加固破碎矿岩注浆强度GIN值的控制方法

王 恒 吴爱祥 王贻明 黄明清 沈显岭 薛振林

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

加固破碎矿岩注浆强度GIN值的控制方法

王 恒1,2吴爱祥1,2王贻明1,2黄明清1,2沈显岭1,2薛振林1,2

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

云南某铜矿矿体软弱破碎，成孔凿岩开采困难，引入化学注浆预加固方案优化开采，然而前期注浆工业实验中遇到浆液用量过多，难以准确控制的情况。为了对速凝的化学注浆施工进行精确控制、简化控制流程，应用注浆强度控制理论GIN值法(Grouting Intensity Number)研究开展破碎矿体化学注浆试验,建立破碎铜矿化学注浆控制标准，并通过钻孔探测仪检测注浆效果。结果表明，注浆强度GIN值法的工业应用应综合考虑注浆终压Pf与每米浆液用量Vf，确定扇形注浆孔不同深度范围的控制标准为：孔深0～8 m，Pf<60 MPa·L/m；孔深8～15 m，Pf<95 MPa·L/m；孔深>15 m，Pf<160 MPa·L/m。钻孔探测仪检测结果显示，浆液扩散范围满足设计扩散半径2.5 m，注浆后成孔效果有了显著改善。研究结果可用于量化注浆控制标准，简化工程应用，提高破碎矿体的稳定性。

化学注浆 GIN强度值 控制标准 效果检验

1 工程概况

云南某铜矿，矿区工程地质条件属中等复杂，区内构造、裂隙较发育，不良工程地质现象发育，局部矿岩破碎严重；矿石含泥量较高，遇水板结、胶结严重。现行浅孔留矿法开采，目前存在成孔率低、卡钎、断钎、堵孔、塌孔频发、矿石损失贫化率高、采场放矿困难等一系列问题。针对这一现状，该铜矿2013年7—9月开展了化学注浆预加固工业试验。试验注浆区域为该铜矿4#矿体3采2分段，倾角67°，矿块沿走向15 m，厚22 m，高20 m。初期试验阶段浆液扩散与加固效果相对较好，但化学浆液用量超出设计较多，注浆成本超标。在保证注浆效果的前提下，尽可能减少浆液用量成为此项技术成功的关键。注浆施工中，可控变量为注浆压力P、注浆量Q及其与时间相关的变量。单一压力控制，可能造成浆液用量过大；单一注浆量控制，又恐难以满足不同地质情况的加固要求[1-2]，因此，建立经济有效的注浆强度控制方法尤为重要。

目前，注浆控制技术主要以压力分析为主，主要有：基于模糊逻辑理论的注浆瞬时压力解读分析的TPA法，基于注浆压力、残余压力、压力—注浆量变化率、时间相关行为等因素的敏感注浆压力分析控制PSG法[3-7]，基于详细注浆压力、浆液性质、浆液扩散范围研究的时时注浆控制RTGC方法[1，8]以及基于注浆压力P、浆液用量Q、注浆时间T的P-Q-T曲线分析控制方法[9]等。然而，这些方法的研究与应用均基于大型土木工程与煤矿工程，效果虽好，但控制系统庞大、复杂，成本投入极高，不便于铜矿的应用。寻找适用于破碎铜矿这一特殊岩体的注浆控制标准势在必行。

铜矿注浆预加固与其它工程有以下4点突出区别：①整体预加固是保证回采期间采场稳定的一种临时加固形式；②地下空间有限，要求施工与控制尽量简便有效；③加固是为开采创造条件，加固等级应考虑后续爆破、采矿的经济性；④过多的化学浆液势必影响选矿指标。这一切都在要求最大化减少浆液用量，且保证回采安全。Weaver K D等[5]曾提出注浆强度GIN值控制法在岩石中应用的可靠性，但并未给出相关的工程实例，国内化学注浆也无应用于铜矿的先例。同时，GIN强度控制可实现简单灵活、高效便捷的控制方式，在金属矿山中的工业应用极具前景。

