中关铁矿帷幕注浆工程科技成果汇编：影响因素简析

游红江

（华北有色工程勘察院有限公司河北石家庄050021）

摘要：本文从注浆原材料、钻探工艺、洗孔、压水试验、注浆工艺、封孔等关键几个施工环节，重点结合中关铁矿帷幕注浆工程实例介绍影响矿山帷幕注浆工程注浆效果的几点因素，为类似工程提供参考。

关键词：矿山注浆　帷幕注浆　注浆效果

1.引言

为了有效保护环境水资源，实现矿产资源的合理开采，矿山治水方法上常常采用帷幕注浆等手段，即利用围岩裂隙充填高强水泥形成止水帷幕，封闭矿体内外水循环，从而达到既能开采矿山，又保护水资源的目的。矿山帷幕注浆属地下隐蔽工程，不可预见性较多，而且堵水效果受诸多因素影响。目前我国尚无矿山注浆方面的规范规程可供参考，因此如何控制施工过程中的关键施工环节，确保堵水效果成了大家普遍关注的焦点。

2.工程概况

邯郸钢铁集团公司中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村附近，北距邢台30km，南距邯郸53km，南北长2　000m，宽800m左右，矿床平均厚度38.0m，最大厚度193.06m，埋深300～700m，总储量9　345万t。注浆帷幕线设计南北长1　140m，东西最大宽度890m，平面上形成环形全封闭的帷幕，全长3　397m，由282个注浆孔、20个观测孔、34个检查孔、36个加密孔共372个钻孔构成。

矿区地层岩性自上而下为：第四系黏土砾石层、石炭—二叠系砂页岩、中奥陶系石灰岩、燕山期闪长岩。其中奥陶系中统灰岩为铁矿的围岩和顶板，其裂隙岩溶发育，富水性强，为矿区主要含水层，灰岩以下的燕山期闪长岩为矿床隔水层。

3.帷幕注浆堵水原理及堵水要求

帷幕注浆堵水原理是通过贯穿地下水活动层的钻孔对透水地层（主要为奥陶系中统灰岩）进行注浆，使浆液充填岩石孔隙、裂隙中，使岩石的宏观孔隙度降低、致密程度增加，改变岩石的物理力学性质，使岩石由原来的含水层或透水层变为隔水层，从而堵塞地下水活动通道，使得帷幕在平面上是封闭的，在垂向上也必须闭合，堵水帷幕的底板应进入相对隔水层（燕山期闪长岩），以此来阻断地下水流入矿坑的路径，达到堵水率不小于80%的目的。

4.影响注浆效果因素

4.1　注浆原材料

本工程采用的主要是纯水泥浆，因此原材料（水泥）的质量好坏将直接影响到工程质量。水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥的细度要求为通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%，其他项目应符合国家标准。

4.2　钻探工艺

钻探采用XY－4、XY－44、XY－5型号地质勘探钻机，标高＋100.0m以上为非注浆段，采用泥浆护壁、正循环回转钻进；钻探施工中，标高＋100.0m以下采用清水、正循环回转钻进，绳索取芯。为保证帷幕注浆堵水效果，深孔帷幕灌浆质量与钻孔垂直度有至关重要的关系。针对中关铁矿具体情况，要求每50m测量一次孔斜，保证钻孔偏斜小于6‰，如偏距超过设计范围，则须进行纠斜。

灌浆孔距的确定一般是在现场作灌浆试验。经过试验后确定的孔距相对于某一帷幕地质状况来说较为合理，最主要的特点是：使相邻灌浆孔浆液的充填范围能彼此衔接，而且到最后既不会遗留下能导致透水性超过标准的大裂缝，又不使搭接重叠的部分太少，形成一个具有一定防渗标准的“连续帷幕”，而且使钻孔量最少。但钻孔产生偏斜后，无疑会破坏相邻钻孔间浆液充填时的这种“衔接”关系，从而使灌浆帷幕不能达到规定的防渗标准，影响灌浆质量。

