中关铁矿帷幕注浆工程科技成果汇编：透水率与注灰量关系分析

张卫东，蒋鹏飞，蒋兵辉

（华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021）

摘要：采用帷幕注浆技术治理矿山地下水将是未来大水矿山开采前的主要措施，通过压水试验所求得的岩体透水率预测治水所需材料是注浆工程预测投资的主要途径。本文通过中关铁矿帷幕注浆成果分析，研究单位透水率和单位注灰量之间的关系，同时也对两者近似关系的影响因素进行了分析。

关键词：矿山治水　帷幕注浆　单位透水率　单位注灰量

1.前言

矿山帷幕注浆工程材料消耗较大，由于矿山地质、水文地质条件的不同造成了材料使用具有很大的差异，即使在同一矿区、不同地段的同一孔序钻孔注浆，单位注灰量也可能差十几倍甚至百倍。为了在不影响帷幕注浆质量的前提下能有效控制注浆材料的消耗，很多人希望找出单位透水率与单位注灰量之间的关系。

本文以中关铁矿帷幕注浆工程注浆成果资料为基础，分析研究透水率和单位注灰量之间的密切程度。

2.工程背景

中关铁矿矿区位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，发现于20世纪60年代末期，总储量9　260万t。由于矿床处于强径流带上，围岩及顶板均为赋水性极强的石灰岩，当时预测矿坑涌水量超过40万t／d，成本过高，技术上存在较大难度，一直未开采。

随着国家经济的快速发展，同时造成了区域内水资源环境的严重破坏，以中关矿区为例，20世纪70年代初期地下水位＋170m，到2004年地下水位为＋60m，下降了近110m，常此以往必将危及区域内人民的日常生活。作为大水矿山，中关铁矿因此被列为了限采矿山。

采用帷幕注浆方案治理中关铁矿地下水不仅能够保证矿山开采的安全，而且经济合理，最重要的是可以避免加剧区域水环境的破坏。华勘院肯定了帷幕注浆方案的可行性、必要性和经济合理性，并编制了中关铁矿帷幕注浆试验设计。

2005年中关铁矿帷幕注浆试验工程顺利完成，确认帷幕注浆方案治水的可行性，并能够达到堵水的作用，使中关铁矿“解限”。

2006年，中关铁矿工业厂区西侧帷幕线勘察注浆工程的施工，进一步验证了2005年所取得的技术参数的合理性。

2008年正式开始实施中关铁矿帷幕注浆工程。

3.注浆成果分析

中关铁矿帷幕注浆工程至今可分为三个阶段：①2005年帷幕注浆试验阶段，试验段位置（图1　A区段）在帷幕线的东北部，共计施工5个注浆孔，控制帷幕线长50m；②2006年帷幕线西侧勘察阶段（图2　B区段），施工注浆孔24个，控制帷幕线长288m；③2008年正式施工阶段（图3　C区段），主要工作是沿着2006年所施工的勘察注浆孔进行加密和向南北延伸，施工注浆孔72个，控制帷幕线长720m。

在3个施工阶段，对单位透水率和单位注灰量按施工顺序统计见表1。

表1　中关铁矿帷幕注浆工程单位透水率与单位注灰量统计

根据中关铁矿帷幕注浆不同施工阶段的注浆资料，总结出相应的单位注灰量与透水率之间的关系图，见图1（A区段）、图2（B区段）、图3（C区段）。

由图1～图3可以看出，透水率与单位注灰量对应关系是在两条虚线限定的范围内变化，而不是一条固定直线，说明透水率与单位注灰量之间不存在固定线性关系。

图1　A区段单位透水率与单位注灰量关系

若从关系图的整体平均值来看，透水率与单位注灰量之间还是有某种近似关系的。如关系图中两条虚线的中间线为各区段的整体平均值，根据中关铁矿帷幕注浆三个阶段两个区段的关系图，可得平均值相应的近似关系公式：

图2　B区段单位透水率与单位注灰量关系

图3　C区段单位透水率与单位注灰量关系

式中：c为单位注灰量，kg／m；q为单位透水率，Lu。

从图2和图3可以看出，B区段和C区段的图形及近似关系公式基本相吻合，而且反映出单位透水率小，单位注灰量偏上限，反之则偏下限。说明相近区段近似关系密切，同时反映出工作量越大，求得的近似关系公式越具有代表性。