2 注浆强度GIN值控制方法

注浆强度GIN值是基于注浆压力与注浆量两者共同作用的一种“能量”的体现，能够很好地避免考虑单一因素的诸多弊端。

2.1 注浆强度GIN值

注浆强度控制GIN法由瑞士灌浆专家Lombardi G.率先提出，在欧洲、南美洲地区的坝体注浆工程中得到应用，获得较理想的注浆效果[3,10]。该理论认为注浆加固效果既不与注浆压力，也不与浆液用量单一相关，而与二者乘积直接相关，施工时注浆量达到设计值即可停止注浆施工。注浆强度值GIN定义为注浆终压Pf与每米注浆量Vf二者的乘积(式1)。

GIN=Pf·Vf.

(1)

式中，GIN为注浆强度值，MPa·L/m；Pf为注浆速率为零时孔口注浆压力显值，MPa；Vf为注浆中止单孔每米浆液用量，L/m。

2.2 注浆强度GIN值的获取

采用注浆强度值GIN的方法作为注浆控制标准，限定Pf·Vf为一常数，这样针对宽大裂隙限制其注入量，控制浆液用量；注浆条件不佳时提高注浆压力，保证相当的浆液扩散半径。GIN值计算公式为双曲线型反函数，属无穷函数，而工程应用中应界定最大值Pmax、Vmax[6]。

(2)

(3)

式中，Pmax为限制注浆压力，MPa；Vmax为限制注浆量，L/m；Fmax为注浆区域上方岩体的质量，kN；C为浆液凝固的黏聚力，MPa；t为裂隙宽度一半，mm。

由注浆强度GIN曲线与最大浆液用量与最大注浆压力组成的注浆强度包络线如图1所示。

图1 注浆强度控制曲线GIN限制包络线

注浆强度包络线反映了设计达到的注浆强度值，实际注浆强度曲线与GIN限制包络线相交即认为达到注浆标准，可结束对此孔的注浆。总的来讲可以将注浆强度曲线分为3类[1,7,11]：①注入量达到预设值(图1线曲线g))；②注浆压力达到预设值(图1线曲线e)；③压力与注人量虽小于限定值，但二者乘积达到GIN值(图1曲线f)，满足以上3种情况任意1种即可结该孔注浆施工。这样通过施工中注浆压力、浆液用量或二者乘积的简单观测计算即可实现注浆工程的有效控制。

3 工业应用

3.1 工程背景

注浆试验加固区域为矿体及与之毗邻的上盘围岩，确保回采期间的采场稳定。注浆材料选用MP 357固化剂(MEYCO MP 357 Flex)，可以快速胶结固化破碎矿体。注浆设备主要包括凿岩设备和注浆设备，其中凿岩使用YGZ-90型导轨式中孔凿岩机，注浆器材有气动双液注浆泵、微型三通、微型搅拌器、封孔器、注浆(花)管等。通过理论计算及工程类比，最终确定化学注浆主要技术参数如表1所示。

表1 化学注浆主要技术参数

注浆巷道沿矿体走向布置于矿房内，位于矿体下盘围岩内矿岩交界处，沿注浆巷道设计3排注浆孔，排距5 m。每排均采用扇形布孔形式，如图2所示。

图2 每排扇形注浆孔布置

考虑钻孔作业时方便出渣，从最容易出渣、凿岩的5号孔开始，依次4-3-2-1-6-7-8-9。采用后退式分段注浆，每孔设计分3段注浆，分段长度为5～8 m，按从孔底至孔口的顺序后退注浆施工。

3.2 扇形孔注浆强度GIN值确定

Lombardi G[10]提出注浆强度GIN值可通过理论计算法、室内试验法、观察评价法等求得。本研究采用观察评价法，以初期试验的注浆深度、注浆量、注浆终压等实测记录为依托，对浅部段(孔深0～8 m范围)进行注浆强度GIN值的回归计算。试验区域矿岩性质相似，加固等级相当，GIN值相近。用Origin软件选择对应函数对数据点进行回归拟合如图3。

