王 恒 吳愛祥 王貽明 黃明清 沈顯嶺 薛振林

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

加固破碎礦巖注漿強度GIN值的控制方法

王 恒1,2吳愛祥1,2王貽明1,2黃明清1,2沈顯嶺1,2薛振林1,2

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

云南某銅礦礦體軟弱破碎，成孔鑿巖開采困難，引入化學(xué)注漿預(yù)加固方案優(yōu)化開采，然而前期注漿工業(yè)實驗中遇到漿液用量過多，難以準(zhǔn)確控制的情況。為了對速凝的化學(xué)注漿施工進(jìn)行精確控制、簡化控制流程，應(yīng)用注漿強度控制理論GIN值法(Grouting Intensity Number)研究開展破碎礦體化學(xué)注漿試驗,建立破碎銅礦化學(xué)注漿控制標(biāo)準(zhǔn)，并通過鉆孔探測儀檢測注漿效果。結(jié)果表明，注漿強度GIN值法的工業(yè)應(yīng)用應(yīng)綜合考慮注漿終壓Pf與每米漿液用量Vf，確定扇形注漿孔不同深度范圍的控制標(biāo)準(zhǔn)為：孔深0～8 m，Pf<60 MPa·L/m；孔深8～15 m，Pf<95 MPa·L/m；孔深>15 m，Pf<160 MPa·L/m。鉆孔探測儀檢測結(jié)果顯示，漿液擴散范圍滿足設(shè)計擴散半徑2.5 m，注漿后成孔效果有了顯著改善。研究結(jié)果可用于量化注漿控制標(biāo)準(zhǔn)，簡化工程應(yīng)用，提高破碎礦體的穩(wěn)定性。

化學(xué)注漿 GIN強度值 控制標(biāo)準(zhǔn) 效果檢驗

1 工程概況

云南某銅礦，礦區(qū)工程地質(zhì)條件屬中等復(fù)雜，區(qū)內(nèi)構(gòu)造、裂隙較發(fā)育，不良工程地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，局部礦巖破碎嚴(yán)重；礦石含泥量較高，遇水板結(jié)、膠結(jié)嚴(yán)重?，F(xiàn)行淺孔留礦法開采，目前存在成孔率低、卡釬、斷釬、堵孔、塌孔頻發(fā)、礦石損失貧化率高、采場放礦困難等一系列問題。針對這一現(xiàn)狀，該銅礦2013年7—9月開展了化學(xué)注漿預(yù)加固工業(yè)試驗。試驗注漿區(qū)域為該銅礦4#礦體3采2分段，傾角67°，礦塊沿走向15 m，厚22 m，高20 m。初期試驗階段漿液擴散與加固效果相對較好，但化學(xué)漿液用量超出設(shè)計較多，注漿成本超標(biāo)。在保證注漿效果的前提下，盡可能減少漿液用量成為此項技術(shù)成功的關(guān)鍵。注漿施工中，可控變量為注漿壓力P、注漿量Q及其與時間相關(guān)的變量。單一壓力控制，可能造成漿液用量過大；單一注漿量控制，又恐難以滿足不同地質(zhì)情況的加固要求[1-2]，因此，建立經(jīng)濟有效的注漿強度控制方法尤為重要。

目前，注漿控制技術(shù)主要以壓力分析為主，主要有：基于模糊邏輯理論的注漿瞬時壓力解讀分析的TPA法，基于注漿壓力、殘余壓力、壓力—注漿量變化率、時間相關(guān)行為等因素的敏感注漿壓力分析控制PSG法[3-7]，基于詳細(xì)注漿壓力、漿液性質(zhì)、漿液擴散范圍研究的時時注漿控制RTGC方法[1，8]以及基于注漿壓力P、漿液用量Q、注漿時間T的P-Q-T曲線分析控制方法[9]等。然而，這些方法的研究與應(yīng)用均基于大型土木工程與煤礦工程，效果雖好，但控制系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，成本投入極高，不便于銅礦的應(yīng)用。尋找適用于破碎銅礦這一特殊巖體的注漿控制標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。

