韓貴雷

(華北有色工程勘察有限公司，　河北 石家莊　050021)

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均衡法在礦山帷幕注漿堵水效果評(píng)價(jià)中應(yīng)用

韓貴雷

(華北有色工程勘察有限公司，河北 石家莊050021)

水患礦山實(shí)施帷幕注漿后評(píng)價(jià)堵水效果的方法一直不完善。利用礦山帷幕將改變礦區(qū)地下水流場(chǎng)，在帷幕內(nèi)形成相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元的特點(diǎn)，采用均衡法計(jì)算評(píng)價(jià)帷幕滲透性及堵水效果。在詳細(xì)闡述均衡法計(jì)算原理的基礎(chǔ)上，利用中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程作為計(jì)算實(shí)例進(jìn)一步驗(yàn)證了均衡法的有效性，計(jì)算結(jié)果表明：采用均衡法計(jì)算帷幕平均滲透系數(shù)K=0.039 m/d，幕體防滲性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)，具有可行性。

帷幕注漿；堵水效果；均衡法

0　引　言

隨著我國對(duì)礦產(chǎn)資源需求量的增加和開采強(qiáng)度不斷加大，礦山開采過程中由于疏排水帶來的一系列環(huán)境、水資源保護(hù)及安全等問題日益凸顯。帷幕注漿技術(shù)能夠有效解決保護(hù)區(qū)域地下水環(huán)境與安全開采礦產(chǎn)資源之間的矛盾，其應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)成為國內(nèi)水患礦山主要的治水手段，并取得了良好的效果。

由于礦山帷幕注漿工程具有典型的隱蔽工程特點(diǎn)，水患礦山實(shí)施帷幕注漿后，其堵水效果和帷幕體本身的滲透性的評(píng)價(jià)方法一直不完善。目前，帷幕注漿工程領(lǐng)域一直采用實(shí)施檢查孔以及相關(guān)物探等手段評(píng)價(jià)帷幕體本身的透水性。采用檢查孔的評(píng)價(jià)方法不僅投資費(fèi)用較高，同時(shí)其評(píng)價(jià)結(jié)果只是驗(yàn)證了檢查孔附近的帷幕體透水性，難以對(duì)帷幕體整體透水性以及堵水效果做出全面的評(píng)價(jià)。2015年出版的《礦山帷幕注漿規(guī)范》提出了礦山帷幕注漿的堵水效果評(píng)價(jià)可利用礦坑疏干放水或者進(jìn)行專門的抽、放水試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。該方法數(shù)據(jù)真實(shí)性、可靠性強(qiáng)，但是礦山的基建期受影響因素較多，且礦坑放水也存在較長的排水期，也就是說，整個(gè)堵水效果的驗(yàn)證可能需要等1～2 a甚至更長的時(shí)間。因此，研究新的技術(shù)方法及評(píng)價(jià)手段預(yù)測(cè)幕體堵水效果，對(duì)帷幕注漿工程施工尤為重要。

礦山帷幕形成后，將改變礦區(qū)地下水流場(chǎng)，在帷幕內(nèi)形成相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。在同一時(shí)間，帷幕內(nèi)外的地下水位會(huì)產(chǎn)生一定的變化，但不管是帷幕內(nèi)還是帷幕外均會(huì)存在有聯(lián)系的地下水補(bǔ)、徑、排條件，因此可以利用這些條件試算帷幕體的堵水效果。

1　均衡法原理

水均衡法也稱水量平衡法或水量均衡法，是全面研究某一地區(qū)(或均衡區(qū))在一定時(shí)間段地下水的補(bǔ)給量、儲(chǔ)存量和消耗量之間的數(shù)量轉(zhuǎn)化關(guān)系的平衡計(jì)算。對(duì)于一個(gè)飽和富水的含水層來說，含水層組中水體積(或質(zhì)量)為穩(wěn)定量。因而建立水均衡方程式：

Q進(jìn)=Q排

(1)

式中：Q進(jìn)——某一時(shí)刻進(jìn)入計(jì)算區(qū)域內(nèi)的水量；

Q排——某一時(shí)刻流出計(jì)算區(qū)域內(nèi)的水量。

針對(duì)礦山帷幕注漿工程，在礦山堵水帷幕形成后，在開拓及開采過程中，單位時(shí)間內(nèi)流入或流出礦井(坑)，包括井筒、巷道和開采系統(tǒng)的水量，一般都是通過周邊含水體向礦坑內(nèi)補(bǔ)充，在每一時(shí)間點(diǎn)上，補(bǔ)給量和排出量應(yīng)該是相同的，也就是補(bǔ)給和輸出是均衡的。

因此根據(jù)均衡原理，通過研究某一時(shí)期(均衡期)帷幕體內(nèi)外地下水各均衡要素(補(bǔ)給量、消耗量和儲(chǔ)存量)之間的關(guān)系，建立地下水均衡方程，計(jì)算出帷幕體在特定條件下的滲透特性，為評(píng)價(jià)帷幕體的堵水效果提供依據(jù)。

2　應(yīng)用實(shí)例

2.1工程背景

中關(guān)鐵礦位于河北邢臺(tái)沙河市，隸屬于河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)公司，2004評(píng)價(jià)礦坑涌水量豐水年為15.03萬m3/d，屬于典型的大水礦山，采用傳統(tǒng)的疏干采礦將嚴(yán)重破壞邢臺(tái)地區(qū)的地下水資源，2004年以前被列為限采礦山。2005年華北有色工程勘察院有限公司為其進(jìn)行了礦山帷幕注漿試驗(yàn)并取得成功，中關(guān)鐵礦由規(guī)劃限采區(qū)調(diào)整為允許開采區(qū)，經(jīng)過2006年的再次試驗(yàn)最終確定了在中關(guān)鐵礦實(shí)施全封閉整體帷幕的治水方案。