4.3　洗孔、压水试验

压水试验前先采用大泵量水冲洗孔内的岩粉及孔壁，直至回水澄清，并延续10min结束，漏水的孔段则连续冲洗20min后停止。

洗孔完毕后进行简易压水试验可以更准确了解岩层渗漏情况，为求注浆前岩层的单位吸水量，可查看各序次灌浆孔段的单位吸水量随灌浆序次的变化情况。试验方法为采用单点法压水，试验压力为1.5～2MPa。试验时，每间隔2min观测一次流量和压力值，在稳定的压力下，压入流量连续三次读数最大和最小之差小于平均流量的10%，或最大值和最小值之差小于1L／min即可结束。若冲洗液漏失严重或压水试验时压力达不到设计值，可采用注水试验来计算待注浆段透水吕荣值。采用注水试验时，应先测钻孔内静水位埋深，然后下放Φ42mm注浆管至静水位以下10～15m，流量采用自动记录仪记录，要求流量保持稳定，最后三次水位观测差值小于10cm即可结束，根据压水试验或注水试验结果选择合理起始浆液水灰比。

4.4　注浆工艺

按灌注顺序关系，将全孔分为若干段进行灌浆，按顺序不同，又分为自上而下分段灌浆法、自下而上分段灌浆法、综合分段灌浆法、孔口封闭灌浆法等。结合本工程具体地层条件及注浆效果，采用自上而下分段灌浆法、自下而上分段灌浆法两种方法。将Φ42mm钻杆作为射浆管进行注浆，Φ42mm钻杆下面接上止浆塞。止浆塞是帷幕注浆工程中常用的密封工具，利用其对注浆孔段进行隔离，在一定的压力下使浆液充填于裂隙中。

（1）止浆塞安放。止浆塞位置选放很重要，止浆塞应选放在岩芯较完整，且在待注浆段上2～3m位置，若选放位置较高（图1），则部分孔段出现重复灌注，有利于保证灌浆质量。但地表控制压力需要提高，因为此时随着止浆塞位置距离待注浆段顶板越靠上则在无形中增加注浆段长，此时根据浆液自重压力理论计算公式（P＝ρgh，h为注浆站高程与注浆段中标高之差）可知，h实际计算值将小于理论计算值，故浆液自重压力实际减小。如注浆压力达到设计压力，需提高地表控制压力。严禁将止浆塞安放在待灌注浆段顶板下部，否则容易出现漏灌地段现象（图2）。

图1　止浆塞位置距离待注浆段顶板较高情况示意

图2　漏灌段情况示意

（2）注浆段长控制。注浆段长对灌浆质量具有一定的影响，在一定灌浆压力下，若注浆段过长，则灌浆压力作用于钻孔某点压力势必减小，这样会影响浆液的扩散半径，达不到帷幕墙设计厚度而影响注浆质量。注浆段长的控制一般是根据帷幕注浆试验取得的资料来确定，根据岩层透水性强弱可适当缩短和放长。2005年中关铁矿帷幕注浆工程试验阶段得出注浆段长控制原则为：根据透水性强弱一般控制在30m左右，透水性弱时可适当延长，不超过40m，透水性强时可适当缩短。

（3）浆液选择。浆液浓度由稀至浓逐级变换，当吸浆量较大或遇特殊情况时，可按规范变换浆液浓度。注浆浆液水灰比采用5∶1、3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1六个等级。根据压水试验结果来确定起始水灰比，当压水试验吕荣值大于3，则起始水灰比为3∶1；当压水试验吕荣值小于3，则起始水灰比为5∶1。

（4）灌浆压力。灌浆压力是注浆能量的来源，是控制和提高注浆质量的一个重要因素。注浆压力与孔深、岩性及地下水位埋深等情况有关。压力控制方面采用双控式：一是在回浆管上安装压力计，自动记录压力；二是在泵头上安装带隔浆缓冲器的防震压力表。

矿山堵水帷幕的灌浆压力按经验一般为水头压力的1.5～2倍。根据帷幕注浆试验所取得的数据以及矿区岩性、水文地质条件、孔深等情况，设计各注浆段的注浆压力见表2。(www.xing528.com)

基于区段内的地下水位埋深较大，水泥浆液的自重压力每百米可达1.125～1.8MPa，经常出现水泥浆液自重压力大于设计压力的情况。因此注浆压力控制原则定为：注浆时当浆液的自重压力小于设计压力时，执行设计压力；当浆液的自重压力大于设计压力时，压力应控制在0.5～1.0MPa。

（5）结束标准。注浆过程中压力升高到设计压力后应控制流量，流量小于30L／min时，延续30min即可结束注浆。

表2　设计各段注浆压力

4.5　封孔

各孔在注浆完成后，如无特殊用途，必须进行回填封孔，封孔应严密填实。回填封孔采用孔口封闭井内循环方法，卡塞位置距孔口5.0～10.0m处，采用0.5∶1纯水泥浆液。注浆时地表压力应控制在1.0～1.5MPa，流量小于30L／min时结束封孔注浆。待浆液凝固后进行二次填平。

