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构造裂隙大水矿床帷幕注浆工程试验及参数研究

2015-05-05

金属矿山 2015年4期
关键词:大水试验段帷幕

杨 柱 王 军 赵 恰

(长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012)

构造裂隙大水矿床帷幕注浆工程试验及参数研究

杨 柱 王 军 赵 恰

(长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012)

构造裂隙大水矿床含水介质复杂多变,基建难度大,突水风险高,防治水技术难度大。借鉴岩溶大水矿床治水经验,设计采用矿山地面帷幕注浆技术,解决黄屯硫铁矿火山岩构造裂隙大水矿床地下水害。通过帷幕注浆生产性试验,从注浆前后帷幕体透水性、检查孔压水试验、注浆前后钻孔岩芯揭露情况分析,证明火山岩裂隙地层高压灌注水泥黏土浆后,大的构造导水通道及微细裂隙都能被浆液有效充填,注浆堵水效果显著,该方法可为同类矿床防治水工作借鉴。

构造裂隙大水矿床 帷幕注浆试验 注浆参数

我国复杂大水矿床分布广泛,矿石储量大,种类多,大多为强岩溶充水矿床[1]。针对岩溶充水矿床的水文地质特征,20世纪60年代开始,矿山防治水工作者开发了岩溶矿床帷幕截流技术[2]。经过几十年的技术发展,目前我国已完成的矿山地面帷幕工程近40多个,保障了这些岩溶大水矿床的安全开采,但帷幕注浆技术应用于构造裂隙充水的大水矿床仍是空白。

随着金属矿山开采规模的不断扩大,构造裂隙充水的复杂大水矿床逐渐被发现和利用,如安徽白象山铁矿,马鞭山铁矿,黄屯硫铁矿等。该类矿床受复杂水文地质条件和矿床构造条件等不利因素困扰,含水介质复杂多变,普遍面临基建难度大,突水风险高,采矿排水费用高等问题[3]。本研究以黄屯硫铁矿火山岩构造裂隙大水矿床为例,通过分析该类矿床含水介质特征,选择合适的注浆材料,进行帷幕注浆工程生产性试验及帷幕注浆参数优化,以寻求根治构造裂隙充水大水矿床的方法。

1 工程概况及含水介质特征

1.1 工程概况

黄屯硫铁矿位于安徽省庐江县龙桥镇境内,为未开发利用的新矿床,已探明铁矿石资源量4 000多万t。矿体赋存于主要含水层(火山碎屑岩)之中,含水层(包括矿体)构造、裂隙发育,地下水水头压力大,地下水储量极其丰富,数值模拟法预测涌水量达108 668 m3/d[4],为水文地质条件复杂的火山岩地层大水金属矿床。设计采用矿山帷幕注浆方法根治地下水害,帷幕全长2 722 m,投资估算约1.8亿元[5]。

1.2 矿区含水介质特征

本矿床的主要充水岩层为侏罗系上统龙门院火山碎屑岩。总体来说,龙门院组含水层根据含水介质特征可分为块状岩石、断层带、裂隙密集带三大类。实施帷幕注浆堵水工程,需根据含水介质的不同水文地质特征选择合适的注浆材料及参数,以保证有效的扩散半径。

(1)块状岩石。该类型含水介质在浅部高角度裂隙网络状密集发育,连通性较好,渗透性较强。裂隙-孔洞的密集发育,使其具有较大的空隙率,为地下水提供了良好的储存场所。因此,该含水介质表现出导水性能较好、储水性能也较强的特点,在空间上形成巨厚层的块状含水体。但总体上来说,该类型含水介质在深部发育变弱。需要使用可注性较好的材料,通过高压注浆工艺对该类地下水通道进行封堵。

(2)断层带。根据物探探测,矿区高角度断层网状发育,是矿区地下水主要富集和运移的场所,也是未来矿坑突水、涌水的主要通道和来源,为注浆封堵的主要对象。导水断层带中,宽大裂隙发育,规模大、连通性极好,顺沿断层方向会表现出极强的导水性能,空间上形成强富水、导水的条带状含水体。

(3)裂隙密集带。裂隙密集带中大隙距的裂隙极为发育,能与块状含水体及断层水沟通,水力联系紧密,表现出较强的导水性能,注浆扩散效果较好。

2 帷幕注浆生产性试验

2.1 浆液类型选择及原材料试验

根据岩溶矿床帷幕注浆经验[6-7],黏土水泥浆可注性、稳定性、抗渗性、防蚀性、耐久性较好,成本较低,塑性强度、结石率很高,适合本矿大规模基岩裂隙注浆。黏土原材料的确定需根据相关试验后选定,为选择合适的廉价注浆材料,根据矿区及周边黏土土质情况,我们选取了姚山和山庄2处黏土样品进行了材料试验。试验结果如表1所示。