銅礦注漿預(yù)加固與其它工程有以下4點突出區(qū)別：①整體預(yù)加固是保證回采期間采場穩(wěn)定的一種臨時加固形式；②地下空間有限，要求施工與控制盡量簡便有效；③加固是為開采創(chuàng)造條件，加固等級應(yīng)考慮后續(xù)爆破、采礦的經(jīng)濟性；④過多的化學(xué)漿液勢必影響選礦指標(biāo)。這一切都在要求最大化減少漿液用量，且保證回采安全。Weaver K D等[5]曾提出注漿強度GIN值控制法在巖石中應(yīng)用的可靠性，但并未給出相關(guān)的工程實例，國內(nèi)化學(xué)注漿也無應(yīng)用于銅礦的先例。同時，GIN強度控制可實現(xiàn)簡單靈活、高效便捷的控制方式，在金屬礦山中的工業(yè)應(yīng)用極具前景。

2 注漿強度GIN值控制方法

注漿強度GIN值是基于注漿壓力與注漿量兩者共同作用的一種“能量”的體現(xiàn)，能夠很好地避免考慮單一因素的諸多弊端。

2.1 注漿強度GIN值

注漿強度控制GIN法由瑞士灌漿專家Lombardi G.率先提出，在歐洲、南美洲地區(qū)的壩體注漿工程中得到應(yīng)用，獲得較理想的注漿效果[3,10]。該理論認(rèn)為注漿加固效果既不與注漿壓力，也不與漿液用量單一相關(guān)，而與二者乘積直接相關(guān)，施工時注漿量達(dá)到設(shè)計值即可停止注漿施工。注漿強度值GIN定義為注漿終壓Pf與每米注漿量Vf二者的乘積(式1)。

GIN=Pf·Vf.

(1)

式中，GIN為注漿強度值，MPa·L/m；Pf為注漿速率為零時孔口注漿壓力顯值，MPa；Vf為注漿中止單孔每米漿液用量，L/m。

2.2 注漿強度GIN值的獲取

采用注漿強度值GIN的方法作為注漿控制標(biāo)準(zhǔn)，限定Pf·Vf為一常數(shù)，這樣針對寬大裂隙限制其注入量，控制漿液用量；注漿條件不佳時提高注漿壓力，保證相當(dāng)?shù)臐{液擴散半徑。GIN值計算公式為雙曲線型反函數(shù)，屬無窮函數(shù)，而工程應(yīng)用中應(yīng)界定最大值Pmax、Vmax[6]。

(2)

(3)

式中，Pmax為限制注漿壓力，MPa；Vmax為限制注漿量，L/m；Fmax為注漿區(qū)域上方巖體的質(zhì)量，kN；C為漿液凝固的黏聚力，MPa；t為裂隙寬度一半，mm。

由注漿強度GIN曲線與最大漿液用量與最大注漿壓力組成的注漿強度包絡(luò)線如圖1所示。

圖1 注漿強度控制曲線GIN限制包絡(luò)線

注漿強度包絡(luò)線反映了設(shè)計達(dá)到的注漿強度值，實際注漿強度曲線與GIN限制包絡(luò)線相交即認(rèn)為達(dá)到注漿標(biāo)準(zhǔn)，可結(jié)束對此孔的注漿?？偟膩碇v可以將注漿強度曲線分為3類[1,7,11]：①注入量達(dá)到預(yù)設(shè)值(圖1線曲線g))；②注漿壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值(圖1線曲線e)；③壓力與注人量雖小于限定值，但二者乘積達(dá)到GIN值(圖1曲線f)，滿足以上3種情況任意1種即可結(jié)該孔注漿施工。這樣通過施工中注漿壓力、漿液用量或二者乘積的簡單觀測計算即可實現(xiàn)注漿工程的有效控制。

3 工業(yè)應(yīng)用

3.1 工程背景

注漿試驗加固區(qū)域為礦體及與之毗鄰的上盤圍巖，確?；夭善陂g的采場穩(wěn)定。注漿材料選用MP 357固化劑(MEYCO MP 357 Flex)，可以快速膠結(jié)固化破碎礦體。注漿設(shè)備主要包括鑿巖設(shè)備和注漿設(shè)備，其中鑿巖使用YGZ-90型導(dǎo)軌式中孔鑿巖機，注漿器材有氣動雙液注漿泵、微型三通、微型攪拌器、封孔器、注漿(花)管等。通過理論計算及工程類比，最終確定化學(xué)注漿主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 化學(xué)注漿主要技術(shù)參數(shù)

