樂 應(yīng)

(中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司)

黃屯硫鐵礦位于安徽省廬江縣龍橋鎮(zhèn)境內(nèi)，黃屯新區(qū)以北約1 km處，位于馬鞭山鐵礦床北東側(cè)附近。礦床屬于未開發(fā)利用的新礦床，水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，預(yù)測(cè)礦坑涌水量極大。為確保礦山安全開采，降低地下水排水費(fèi)用，本研究采用帷幕注漿工藝[1-5]進(jìn)行礦坑涌水治理。

1 礦區(qū)概況

黃屯硫鐵礦礦區(qū)基底地層總體呈一單斜構(gòu)造，走向NE70°～80°，傾向SW，傾角40°～60°，局部可見小褶曲。礦區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有F1、F2、F3、F44條斷層，礦區(qū)第四系覆蓋層下還發(fā)育有多條隱伏破碎帶，分別為Fp1～Fp5。

礦區(qū)內(nèi)含水巖組為：①第四系孔隙水含水巖組，主要分布于黃屯河河谷，巖性為第四系下部沖洪積砂礫石層，該含水層富水性較弱，主要在礦區(qū)周邊接受基巖裂隙水和裂隙-孔洞水的側(cè)向補(bǔ)給，另外在礦區(qū)南部局部地段接受地表河流的入滲補(bǔ)給等；②火山碎屑巖與熔巖類孔洞-裂隙水含水巖組，由侏羅系上統(tǒng)龍門院組粗安巖、含礫粗安巖、凝灰?guī)r等組成，分布普遍，厚約300 m，巖石裂隙發(fā)育，受地質(zhì)構(gòu)造影響，巖石裂隙發(fā)育極不均一，導(dǎo)致該含水層組的富水性和透水性在水平及垂直方向差異較大，為承壓水，裂隙傾角約70°至近直立，沿裂隙及硅化處多發(fā)育有孔洞，具連通性，富水性中等—極強(qiáng)，為礦區(qū)主要的含水層組；③碎屑巖夾碳酸鹽類巖溶裂隙水含水巖組，主要由三疊系上統(tǒng)拉犁尖組下段及中統(tǒng)銅頭尖組粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及灰?guī)r組成，陡傾角裂隙較發(fā)育，沿裂隙常發(fā)育有孔洞，具有連通性，富水性中等[3]。

礦區(qū)內(nèi)隔水巖組為：①三疊系拉犁尖組上段石英砂巖、粉砂巖等，層理及微裂隙較發(fā)育，但多被泥質(zhì)充填，沿裂隙零星發(fā)育有小孔洞，為相對(duì)隔水層[3]；②黃屯閃長(zhǎng)玢巖，分布于鉆孔中深部，該層巖芯完整，裂隙不發(fā)育，為相對(duì)隔水層。

天然條件下，礦區(qū)地下水主要來源于大氣降水，于南部、東部、西部低山丘陵區(qū)通過基巖裂隙、破碎帶滲入地下并補(bǔ)給地下水，其次為地表水下滲補(bǔ)給。但因礦區(qū)內(nèi)第四系松散堆積層全覆蓋且含水貧乏，大氣降水對(duì)礦坑充水的直接影響較小。礦體賦存于埋深98.12～331.56 m的巖層中，礦體、圍巖、直接頂?shù)装寰鶠榈V區(qū)內(nèi)的主要含水層。群孔抽水試驗(yàn)表明，礦區(qū)含水層地下水水量豐富，為礦坑的直接充水來源。

2 帷幕注漿堵水方案

黃屯硫鐵礦帷幕注漿工程由南、中、西3段帷幕共同組成，其中，南帷幕EDC段長(zhǎng)969.1 m、中帷幕IJ段長(zhǎng)1 052.9 m，西帷幕FGHI段長(zhǎng)700.1 m。南、中、西3段帷幕與F1斷層南段及F2斷層在平面上共同構(gòu)成了首尾相連的全封閉式帷幕。鉆孔設(shè)計(jì)孔距6～7 m，局部孔段可加密至3～4 m。設(shè)計(jì)帷幕幕頂為基巖面，帷幕幕底進(jìn)入弱透水層約20 m，且最后一段注漿前的透水率小于3 Lu。帷幕防滲指標(biāo)為q<3 Lu，帷幕厚度為6 m。漿液擴(kuò)散半徑為4 m。鉆孔開孔孔徑不小于130 mm，終孔孔徑不小于91 mm，特殊情況下最后一段可采用75 mm終孔孔徑。采用2.5～3倍靜水壓力，破碎帶注漿壓力為靜水壓力的4倍，部分泥灰?guī)r孔段的注漿壓力為1～2.5倍靜水壓力[6-7]。

