近矿体帷幕注浆在矿山防治水的应用

近矿体帷幕注浆在矿山防治水的应用

王芳于跃张运明

中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司河北秦皇岛066004

摘要：井下近矿体帷幕注浆技术，是近几年发展起来的对金属矿山水害治理技术的完善与创新，它不仅解决了疏干排水技术方法引起矿区地面塌陷等隐患，以及高昂排水费用等问题，而且也解决了地面帷幕注浆技术工程造价高、堵水率相对较低，以及要求查明矿区水文地质条件等方面的问题。

关键词：井下近矿体帷幕注浆；铁矿床开采；矿山防治水；

一、概述

矿山防治水指导思想主要是以排水为主、防探堵水为辅的措施，其结果是导致矿房顶板多处冒落，不仅产生了大量的涌水，而且损失了大量的矿石，严重影响了井下的正常生产和安全作业。采用疏干排水的防治水技术，因矿区地下水静、动储量大，很难达到疏干的目的，一旦疏排过度，可能导致地面出现塌陷、地下水资源破坏等环境问题，尤其是高昂的排水费用，进而影响到企业的经济社会效益以及可持续发展；采用地面帷幕注浆防治水方案，由于过水通道及大理岩富水程度等水文地质条件不清楚，加上主要含水层埋藏较深，势必导致工程投资高昂，难以预计堵水效果能否保证采矿安全生产，并存在突水隐患。

二、矿山水文地质

某铁矿地处亚热带和暖温带过度地带，属半湿润气候区，多年平均降雨量845.0mm，年际变化大，最大月份1694.7mm，最小月份499.0mm，年降雨70%集中在6～9月份。矿区属于淮河水系，区内主要河流为沱河及其支流引河和巴河，其次为濉河。另外有较大的河沟24条，及其众多的人工渠纵横交错，地表水系及其发育。矿区含水层为广泛分布的第四系沉积岩，埋葬深度40-75m，沉积岩底部为为20-40m粘土隔水层，第四系沉积物含水，由厚度不等的砂、砂砾石组成，承压水位埋深1-2m，为孔隙含水层。钻孔单位涌水量q为0.23-1.00m3/s，渗透系数K为0.76-4.1m/d。其次为大理岩岩溶裂隙含水层，该层为矿体顶板，以大理岩为主，次为白云质大理岩、泥灰岩、及灰岩。大理岩含裂隙溶洞承压水，水头接近地面。大理岩含水层分布遍及整个矿区。钻孔试验表明单位涌水量q大于101m3/s，渗透系数K为17.8m/d。矿区隔水层有第四系松散层底部的粘土层，分布广泛，结构致密，粘塑性好，透水性较弱。可以阻隔第四系砂层与下部矿体顶板的水力联系。但局部地段粘土层近2～10m，中间有砂层俗称“天窗”，将第四系水层和顶板大理岩连接一起，发生水力联系。

三、防治水的确定

某铁矿矿体顶板为大理岩含水层，底板为闪长岩隔水层。含水层岩溶裂隙，溶洞发育，含水丰富，矿区东头直接受大气降水的补给，径流条件好，水文地质复杂，矿坑涌水量大。地下水的静动储量较大，如果采用疏干排水的防治水方案，不仅不能达到疏干的目的，还可能引起地表塌陷，水资源破坏等地质环境问题，而且存在突水威胁；如果采用矿区地面帷幕注浆技术方案，不仅工程投入大，而且也无法保证顶板的稳定性，同样也有地表塌陷可能和突水的威胁。为确保矿山顺利生产，因此通过综合、分析和反复论证，确定采取井下近矿体帷幕注浆技术方案开采一期。二期开采时也采用矿体内帷幕注浆防治水方案，不仅能起到防治水的目的，也起到加固矿体顶板的稳定的目的。

四、单个帷幕注浆硐室的设计和施工

注浆硐室的规格为3m×3m×3m三心拱。钻注浆孔具体参数见表1。

1.钻孔施工次序，施工时，先施工1、3、5、7、9、11、13、15、17等第一序次。等第一序次施工完成后再施工2、4、6、8、10、12、14、16、18第二序次。方位角和倾角允许误差±1°，校正深度误差1‰。

2.施工工序及技术要求，（1）开孔、止水和固管，①开孔孔径110mm，开孔深度3-6m。如遇岩石破碎的施工地点，应先施工30-50cm止浆墙，而后钻进。孔口管下如完整岩石2m以上，孔口管处长度必须大于3m。②开孔后，安装孔口管径108mm×5mm地质管，孔口管外端要预装压力表座，以备打压试验、测量水压和注浆时安装16MΡa压力表，外部缠绕遇

