蔣鵬飛 趙立濤 高學通

(華北有色工程勘察院有限公司)

石灰?guī)r含水層中高角度裂隙對帷幕注漿的影響分析

蔣鵬飛 趙立濤 高學通

(華北有色工程勘察院有限公司)

礦山帷幕注漿技術(shù)在大水礦山地下水防治方面的作用逐漸受到業(yè)界的廣泛認可，礦山帷幕注漿工程量大、工期長，作為大型隱蔽工程，其施工質(zhì)量受到很多因素制約和影響，而受注地層的裂隙發(fā)育條件則是影響注漿施工的一項重要因素。以南李莊鐵礦帷幕注漿工程為例，通過對工程中鉆探和注漿資料的分類統(tǒng)計，分析了礦區(qū)灰?guī)r含水層巖溶裂隙發(fā)育特征和裂隙產(chǎn)狀對注漿施工的影響，認為礦區(qū)地層普遍存在的高角度裂隙對于漿液擴散搭接存在不利影響，結(jié)合現(xiàn)有工程施工經(jīng)驗，提出了降低這種不利影響的合理建議，為類似工程提供參考。

帷幕注漿 灰?guī)r含水層 高角度裂隙

礦山帷幕注漿是近年來為解決大水礦山安全開采和區(qū)域地下水資源保護等問題而逐漸興起的防治水技術(shù)[1-4]。作為隱蔽工程，其注漿和堵水效果受到很多客觀地質(zhì)因素的制約和影響，如待注漿巖體裂隙發(fā)育程度、裂隙寬度及延展性、裂隙連通程度、充填物的性質(zhì)和充填程度、破碎帶透水性等。本文以南李莊鐵礦帷幕注漿工程為例，分析礦區(qū)地層中高角度巖溶裂隙對注漿施工的影響，結(jié)合現(xiàn)有施工經(jīng)驗，提出合理的注漿工藝改進措施，旨在指導同類工程施工。

1 工程簡介

南李莊鐵礦位于河北省邯鄲縣，礦區(qū)處于一個相對獨立的水文地質(zhì)單元中，主要含水層為奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙水，含水層裂隙巖溶發(fā)育，富水性強。礦床賦存于潛水面以下120～114 m，水文地質(zhì)條件復雜。為了保證礦山安全開采和保護區(qū)域地下水資源，南李莊鐵礦實施帷幕注漿工程堵截地下水。

本工程設(shè)計帷幕線長1 691 m，施工注漿孔171個，檢查孔24個，加密孔7個，總鉆探進尺為122 666.9 m；平均孔深為613.87 m，最大孔深為735.76 m；總注漿量為143 694.99 m3，最大單孔注漿量為4 092.08 m3，最大平均單位注漿量為6.98 m3/m。

2 水文地質(zhì)條件

南李莊鐵礦帷幕注漿工程施工場區(qū)位于獨立水文地質(zhì)單元中部偏東位置，處于強徑流帶，周邊無明顯隔水邊界，見圖1。

圖1 場區(qū)水文地質(zhì)簡圖

施工場區(qū)內(nèi)主要含水層為中奧陶統(tǒng)石灰?guī)r以溶隙為主，含豐富的裂隙巖溶潛水，平均滲透系數(shù)達到5.95 m/d，地下水靜水位標高基本保持在+100 m左右。

場區(qū)含水層富水性在水平向呈現(xiàn)東側(cè)和北側(cè)較強、西側(cè)和南側(cè)較弱的趨勢：在垂向上體現(xiàn)上弱、中強、下弱的趨勢，其中+130 m標高以上為弱富水段，+130～+100 m標高為富水段，+100～-150 m 標高為強富水段，-150～-200 m標高為富水段，-200～-320 m標高為弱富水段，但局部位置存在富水性和透水性強的裂隙巖溶。

