中关铁矿帷幕注浆工程科技成果综合分析

韩贵雷，于同超，刘殿凤，蒋鹏飞，贾伟杰

（华北有色工程勘察院河北石家庄050021）

摘要：利用帷幕注浆治理矿山地下水近几年发展较快。注浆效果的评价一直是该领域内的一个难题。本文在分析中关铁矿水文地质条件的基础上，确定了矿山治水采用全封闭帷幕注浆的堵水方案。同时，在施工过程中对已完西线帷幕注浆工程采用叠加效应分析、离散性分析、高密度物探测试及检查孔检验等手段进行注浆幕体施工质量及防渗效果检查和评价，其中离散性分析、高密度电阻物探测试为该领域内的首次应用。研究表明：帷幕注浆参数设计合理，帷幕体具有较好的抗渗性能，满足矿山治水和安全开采的要求。

关键词：帷幕注浆　矿山治水　井间电阻率探测　离散系数

1.引言

中关铁矿位于河北沙河市白塔镇，是河北钢铁集团矿业有限公司的一座大型富铁矿山，铁矿石储量9　345万t。矿床为一隐伏式接触交代型铁矿，中奥陶统石灰岩为矿体的直接顶板，底板为燕山期闪长岩，矿体赋存于接触带附近。

中关铁矿水文地质条件复杂，其石灰岩顶板具有厚度大、透水性强、与区域地下水连通性好等特点。预计矿坑涌水量达15.03万m3／d。利用帷幕灌浆的方法将矿体地段与外界的水力联系隔断，隔离矿体内外水循环，最大限度地减少矿坑涌水量，从而达到既能保证矿山正常开采，又能保护地下水资源的目的。

由于帷幕注浆工程具有典型的隐蔽工程特点，帷幕注浆工程施工质量检查和评价一直是该领域研究关注的热点。本文通过中关铁矿帷幕注浆工程实践，在详细研究帷幕注浆方案和实施帷幕注浆过程的基础上，采用了包括高密度电阻物探、叠加效应分析、离散性分析等多种先进手段，综合评价了施工质量及幕体抗渗效果，取得了理想的技术经济成果，为今后类似工程的实施提供了借鉴经验。

2.帷幕注浆方案研究

2.1　水文地质概况

中关铁矿帷幕注浆工程地处丘陵地带，植被稀少，冲沟发育，地表多被第四系松散堆积物覆盖。地形南高北低，该矿区地层分布有第四系、石炭—二叠系、中奥陶系，基底为燕山期闪长岩，局部有含矿矽卡岩，其中包括蚀变灰岩带、断层带、破碎带等地质情况复杂地层，注浆施工难度大。

中奥陶系马家沟组石灰岩为矿床直接顶板，分布于整个矿区，厚度一般为330～450m，最厚达586.39m，平均厚度352m。奥陶系中统石灰岩裂隙岩溶发育，富水性强，是矿区的主要含水层。矿体下伏闪长岩为相对隔水底板，上覆第四系及石炭—二叠系地层均为相对隔水层。矿区地下水位埋深166.7～226.3m，标高＋47.5m，呈潜水状态。

2.2　帷幕注浆参数设计

采用三角网格有限差分方法建立数值模型，利用数值模拟的手段计算出在矿体周围布置一层10m厚的帷幕墙，使矿坑正常涌水量减少80%时幕体渗透系数K＜0.08m／d，幕体防渗性能指标q≤2Lu。

根据上述计算结果，结合矿区水文地质情况，按充填采矿法错动线与＋100水平交线外推20m确定帷幕位置，设计单排注浆帷幕线南北长1　140m、东西最大宽度890m全封闭帷幕，全长3　397m，由283个注浆孔、20个观测孔、34个检查孔、36个加密孔共373个钻孔构成。

主要技术参数计算如下。

（1）帷幕厚度。帷幕的安全性取决于注浆材料所能容许的渗透比降J0和帷幕所承受的最大水头H，中关铁矿帷幕设计顶板高为＋100m，矿山开采深度要达到－350m，出现的最大水头为450m，根据理论公式（1），考虑石灰岩岩溶裂隙发育不均一性，确定帷幕厚度10m。

