跟管钻进注浆工艺在东明露天煤矿防治水系统中应用

郭 旭，汪云川，陈俊彬，康佳明，钟晓勇

（内蒙古呼伦贝尔东明矿业有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

跟管钻进注浆工艺在东明露天煤矿防治水系统中应用

郭 旭，汪云川，陈俊彬，康佳明，钟晓勇

（内蒙古呼伦贝尔东明矿业有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

东明露天矿根据自身生产需求，结合矿区地质特性自主设计，将地质套管伸入含水层位，把注浆原材料注入受注地层。过程中对注浆压力、水灰比等参数进行调整，通过浆液中添加可膨胀骨料对导水通道进行充填封堵，对于厚松散沉积类型地层的露天矿防治水工作积累了一定经验，使边帮残余水得到了有效的控制。

露天煤矿；注浆；防治水

1 区域地质及水文地质

东明露天矿区域地层主要由第四系（Q）和白垩系（K）组成。第四系广泛分布于煤系地层之上，主要由砂砾石、含砾黏土、粉质黏土，亚砂土等组成，厚度4.85～77.95 m，平均厚度59 m。煤层属于白垩系地层，煤层产状走向近东西，倾角为5°，属于平缓稳定煤层，平均厚度17.52 m，是本区开采的目的层。区内已查明有近东西走向的断层6条，由于构造隆升造成局部区域煤层顶板缺失，对煤层的厚度和连续性造成一定影响。

该地区第四系厚松散含水层十分发育，且矿区地势低处于盆地底谷区域受莫日格勒河水系和区域地质构造的影响，地下水导水通道多、径流补给量大，储量丰富，随着采掘场北推逐渐接近莫日格勒河水系，第四系潜水不断地得到补给。

2 防治水现状

东明露天矿主要采用外围布设降水井疏干与坑下强排工艺相结合控制矿区地下水。来针对采掘场西侧富水靶区及地下水补给通道布设了很多降水井，降水井抽水效率整体较高，区域水头标高也大幅度下降，水位标高得到了一定控制。

由于该区域地层松散渗透系数大、地下水侧向径流补给强量大，地质构造复杂，采用单一的疏干截水工艺无法从根本上解决第四系潜水补给问题，仍有大量第四系残余水顺沿边帮平盘涌出，由于残余水动、势能大流速快严重冲蚀边帮平盘，对边帮整体稳定性带来一定隐患。

帷幕堵水工艺除在特定的水文地质条件下单独使用外，一般情况下，只要条件具备，采用降水孔和帷幕堵水联合疏干工艺，会取得最佳技术经济效果[1]，防渗帷幕治水实质上应理解为与矿场疏干的联合治水[2]。为了进一步控制残余的第四系潜水，降低每年因残余水冲蚀平盘产生的高额的边帮治理费用及解决当前环保、水务等法规及行业规则限制，在现有基础上更加有效地控制采掘场西侧、西北侧边帮渗水量。特提出采用疏堵结合的方式对第四系潜水进行控制。即通过外围降水疏干与帷幕注浆工艺试验性注浆封堵联合应用的方式解决残余水问题。

3 试验原理及参数

3.1 跟管钻进注浆工艺原理

从地面开孔，利用定向跟管钻进技术，以垂直孔的形式，将套管伸入含水层位或需加固地层，通过地面注浆系统将所制浆液注入受注地层。浆液在第四系厚松散层中遇到较大裂隙或导水通道时，呈现压力较低或无泵压甚至自吸状态，进行充填注浆；遇到孔隙松散层时，主要以脉状扩散为主，在浆液充满孔间后，随着注浆压力的升高，浆液驱替地下水分为浆、水两区，向外径向辐射扩散；随着注浆压力继续升高，在脉状扩散渗透注浆的基础上发生扩缝效应，引起裂隙张开进一步扩展充填。