4.6　注浆过程中特殊情况的预防和处理

1）注浆中断的预防和处理

（1）注浆中断的预防：①选用性能适应注浆要求的注浆泵，保证在规定的最大压力下能长期地连续运转。设置备用注浆泵，一旦使用的注浆泵发生故障，可以立即更换。②选用性能适应注浆要求的输浆管材，各管之间的连接要牢固，使用前检查管路有无堵塞，是否通畅，有无破损。③压力表质量可靠、准确，使用前进行检查、校核。④止浆塞在孔内要堵塞严密，注浆前注入清水检查。⑤注浆工程所用的水、电要设置专用管（线）路，以保证注浆作业连续不断地进行。如突然停水、停电，启动备用发电机。

（2）注浆中断的处理：①分析中断的原因，制定解决的措施。属于机械运转故障者，如检修便捷，迅速修理以便尽快恢复注浆；不能及时维修的，立即换用备用设备。属于注浆管破裂或脱节者，要迅速换管，或割掉破裂部位再行连接。属于仪表失灵者，换用性能良好的仪表。②冲洗钻孔，清除沉淀，给恢复注浆创造条件。如果在短时间内能够恢复注浆，而且中断前注的又是稀浆，中断时注入率也很大，可以不进行钻孔冲洗，排除故障后即可复注。根据中断原因和当时的情况，如果在短时间内不能恢复注浆，立即冲洗钻孔；如果由于停电、停水或机械故障等原因不能立即冲洗钻孔，而中断前注的又是浓浆时，则松开止浆塞，升上注浆管，避免浆液沉淀，堵塞或凝固注浆管。当中断时间很长，又未能及时冲洗钻孔，钻孔内有浆液沉淀，并已经初凝时，用钻具扫到孔底，重新开始注浆。

2）串浆的预防与处理

（1）防止串浆的措施：①适当增大相邻钻孔施工间隔时间；②增大两相邻注浆孔井深差距。③严格按照孔序施工。

（2）串浆后的处理要求：①当被串浆孔正在钻进时，立即停钻，在被串浆孔内漏浆处以上的部位安设止浆塞，堵塞串浆。注浆孔正常进行注浆。待注浆结束后，被串浆孔恢复正常钻进。②如果被串浆孔为待注钻孔，被串浆孔与注浆孔同时进行注浆。

3）绕塞返浆的预防和处理

（1）绕塞返浆的预防：①钻孔孔径力求均匀。②止浆塞中起阻塞作用的橡胶塞应长一些，且橡胶的质量要好，应坚韧并富弹性，其直径与钻孔孔径要相适应。

（2）绕塞返浆的处理：①如果发现孔内返水，要再度压紧止浆塞。②如果压紧止浆塞无效时，应向上移动止浆塞的位置，钻孔注入清水至不再发生返水为止。

4）溶洞、大裂隙的处理

如遇溶洞、大裂隙，首先用高压清水清出孔内的充填物，直到孔口返出清水；如不返水，要连续冲洗30min后再注浆。

（1）换用浓浆。

（2）若使用高压注浆，势必使浆液扩散半径较大，造成水泥浆液不必要的浪费。故降低压力，限制注入率。采用低压甚至用自流式注浆，注入率限为80L／min以下。

（3）间歇注浆。在注浆过程中，如果注浆时间超过8h，或注灰量大于30t，间歇注浆，待凝固一定时间再注。

（4）如多次间歇仍无压时，水泥浆液中加入早强剂或更换混合浆液（尾矿砂）。

5.结束语

注浆技术是一门以经验为主的学科，它涉及多学科和多种技术，在理论上尚不成熟，特别是矿山帷幕注浆，由于各矿山情况不一样，目前尚无很成功的经验可借鉴。本文以中关铁矿帷幕注浆工程实例简述施工过程中如何控制施工过程中关键环节，对帷幕注浆堵水效果具有重要意义，该工程的实施同时也丰富了我国矿山涌水治理的理论和实践，为类似矿山治理提供了可贵经验。

参考文献：

李清来.帷幕注浆堵水在红卫岩溶充水铜铁矿床防治地面塌陷中的应用［J］.中国岩溶，1997，4：404－412.

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》2010年10期）