半封闭式帷幕注浆堵水技术在铜山铜铁矿的应用

张 博，余 佳，桂 飞，王 成，董传富

(1湖北兴冶矿业有限公司，湖北 大冶 435100；2黄石市安全技术学会，湖北 黄石 435003；3湖北省伟泽安全技术咨询有限公司，湖北 浠水 438200；4湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；5重庆科技学院 安全工程学院，重庆 400030)



半封闭式帷幕注浆堵水技术在铜山铜铁矿的应用

张 博1，余 佳2，桂 飞3，王 成4*，董传富5

(1湖北兴冶矿业有限公司，湖北 大冶 435100；2黄石市安全技术学会，湖北 黄石 435003；3湖北省伟泽安全技术咨询有限公司，湖北 浠水 438200；4湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003；5重庆科技学院 安全工程学院，重庆 400030)

根据铜山铜铁矿水文地质条件，从治理的必要性、方案的可行性、经济的合理性等方面出发，在充分考虑施工过程中可能出现的问题及相应预防处理措施的情况下，选用半封闭式帷幕堵水方案,确定了帷幕注浆的参数值。该方案不仅具有安全效益和经济效益，同时具有保护地下水资料的社会效益。该项技术适用范围广，工艺成熟，易于实施，可作为深井大水矿山地下水治理的主要技术方法予以推广。

大水矿山；帷幕注浆；堵水；影响半径

1 矿区基本情况

1.1 矿区概况

大冶市铜山铜铁矿(以下简称铜山矿)位于湖北省大冶市区西南方3 km处，行政区划属大冶市金湖街道办事处。矿区北与有色铜录山矿露天采坑相距500 m，南为大冶市钢铁厂，东为铜录山矿职工住宅区，矿区铁路、公路交通便利。

铜山矿床共分为43个矿体，其中规模较大的矿体为401，402号矿体，探明铜矿储量A+B+C级矿石量5.13×105t，铜金属量1.681×104t；D级矿石量4.406×106t，铜金属量5.952 6×104t。铜山矿前期属大冶市铜录山镇开采经营，后由大冶市与铜录山镇联营开采。1996年11月至1999年5月，因邻近的金马铜铁矿非法越界至铜山矿407线以南-20 m至-76 m水平滥采乱挖，导致生产停止。1999年11月进行企业改制，由湖北兴冶矿业有限公司控股，铜山矿逐渐恢复生产。经过几年开采，铜山矿401矿体除接近地表的保安矿层外，现已基本开采完毕。大部分采空区已经充填完毕，目前正在进行402号矿体的开采，已完成开拓至-300 m、-350 m、-400 m、-450 m、-500 m等几个中段。

1.2 矿区水文地质条件

铜山矿床位于当地侵蚀基准面以下，矿坑主要充水含水层为三叠系下统嘉陵江组第1段白云岩夹大理岩，岩溶裂隙较发育，富水性中等，为隐伏岩溶裂隙含水层，矿山在铜录山矿降落漏斗内，浅部基本已被疏干，地下水主要接受大气降水补给，补给条件差，循环交替滞缓，在洪水期，易导致青山河水沿塌陷区倒灌井下，雨季矿坑最大涌水量将达正常涌水量的3倍以上，因此铜山矿床属水文地质条件复杂程度中等的岩溶充水矿床。

2 帷幕注浆堵水在铜山矿的应用分析

2.1 必要性分析

目前401矿体已开采完毕，下步将转入深部开采402号矿体，该矿体赋存标高为-300 m以下。由于历史上多家民营企业无序开采，导致采空区众多，空区分布位置及规模大小难以查清，有较多矿山巷道掘进至采空区附近，在正常情况下矿坑地下水补给有限，对矿山不构成大的威胁，但在强降雨情况下，可能导致青山河水从塌洞倒灌入矿坑，以致井下突水淹井。因此，为了安全开采402号矿体，加强矿山防治水工作十分必要。

2.2 可行性分析

铜山矿的水文地质条件复杂程度为中等，在平面上矿区水文地质边界条件清晰，矿区东部石英闪长岩为隔水边界，西部大理岩大量分布但多被岩浆岩覆盖，地下水对矿坑的补给不充分；矿区400线以南，大理岩岩溶裂隙含水层为矿区地下水补给区，但因400～406线附近有火成岩穿插、覆盖，致使地下水的补给有限。仅北部分布的三叠系下统嘉陵江组第1段白云岩夹大理岩裂隙岩溶含水层成为矿坑的主要进水通道。矿区主要含水层分布在矿区西北部与铜录山矿区大理岩相连，正常时大部分地下水流向铜录山矿，当水位上涨过快、水位上升到一定高度时，就向铜山矿分流补给矿区。因此，主要来水补给方向为矿区西北部，从已有资料分析，该进水通道相对狭窄。垂向上岩溶含水层发育深度有限，接触带含水带宽度有限，底部岩层含水性微弱，因此在平面上和垂向上具有帷幕注浆的客观条件，适合采用帷幕注浆堵水的防治水方案[3]。