水膨胀橡胶止水，止水橡胶缠绕段不得少于2.5m。③孔口管工作面上预设锚杆，孔口管外露部分与锚杆连接牢固。④孔口管安装闸板阀门，直径75mm以上，P＞5MΡa。⑤固管结束后，进行打压试验，压力达到P＞5MΡa时持续30分钟。检查止水效果，不漏水为合格。如遇漏水必须采取相应的处理措施，达到合格标准后方可钻进施工。（2）钻注浆孔施工技术要求，①注浆孔孔径75mm，深度见表1。②钻进过程中需取岩芯，岩芯采取要按顺序排列，并立即上地质图，以方便研究水文地质及条件。③如遇涌水大过200m3/h时，立即停止钻进，不得提出钻具，并立即报告矿长，在通过安全防范措施时，才能按照措施提出钻具。④钻孔涌水量达50m3/h时，提钻后要立即关闭孔口闸阀并终孔结束，并告诉排水工注意排水，同时报告生产调度。（3）注浆施工技术要求，①注浆采用纯压式上行注浆法，采用群孔注浆方式，注浆前如遇泥质水，不准随意排放。②注浆应用单液水泥浆和适量尾砂，水泥用325普通硅酸盐水泥，生产日期25天内为佳。初凝4小时，终凝12小时。③单孔注浆量达250L/min以上，输浆管流速5m/s，内径32.5mm。注浆前先进行压水，时间20-30分钟，压力达5MΡa以上。④浆液重量配比采用四级浆液，Ⅰ级为2（水）∶1水泥；Ⅱ级为1.5（水）∶1水泥；Ⅲ级为1（水）∶1水泥；Ⅳ级为0.8（水）∶1水泥。⑤浆液的应用、转换、过程控制和结束标准。a.起始浓度的应用。当10m3/h≤钻孔涌水量＜50m3/h，起始注浆浓度采用Ⅰ级为2（水）∶1水泥；当50m3/h≤钻孔涌水量＜100m3/h，起始注浆浓度采用Ⅱ级为1.5（水）∶1水泥；当100m3/h≤钻孔涌水量＜200m3/h，起始注浆浓度采用Ⅲ级为1（水）∶1水泥；当钻孔涌水量≥200m3/h，起始注浆浓度采用Ⅳ级为0.8（水）∶1水泥。b.注浆浓度的转换。起始浓度连续注入60分钟后，压力耗浆量无变化时，改用上一级的浓度；改用上一级连续注浆60分钟后，压力耗浆量无变化时，改用上一级的浓度；其中Ⅲ级为1（水）∶1水泥为主要应用浆液，三级浆液大于100t后改用Ⅳ级浆液。C.注浆结束标准。孔口压力≥6MPa以上；单位耗量＜50L/min；以上两项同时达到使连续注浆30分钟后可以结束注浆。d.过程控制。（a）注浆过程必须连续，不得中断，如水泥消耗量达200t以上，仍然不起压，应停下间歇注浆，间歇前应压20分钟清水，停8小时后继续注浆，此时考虑增加10%的尾砂用量。（b）注浆时要根据压力变化适时地调整给浆量，防止突然升压堵塞进浆通道，达到不应有的扩散半径。（c）注浆结束后，同时关闭孔口闸阀，实施孔内保压，关闭闸阀和停泵应同时进行，以防浆液回流或管内瞬间高压。（d）关闭闸阀后应继续观察记录孔口压力表的失压过程，每5分钟记录一次，直至失压为零时，注浆人员方可撤离现场。

3.注浆时应做好资料的记录;（1）注浆前钻孔的涌水量、涌水位置、水压、颜色。（2）每次注浆的起止孔深。（3）压水情况。（4）注浆液配比和转换使用情况。（5）注入量：注浆注入量和水泥消耗量，每小时记录一次。（6）注浆压力每60分钟记录一次。（7）注意观察各孔之间是否有跑浆和互串现象。

结语：铁矿采用的近矿体帷幕注浆进行防治水施工后，有效阻止含水层和隔水层的水力联系，控制涌水量在120m3/h以内，对矿山开采顺利进行提供了条件。目前矿山已顺利达到40万t/a的生产能力。有效保护了地下水资源，没有影响潜水水位，预防了矿山开采引起的地质灾害。

参考文献：

[1]徐亮，某铁矿近矿体注浆帷幕效果分析.2017.