注漿巷道沿礦體走向布置于礦房內(nèi)，位于礦體下盤圍巖內(nèi)礦巖交界處，沿注漿巷道設(shè)計3排注漿孔，排距5 m。每排均采用扇形布孔形式，如圖2所示。

圖2 每排扇形注漿孔布置

考慮鉆孔作業(yè)時方便出渣，從最容易出渣、鑿巖的5號孔開始，依次4-3-2-1-6-7-8-9。采用后退式分段注漿，每孔設(shè)計分3段注漿，分段長度為5～8 m，按從孔底至孔口的順序后退注漿施工。

3.2 扇形孔注漿強度GIN值確定

Lombardi G[10]提出注漿強度GIN值可通過理論計算法、室內(nèi)試驗法、觀察評價法等求得。本研究采用觀察評價法，以初期試驗的注漿深度、注漿量、注漿終壓等實測記錄為依托，對淺部段(孔深0～8 m范圍)進(jìn)行注漿強度GIN值的回歸計算。試驗區(qū)域礦巖性質(zhì)相似，加固等級相當(dāng)，GIN值相近。用Origin軟件選擇對應(yīng)函數(shù)對數(shù)據(jù)點進(jìn)行回歸擬合如圖3。

圖3 現(xiàn)場實際施工中注漿強度GIN值回歸分析

回歸曲線復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.88，標(biāo)準(zhǔn)差為2.5，滿足精度要求。通過以上回歸分析，確定0～8 m范圍內(nèi)注漿控制標(biāo)準(zhǔn)為GIN=60，另根據(jù)工程類比經(jīng)驗限定最大注漿壓力Pmax=12 MPa，每米最大漿液注入量Vmax=11.5 L/m，Pmax與Vmax均在式(2)、(3)的計算范圍內(nèi)。此范圍內(nèi)的注漿控制標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)達(dá)到最大注漿靜壓Pmax=12 MPa，且在5 min內(nèi)流量小于0.3 L/min，延續(xù)5 min結(jié)束注漿；

(2)達(dá)到最大每米注入量Vmax=11.5 L/m結(jié)束注漿；

(3)注漿壓力與每米注漿量乘積達(dá)到設(shè)計注漿強度GIN值60 MPa·L/m，且漿液注入流量小于2 L/min，延續(xù)5 min結(jié)束注漿。

同樣得出扇形注漿孔(孔深0～23 m)不同孔深段的注漿強度GIN標(biāo)準(zhǔn)系列值如表2，GIN值包絡(luò)線如圖4。

表2 不同孔深的GIN值

圖4 某銅礦加固工程GIN注漿包絡(luò)線

孔深范圍8～15 m、>15 m段注漿控制詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)參考前述0～8段的標(biāo)準(zhǔn)。建議中等注漿速率(5～7 L/min)注漿；漿液注入速率小于0.3 L/min時為避免漿液凝固堵塞管路應(yīng)考慮中止注漿；達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時漿液注入速率應(yīng)小于2 L/min。化學(xué)漿液加固效果極好，每米漿液用量Vf很小，注漿壓力P較大，GIN值較高。單孔內(nèi)，深部段每米注漿孔控制范圍更大，注漿壓力與漿液用量也越大，對應(yīng)圖4中更高的GIN值。引入GIN值控制標(biāo)準(zhǔn)表征加固強度、漿液用量、注漿壓力三者的定量關(guān)系，使得施工中注漿壓力與注漿量的控制有據(jù)可循，對指導(dǎo)注漿施工意義重大。

將初期記錄回歸計算的扇形孔GIN值控制標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于后續(xù)第2排與第3排注漿施工，簡化、量化了現(xiàn)場施工控制。結(jié)果顯示，第1排漿液用量1 552 L，采用GIN強度值控制后第2排、第3排漿液用量分別為1 227 L、1 181 L，分別節(jié)省漿液17.7%、23.9%，提升了化學(xué)注漿的經(jīng)濟性。