表1 黏土基本性质试验成果

从表1结果分析,姚山采样点黏土黏粒含量高,活性成分含量和塑性指数都较高,有机物含量较低,且有一定规模的储量。选定姚山处黏土进行现场注浆试验。

2.2 帷幕注浆工程试验段设计

根据《矿山帷幕注浆规范》要求,大型帷幕注浆工程需布置试验段,取得帷幕注浆工艺参数。结合黄屯矿基建进度及场地条件,设计布置中帷幕试验段、南帷幕试验段2段帷幕注浆生产性试验。中帷幕试验段利用矿山已完成的马头门防渗注浆工程资料,在风井马头门横向开挖20 m范围内,布置双排注浆孔,设计注浆孔8个,孔距5 m,排距6 m。南帷幕试验段布置注浆孔9个,单排孔布置,孔距5 m、6 m,南帷幕试验段长度44 m。

2.2.1 设计参数

(1)帷幕幕顶:设计帷幕幕顶为基岩面。

(2)帷幕幕底:矿体底板为沉积岩裂隙水,含水介质主要为裂隙,透水性相对较弱,为相对弱含水层。帷幕底板布置在相对弱含水层,为悬挂式帷幕。平均孔深293.10 m。

(3)帷幕厚度:设计帷幕厚度为6 m。

(4)浆液扩散半径:设计为4~6 m。

(5)帷幕防渗标准:设计帷幕的防渗性能指标为q≤3Lu。

2.2.2 注浆工艺

(1)注浆方式:自上而下、分段注浆,以止浆塞封闭式注浆为主。

(2)注浆浆液及配比:主要采用黏土-水泥稳定浆液。初始浆液水固比3∶1~11。

(3)注浆压力:根据含水介质特征,设计采用高压注浆方式,注浆终压设计为地下水静水压力的2.5~4倍。

(4)注浆段高:分段段高视揭露岩性而定,设计为5~30 m。

(5)注浆工艺流程:造孔→简易压水试验→注黏土水泥浆→停泵→待凝→扫孔→简易压水试验→进行下一个注浆循环。

(6)施工顺序:一序孔→二序孔→三序孔→检查或补注孔→资料整理→抽水试验质量评定。

2.3 试验结果分析及参数优化

矿山帷幕注浆工程是典型的隐蔽工程,一次性投资大。为降低帷幕工程投资的风险,提高帷幕工程的经济性,应根据试验段成果对帷幕体的关键参数进行优化[8-9]、动态管理。

2.3.1 生产性注浆试验成果分析

(1)注浆前后帷幕体透水性。从图1、图2可以看出,一序孔平均透水率大于10 Lu,为强透水地层。注浆改造后,二序孔平均透水率下降至4 Lu左右,南帷幕三序孔平均透水率下降至2.21 Lu。说明通过一序孔注浆后岩体中可注性好且较大的裂隙通道已得到有效封堵。二序孔、三序孔注浆后,通过从检查孔的压水数据分析中得出,微细裂隙封堵效果较明显及浆液得到有效扩散,注浆效果显著。

图1 中帷幕试验段各序孔注浆前透水率

图2 南帷幕试验段各序孔注浆前透水率

(2)检查孔压水试验。检查孔的主要作用为检查帷幕的扩散效果和帷幕体相对薄弱位置的渗透性,从而达到反映整体帷幕体渗透性的效果。检查孔压水试验单位透水率是衡量帷幕是否成功最重要的指标。从表2可以看出,3个检查孔共压水83段,其中13段压水试验透水率小于1 Lu,其余70段全部小于3 Lu,检查孔压水试验合格率100%。说明通过注浆改造后,火山岩基岩裂隙地层的渗透性发生了明显改变,试验段帷幕体透水性小于3 Lu。

表2 帷幕注浆试验段检查孔压水试验成果

(3)注浆前后钻孔岩芯揭露情况。从上述分析可以看到,黄屯硫铁矿含水介质主要有块状岩石裂隙,含水断层及裂隙密集带。从注浆后检查孔(后序施工钻孔)取芯情况来看,在检查孔不同深度的破碎带、火山岩裂隙内取得大量水泥黏土浆结实体,并在多处裂隙面上发现有水泥黏土浆薄层,见图3、图4。表明浆液有效地对导水断层、导水裂隙进行了充填,浆液扩散范围满足设计要求。