2.3 经济合理性分析

铜山矿在进行帷幕注浆处理前、后，其治理矿山地下水可采用传统疏干或者帷幕注浆2种治水方案[1]。该2种方案的经济性相比，疏干排水设备多，成本高，对地质环境有一定破坏。帷幕注浆矿坑涌水量小，排水费用低，保护了矿区水资源，较大程度地避免了环境工程地质问题发生，虽然帷幕注浆初期投资较大，但总体上是非常经济合理的。

3 帷幕注浆堵水

3.1 帷幕线的确定

依据矿区水文地质条件、开采深度、基岩错动边界、采矿方法、帷幕施工场地条件及经济性等因素综合确定帷幕幕址[2]。帷幕左右边界须落于隔水层中，轴线位于采矿移动带以外，轴线地面场地允许帷幕施工，帷幕轴线尽可能缩短。根据矿山地下水的主要补给方向，帷幕平面布置在矿区西北部。为避免场区内公路及高压线给施工和交通带来影响，帷幕线布置如下：帷幕北东端部位于421线南，铜录山矿露天采坑边(A点)，由A点向南西方向(257°15′14″)延伸30 m至B点，然后由B点向西南方向(221°25′13″) 延伸10 m穿过公路到C点，再由C点向西南方向(278°19′7″)延伸50 m至D点，为避开高压线，再由D点向南(89°56′6″)延伸10.12 m至E点，从E点向西南向(243°52′14″)延伸40 m至417线F点，最后自F点向西南向(214°0′51″)延伸110 m至413线G点 (帷幕的南西端点)，幕线长250.12 m。帷幕轴线[4]控制(拐)点坐标见表1。

表1 帷幕轴线控制(拐)点坐标

帷幕轴线基本位于402号矿体岩石移动角(75°)范围之外10 m，可最大限度地开发利用矿界内的矿产资源。帷幕轴线长250.12 m。

3.2 帷幕的深度

依据鄂东南地质大队详查报告，铜山矿矿区岩溶发育分Ⅰ、Ⅱ两带，Ⅰ带为强岩溶发育带，主要发育标高在-100 m以上，位于矿区413线以南，此带发育下限为-62.34 m；413线以北至421线，此带发育下限为-171.18 m；西部0，8线，此带发育下限为-166.26 m。Ⅱ带为弱岩溶发育带，西部0，8线及北部421线，其岩溶发育下限分别为-402.30 m(426线)；-400.75 m(0线)；-542.4 m(8线)和-621.64 m(421线)。铜山矿矿区岩溶发育受岩性及深度控制，岩溶发育由浅至深逐渐减弱。因此，帷幕按-400 m标高控制。

3.3 帷幕的厚度

帷幕厚度主要由注浆孔的孔距、注浆参数[5]、受注地层的可注性及帷幕投资等综合因素决定，根据国内多年类似帷幕工程实践、试验工程现场注浆试验及工业试验成果，设计帷幕厚度为10.0 m。

帷幕厚度10.0 m，钻孔间距为10.0 m，则注浆影响半径R：

(1)

式(1)中：b—注浆孔间距(m);T—注浆帷幕设计厚度(m);R—注浆影响半径(m)。

经计算R为7.07 m。

3.4 注浆孔的间距、数量及布置

单排等距离布孔，注浆孔间距为10.0 m，帷幕轴线全长250.12 m，共布置26个钻孔，钻探总进尺11 494.00 m，大冶市铜山铜铁矿帷幕注浆防治水工程设计数据见表2。

表2 大冶市铜山铜铁矿帷幕注浆防治水工程设计数据一览表

3.5 帷幕渗透系数

由于不同矿区帷幕的服务年限、安全性要求以及资金投入等因素各不相同，矿区帷幕不同于水利水电大坝帷幕，对于堵水率要求不高，堵水率[5]达到60%即可取得显著的截流效果，铜山矿目标值是70%，参照国内矿山帷幕工程经验，帷幕幕体透水率设计为5 Lu以下，压水试验段长设为30 m，钻孔半径为0.055 m，渗透系数平均约为0.061 m/d是适宜的。

3.6 注浆段高、压力和水灰比

分段段高因垂直方向上裂隙发育的不均一性而不同。一般情况下注浆段长为30 m一段；但在溶洞发育区，注浆段长为5～10 m。若遇到大于1 m的溶洞时，即停钻进行注浆。