3.2 注浆方式

试验初期分别采用全段式注浆（钻孔编号：zk02）与前进式分段注浆（钻孔编号：zk01、zk03、zk04）2种不同方式。从注浆量、过程把控等方面对比分析，全段式注浆易出现串浆及跑浆现象，且浆液扩散的可控性差，单孔上压慢，出现浆液沿单一薄弱通道流失的可能性较大，若出现跑浆现象处理不当会严重影响整个钻孔的施工质量；从现场施工及取芯情况来分析，前进式分段注浆则可控性较好，能较好的保证各层位注浆质量，相对更适合露天矿的厚松散第四系沉积地层。全段式与分段式注浆各项参数对比见表1。

表1 全段式与分段式注浆各项参数对比

3.3 布孔方式

注浆孔形采用边长(孔距)为 20 m的三角形布孔方式，注浆孔的行间距为14 m。三角形布孔的优点在于相邻3孔内浆液扩散区域重合的机率比正方形布孔时高许多，注浆效果更好[3]。三角形布孔示意图如图1所示。

图1 三角形布孔示意图

3.4 注浆材料的选择及配比

注浆材料是决定帷幕工程总投资的一个重要因素[4]。注浆材料的选择与注浆地层的裂隙、孔隙的大小、含水透水性有关，不管采取何种材料注浆，形成的帷幕体的厚度、强度，应能抵抗水头的压力[5]。为了降低注浆材料投资，根据不同配比下水泥与粉煤灰凝结特性，提出了水灰比自然条件下既能满足工程所需的凝固后强度要求，又能大幅度降低材料。不同水灰比浆液凝结特性见表2，不同掺量水泥粉煤灰时间特性曲线如图2。

表2 不同水灰比浆液凝结特性

图2 不同掺量水泥粉煤灰时间特性曲线

3.5 注浆压力

注浆压力是驱使浆液克服各种流动阻力，在地层空隙中扩散、充填的动力[6]。是决定注浆效果的主要因素之一[7]。如何确定压力，国内外没有统一的准则[8]，多据经验公式。一般经验表明，注浆压力控制在1.5～2.0倍静水压力足以满足工程需要。根据注浆初期注浆层位岩石通道、裂隙处于张开状态，过水通道、裂隙对浆体的阻力较小，浆液扩散较远，选用的浆液需相对较稀，初期压力不宜过大；注浆过程中，浆液浓度由初期较稀逐步加稠至预定浓度；注浆终压即注浆的结束压力，参考下面两种计算方式及钻孔与边帮的距离后，将注浆压力控制在2～3 Pa。注浆压力变化曲线如图3。

图3 注浆压力变化曲线

3.6 单孔注浆量

钻孔预注浆时由于裂隙通道未完全打开，水泥浆液在流过导水通道时出现水浆分离现象，造成通道封死而急剧上压，导致单孔注浆量小于设计值而影响钻孔施工效果。为了避免此现象出现，注浆初期先开高档位进行注水，利用泵和水的冲击力使裂隙张开进一步提高注浆质量，此外采取先稀后稠的水泥浆液配比变化方式，利用稀浆液打开通道，再用稠浆液注浆进行充填和扩散。

式中：Q为单孔注浆量，m3；R为浆液扩散半径，m；h为注浆段长，m；n为地层裂隙度（孔隙率），%；a为浆液填充率，%；β为浆液损失率，%。

3.7 跑浆

采用定量定压注浆和间歇注浆，有效地控制浆液扩散距离[9]。试验过程中发现跑浆时根据跑浆程度分别采用了双液浆、骨料膨胀充填、间歇工艺及联合应用方式有效的进行了处理。水泥采用P.032.5R普通硅酸盐水泥，水泥浆采用水灰比（质量比）为1∶1的配比。双液浆注浆时配比为水泥浆∶水玻璃（体积比）为1∶0.2。采用间歇注浆工艺，待压力开始起步上升后恢复正常注浆。