式中：H为可能出现的最大水头，取值450m；J0为注浆材料容许的渗透比降，取值60；T为注浆帷幕厚度。经计算，帷幕厚度为7.5m时能够满足安全需求。

（2）浆液扩散半径。帷幕注浆工程中浆液扩散半径的影响因素较多，可参考公式（2）确定，中关铁矿帷幕注浆工程浆液扩散半径设计为8m。

式中：K为岩层渗透系数；t为注浆延续时间；r为输浆管半径；μ1、μ2为水与浆液的黏滞系数；H为注浆压力；n为岩层的空隙率。

（3）注浆孔孔距。中关铁矿帷幕注浆工程设计注浆孔为单排孔，其孔距根据公式（3）确定为12m。

式中：R为浆液的扩散半径；T为帷幕的厚度；D为注浆孔孔距。

（4）注浆方式。本次注浆采用自上而下分段注浆，注浆段平均长度30m，注浆孔分3个序次加密进行，各次序孔等距离布置。

中关铁矿帷幕注浆工程主要技术参数见表1。

表1　中关铁矿帷幕注浆工程技术指标

3.堵水效果检验与分析

中关铁矿帷幕注浆工程西线工程帷幕线长792m，共施工钻孔71个，钻探进尺29　983.77m，占中关铁矿帷幕注浆工程总工程量的14.9%，其中Ⅰ序孔16个，Ⅱ序孔24个，Ⅲ序孔28个，检查孔3个。完成工作量见表2。

表2　帷幕注浆西线工程完成工程量统计

为了保证施工质量，及时发现工程施工问题，对已完工程采用叠加效应分析、离散性分析、高密度物探测试及检查孔检验等手段进行注浆幕体施工质量及抗渗效果检查和评价，其中离散性分析、高密度物探测试为帷幕注浆工程质量检测领域内首次应用。

3.1　叠加效应分析

表3为中关铁矿帷幕注浆西线工程终孔资料的统计结果，根据表中数据可以绘制出单位注灰量的频率曲线和频率累计曲线，如图1所示。

表3　钻孔单位注灰量成果分析

由表3中数据可以看出，中关铁矿帷幕注浆工程西线工程内各孔序之间单位注灰量具有显著的递减趋势，Ⅰ序注浆孔单位注灰量为918.01kg／m；Ⅱ序注浆孔单位注灰量为244.96kg／m；Ⅲ序孔单位注灰量为124.81kg／m。注浆孔单位注灰量随着注浆过程逐渐递减，反映出帷幕墙体逐渐形成的过程，Ⅰ序孔注浆对象为未注浆的原始地层，主要被注对象为奥陶系石灰岩，中关矿区石灰岩地层裂隙岩溶发育，浆液扩散范围大，吃浆量大，对于Ⅱ、Ⅲ序孔来说，由于前序孔水泥浆液的封堵作用，浆液扩散范围明显减小，浆液注入量也随之减少，单位注浆量具有明显的叠加效应。图1为单位注浆量累计曲线，从图上可以看出，Ⅰ序孔频率曲线集中在坐标轴的右边，反映出Ⅰ序孔注浆量大的孔段出现频率较高，而后续孔注浆量较小的孔段出现频率较低。从另一角度上说明了钻孔单位注灰量随着注浆施工明显减少，具有较好的注浆效果。

另外，研究表明：钻孔透水率具有同样的叠加效应，在这里不再赘述。

3.2　离散性分析

离散系数常被用来对大量的实验数据进行统计分析。研究表明，将离散系数引入帷幕注浆工程质量评价中具有直观的意义。此次中关铁矿帷幕注浆效果成果分析中首次引入了离散系数。

图1　注浆过程成果频率分析(www.xing528.com)

计算公式：

式中：δ为离散系数；μ为单位注浆量数值；n为计算数据的个数；σ为注浆量标准差。

从计算结果可以看出（表4），Ⅰ序孔透水率离散性较大，表明中关铁矿帷幕注浆工程西线工程原始石灰岩地层裂隙岩溶分布存在较大差异；注浆后离散系数变小，表明注浆后裂隙岩溶被水泥封堵，透水性减小并且由不均一向均一转化，说明注浆效果理想。

表4　离散性分析

3.3　井间电阻率探测结果分析

地层的岩性、孔隙及地下流体的性质与电阻率存在直接的关系，因此，高密度电阻成像技术对于识别裂隙、岩溶、地下水体等特殊介质具有特殊的意义。

（1）探测过程。利用由澳大利亚JET研发中心研制的高密度电阻率成像系统对中关铁矿帷幕注浆工程进行了质量检测。以W2和W3两孔的探测过程为例来说明质量检测成果，W2 和W3两孔相距60m，之间有4个注浆孔。探测过程共进行两次，第一次安排在W2和W3注浆钻孔施工完毕后，但在其之间的注浆孔施工前，检测对象为原始地层；第二次安排在其之间所有注浆孔分段注浆施工完成后，检测对象为注浆后的地层，具有较强的对比意义。