場區(qū)內(nèi)基底為燕山期閃長玢巖，其頂板接觸帶在場區(qū)內(nèi)起伏不平，最淺處標高為-129.87 m，最深處標高為-490.92 m。在工程中對閃長玢巖進行壓水試驗，其平均單位透水率僅為0.25 Lu，說明燕山期閃長玢巖可作為場區(qū)內(nèi)的隔水層。

3 高角度裂隙對注漿的影響分析

3.1 灰?guī)r裂隙形態(tài)劃分

裂隙角度是斷裂面與巖芯中軸線垂直面的夾角。按裂隙角度的大小，可將裂隙分為3個類別：水平裂隙，傾角為0°～10°；斜交裂隙，傾角為10°～60°；高角度裂隙，傾角為60°～90°[5]。裂隙形態(tài)見圖2。

圖2 裂隙形態(tài)

3.2 灰?guī)r裂隙角度分析

以南李莊鐵礦帷幕注漿工程為例，對其中的Ⅰ序孔進行裂隙夾角統(tǒng)計，見表1。

-200 m標高是中部強含水層的下限，因此，-200 m 標高以上的石灰?guī)r含水層是本工程重點注漿治理對象，其裂隙角度發(fā)育規(guī)律見表2。

表1 Ⅰ序注漿孔石灰?guī)r含水層裂隙夾角統(tǒng)計

表2 -200 m標高以上石灰?guī)r含水層裂隙夾角統(tǒng)計

從表2可以看出，-200 m標高以上的石灰?guī)r含水層中，大于60°的高角度裂隙占到了79.3%，10°～60°的斜交裂隙僅有19.4%，低于10°的水平裂隙只有1.4%，說明場區(qū)內(nèi)石灰?guī)r含水層裂隙發(fā)育角度以高角度為主。

3.3 注漿與裂隙角度的關(guān)系

礦山帷幕注漿是利用鉆探揭露含水層裂隙，將可凝結(jié)的漿液通過外加高壓注入到裂隙之中，使其擴散到一定范圍，待漿液凝結(jié)后完全充填裂隙空間，達到封堵裂隙通道，隔離帷幕內(nèi)外水力聯(lián)系的目的。

一般來說，在水平裂隙進行注漿，漿液通過裂隙向周圍擴散，圍繞注漿段周圍形成一定近圓形范圍的結(jié)石體以充填裂隙空間；在斜交裂隙中注漿，由于裂隙與注漿孔呈斜交狀，在注漿過程中，漿液在機械壓力和自身重力的雙重作用下，沿著裂隙向四周運移，由于自重壓力的存在，在漿液擴散距離和程度上，下方向勢必優(yōu)于上方向和水平方向；而高角度裂隙可能造成部分漿液順著裂隙越過待注漿段，對下部尚未鉆探施工的含水層進行充填，不利于下段注漿漿液的擴散，可能影響到帷幕的堵水效果[5]。

3.4 高角度裂隙對注漿的影響

南李莊鐵礦帷幕注漿工程中45個Ⅰ序孔有25個鉆孔在鉆探過程中揭露有漿液結(jié)石，占Ⅰ序孔總數(shù)的57.78%。Ⅰ序孔在注漿前出現(xiàn)漿液結(jié)石有2種可能：①含水層裂隙巖溶發(fā)育，連通性好，漿液平面擴散距離遠；②含水層高角度裂隙發(fā)育，漿液垂向?qū)ㄖ料虏课淬@探注漿段，這種漿液結(jié)石往往出現(xiàn)在垂向裂隙之中。

