中关铁矿帷幕注浆技术推广成果

蒋鹏飞，于同超，高广峰

（华北有色工程勘察院有限公司　河北石家庄　050021）

1.引言

随着国家经济的飞速发展，矿产资源的需求越来越大，带动着矿山建设的繁华，而我国的易采矿产在前期的发展中已开采殆尽，为维持国家的继续发展，水文地质条件复杂的矿产开采已陆续展开。我国是一个水资源贫国，矿山在开采运行过程中排出大量地下水严重地浪费水资源，处理好矿产资源开发和环境水资源保护是目前面临的一个课题。现中关铁矿运用全封闭帷幕注浆工艺将矿区强富水奥陶系石灰岩含水层与区域含水层隔离开来，这样既可保证矿山正常安全生产，也可节约大量运行成本（排水费用），还能使地下水资源得到有效保护。

本文以中关铁矿为例，探讨帷幕注浆治理矿山地下水的必要性、可行性和经济合理性，说明帷幕注浆治理地下水的方法在大水矿山开采时具有推广性。

2.中关铁矿简况

中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，北距邢台市30km，南距邯郸市53km，东距沙河市21km。地理座标：东经114°01′，北纬36°55′。矿区距沙河—矿山村铁路的权村站6km，章村站9km，距邢—武公路4km，交通便利。

中关铁矿床为埋藏较深的隐伏矿体，赋存于闪长岩与奥陶系中统石灰岩接触带，南北长约2　000m，宽800m左右，矿床厚度一般38.0m，最大厚度193.06m，埋深300～800m，具有北浅南深及西浅东深的特征。矿体走向为北东10°～14°，倾向南东，倾角5°～15°，局部为30°～40°。总储量为9　300万t。

矿床顶板奥陶系中统灰岩，厚度一般为330～450m，厚者可达586.39m，平均厚度352m。奥陶系中统灰岩裂隙岩溶发育，富水性强，为矿区主要含水层。

由于矿床埋藏深，且主要含水层奥陶系中统灰岩为其直接顶板，厚度大、分布广，富水性强。而位于矿区西北侧的沙河，两岸及局部河床岩溶裸露，使得地表水与地下水有密切的水力联系，矿区具有丰富的动、静储量，矿区水文地质条件复杂。

该矿发现于20世纪60年代末，虽然具有储量大和品位高的优势，但由于矿区水文地质条件复杂，一直未进行开采。

3.帷幕注浆工艺在中关铁矿的必要性

随着国家经济的发展，铁矿石需求量越来越大，铁矿石资源已满足不了发展的需要，邯钢集团计划开采中关铁矿，河北省国土资源厅要求必须采取合理有效的地下水治理方案以保护区域水环境，保证矿山的安全生产。

3.1　水资源保护的必要性

至2004年，中关铁矿周围已存在多个正在开采的矿山，排水量较大，每日为320340m3，区内水位标高与1974年相比，累计下降值为151.55m（表1），已造成较大的降落漏斗。

表1　1973—2004年区域各地段水位下降

2004年华北有色工程勘察院提交的《河北省沙河市中关铁矿水文地质勘探总结报告》中，利用数值法取2004年度的水位标高对－110m、－170m、－230m开采水平进行矿坑涌水量预测，各开采水平预测结果见表2。

表2　各水平矿坑涌水量预测（单位：万m3／d）

可见中关铁矿矿体不仅埋藏于富含水带中，且矿体埋深很大，如再采用传统疏干排水方式进行开采，预计到－230m中段洪水期，矿坑涌水量将达到15万m3／d，矿区周围将形成规模更大的降落漏斗，引起周围地下水环境的进一步恶化，甚至可能影响到周边沙河市、邢台市的地下水资源。因此采取合理有效措施保护水资源环境是开采中关铁矿的前提条件。

3.2　矿山安全生产保证的必要性

中关铁矿赋存于强富水石灰岩地层中，矿体埋深很大，不均一的石灰岩含水特征和过高的水头压力均是产生安全事故的巨大隐患。帷幕注浆既可以达到保护水资源环境的目的，又能够减少“突水”的隐患，保证矿山的正常开采，因此帷幕注浆对于中关铁矿区域水资源环境保护及安全开采是必要的。

4.帷幕注浆工艺在中关铁矿的可行性

帷幕注浆堵水在水利系统的可溶岩地区大坝建设中已经得到了广泛的应用，效果良好。但要想在矿山达到良好的堵水目的，调查清楚矿区石灰岩的裂隙岩溶的发育情况及连通性非常重要。

