铁矿床开采井下近矿体帷幕注浆技术及应用

2012-01-09徐加夫

中国矿业 2012年12期

徐加夫

(1.中国矿业大学(北京)，北京 100083；2.鲁中矿业莱新铁矿有限公司，山东莱芜 271124)

岩溶大水矿山防治水技术，主要有疏干排水、矿区地面帷幕注浆、井下近矿体帷幕注浆技术三种[1-2]。疏干排水方法，主要不足是易引起地下水资源枯竭、地面塌陷等问题，甚至使矿山因排水量大要承担高昂的排水费用。地面帷幕注浆工程投入高，需要查明过水通道，堵水效果也难以保证。井下近矿体帷幕注浆技术，是近几年发展起来的对大水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[2]。

1 井下近矿体帷幕注浆可行性

莱新铁矿为中型隐伏接触交代型矽卡矿床。矿体主要赋存于-195～-305m标高间，水平厚度为10～120m。矿体上下盘围岩是大理岩、闪长岩和矽卡岩。大理岩为矿床主要充水岩层，其富水性强，岩溶裂隙发育不均一，水文地质条件复杂，矿坑最大涌水量达60000m3/d，特别是矿体与围岩接触带是地下水主要迳流通道，加上其稳固性差，遇水膨胀和软化，工程地质条件差。

莱新铁矿从基建到试投产开始，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。

研究矿床井下近矿体帷幕注浆是以堵水为主、排水为辅的防治水方法，研究重点是矿床顶板围岩大理岩主要含水层富水程度、岩溶裂隙发育分布规律、水力联系、地下水运动分布规律、地下水主要迳流通道等水文工程地质特征。实施穿脉水平探水钻孔注浆工程和顶板加密注浆工程，查清矿床围岩水文地质特征，进行全方位的钻孔注浆，最终在矿床围岩形成一定厚度的井下注浆帷幕保护层，达到既能保护矿区地下水资源，减小排水费用，防治地质灾害，又能保证矿床高效安全开采。因此，采用井下近矿体帷幕注浆是莱新铁矿防治水的必然选择。

2 井下近矿体帷幕注浆的帷幕厚度研究

2.1 围岩突水机理分析

围岩突水的主要相关因素有水源、隔水层、水压、地质构造及采掘活动等。通过对围岩突水机理的深入研究，有助于防治水方案的确定与实施，以及对近矿体注浆帷幕的效果检查、监测与维护起到指导作用。尤其针对围岩隔水层(或人工注浆盖层)阻水能力分析，根据帷幕堵水率要求，对比理论计算和帷幕注浆经验所得渗透系数，在进行近矿体帷幕注浆时，采用双排孔布置或缩小孔距的加密注浆方式，才能达到较高的堵水率。

2.2 井下近矿体注浆帷幕厚度确定

2.2.1 工程实践综合法确定帷幕厚度

根据莱新铁矿近矿体注浆帷幕隔水的作用机理，把注浆帷幕厚度分为两部分：有效厚度和无效厚度。有效厚度是注浆帷幕中未受采矿扰动破坏的部分，是防突水和自稳的主体。采矿爆破及采场应力重新分布作用，在井下注浆帷幕范围内产生的松动圈厚度定为无效厚度，相对有效厚度而言，该层防漏、防突水和自稳能力稍差。

无效厚度与围岩的岩性、矿体的形态、岩溶裂隙发育规律、注浆材料的性质、采矿方法等诸多因素有关。根据其它矿山类似岩性条件下采矿松动破坏带厚度，同时考虑注浆加固岩体力学性能的改善，选定其无效厚度h1为5～7m。注浆帷幕有效厚度(h2)主要根据静水压作用下的抗渗防漏的要求而确定。在类似莱新矿区38～48kg/cm2的静水压情况下，若注浆材料在围岩大理岩岩溶裂隙内充填密实，同时对裂隙中的泥质充填物部分挤密加固，依据我国矿山多年注浆工程实践，注浆帷幕有效厚度h2选定为18m左右。所以，顶板注浆帷幕总厚度h1+h2选定在25m较为合适。

2.2.2 理论计算法确定帷幕厚度

莱新铁矿西部矿体采矿高度约为50m，相邻穿脉间距约为14m，考虑最不利情况，将其开采宽度设为Lx=24m，高度为Ly=100m。

根据G·Herget地应力公式计算开采前的原始应力场：

垂直应力σv=11.1MPa，水平应力σH=λσv=4.44MPa，λ为水平应力分力系数。

由岩体力学、流体力学理论，得到无效厚度计算公式为[3]：

(1)