（2）探测结果。野外测试工作完成后，在室内利用特殊的计算机软件，通过滤波处理，去除一些离散性较大的数据，对剩余的数据通过反演处理，得到如图2所示的反演图片。岩性较完整、透水性能较差的地层显示出高电阻，图中色谱表现为红色；岩性不完整，透水性能较好的地层为低电阻，图中色谱表现为蓝色。

图2　井间电阻反演

其中图2（a）为W2和W3注浆孔施工完毕，其之间钻孔未注浆施工时的电阻率反演图片，主要研究对象为石灰岩原始地层。根据电阻率等值线可以看出，W2和W3附近存在一定范围的高电阻率区域，表明在该范围内的地下水被排出，水泥浆同岩层形成较密实的帷幕体，起到较好的堵水效果。在W2和W3之间浆液的扩散范围外，存在广泛的低电阻率区域，反映了孔间的岩层裂隙较大，连通性好，地下水赋存较多，同时可能局部存在水蚀蜂窝及溶洞等岩溶结构，形成较好的低电阻通道。

图2（b）为W2和W3之间4个后续孔施工完毕后的探测结果，同图2（a）对比后可以明显看出，注浆前W2和W3之间的低电阻区在注浆后电阻率明显升高，反映了注浆过程中岩层中岩溶结构被水泥浆液充填，岩层含水率降低，电阻率相对升高的过程，说明了注浆施工完成后能够在岩层中形成连续的水泥幕体，并且裂隙及岩溶结构中浆液充填较密实，帷幕体具有较好的排水、堵水效果。

3.4　检查孔检验

检查孔作为帷幕注浆施工质量检验重要手段，具有能够直观地评定帷幕体透水性及浆液扩散半径等优点。中关铁矿帷幕注浆利用检查孔进行了压水试验、观测岩芯裂隙岩溶中的水泥结石充填程度、结石固结情况统计及采取岩样做有关的力学试验等工作，有效地进行了堵水效果评价。

（1）布置原则。根据《邯钢集团沙河市中关矿业有限公司中关铁矿帷幕工程施工设计》中检查孔的布置原则，检查孔应该布置在：①透水率与单位注灰量特别大的注浆孔附近；②注浆过程中出现事故、冒浆、串浆等注浆不正常地段；③注浆孔揭露显示地质条件复杂的地段。

根据以上原则：中关铁矿帷幕注浆西线工程布置J1、J2、J3三个检查孔，J1位于W704与W703之间；J2位于W1与W904之间；J3位于K5与K4之间，检查孔距离帷幕线中心线5m。

图3　水泥结石实物

（2）检查孔效果。中关铁矿矿区浆液扩散通道存在两种形式：溶洞和裂隙。由于存在形式不同，其强度也不同（表5），但均满足幕体强度要求。水泥结石体的存在，在一定程度上反映了浆液具有较大的扩散范围，反映出幕体具有较好的搭接效果。水泥结石实物见图3。

表6为检查孔压水试验结果。试验数据表明：各压水段及全孔压水试验结果均小于帷幕设计防渗性能指标2Lu，结石强度较高，幕体的厚度可达10m，满足设计要求。

表5　水泥结石试验结果

表6　检查孔压水成果

4.结论

根据中关铁矿水文地质情况进行了帷幕注浆设计与施工，同时对已完西线工程进行了综合质量评述，得到了以下结论。

（1）结合中关铁矿水文地质情况，提出了矿区治水采用帷幕注浆方案，并给出幕体渗透系数K≤0.08m／d，幕体防渗性能指标q≤2Lu的技术指标。

（2）对已完工程采用叠加效应分析、离散性分析、高密度物探测试及检查孔检验等手段进行注浆幕体施工质量及抗渗效果检查和评价，不同分析手段得到统一的结果：注浆后岩层岩溶孔隙—溶隙结构被水泥浆液充填，注浆后能够在岩层中形成连续的水泥帷幕体。各孔序之间单位注浆量及透水率具有明显的叠加效应，注浆帷幕抗渗效果明显。

（3）帷幕注浆效果离散性分析及高密度物探测试手段为该领域内首次应用，取得了较好的效果。

参考文献：

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（本论文发表于《矿业研究与开发》2010年6月）