图3 现场实际施工中注浆强度GIN值回归分析

回归曲线复相关系数R2为0.88，标准差为2.5，满足精度要求。通过以上回归分析，确定0～8 m范围内注浆控制标准为GIN=60，另根据工程类比经验限定最大注浆压力Pmax=12 MPa，每米最大浆液注入量Vmax=11.5 L/m，Pmax与Vmax均在式(2)、(3)的计算范围内。此范围内的注浆控制标准为：

(1)达到最大注浆静压Pmax=12 MPa，且在5 min内流量小于0.3 L/min，延续5 min结束注浆；

(2)达到最大每米注入量Vmax=11.5 L/m结束注浆；

(3)注浆压力与每米注浆量乘积达到设计注浆强度GIN值60 MPa·L/m，且浆液注入流量小于2 L/min，延续5 min结束注浆。

同样得出扇形注浆孔(孔深0～23 m)不同孔深段的注浆强度GIN标准系列值如表2，GIN值包络线如图4。

表2 不同孔深的GIN值

图4 某铜矿加固工程GIN注浆包络线

孔深范围8～15 m、>15 m段注浆控制详细标准参考前述0～8段的标准。建议中等注浆速率(5～7 L/min)注浆；浆液注入速率小于0.3 L/min时为避免浆液凝固堵塞管路应考虑中止注浆；达到注浆结束标准时浆液注入速率应小于2 L/min。化学浆液加固效果极好，每米浆液用量Vf很小，注浆压力P较大，GIN值较高。单孔内，深部段每米注浆孔控制范围更大，注浆压力与浆液用量也越大，对应图4中更高的GIN值。引入GIN值控制标准表征加固强度、浆液用量、注浆压力三者的定量关系，使得施工中注浆压力与注浆量的控制有据可循，对指导注浆施工意义重大。

将初期记录回归计算的扇形孔GIN值控制标准，应用于后续第2排与第3排注浆施工，简化、量化了现场施工控制。结果显示，第1排浆液用量1 552 L，采用GIN强度值控制后第2排、第3排浆液用量分别为1 227 L、1 181 L，分别节省浆液17.7%、23.9%，提升了化学注浆的经济性。

3.3 应用GIN值控制方法的注浆效果检验

(1) 检查孔法分析浆液扩散半径。试验中为避免窜浆而采用间隔注浆方式，完成7号孔注浆后，用钻孔探测仪检查9号孔时在近孔口端观测到化学浆液，将其反映在图5中，计算与相邻孔最小距离，推算浆液扩散半径2.52～2.88 m，满足2.5 m的设计值。施工中距孔口2 m处封孔，仍会出现巷道面少量返浆，反映了浆液优良的扩散性能。

图5 化学浆液扩散半径计算

(2) 钻孔探测仪检查注浆孔。岩层钻孔探测仪对钻孔内岩体结构、成孔质量、化学注浆效果进行检查，注浆前后成孔效果如图6。

图6 注浆前后成孔效果对比

图6(b)中亮白色杂乱无序的细脉为化学浆液。从岩层钻孔探测仪的成像可知，化学注浆有效地改善了成孔效果，进一步提高了成孔率，从成孔角度说明了化学注浆对改善破碎矿岩性质发挥着积极作用。随后的工业开采将能够更好地证明化学注浆与注浆强度GIN值法控制的优越性。

4 结 论

(1)将注浆强度GIN值控制方法引入到某铜矿的整体预加固中，通过最大注浆静压、最大每米浆液注入量、注浆强度GIN值三者对注浆施工进行定量控制。开展了高压速凝化学注浆工业试验，研究了简化注浆控制，节省浆液用量的控制标准，对化学注浆在金属矿山中的推广有着重要借鉴意义。

(2)回归分析得到了适用于现场的注浆强度GIN值：孔深0～8 m，<60 MPa·L/m；孔深8～15 m，<95 MPa·L/m；孔深>15 m，<160 MPa·L/m，并依此给出了基于注浆强度GIN值的控制标准。

(3)采用检查孔法对注浆效果进行了分析评价。钻孔探测仪观察验证了浆液有扩散半径达到了2.5 m的设计标准，成孔效果得到了很大改善，注浆后矿岩性质有了显著提高。

[1] Gustafson G，Stille H.Stop criteria for cement grouting[J].Zeitschrift für Geomechanic und Ingenieurgeologie im Bauwesen und Bergbau，2005,25(3):62-68.

