa.Strata Grouting Water Glugging and Reinforcement Construction Technology[M].Beijing:China University of Mining & Technology Press,2003.

(責任編輯 石海林)

Grouting Water Plugging Technology of Underground Mining for Water-rich Mine and the Related Case Analysis

Wang Xuefeng1,2

(1.SchoolofEarthSciencesandResources，ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China; 2.ChineseAcademyofLandandResourceEconomics,Beijing101149,China)

The traditional technology of drainage before mining is not applicable for the mine with large water inrush and complicated hydrogeological conditions.Through deep research and development of underground mine water prevention and control technique,roof limestone grouting water plugging technology near ore-body in pit to control water,achieved good results.The general idea of this technique is that limestone filling and compacting the karstic roof fissures near ore-body can connect the limestone to form water-resisting layer.By this method, an inclined waterproof curtain in parallel with the ore bodies is formed to prevent the groundwater flowing into the stope.Combining with the case,the design concept,implementation method and application effect of the grouting water plugging technology for water-rich underground mining are analyzed.According to the properties of ore deposits,ore body and minerals and its hydrogeological conditions in mining area,the engineering arrangement and statistical methods for drilling and grouting volume are demonstrated,and the principles and methods of determining grouting technical parameters,such as the safe thickness of grouting layer,water plugging process design of roof grouting,grouting method,grouting sublevel height,high pressure water test,grouting sequence and grouting parameters,etc.are analyzed.

Water-rich mine,Grouting，Water plugging，Technology

2014-06-04

王雪峰(1975—)，男，副研究員,博士研究生。

TD743

A

1001-1250(2014)-08-129-05