4 注浆试验结果分析

由于帷幕注浆工程是典型的地下隐蔽工程，注浆施工完成后幕体质量的好坏、防渗效果如何，都无法直观给出定量评价，质量检测评价方法也相对较少[10]。因此，依据注浆前后打钻返芯情况、幕体内渗水量、外围水位动态等因素最大限度地侧面分析。

4.1 注浆区域岩体致密度增大

在理论的浆液扩散区域内二次打钻中发现与注浆项目开展前，钻进过程中出现掉钻、见空、见软等现象明显减少，此现象也直接反映出浆液在孔隙率大、导水通道密布的第四系厚松散地层中有效扩散、充填。证明出浆液凝固后改变周围岩体结构类型，使边帮岩体强度及致密度增加。

4.1.1 幕体内侧水量减少

矿区注浆帷幕截流，是在矿区地下水主要进水通道上通过钻孔向导水地层注浆，形成类似帷幕状的人工阻水体[10]。5眼降水井位于注浆浆液扩散区域内，为了避免浆液扩散至降水井影响降水井正常抽水，8月下旬开展浆液扩散区域内提泵工作，提泵后降低了外围截水强度，在补给量不变的情况下，外围截水强度降低，坑下出水点处流量应增大，但是将北帮598、588、578 m水平3眼、西帮578 m水平1眼，西帮地面1眼降水井水泵提出后，通过2个月对坑下水量进行观测及提泵降水井所对坑下出水点进行监测巡视显示，坑下各新旧出水点未发现水量明显增大现象，此现象侧面反映出注浆项目开展后，西帮地层岩体结构有所改变，透水性降低，截水能力得到提升。

4.1.2 坑下水量减少

通过对边帮富水区域、导水通道进行注浆，浆液进行充填、固结、渗透压密作用，从而达到了预期封堵孔隙及加固的效果，致使边帮渗透系数大幅度降低，大部分地下水被拦截在帷幕外侧，残余水外渗量减少，因此坑下排水量减少。坑下涌水水量变化趋势图如图4。

图4 坑下涌水水量变化趋势图

4.2 幕体外围观测井水位上升

水位监测数据显示注浆开始前4—5月水位呈现下降趋势，注浆工程开展后，西侧外围观测井水位存在普遍上升趋势（9—10月），而本地区10月冬季已至，地表已开始冻结，地面降水补给可忽略，在外围总补给量不变的前提下，观测井水位上升表明边帮渗透系数增大，截水能力提升，导致地下水向坑下补给量减小，因此外围水位出现某时间段内逐渐上升趋势。观测井水位标高记录见表3，地下水水位变化情况如图5。

表3 观测井水位标高记录

图5 地下水水位变化情况

4.3 边坡位移减缓

2015—2016年对边帮进行注浆后明显的提高了注浆区域（西帮）的整体稳定性，注浆项目开展区域内各边坡监测点的观测数据显示，本年度1—11月西帮边坡各监测点累计位移量仅为1.43～2.77 cm，各监测点累计沉降值均在1.6 cm以内，是未开展注浆区域（南帮）位移量的1/10。

4.4 改善施工作业环境

东明露天矿建矿以来，西侧、西北角地下水补给量、涌水量巨大，占全矿总补给量的85%，2014、2015年采掘场西侧、西北侧第四系水储量大、径流量大，水流流速快导致各平盘均出现不同程度的坍塌现象，近2年该矿边帮恢复治理费用高达350万元，而且西北侧采区水位高，第四系水流河道遍布采区内部，致使采掘、运输设备不能进入施工区域，为采矿工程带来巨大难度，随着2015—2016年度采掘场西侧注浆封堵试验项目与地下水阶段性控制工程的有效开展对第四系残余水进行封堵和疏干联合治理，目前西侧及西北角涌水得到有效控制，保障了该区域采矿工程的顺利进行。