式中：θ为破坏点与水平方向的夹角，采场顶板夹角为90°；Rc为帷幕注浆体抗压强度，单位MPa；K为安全系数，考虑到顶板帷幕注浆属特殊工程，安全性要求很高，K取为4。

计算得出：h1=10.72m。

注浆帷幕有效厚度h2基本不受开采扰动的影响，可看作是连续介质，主要承受矿体上覆含水层水压的作用，其变形近似看作薄板的弯曲变形。由流体力学、岩体力学理论，得到注浆帷幕隔水体所承受的水压与隔水体厚度的关系式为[3]：

(2)

计算得出：h2=4.62m。

考虑安全系数K=4，则帷幕有效厚度h2=18.48m，顶板注浆帷幕总厚度h1+h2选定在29.2m。

根据工程实践经验及理论计算，注浆帷幕的厚度在25～29.2m之间，为安全可靠起见，注浆帷幕最终厚度取30m。

3 井下近矿体帷幕注浆工程设计

3.1 地下水位动态观测网的完善

为分析矿区地下水与矿坑涌水的水力联系情况，建立长观孔8个，由于矿区矿床充水主要来源是西南-东北方向，但矿区西南、东北方向无地表观测孔，缺失地下水位观测资料。因此，在矿区的西南、东北方向各实施一个地下水位观测钻孔，并在井下有代表性的出水点进行水压观测，形成了矿区与井下地下水位动态观测系统。

3.2 穿脉水平钻孔探水注浆工程

根据莱新铁矿生产进度和采准工程，分别在西部矿体-205m、-255m、-305m、-219m、-231m、-243m、-266m、-279m和-293m九个分段水平进行钻孔注浆设计。在采准巷道硐室，布置与穿脉方向一致的水平钻孔，分别进行探水和注浆，钻孔网度按10m×10m控制。每个穿脉巷道中只布置一个钻孔，钻孔深度范围30～40m(以进入灰岩的深度计算)，钻孔倾角为3°～5°的仰角孔。

3.3 横斜钻孔加密注浆工程

由于西部矿体的导水岩溶裂隙主要分布发育在矿床的西南部、东南部和矿岩上下盘接触带，其它地段少见涌水现象，从施工的部分穿脉水平探水钻孔揭露的情况进一步表明，在以上地段大理岩和顶板接触带附近的含水丰富，是矿体采后充水的主要水源。因此，横斜方向钻孔注浆主要是在这些区域进行。

利用井下开拓系统，分别在-205m、-231m、-255m、-279m和-305m水平岩层稳定的顶板大理岩内布置联络巷道(尺寸为2.5m×2.5m)和钻注硐室(尺寸为4m×2.8m×2.8m)。利用井下开拓系统，分别在-205、-231、-255、-279和-305m水平岩层稳定的顶板大理岩内布置联络巷道(尺寸为2.5m×2.5m)和钻注硐室(尺寸为4m×2.8m×2.8m)。在每个硐室中，沿近平行矿体走向施工6～8个钻孔，其中2个为水平钻孔，2个为下俯孔(俯角为3°～5°)，2～4个为上仰孔(仰角为6°～16°)，孔深为50～60m。

3.4 注浆技术参数

3.4.1 帷幕参数

井下近矿体注浆帷幕厚度定为30m，帷幕高度范围从-175m至-335m水平，垂直高度约160m，帷幕长度从西部矿床的西01线至东20线，长度约340m。

3.4.2 注浆方式和注浆段长度

采用下行压入式注浆法。当钻孔涌水量Q小于10L/min，可采用全孔注浆。当钻孔涌水量大于10L/min时，应停钻进行注浆堵水，封堵之后，再钻到设计的孔深进行注浆。注浆段长度一般取30m。

3.4.3 注浆参数

浆液扩散“半径”：浆液在裂隙中扩散实际上是不规则的，一般随注浆压力、渗透系数、浆液浓度、裂隙开度和注入时间等因素的变化而变化。目前，准确确定裂隙介质中浆液扩散半径没有实用的公式[4-6]。根据有关注浆技术规程，灰岩岩溶裂隙含水层中浆液有效扩散半径一般取6～15m，另外根据国内矿山的实际经验[7-8]，扩散半径一般约为10m，因此设计浆液有效扩散半径为10m 。