将B、C区段与A区段所求的近似关系公式进行比较，不难看出差异较大，可想而知，如果把一个地区所求得的近似关系公式引用到另一地区使用，其可信度和可操作性都是须置疑的。(www.xing528.com)

4.单位透水率与单位注灰量关系分析

一般来说，岩体单位透水率大，单位注灰量也会大，但是想要寻找一个具有普遍代表性的近似关系公式确实很难，其原因是多方面的，除了地质、水文地质条件的差异外，透水率与单位注灰量两个参数本身的性质、运动规律也有较大的差异，他们之间是不成线性比的。

（1）单位透水率（q）是通过压水试验求得的。在我国现行的《水利水电工程钻孔压水试验规程》和《水工建筑物水泥灌浆技术规程》中规定的压水试验资料整理可直接用如下公式计算出单位透水率：

式中：Q为压入流量，L／min；P为作用于试验段内的全压力，MPa；L为试验段长度，m；q为单位透水率，Lu。

根据公式可以看出，压力（P）、注浆段长（L）都是设计参数，为定值，因此单位透水率（q）的大小主要取决于压入的单位水量（Q）。

裘布依理论认为：地下水的流量与过水断面成正比，公式实际上是把过水断面线性化。在裂隙岩溶含水层中，真正的过水断面是含水层的裂隙岩溶断面，将其线性化也就是利用裂隙的宽度（即裂隙率和岩溶率）。因此在公式中，压力相同，试验段长度相同，由于裂隙岩溶率不同，压入的水量不同，其单位透水率也就不同了。

公式实际是试验段裂隙岩溶率的总和，可以是一条裂隙、一个岩溶，也可以是多条裂隙岩溶的总和，只要裂隙岩溶率相同，其单位透水率（q）也就相同。

公式无法反映每条裂隙岩溶的宽度，实际水泥浆在压力的驱动下在含水层运动需要一定的宽度。国内实践经验初步认为：透水率在3Lu以上的，采用高标号硅酸盐水泥是可以灌注的；小于1Lu的，普通硅酸盐水泥难以灌注；1～3Lu之间的，则需要看裂隙的宽度如何而定。

（2）水泥浆是悬浊液，具有一定的黏度，由于水灰比不同，其物理特性也不同，注浆材料不同，其物理性质差异也较大，现列举纯水泥浆的特性见表2、表3。

表2　水泥浆液性能

注：该表数据来自中关铁矿帷幕注浆工地。

表3　纯水泥浆的抗剪屈服强度和塑性黏度

注：摘自《大坝基岩灌浆》。

水是真溶液，黏度很小，它可以进入任何小的裂隙，只要有压力驱动它就会继续流动，而水泥浆液具有较大的黏度，它只能渗入一定宽度的裂隙，而且达到一定的时间后就会凝固从而停止流动。

（3）由于水泥浆液自身的特性，在一定时间要凝固，从某种意义上讲，注灰量表示裂隙的体积，而压水试验表示地下水的流场的概念。

（4）注灰量受制于注浆压力，同时也受地下水的水力坡度、裂隙的性质、产状和裂隙的粗糙度、充填程度，以及注浆材料性质等诸多因素控制。

5.结论

综上所述，笔者认为：

（1）在帷幕注浆中，单位透水率越大，一般注灰量偏多，单位注灰量受裂隙的宽度控制。

（2）不同地区，不同岩性，不同含水层，不同的注浆材料，决定单位透水率q与单位注灰量之间不可能有一个固定的、具有代表性的关系式。

（3）同一工地、同一地质条件和相同的工作方法，前期的单位透水率与单位注灰量的统计有利于指导下一步的工作。

参考文献：

邯钢集团沙河市中关矿业有限公司中关铁矿帷幕注浆工程施工设计.华北有色工程勘察院，2008.

刘文清.最新水利水电防渗工程施工工艺与技术标准实用手册［M］.合肥：安徽文化音像出版社，2008.

孙钊.大坝基岩灌浆［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

（本论文发表于《现代矿业》2009年11期）