2.3.2 帷幕体关键参数优化

(1)浆液扩散半径:从注浆孔钻孔揭露看,陡倾角裂隙发育,平缓裂隙发育相对较少,且地下水流场以南北向为主,节理裂隙走向垂直于帷幕轴线。岩溶地层浆液扩散半径可达8~10 m,但根据试验段分析,该类火山岩裂隙地层浆液扩散半径为4~6 m。

(2)注浆孔孔距设计:本次试验段设计孔距5、6 m。从三序注浆孔及检查孔压水试验透水率分析,孔距可适当增大,设计为6~7 m。

图3 火山岩中发育的高角度裂隙(注浆前照片)

图4 裂隙中充填的浆液结实体(注浆后照片)

(3)注浆压力:本工程普遍面临微细裂隙注浆情况,设计采用高压劈裂注浆方式,通过提高注浆压力,将裂隙内的充填物用浆液劈裂并彼此沟通,来加大注入量。通过试验段注浆试验发现,在局部裂隙密集带中,高压注浆可能使大的过水通道中的浆液反复劈裂,造成浆液扩散距离太远,注浆成本提高。因此,设计注浆终压为静水压力的2.0~4.0倍,施工过程中根据含水介质类型控制注浆压力。

3 结 论

黄屯硫铁矿是典型的构造裂隙充水的复杂大水矿床,含水介质既有导水性极强的断层带、裂隙密集带,又有块状岩石中发育的微细裂隙。本次试验选用流动性好、可注性好的水泥黏土浆液,采用高压注浆工艺,解决了该类地层注浆的关键难题。通过帷幕注浆生产性试验,表明注浆效果比预期好,孔距可设计为7 m,注浆孔钻探费用比原设计减少1 151万元。通过采用地面帷幕注浆的防治水技术,将彻底解决黄屯硫铁矿基建难度大,突水风险高、采矿排水费用高等问题,可为其他同类矿山借鉴。

[1] 刘晓亮,褚洪涛.我国复杂大水金属矿床的开采现状及发展趋势[J].采矿技术,2008,8(2):3-4. Liu Xiaoliang,Chu Hongtao.Mining situation and development trend of China's complex flood metal deposits[J].Mining Technology,2008,8(2):3-4.

[2] 王 军.岩溶矿床帷幕注浆截流新技术[J].矿业研究与开发,2006,26(S1):151-153. Wang Jun.A new technology of groundwater flow cut-off by grout curtain for Karst mineral deposit[J].Mining Research and Development,2006,26(S1):151-153.

[3] 辛小毛,王 亮.大水金属矿山防治水综合技术方法的研究[J].矿业研究与开发,2009,29(2):78-81. Xin Xiaomao,Wang Liang.Research on integrated water prevention and control technology for water-rich metallic deposit[J].Mining Research and Development,2009,29(2):78-81.

[4] 胡程亮,谢兰芳,黄 乐,等.安徽省庐江县黄屯硫铁矿水文地质勘探报告[R].长沙:湖南省勘测设计院,2012. Hu Chengliang,Xie Lanfang,Huang Le,et al.Huangtun Pyrite Hydrogeological Exploration Report[R].Changsha:Hunan Institute of Survey and Design,2012.

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[9] 彭春雷.矿山防治水及深部帷幕灌浆技术若干问题探讨[J].金属矿山,2010(8):251-255. Peng Chunlei.Discussion on several problems for mine water prevention and control and depth curtain grouting[J].Metal Mine,2010(8):251-255.

(责任编辑 石海林)

Test and Parameters of Curtain Grouting for the Tectonic Fissured Water-rich Deposits

Yang Zhu Wang Jun Zhao Qia

(ChangshaInstituteofMiningResearchCo.,Ltd.,Changsha410012,China)

Due to the complex aquifer-medium among structural fissured water-rich deposits,there are great difficulties in construction and high risk of water gushing-out,so it is hard to realize the water prevention and control.As a reference from the water control experiences of water-rich deposit in karst,the curtain grouting technology for water control at the surface of mine is adopted to treat the groundwater disaster in fissured water-rich deposit at tectonic volcanic rocks in Huangtun pyrites.According to the full-scale test of curtain grouting,and through analyzing water permeability of curtain-grouting before and after grouting,the water pressure test,the drilling core exposure before and after grouting,it is proved that after the high-pressure grout injection for fractured formation in volcanic rocks,water-conducting channel with large structure and micro-fractures can be effectively filled,with remarkable grouting effect.So,this method can be as a reference for the same type of deposit.

Tectonic fissured water-rich deposit,Curtain grouting test,Grouting parameter

2015-02-04

杨 柱(1982—),男,工程师,硕士。

TD823

A

1001-1250(2015)-04-044-04

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