3.3 應(yīng)用GIN值控制方法的注漿效果檢驗

(1) 檢查孔法分析漿液擴散半徑。試驗中為避免竄漿而采用間隔注漿方式，完成7號孔注漿后，用鉆孔探測儀檢查9號孔時在近孔口端觀測到化學(xué)漿液，將其反映在圖5中，計算與相鄰孔最小距離，推算漿液擴散半徑2.52～2.88 m，滿足2.5 m的設(shè)計值。施工中距孔口2 m處封孔，仍會出現(xiàn)巷道面少量返漿，反映了漿液優(yōu)良的擴散性能。

圖5 化學(xué)漿液擴散半徑計算

(2) 鉆孔探測儀檢查注漿孔。巖層鉆孔探測儀對鉆孔內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)、成孔質(zhì)量、化學(xué)注漿效果進(jìn)行檢查，注漿前后成孔效果如圖6。

圖6 注漿前后成孔效果對比

圖6(b)中亮白色雜亂無序的細(xì)脈為化學(xué)漿液。從巖層鉆孔探測儀的成像可知，化學(xué)注漿有效地改善了成孔效果，進(jìn)一步提高了成孔率，從成孔角度說明了化學(xué)注漿對改善破碎礦巖性質(zhì)發(fā)揮著積極作用。隨后的工業(yè)開采將能夠更好地證明化學(xué)注漿與注漿強度GIN值法控制的優(yōu)越性。

4 結(jié) 論

(1)將注漿強度GIN值控制方法引入到某銅礦的整體預(yù)加固中，通過最大注漿靜壓、最大每米漿液注入量、注漿強度GIN值三者對注漿施工進(jìn)行定量控制。開展了高壓速凝化學(xué)注漿工業(yè)試驗，研究了簡化注漿控制，節(jié)省漿液用量的控制標(biāo)準(zhǔn)，對化學(xué)注漿在金屬礦山中的推廣有著重要借鑒意義。

(2)回歸分析得到了適用于現(xiàn)場的注漿強度GIN值：孔深0～8 m，<60 MPa·L/m；孔深8～15 m，<95 MPa·L/m；孔深>15 m，<160 MPa·L/m，并依此給出了基于注漿強度GIN值的控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)采用檢查孔法對注漿效果進(jìn)行了分析評價。鉆孔探測儀觀察驗證了漿液有擴散半徑達(dá)到了2.5 m的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，成孔效果得到了很大改善，注漿后礦巖性質(zhì)有了顯著提高。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Controlling Method of Grouting Intensity Number for Reinforced Fractured Ore Rocks

Wang Heng1,2Wu Aixiang1,2Wang Yiming1,2Huang Mingqing1,2Shen Xianling1,2Xue Zhenlin1,2

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Beijing 100083，China)

A copper mine ore body in Yunnan Province is soft and fractured，so it is difficult to realize mining by hole drilling.Pre-reinforcement mining-optimized scheme with chemical grouting was introduced.However，in the beginning of the experiment，it is hard to accurately control the experiment，resulting in the problems that chemical slurry was over used.In order to quantize and simplify the control process of quick-setting chemical grouting applied in the copper mine，the Grouting Intensity Number method was applied to the chemical grouting experiment for the study of fractured ore-body.The controlling standard for chemical grouting of a fractured copper mine was established and the grouting effect was detected by the drilling detector.Results showed that the industrial applications of GIN method should fully consider final pressurePfand volume of chemical slurryVfper meter.Furthermore，the controlling standards based on depth range of fan-pattern grouting holes were as follows：at the hole depth of from 0 to 8 m，Pfis less than 60 MPa·L/m；at the hole depth of from 8 m to 15 m，Pfis less than 95 MPa·L/m；at the hole depth of greater than 15 m，Pfis less than 160 MPa·L/m.The drilling detector indicated that the diffusion radius of chemical slurry reached 2.5 m and the pore-forming effect had been significantly improved after grouting.Consequently，this study can be used to quantify the grouting control standards，simplify engineering applications and improve the stability of the fractured ore body.

Chemical grouting，Grouting Intensity Number method，Control standards，Effect testing

2014-09-04

“十二五”國家科技支撐計劃項目(編號：2012BAB08B02，2013BAB02B05),高等學(xué)校博士學(xué)科點專項(編號：20110006130003，2011000612002)。

王 恒(1990—)，男，碩士研究生。通訊作者 吳愛祥(1963—)，男，教授，博士研究生導(dǎo)師。

TD 853

A

1001-1250(2014)-11-035-04