5 结论与建议

1）跟管钻进的分段式注浆工艺适合于东明露天矿厚松散沉积型地层，浆液通过渗透扩散，提升了固定边帮的防渗能力，边帮整体稳定性有所提升。

2）从本次试验结果可以看出，针对东明矿防治水现状，采用以地下水综合地球物理勘探成果为理论基础，针对地下水补给通道及靶区采用注浆封堵与外围疏干截水联合治理的方式开展防治水工作在技术上是可行的。

3）随着露天矿的推进和延深，疏干降水费用逐渐增加，通过对非工作帮进行帷幕注浆结合的方式对露天矿地下水的治理，可以克服井排过度加密导致的凿井、维护成本增加现象，也可以避免因新井增加带来原有降水井抽水效率整体下降问题。

4）注浆的均匀性还有待进一步加强，注浆工艺仍需进一步攻关及优化。

5）成本控制方面，浆液的配比仍需进一步实验论证，材料成本控制还有可挖潜空间。

6）厚松散第四系沉积地层开展注浆技术不仅可以实现边帮防渗截流的预期效果，同时也能显著提高边坡的稳定性，对于保障煤矿安全生产和保护区域水资源环境建立绿色矿山同样具有良好的作用。

［1］ 赵毅.国外露天矿帷幕注浆堵水及在我国的应用前景［J］.露天采矿技术，1987（3）：25-31.

［2］ 李国山，王安则.矿山注浆防渗帷幕特点及相关参数分析［J］.现代矿业，2015（8）：171-172.

［3］ 刘福义.松散层注浆加固工艺设计与施工［J］.水力采煤与管道运输，2014（3）：63-66.

［4］ 刘菲.高海拔地区公路构筑物加固注浆材料试验研究［D］.长安大学，2012.

［5］ 鲁德刚，马二康，祖玉喜.凤凰山铁矿地面预注浆施工［C］.全国矿山建设学术会议，2014（S1）：93-96.

［6］ 冯锐，李智渊.新近系松散扰动地层充填注浆加固技术［J］.中州煤炭，2015（4）：77-79.

［7］ 李慎刚.砂性地层渗透注浆试验及工程应用研究［D］.沈阳：东北大学，2010.

［8］ 何朝凤.水工地下厂房大空间开挖变形特性及控制研究［D］.重庆：重庆大学，2010.

［9］ 冯锐，李智渊.新近系松散扰动地层充填注浆加固技术［J］.中州煤炭，2015（4）：77-79.

［10］ 贾伟杰，刘殿风，蒋鹏飞.帷幕注浆施工技术的综合质量评价［J］.现代矿业，2014，28（3）：80-83.

［11］ 陈勤树.我国矿区注浆帷幕截流技术的研究与应用［J］.矿业研究与开发，1993（S2）：8-18.

【责任编辑：陈 毓】

Application of pipe drilling and grouting technology in water treatment system of Dongming Open-pit Coal Mine

GUO Xu,WANG Yunchuan,CHEN Junbin,KANG Jiaming,ZHONG Xiaoyong
(Inner Mongolia Dongming Mining Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021000,China)

According to their own production needs,combining with the geological characteristics of mining area independent design,the mine extended geological casing into the aquifer,injected the grouting materials into formation.The mine adjusted the pressure of grouting,water cement ratio and other parameters.Through adding expandable aggregate filling of water channels,the grouting project for thick loose strata sedimentary types of open-pit mine water prevention and control work had accumulated some experience,which effectively controlled the slope residual water.

open-pit coal mine;grouting;water prevention and control

TD743

B

1671－9816（2017）06－0030－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.009

郭旭，汪云川，陈俊彬，等.跟管钻进注浆工艺在东明露天煤矿防治水系统中应用［J］.露天采矿技术，2017，32（6）：30-33.

2017-02-16

郭 旭（1991—），男，辽宁阜新人，采矿助理工程师，2014年毕业于辽宁工程技术大学，现为呼伦贝尔东明矿业有限责任公司水文地质技术人员。