复杂富水环境下帷幕注浆工程布设及工艺优化

王泽群 章 林

(1.铜陵化学工业集团有限公司，安徽 铜陵 244023；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，243000 安徽 马鞍山；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，243000 安徽 马鞍山；4.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心，243000 安徽 马鞍山)

复杂富水环境下帷幕注浆工程布设及工艺优化

王泽群1章 林2,3,4

(1.铜陵化学工业集团有限公司，安徽 铜陵 244023；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司，243000 安徽 马鞍山；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，243000 安徽 马鞍山；4.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心，243000 安徽 马鞍山)

帷幕注浆工程可以有效截断开采区域的地下水补给，为安全开采复杂富水环境下的矿体创造条件。在对矿区水文地质环境详细勘察的基础上，通过现场工业试验，以堵水率为评价指标，分析注浆工程在不同帷幕线路和注浆参数下的堵水效果。通过优化帷幕注浆线路和布设参数，采用分区不等距大孔距布设注浆孔的方式，降低了36.01%的钻探工程量；遴选了改性黏土固化浆(90%)和粉煤灰固化浆(10%)作为注浆材料，降低了帷幕工程成本。研究结果表明：注浆帷幕两侧的水位差最高达40.6 m，堵水率达77.96%，帷幕注浆工程达到了预期堵水效果。

帷幕注浆 复杂富水环境 工艺优化 水位监测

安徽省铜陵新桥硫铁矿是我国第二大硫铁矿山，矿体开采分为露天和地下2个部分。矿山地表河网交错，水文地质条件复杂[1]。自建矿以来，多次发生严重的突水事故，造成地表塌陷和开裂。随着露天采坑的不断延伸，矶山东部区域的地下渗流场发生了很大的变化，开采环境更加复杂[2]。

为解决矿区东翼地下水害问题，封堵地下水径流通道，矿山开展了复杂富水环境下注浆帷幕工程建设，取得了良好的效果[3]。

1 矿区水文地质情况

新桥矿中部闪长岩株将矿区分割为东西2个相对独立的水文地质单元。东翼水文地质条件较复杂，东翼的东南侧及西侧分别由高骊山组砂页岩及燕山期闪长岩株组成隔水边界，北部及东部由栖霞灰岩组成直接充水岩层，属岩溶充水矿山，灰岩岩溶发育[4]。东翼存在2个主要进水通道：东侧的Fc破碎岩溶带，西侧的闪长岩株侵入破碎带。矿坑涌水量达50 000 m3/d以上。矿山区域地质剖面如图1所示。

图1 Ⅲ-Ⅳ区段地质剖面

2 帷幕路线选择

为提高注浆帷幕防渗漏效果，降低工程投资，矿山对帷幕线位置、注浆孔布置、注浆材料、注浆参数、注浆工艺进行了优化设计，不同优化方案对比见表1。

表1 帷幕线位置优化方案(至-144 m)

经多次反复优化、论证，综合考虑堵水率、投资、矿石损失等因素，矶山东部帷幕注浆的帷幕线位置最终选定为东端始于8.5线露天矿坑的东边界，沿勘探线方向(327)延伸至0 m台阶，向西扩展至11线的8#和9#勘探孔的中间，到达8#勘探孔，折向西北至5#勘探孔，再折向西至4#勘探孔，又折向南西西至岩株隔水体为止。帷幕投影为通过多个拐点A-B-C-D-E-F-G的折线形(如图2)，帷幕线全长约690 m。

由于帷幕工程量及投资额度较大，矿山分为3个阶段施工。即先期施工主要过水通道的第II段，再施工次要堵水段的第Ⅲ、Ⅳ段，最后施工次要堵水段的第Ⅰ段。

3 帷幕参数的确定

帷幕参数主要包括：帷幕深度、帷幕厚度、帷幕孔间距、帷幕渗透系数等4个要素[5-7]。根据对比分析论证结果，相关参数确定如下。

(1)帷幕深度。随地层不同而有所变化，灰岩分布区全部揭穿栖霞灰岩上段，控制至弱含水或相对不含水的栖霞灰岩下段、深部船山灰岩及闪长岩体；矿体(矽卡岩)分布区则控制至高骊山组砂岩、闪长岩隔水层，帷幕孔最深281 m，最浅30.23 m。

图2 注浆孔位置

(2)帷幕孔间距。帷幕孔间距选用不等距大孔距布设。注浆形成的非均质组合体，能够封闭岩溶径流过水通道的空间范围即能满足要求。各区段采用不均匀布孔，在岩溶、构造发育透水性强和物探低速区采用较小的孔距，且孔位尽量布置在低速区，在高速区则采用较大的孔距。

(3)帷幕厚度。国内的帷幕注浆工程案例表明[8-9]，注浆液的扩散范围大于8 m，通常设计的孔间距离在8～12 m。矿山选择帷幕的厚度为10 m。

(4)帷幕渗透系数。由于矿山的特殊性，对帷幕的主要性能参数要求不是很高，满足矿山服务期的正常堵水即可。如果能保证60%以上的堵水，基本能实现正常采矿需求。根据矿山实际情况以及国内成功的工程案例[10-12]，考察矿山的控制塌陷扩展范围，帷幕渗透系数拟定为0.065 m/d。

4 注浆材料选择

注浆材料是决定帷幕工程总投资的一个重要因素[13]。为了降低注浆材料成本，根据试验研究成果，矿山帷幕选用改性黏土固化浆(90%)和粉煤灰固化浆(10%)的注浆材料。