注浆压力是指注浆段承受的全压力，孔内循环式注浆施工过程中应将压力表安装在孔口回浆管路上。注浆压力采用静水压力的1.5～2.0倍。初始灌浆压力在注浆过程中应根据浆液的消耗量及是否有串浆、冒浆、地面抬动等情况而选定。

水泥水玻璃双液浆胶凝时间可在几秒至几十分钟之间随意调节，结石率100%，结石体试块抗压强度可达2～5 MPa。在保证管路畅通、不堵塞的情况下，能使浆液在预期的时间内凝固，有效控制浆液的流失，参考大红山矿帷幕注浆水泥水玻璃双液浆配比，得到水灰比为1∶1。

3.7 注浆孔施工顺序

帷幕注浆施工属地下隐蔽工程，虽然有水文资料支持，但由于地层的非均质性，探查精度有限，因而在帷幕注浆时需采用分序施工，将前一序孔的施工成果作为后序孔施工的依据，从而弥补地质资料的不足。施工分3序，第I序7个钻孔沿轴线按孔间距40 m布置;钻探进尺3 093.00 m，中间加密到20 m施工，第Ⅱ序钻孔6个，钻探进尺2 653.00 m;最后孔间距加密到10 m时施工第Ⅲ序孔，第Ⅲ序钻孔13个，钻探进尺5 748.00 m。

3.8 注浆结束标准

结束标准对注浆质量起控制作用，掌握好注浆结束时机，既可取得较好的堵水效果，又可节约工程费用。一般情况下，可依据注浆压力均匀持续上升并达到设计终压，同时钻孔吸浆量小于10 L/min时，稳压20～30 min，或者注浆完毕后，进行扫孔冲洗，再进行压水试验，单位吸水率q小于5 Lu时可结束注浆。

4 帷幕注浆堵水效果及效益分析

由于矿山帷幕注浆主要是在岩溶裂隙发育地段进行注浆，加上矿山水文地质条件的复杂性，因此帷幕注浆堵水效果有别于水利水电工程注浆，其允许部分地下水渗透进入矿坑。采用封闭式帷幕注浆，根据大冶大红山、金井咀、赵家湾铜矿和广东凡口铅锌矿等帷幕注浆的堵水效果来看，铜山矿帷幕注浆堵水率可满足需求。

帷幕建成后取得了明显经济、社会效益。不仅可以减少矿坑涌水量，降低矿山排水费用，节约生产成本；还可降低矿山开采对周边环境的影响，加强周边村庄、道路、农田等的安全；同时为矿山实现安全生产奠定了坚实基础。

5 帷幕注浆技术常见问题

5.1 第4系土层与大理岩接触部位的注浆问题

矿区帷幕轴线北侧是青山河，属于大冶湖盆区。除人工填土层外，湖积粘土孔洞含水层底部有平均厚约8.72 m的粘土隔水层分布，粘土隔水层之下依次为砂砾石孔隙含水层和大理岩裂隙溶洞含水层。而大理岩裂隙溶洞含水层又是矿坑的直接充水因素，湖积粘土孔洞含水层和砂砾石孔隙含水层均将以越流形式补给矿坑，前者是矿坑次要间接充水因素，后者是矿坑主要间接充水因素。因此，砂砾石层和大理岩接触带应进行专门的注浆处理。

5.2 注浆中断问题

注浆中断的主要原因如下：注浆设备发生机械故障；注浆管路堵塞、破裂或接头崩脱；仪表失灵；止浆塞止不住水而发生孔口返浆；停水、停电等。注浆中断所造成的危害有以下几种：注浆中断后单位注浆量比中断前明显减小，甚至不吸浆。特别是浆液中水泥颗粒的沉淀和浆液的凝固使灌浆无法继续进行，影响灌浆效果；当中断时间较长时，止浆塞被固结在孔内，起拔困难，造成事故；特别是当灌注浓水泥浆液出现注浆中断时，易造成注浆管路被水泥浆液凝固的事故；由于灌浆不符合要求，需重新扫孔，延误工期等。

5.3 串浆问题

串浆的主要原因是：岩层裂隙较发育并相互串通，或注浆压力较高时，致使灌浆孔与相邻钻孔之间裂隙被冲开，造成浆液通路。

串浆所造成的危害有以下几种：使灌浆工作无法继续进行，停灌后灌不进浆或因待凝后重新扫孔，影响工期；浪费灌浆材料；影响其他串浆孔的钻进及灌浆质量，易使其他串浆孔出现水泥“抱钻”井故等。