通過對工程中Ⅰ序孔發(fā)現(xiàn)漿液結(jié)石的位置、時間和相鄰注漿孔施工情況進行對比，分析認為其中18個Ⅰ序孔出現(xiàn)漿液結(jié)石是因為高角度裂隙。對這18個Ⅰ序孔和鄰近Ⅲ序孔的注漿資料(表3)進行分析,可以看出在高角度裂隙影響下，附近Ⅲ序孔注漿情況為30.55%的Ⅲ序孔單位注漿量小于Ⅰ序孔注漿量的50%，近50%的Ⅲ序孔單位注漿量大于Ⅰ序孔注漿量的70%，單位注漿量超過Ⅰ序孔的Ⅲ序孔占了20%。對比鄰近礦區(qū)帷幕注漿工程可以看出，南李莊礦區(qū)地層由于高角度裂隙較為發(fā)育，造成漿液水平向擴散疊加困難，在經(jīng)過Ⅰ、Ⅱ序孔的注漿施工后，大部分Ⅲ序孔仍存在注漿量偏大的情況，需要加強分析。

3.5 注漿效果評價

對于上述分析中認為由于高角度裂隙發(fā)育造成Ⅰ序孔出現(xiàn)漿液結(jié)石的18個Ⅰ序孔，通過布置檢查孔和加密孔對其中的12個孔進行了注漿效果檢查驗證，驗證孔布置與注漿情況見表4。

由表4可以看出，12個驗證孔中僅有2個孔平均單位注漿量大于0.5 m3/m，注漿量低于Ⅲ序孔的平均值。但是，在12個驗證孔中共計進行了170段次的壓水試驗，其中有34段次壓水試驗結(jié)果大于1 Lu(小于帷幕體設(shè)計防滲標準2 Lu)，有15段次單位注漿量大于1 m3/m，單段最大單位注漿量達到3.51 m3/m，說明在高角度裂隙發(fā)育的地層部位漿液水平向擴散較為困難，各序孔間注漿量的疊加遞減效應不明顯，由此證明高角度裂隙對帷幕注漿施工和幕體堵水效果有較大不良影響。

表3 高角度裂隙影響下Ⅲ序孔注漿情況統(tǒng)計

表4 高角度裂隙條件下注漿效果驗證統(tǒng)計

4 結(jié) 語

借助南李莊鐵礦帷幕注漿工程相關(guān)施工資料，分析了石灰?guī)r含水層中高角度裂隙對注漿施工的影響，認為高角度裂隙在一定程度上影響了漿液的擴散范圍，造成局部地段Ⅲ序孔注漿量偏大，影響了帷幕體局部的注漿效果。因此，對于受到高角度裂隙影響的Ⅰ序孔，如果附近Ⅲ序孔注漿量過大，應視為注漿異常地段，必須進行注漿補強。

對于普遍存在高角度裂隙的大水礦山，在采用帷幕注漿技術(shù)治理地下水時，建議采取以下措施：

(1)開展大規(guī)模注漿施工前必須進行帷幕線地質(zhì)勘察和注漿試驗，確定裂隙發(fā)育產(chǎn)狀及程度，對高角度裂隙發(fā)育的地段適當縮短注漿孔孔距。

(2)要達到相同的水平擴散范圍，在高角度裂隙中漿液需要更長的流動距離，必須選用適宜的混合漿液，增強漿液的流動性，延長漿液的凝結(jié)時間，從而降低高角度對于擴散距離的影響。

(3)漿液的流動距離一定程度上取決注漿泵施加的壓力，因此可以適當增大有效注漿壓力，便于漿液在高角度裂隙含水層中擴散。

[1] 盧 萍,侯克鵬.帷幕注漿技術(shù)在礦山治水中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(3):21-24.

[2] 王 軍.礦山地下水害防治技術(shù)新進展[J].采礦技術(shù),2002,2(3):55-58.

[3] 蔣鵬飛,于同超,高廣鋒.帷幕注漿工藝在大水礦山中的應用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2010(6):118-120.

[4] 宋 峰,劉新社.中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程科技成果匯編[M].武漢:中國地質(zhì)大學出版社,2012.

[5] 高學通,劉殿風,蔣鵬飛.巖溶裂隙產(chǎn)狀對帷幕注漿施工及堵水的影響[J].金屬礦山,2013(3):25-28.

2014-10-20)

蔣鵬飛(1974—)，男，高級工程師，050021 河北省石家莊市。