中關(guān)鐵礦帷幕注漿方案確定帷幕形成后堵水率不小于80%，即在-230 m中段帷幕形成后礦坑涌水量平水年最大不超過2.44萬t/d，豐水年最大不超過3.00萬t/d。主要技術(shù)參數(shù)為：帷幕線全長3397 m，在平面上呈橢圓形封閉圈；帷幕體厚度不小于10 m；帷幕體防滲性能不大于2 Lu；注漿孔單排；注漿孔間距12 m。

中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程自2008年開始施工，2011年完成了全部的野外工作，野外工作量見表1。

表1　中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程工作量

2.2均衡法計(jì)算帷幕體滲透系數(shù)

中關(guān)鐵礦注漿帷幕形成后，阻斷了與區(qū)域地下水主要的水力聯(lián)系，在帷幕內(nèi)外產(chǎn)生水頭差，也是洪水期幕外水向幕內(nèi)滲透的動(dòng)力。根據(jù)地下水補(bǔ)給排泄的均衡原理，以觀測(cè)期內(nèi)某一天的水位觀測(cè)資料為基礎(chǔ)(圖1為帷幕線附近觀測(cè)孔布置圖)，運(yùn)用均衡法試算注漿帷幕的平均滲透系數(shù)。

2.2.1計(jì)算公式

根據(jù)達(dá)西定律確認(rèn)本次計(jì)算公式，具體過程如下：

(2)

Q=KiA

(3)

(4)

(5)

式中：K——帷幕體平均滲透系數(shù)，m/d；

A1——進(jìn)水?dāng)嗝婷娣e，m2；

A2——出水?dāng)嗝婷娣e，m2；

Q1——主副井排水量，m3/d；

Q進(jìn)——進(jìn)入帷幕內(nèi)的水量，m3/d。

圖1　帷幕觀測(cè)孔布置

計(jì)算中主要涉及到以下幾個(gè)方面參數(shù)：

(1) 由于帷幕注漿孔間距是等距的，故設(shè)定帷幕體是均質(zhì)的；

(2) 計(jì)算中采用的數(shù)據(jù)為某體觀測(cè)日的水位觀測(cè)資料；

(3) 主、副井2010年3月開始停產(chǎn)，其中主井排水量為25m3/h，副井排水量為20m3/h，日排水量穩(wěn)定在1080m3/d；

(4) 幕內(nèi)外觀測(cè)孔間距為40m；

(5) 滲透系數(shù)為帷幕體的平均滲透系數(shù)。

2.2.2參數(shù)計(jì)算

(1) 進(jìn)水?dāng)嗝?。由水位觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，觀測(cè)時(shí)期正處于洪水期的帷幕體呈現(xiàn)幕外水向幕內(nèi)滲透的趨勢(shì)，因此可以看作帷幕體為全過水?dāng)嗝?，其含水層的厚度以?dāng)時(shí)水位為頂板，底板為注漿孔揭露灰?guī)r的平均深度，過水?dāng)嗝嫫拭婷娣e按條分法劃分，見圖2。

(2) 出水?dāng)嗝妗Ｓ捎谟^測(cè)日處于洪水期，帷幕外地下水向帷幕內(nèi)滲透，因此無出水?dāng)嗝妗?/p>

(3) 水力坡度。將地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)帶入公式(6)，求解帷幕內(nèi)外水力坡度，計(jì)算結(jié)果見表2。

(6)

式中：l——觀測(cè)孔距離，40 m。

圖2　條分法計(jì)算過水?dāng)嗝婷娣e

表3　進(jìn)水?dāng)嗝嬗^測(cè)孔水位數(shù)據(jù)

為了準(zhǔn)確計(jì)算過水?dāng)嗝嫫骄ζ露龋捎妹娣e加權(quán)平均的方法，根據(jù)不同觀測(cè)孔控制長度與剖面條分寬度計(jì)算各對(duì)觀測(cè)孔的控制面積。計(jì)算公式見式(7)，計(jì)算結(jié)果見表3，最終計(jì)算得進(jìn)水總面積為1118228.21 m3, 加權(quán)平均水力坡度為0.0248。

(7)

(3) 主、副井日排水量。根據(jù)礦山排水記錄表，主副井日排水量1080 m3/d，并且該排水量已穩(wěn)定有6個(gè)月。

(4) 試算結(jié)果。根據(jù)上述假設(shè)，將表中數(shù)據(jù)代入公式(5)，經(jīng)試算中關(guān)鐵礦注漿帷幕的平均滲透系數(shù)K=0.039 m/d，小于設(shè)計(jì)要求的0.08 m/d，表明帷幕體防滲性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)，帷幕體堵水率應(yīng)能夠達(dá)到80%。

3　結(jié)　論

(1) 礦山實(shí)施帷幕注漿后，帷幕內(nèi)外在每一時(shí)間點(diǎn)上補(bǔ)給量和排出量應(yīng)該是相同的，也就是補(bǔ)給和輸出是均衡的，因此，采用均衡法評(píng)價(jià)帷幕注漿堵水效果具有可行性。

(2) 通過采用均衡法對(duì)中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程堵水效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，中關(guān)鐵礦注漿帷幕的平均滲透系數(shù)K=0.039 m/d，小于設(shè)計(jì)要求的0.08 m/d，表明帷幕體防滲性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)，帷幕體堵水率應(yīng)能夠達(dá)到80%。

(3) 中關(guān)鐵礦評(píng)價(jià)實(shí)例表明均衡法評(píng)價(jià)帷幕注漿工程堵水效果具有較高可信度。

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2016￣04￣15)

韓貴雷(1980-)，男，河北保定人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事礦山防治水研究，Email：hanguilei@tom.com。