5.4 溶洞注浆问题

注浆的过程中会遇到地层中有较大的溶洞。溶洞所造成的危害有以下几种：注浆压力达不到要求，帷幕线难于形成；浆液孔内裂隙难以灌入，影响灌浆质量；浆液扩散半径较大，造成水泥浆液不必要的浪费。

5.5 跑浆问题

跑浆的主要原因是：由于帷幕区地层岩溶发育，各向异性明显，浆液沿溶洞或大裂隙流失很远，而近处的小裂隙则难以进浆，浆液有效扩散范围呈极不规则状。

6 预防处理措施

根据上述帷幕灌浆出现的主要技术问题，从以下几个方面采取不同的预防处理措施[6]。

6.1 针对第4系土层与大理岩接触部位注浆的处理措施

采用止水胶塞在粘土层中止水，然后利用较浓浆液自溜或低压注浆方式对一段固结专门注浆。选用合适压力对注浆进行测斜，至符合要求后用浓水泥浆封口。

6.2 针对注浆中断的处理措施

制定解决措施恢复注浆，恢复时从稀浆开始，若吸浆率很低，则应及时清洗钻孔，然后进行灌注。若中断时间较长，应及时冲冼钻孔或扫孔后复注弥补，以保证注浆质量。对于间歇、冒浆等人为的有意中断，应将钻孔清理至原深度后再进行复灌。

6.3 针对串浆的处理措施

当发现串浆时应立即采取措施，对串浆孔同时注浆，或者将串浆孔用止浆塞封闭，待灌浆孔灌浆结束后，对串浆孔进行扫孔，冲洗，而后继续钻进或者进行灌浆。

6.4 针对溶洞注浆的处理措施

依据类似工程的施工经验，可以采取以下处理措施：以溶洞底板作为注浆段的底板;压缩注浆段段长;注浆时采用浓水泥浆进行注浆;降低注浆压力或孔口自流注浆。若多次注水泥浆液仍无效果，则采用水泥、尾矿砂混合浆液或水泥浆液中加入早强剂或投放粗骨料进行注浆。

6.5 针对跑浆的处理措施

根据具体情况采取低压、限流、限量、间歇注浆、变换浆液品种等措施进行处理。在注浆初期阶段，应采用廉价惰性充填材料双液浆限制浆液的流失；注浆后期，则用尾砂浆液加压注浆，在溶洞充填物或细小裂隙中形成劈裂或压密注浆，促进浆液侧向扩散，加大有效扩散半径，直至压力逐渐上升，达到设计的注浆结束标准。

[1] 李万金,夏焰光.铜多金属矿帷幕注浆堵水方案研究[J].探矿工程,2012,39(1):68-72.

[2] 孙波.济南张马屯铁矿帷幕注浆堵水工程简介[J].山东国土资源,2005,21(6):89-91.

[3] 高广锋.帷幕注浆工艺在大水矿山中的应用[J].现代矿业,2010,6(6):118-120.

[4] 刘旺.铜录山矿帷幕注浆堵水技术[J].矿业研究与开发,1993,2(3):19-37.

[5] 彭振斌.注浆工程设计计算与施工[M].武汉:中国地质大学出版社,1997:75-76.

[6] 游红江.中关铁矿帷幕灌浆技术常见问题与预防处理措施[J].西部探矿工程,2013,5(1):97-99.

(责任编辑 高 嵩)

Application of Semi-enclosed Curtain Grouting for WaterPlugging in Tongshan Copper & Iron Mine

ZhangBo1,YuJia2,GuiFei3,WangCheng4*,DongChuanfu5

(1Hubei Hing Mining Co.Ltd.,Daye Hubei 435100;2Huangshi Safety Technology Association,Huangshi Hubei 435003;3Hubei Wei Ze Security Technology Consulting Co.,Ltd,Xishui Hubei 438200;4School of Environmental Science and Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;5Safty Engineering School,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 400030)

According to the hydrogeological conditions of Tongshan Copper&Iron Mine,the necessity of treatment,the feasibility of the program and the economic rationality,a semi-enclosed curtain water plugging scheme has been chosen to determine the parameters of curtain grouting by fully taking all the problems occurring in the construction process and the corresponding preventive measures into consideration.This scheme not only has highly safety benefits and economic efficiency,but also has social benefits of protecting underground water resource.This technology has such advantages as wide application scope and mature technology,which can be applied widely as a major technology of treating underground water in deep-wells mines.

flood mine;curtain grout;water plugging;radius of influence

2016-08-18

湖北理工学院校级青年项目(项目编号：11yjz23Q);湖北省高校青年教师深入企业行动计划项目(项目编号：XD2012492)。

张博，工程师，本科。

10.3969/j.issn.2095-4565.2016.05.005

TD741

A

2095-4565(2016)05-0017-05

*通讯作者：王成，讲师，硕士。