从20世纪60年代末开始中关铁矿进行了长达5年的地质、水文地质调查，已较清楚地了解中关矿区地质、水文地质条件：该区石灰岩总趋势是走向北北东或北东，倾向南东，倾角平缓，一般为10°～20°，其含水层以裂隙为主，岩溶次之。裂隙呈三维形式，连通性较好，地下水的水力坡度较小，具有较好的可注性。

2005年至今，华北有色工程勘察院在本矿区进行了部分区段的帷幕注浆施工，现将前期效果评述如下。

4.1　单位注灰量叠加效应(www.xing528.com)

区内16个Ⅰ序孔总注灰量为3　556.40t，平均单位注灰量为781.53kg／m；18个Ⅱ序孔总注灰量为1　169.01t，平均单位注灰量为235.76kg／m；11个Ⅲ序孔总注灰量为313.03t，平均单位注灰量为105.91kg／m。Ⅱ序孔平均单位注灰量为Ⅰ序孔的30.2%，Ⅲ序孔平均单位注灰量为Ⅰ序孔的13.6%，Ⅲ序孔平均单位注灰量为Ⅱ序孔的44.9%。平均单位注灰量叠加递减效应明显。其中Ⅲ序孔平均单位注灰量主要分布区间为小于或等于300.00kg／m，占总段数的93.2%，平均单位注灰量明显减少，表明注浆效果理想。

4.2　透水率叠加效应

区内Ⅰ序孔平均透水率为10.06Lu；Ⅱ序孔平均透水率为1.03Lu，是Ⅰ序孔的10.2%；在Ⅰ、Ⅱ序孔两次注浆叠加后，Ⅲ序孔平均透水率为0.37Lu，是Ⅰ序孔的3.68%，Ⅲ序孔中所有注浆段透水率均小于3Lu，有95.9%的注浆段透水率小于1Lu，呈现良好的注浆堵水效果。

4.3　检查孔验证

3个检查孔的压水试验结果见表3。

表3　检查孔试验结果统计

从检查孔试验可看出，在距离帷幕线外5m，通过注浆施工，石灰岩含水层的裂隙岩溶已被封堵，其透水率满足设计要求。

因此，采用帷幕注浆堵水达到保护区域水资源、保证矿山正常开采的目的在技术上是可行的。

5.帷幕注浆工艺在中关铁矿的经济合理性

根据中关铁矿矿床地质条件及水文地质条件，可以采用两种治水方案：①传统疏干方案；②帷幕注浆方案。

采用帷幕注浆进行矿山地下水治理可以达到80%的堵水率目的。中关铁矿在进行帷幕注浆处理前后其矿坑涌水量预测见表4。

表4　矿坑涌水量预测（单位：万m3／d）

在邯郸华北冶建工程设计有限公司（中国华北冶建设计研究院）提交的《河北省沙河市中关铁矿采矿可行性研究报告》中，对两种方案进行了经济对比（表5）。

表5疏干方案经济比较

两相比较，就排水运行费而言，采用帷幕注浆治理矿山地下水所需的帷幕成本完全可以在矿山运行后3年内抵消，后期运行过程中每年至少节约排水费用5　000万元。

由此可看出，虽然帷幕注浆初期投资较大，但总体计算经济上是合理的。

6.帷幕注浆在中关铁矿竖井中的应用

中关矿床埋藏于强富水石灰岩下，矿区周边无隔水岩体，竖井建设必须穿过石灰岩含水层，必将受地下水影响，为此，矿山在2008年对四条竖井采用帷幕注浆工艺进行了预注浆施工。2009年开始竖井开拓，目前主、副井掘进深度320m，已进入静水位140.0m，竖井涌水现象反映，为无压缓渗，预注浆效果非常好。

表6　矿坑涌水量预测（单位：m3／d）

正是由于进行了预注浆工作，竖井施工中大大减少了排水工作，加快了施工进度，其中主井挖掘创造了174m／月的记录。可见帷幕注浆在矿山治理地下水、改良施工条件、降低工程成本、提高施工效率方面都有非常积极的作用。

7.帷幕注浆在其他大水矿产中的应用

我国矿山利用帷幕注浆堵水，首例为湖南省水口山铅锌矿，后有山东张马屯铁矿、湖北大红山铜矿等，均达到了很好的效果。目前正在施工中的广东凡口铅锌矿、河北中关铁矿也已初见成效。这些实例说明，采用帷幕注浆工艺减少矿山排水、预防塌陷是可行的，经济上是合理的，当然一次性投资大是其最大的缺点。

8.结论

综上所述，在大水矿山建设中采用帷幕注浆工艺治理地下水，是保护区域地下水资源，保证矿山安全开采的合理有效措施，从国家建设长远发展上看是必要的，是值得推广的；对矿山建设单位来说，是经济合理的，也是安全生产的保证。

（本论文发表于华勘院内部期刊）