2.1 鉆孔施工

放孔均采用全站儀及鋼卷尺共同完成，孔位偏差不宜超過20 cm。施工鉆孔時(shí)，鉆機(jī)安裝須水平、平穩(wěn)，基巖鉆進(jìn)須全部采用清水進(jìn)行，鉆進(jìn)過程中須保證采芯率，完整基巖巖芯采取率大于70%，破碎巖層巖芯采取率大于50%，鉆進(jìn)過程中須詳細(xì)揭露孔深、孔徑、沖洗液漏失情況、掉鉆及坍塌位置等信息。每50 m測(cè)斜1次，變徑及破碎帶處需加密測(cè)斜，全孔孔斜率須小于1%，偏斜過大時(shí)應(yīng)及時(shí)采取糾偏措施。每100 m須驗(yàn)證1次孔深，終孔孔深誤差不宜大于1‰[8-10]。

2.2 注漿材料

本研究注漿漿液以水泥黏土漿為主，注漿量較大時(shí)可根據(jù)壓力情況添加少量的水玻璃輔助劑。水泥采用42.5級(jí)普硅水泥，水泥細(xì)度要求通過80 μm方孔篩后的篩余量不大于5%，且不得使用受潮結(jié)塊的水泥，進(jìn)場(chǎng)水泥須同時(shí)具備出廠合格證及出廠檢驗(yàn)質(zhì)量合格報(bào)告。黏土塑性指數(shù)≥10，黏粒(粒徑小于0.005 mm)含量不小于15%，含砂量(0.05～0.25 mm)不大于5%，有機(jī)物含量不宜大于3%。灌漿前，應(yīng)嚴(yán)格按配比進(jìn)行配漿，嚴(yán)格控制材料的加入量。灌漿過程中，需對(duì)漿液密度進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于不合格的漿液嚴(yán)禁輸送至二次攪拌桶。

2.3 注 漿

根據(jù)地層情況采用下注漿管孔內(nèi)循環(huán)注漿及下止?jié){塞分段注漿相結(jié)合地注漿方法。本研究防滲帷幕的注漿孔較深，注漿層厚度較大，裂隙發(fā)育不均勻，因此每個(gè)注漿孔無論是在垂向上還是平面上，其可注性和吸漿量變化均較大。本研究將注漿層分為若干段，分別對(duì)各段進(jìn)行注漿，以確保帷幕注漿效果。本研究將帷幕注漿段劃分為：①構(gòu)造裂隙發(fā)育層(標(biāo)高-150 m以上)，注漿段長(zhǎng)5～20 m；②堅(jiān)硬、完整巖層(標(biāo)高-150 m以下)，注漿段長(zhǎng)。此外，鉆探過程中如果出現(xiàn)全漏及揭穿溶洞底板現(xiàn)象時(shí)，須立即停鉆壓水，并進(jìn)行注漿。

本研究注漿可供選擇的漿液水固比有3∶1、2.5∶1、2∶1、1.5∶1、1.2∶1、1∶1，注漿時(shí)按照“先稀漿、后濃漿、逐級(jí)加濃”的原則進(jìn)行漿液濃度變換[1,5]。同一級(jí)配漿液注入量達(dá)到20～30 m3并且壓力無明顯上升時(shí)，須調(diào)濃1級(jí)漿液。當(dāng)注漿壓力接近終壓并且出現(xiàn)升壓跡象時(shí)，不宜輕易變漿。