[2] Wang D，Sui W.Grout diffusion characteristics during chemical grouting in a deep water-bearing sand layer[J].International Journal of Mining Science and Technology，2012,22(4):589-593.

[3] Kirsch K，Bell A.Ground Improvement[M].New York：Chemical Rubber Company Press，2013.

[4] Zettler A H，Poisel R，Reichl I，et al.Pressure sensitive grouting (PSG) using an artifical neural network combined with fuzzy logic[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1997,34(3/4):351-358.

[5] Weaver K D，Bruce D A.Dam Foundation Grouting[M].New York：American Society of Civil Engineers，2007.

[6] Lombardi G，Deere D.Grouting design and control using the GIN principle[J].Water Power & Dam Construction，1993,45(6):15-22.

[7] El Tani M.Grouting rock fractures with cement grout[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2012,45(4):547-561.

[8] Rafi J Y，Stille H K.Control of rock jacking considering spread of grout and grouting pressure[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2014,40:1-15.

[9] 张民庆，张文强，孙国庆.注浆效果检查评定技术与应用实例[J].岩石力学与工程学报，2006(S2):3909-3918. Zhang Minqing，Zhang Wenqiang，Sun Guoqing.Evaluation technique of grouting effect and its application to engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006(S2)：3909-3918.

[10] Lombardi G.Selecting the Grouting Industry[J].The International Journal on Hydropower & Dams，1996(4):62-66.

[11] Kuisi M A，Naqa A E，Shaqour F.Improvement of Dam Foundation Using Grouting Intensity Number (GIN) Technique at Tannur Dam Site，South Jordan[J].Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2005(10):1-16.

(责任编辑 徐志宏)

Controlling Method of Grouting Intensity Number for Reinforced Fractured Ore Rocks

Wang Heng1,2Wu Aixiang1,2Wang Yiming1,2Huang Mingqing1,2Shen Xianling1,2Xue Zhenlin1,2

(1.School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.State Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines，Beijing 100083，China)

A copper mine ore body in Yunnan Province is soft and fractured，so it is difficult to realize mining by hole drilling.Pre-reinforcement mining-optimized scheme with chemical grouting was introduced.However，in the beginning of the experiment，it is hard to accurately control the experiment，resulting in the problems that chemical slurry was over used.In order to quantize and simplify the control process of quick-setting chemical grouting applied in the copper mine，the Grouting Intensity Number method was applied to the chemical grouting experiment for the study of fractured ore-body.The controlling standard for chemical grouting of a fractured copper mine was established and the grouting effect was detected by the drilling detector.Results showed that the industrial applications of GIN method should fully consider final pressurePfand volume of chemical slurryVfper meter.Furthermore，the controlling standards based on depth range of fan-pattern grouting holes were as follows：at the hole depth of from 0 to 8 m，Pfis less than 60 MPa·L/m；at the hole depth of from 8 m to 15 m，Pfis less than 95 MPa·L/m；at the hole depth of greater than 15 m，Pfis less than 160 MPa·L/m.The drilling detector indicated that the diffusion radius of chemical slurry reached 2.5 m and the pore-forming effect had been significantly improved after grouting.Consequently，this study can be used to quantify the grouting control standards，simplify engineering applications and improve the stability of the fractured ore body.

Chemical grouting，Grouting Intensity Number method，Control standards，Effect testing

2014-09-04

“十二五”国家科技支撑计划项目(编号：2012BAB08B02，2013BAB02B05),高等学校博士学科点专项(编号：20110006130003，2011000612002)。

王 恒(1990—)，男，硕士研究生。通讯作者 吴爱祥(1963—)，男，教授，博士研究生导师。

TD 853

A

1001-1250(2014)-11-035-04