注浆压力：设计初始压力为静水压力的1.0倍。过程压力控制在1.5～2.0倍静水压力间。设计注浆终压为2.5～3.0倍静水压力。

浆液材料与浓度：注浆材料选用单液水泥浆为主，水泥、水玻璃双液浆为辅。单液水泥浆起始浓度按水灰比0.8∶1、1∶1和1.5∶1等三个等级分别进行配比，注浆过程中根据消耗量选择；水泥、水玻璃双液浆一般选用1∶1的水泥浆，与水玻璃的体积配比，体积比为1∶1。

浆液注入量：根据莱新铁矿大理岩含水层岩溶发育分布特征和已施工钻孔注浆情况，钻孔浆液消耗量为0.5t/m，考虑到矿床顶底板岩溶裂隙较为发育，钻孔浆液消耗量按1.0t/m设计，其余地段则按0.1～0.3t/m设计。

注浆结束标准：单液注浆时，在设计的终值压力下，注浆段吸浆量小于20～35L/min，持续30min后即可结束注浆。

3.5 群孔注浆技术

针对莱新铁矿大理岩富水性及岩溶裂隙发育不均一，且要求注浆帷幕必须保证安全、稳妥、可靠的特点，在局部地段采用了群孔关(放)水试验及群孔注浆技术[2]，注浆效果明显。

4 井下帷幕注浆效果分析

4.1 钻孔涌水量

在横斜钻孔加密注浆施工中，部分钻孔涌水量小于3m3/h，个别钻孔涌水量50m3/h，但绝大部分钻孔都未见出水或渗漏水。与前期工程相比，明显出现从大到小的递减规律，充分说明穿脉水平钻孔和横斜钻孔构成全方位的立体钻孔体系，控制了矿床围岩的岩溶地下水。

4.2 钻孔注浆量

在施工横斜向钻孔注浆时，单位钻孔注入量为0.081t/m，单孔注入量最大到100t，大部分钻孔注入量小于5t，少量钻孔注入量极少，即是注浆进行封孔。对比穿脉水平钻孔注浆量，横向单位钻孔注入量大大降低，充分说明了两者有机地结合，可以保证井下注浆帷幕的稳定性和高堵水率。

4.3 钻孔注浆压力

在穿脉水平钻孔注浆施工时，单孔注浆正常压力为4～6MPa，最终压力到8～10MPa，能保证浆液正常进入导水岩溶裂隙中；而横斜向钻孔注浆时，单孔注浆正常压力为6～8MPa，最终压力达10～12MPa。两者相对比，充分说明了帷幕注浆前期注浆压力低而后期注浆压力高的规律。

4.4 检查孔注浆效果检验

通过在穿脉水平钻孔注浆工程和横斜向钻孔注浆工程施工完后，分别布置了5％和10％的检查钻孔来检验井下帷幕注浆效果，发现90％以上检查钻孔未出水，只有少量检查钻孔有渗水，水量小于2m3/h，钻孔单位吸水量不大于0.02L/(min·m)，部分检查钻孔可取到水泥结石。综合分析认为，井下近矿体帷幕注浆的堵水率大于90％。

4.5 矿区地下水动态观测

随着莱新铁矿井下近矿体帷幕注浆工程的逐步实施，矿井涌水量逐渐减少。矿井涌水量从穿脉水平钻孔注浆实施前50000m3/d左右，大幅度减少到10000m3/d左右，同时井下观测水压则明显上升，矿区地面观测孔的水位也有不同程度的回升；在横斜钻孔加密注浆实施后，矿坑涌水量降到4000m3/d左右时，-205m水平水压升到3.5MPa左右，-305m水平水压升到4.5MPa左右。因此，从矿区地面与井下的地下水压动态观测的数据综合分析，井下近矿体帷幕注浆的堵水效果是非常理想的。

4.6 取得的效果和效益分析

自矿床顶板近矿体井下帷幕注浆工程实施后，矿山实际最大涌水量为50000m3/d。自从2009年开始，矿井涌水量控制在4000m3/d，每年节约排水电费(每方水排水电费为2元计算)3358万元，西区矿体还可采12年左右(不含-305m水平以下的二期工程)，共节约排水费用为4亿元以上。另外，解放矿山可采矿量有700万t以上，矿石价值达20亿元以上，而井下近矿体帷幕注浆工程投入的总成本只有2500万左右。同时，矿区地下水已基本回升至矿山开采前的水平，不仅保护矿区地下水资源，避免了地面塌陷等地质灾害的发生，而且不会因此发生矿农矛盾，从而带来显著的社会效益和环境效益。