壓水試驗(yàn)的目的是為了分析帷幕注漿前后巖層的透水性。本研究壓水試驗(yàn)采用下止水器分段壓水方式。試驗(yàn)方法采用單點(diǎn)法，數(shù)據(jù)記錄采用灌漿自動(dòng)記錄儀，壓力及流量分別由壓力計(jì)、流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量并傳輸至灌漿記錄儀上。壓水試驗(yàn)最大壓力取灌漿壓力的80%并且不超過1.0 MPa。試驗(yàn)時(shí)，每間隔5 min觀測(cè)1次壓力和流量值，當(dāng)流量和壓力保持相對(duì)穩(wěn)定，即流量計(jì)、壓力計(jì)讀數(shù)最大值與最小值之差小于10%，或流量計(jì)讀數(shù)最大值與最小值之差小于1 L/min時(shí)，同時(shí)穩(wěn)定30 min以上，本段壓水試驗(yàn)即可結(jié)束，取結(jié)束時(shí)的壓力及流量值作為計(jì)算值[1，5]。當(dāng)注漿壓力均勻持續(xù)上升達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，且注入率小于20 L/min時(shí)，穩(wěn)定30 min左右，即可結(jié)束當(dāng)次注漿，掃孔后按照上述步驟進(jìn)行壓水試驗(yàn)。若透水率小于3 Lu即可結(jié)束當(dāng)前段次注漿，反之，須重新灌注，直至灌漿達(dá)標(biāo)且掃孔后的壓水透水率小于3 Lu方可結(jié)束當(dāng)段次施工，進(jìn)入下一段次施工。

2.4 鉆孔沖洗

每個(gè)段次在壓水、注漿前均需進(jìn)行鉆孔沖洗。具體操作要求為：①每個(gè)注漿段鉆進(jìn)完畢后，用帶取粉管的鉆具進(jìn)行撈粉，并用大泵量水進(jìn)行洗孔，直至孔口返水變清，同時(shí)孔內(nèi)殘留物沉淀厚度應(yīng)小于20 cm[1,5]；②注漿、壓水管路安裝完畢后，采用高壓脈沖法，用脈沖壓力水進(jìn)行洗孔：先將安裝于回漿管路的回漿閥關(guān)死，同時(shí)往孔內(nèi)壓水，待壓力表的指示壓力值上升至灌漿壓力的80%～100%并持續(xù)5～10 min后，迅速打開回漿閥，讓壓力驟然降至0，使回漿管路的流量增大，將鉆孔中的泥質(zhì)物等帶出孔外，當(dāng)回水變清后再重復(fù)沖洗，直至回水潔凈為止。

3 效果分析

由圖1可知：后序孔注漿前的加權(quán)平均透水率明顯小于前序孔，說明前序孔灌注的漿液對(duì)鉆孔周邊的裂隙進(jìn)行了有效充填，導(dǎo)致后序孔的透水性大大降低，表明本研究帷幕注漿效果明顯。

圖1 各序孔注漿前加權(quán)平均透水率

檢查孔布設(shè)的目的是檢查鉆孔注漿充填效果、漿液結(jié)石體的物理性能以及帷幕的滲透性。檢查孔的布設(shè)部位主要有：①帷幕中心線上或偏離中心線2～3 m；②巖層破碎、斷層、溶洞發(fā)育強(qiáng)烈地段等地質(zhì)條件復(fù)雜的部位；③單段注漿量大的孔段附近；④相鄰鉆孔往相反方向偏斜、注漿與壓水情況不正常以及經(jīng)分析認(rèn)為對(duì)帷幕注漿質(zhì)量有影響的部位。根據(jù)本研究檢查孔鉆探施工時(shí)的巖芯揭露情況，在不同孔段及孔深裂隙面多次發(fā)現(xiàn)有水泥黏土漿薄層，說明漿液在連通性好的裂隙內(nèi)擴(kuò)散較好，可達(dá)到設(shè)計(jì)擴(kuò)散半徑。由檢查孔注漿前壓水情況分析，可知檢查孔的壓水合格率達(dá)到94%，說明前期注漿漿液對(duì)周邊裂隙進(jìn)行了有效充填，帷幕注漿效果明顯。

根據(jù)礦區(qū)前期水文勘探抽水試驗(yàn)成果可知，在主孔排水量為20 850 m3/d的情況下，主孔穩(wěn)定水位標(biāo)高為-13.55 m，預(yù)測(cè)礦坑涌水量達(dá)到108 000 m3/d 左右。帷幕注漿工程施工完畢后，在礦區(qū)排水量為10 000 m3/d的情況下，主孔的水位標(biāo)高達(dá)到-16.92 m且在不斷下降中，初步預(yù)計(jì)堵水率達(dá)到65%以上。

4 結(jié) 語

采用帷幕注漿工藝對(duì)安徽省廬江縣黃屯硫鐵礦礦坑涌水進(jìn)行了治理，詳細(xì)設(shè)計(jì)了注漿堵水實(shí)施方案。方案實(shí)施后，鉆孔水位標(biāo)高得到了明顯下降，礦坑涌水治理效果較好。