改性黏土浆主要由黏土、结构剂、促进剂、水等组成。黏土为浆液的基本成分，结构剂是一种常见的建材辅助剂，促进剂是一种常用的无机盐水溶液，在浆液结构形成过程中起加速剂作用。改性黏土浆[14]的特点有：①源丰价廉，就地取材；②流变性能好；③浆液结石体的塑性强度高；④浆液结石体抗渗性能好；⑤抵抗地下水稀释冲刷能力强；⑥抗侵蚀能力强等。

粉煤灰固化浆具有强度较高，凝固时间短，最终塑性强度高等特点。其综合性能高于改性黏土浆，比较适用于需要较高强度的大溶洞等部位的注浆充填。

5 注浆帷幕施工

根据矶山东部注浆试验揭露的岩溶、构造发育程度、透水性强弱等特点，以及探孔、物探成果，帷幕全线(自8.5线至11线间)分为4个区段。

Ⅰ区段：约180.3 m。主要封堵浅地表的裂隙水及矿体上盘岩体的裂隙水，钻孔时，接触到高骊山组砂页岩(C1g)1 m左右，或船山组厚层灰岩(C3c)2 m为止。平均孔距9.7 m，共设20个钻孔。

II区段：约长50.5 m。主要封堵Fc断裂破碎带及其上盘的岩溶强发育带，为本帷幕的第一重点封堵段。平均孔距8.3 m，布置6个孔，孔深为进入岩溶发育带的底板为止。

III区段：约225 m。主要封堵局部破碎带和岩溶裂隙带。此区段除原有探5、探7孔以外，另布置了16个孔，平均孔间距14.06 m，孔深进入栖霞组中段(P1q2)10 m左右为宜。考虑到探5、探7孔附近的深部有物探异常，其两侧注浆孔相对较深。

Ⅳ区段：长约235 m。主要封堵矶头岩株侵入破碎带，控制帷幕西边界。平均孔间距13.8 m，共布置了18个孔，孔深以进入闪长岩株(δ)或较完整栖霞中段灰岩(P1q2)2 m。深孔、浅孔相间排列。

经过6 a施工，帷幕注浆的工程量如表2所示。

表2 帷幕注浆工程量

6 截流效果

截流效果是关系到注浆帷幕成败的关键[15-16]。帷幕内外水位以及露天坑水量观测结果表明，堵水效果明显。

(1)帷幕内、外地下水位监测。帷幕内、外地下水位监测结果表明：帷幕未施工前，幕内外水位基本持平；随着施工的进行，幕内外水位差逐渐增大，到帷幕完工，第Ⅳ段幕内外水位最高达到了17.4 m左右；第III段达到了近32.7 m，在第Ⅰ、Ⅱ段(主迳流带)达到了40.6 m以上。

(2)露天坑排水量监测。矶山东部矿体上盘帷幕工程施工期间，露天坑的渗流线不断往下延伸，从-38 m降低至-100 m(见图3)。帷幕施工完成后，当露天坑向下延伸至-88 m以后，坑内实际涌水量反而减少，幕内外的最高水位差达40.6 m。

图3 露天坑实际排水量统计与实际堵水率

矿坑排水量统计，堵水率达77.96%，表明注浆帷幕工程截流效果显著。

7 结 论

(1)矶山东部注浆帷幕工程封堵上盘水系开采区域的补给，减轻了渗流场的压力，为新桥矿复杂富水环境下的矿体开采创造了安全条件，降低矿山开采综合成本，提高了经济效益，仅排水费用每年就节约达900万元以上。

(2)优化了注浆帷幕工程线路，确定了经济合理的帷幕线路、布设参数和方式。与传统的等距布孔相比，采用分区不等距大孔距布设注浆孔方式，钻探工程量减少36.01%。

(3)遴选了改性黏土固化浆(90%)和粉煤灰固化浆(10%)作为注浆工程主要材料，降低了注浆材料成本达80%以上。

(4)地下水位监测表明，随着施工的进行，幕内外水位差逐渐增大，帷幕两侧水位差可达40.6 m以上。露天坑排水量监测比对表明，帷幕施工完成后，当露天坑向下延伸至-88 m以后，坑内实际涌水量减少，幕内外的最高水位差达40.6 m。矿坑排水量统计表明，帷幕注浆工程的堵水率达到77.96%，监测表明帷幕注浆工程截流效果显著。

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(责任编辑 徐志宏)

Curtain Grouting Layout and Process Optimization under Complex Water-rich Environment

Wang Zequn1Zhang Lin2,3,4

(1.TonglingChemicalIndustryGroupCo.，Ltd.，Tongling244000，China; 2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China; 3.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines，Maanshan243000，China; 4.NationalEngineeringResearchCenterofHighEfficientRecycleandUtilizationofMetalMineralResources，Maanshan243000，China)

Curtain grouting can effectively cut off the groundwater recharge in exploitation areas，which creates conditions for the safe mining of ore-body under complex water-rich environment.Based on the detailed investigation on hydrogeological environment in mining area，water plugging effect of the curtain grouting under different curtain lines and grouting parameters were analyzed through the industrial tests，with the water plugging rate as index.By optimizing the lines and layout parameters of curtain grouting，drilling volume was reduced by 36.01% through the layout of unequal-spacing and wide-spacing holes.Modified solidified cured slurry (90%) and pulverized coal ash solidified slurry (10%) as grouting material reduced the costs of curtain project.The results show that the maximum water level difference on both sides of the curtain was up to 40.6m，and the plugging water rate reached 77.96%.Curtain grouting project gained the desired water plugging effect.

Curtain grouting，Complex water-rich environment，Process optimization，Water level monitoring

2014-06-23

王泽群(1957—)，男，高级工程师，副总经理，硕士。

TD745

A

1001-1250(2014)-09-026-04