化学注浆技术在矿山涌水治理中的应用

杨国华

摘要：本文主要通过望儿山金矿20中段化学注浆堵水的成功案例，向读者介绍化学注浆的原理，以及化学注浆堵水技术在矿山涌水治理、改善井下作业环境、减少矿山安全生产隐患中的应用。

关键词：化学注浆；技术原理；矿山涌水治理；安全

1、工程现状

望儿山矿区20中段运输大巷目前开拓至14线，已完全揭露富水区域。随着20中段富水区域的揭露，该中段涌水量剧增，给矿区排水带来较大压力，增加了矿区排水费用。并且因富水区域涌水量大、水温高，导致20中段南大巷水汽大、温度高、空气湿热稀薄、能见度低，作业条件极差；严重影响了望儿山矿区20中段开拓进度及深部探矿工作的开展。此外巷道内电缆、电线及其他电气设备也极易被腐蚀损坏，造成矿山安全用电隐患，并增加电气设备维护费用。为改善望儿山矿区20中段作业环境，减少矿区安全生产隐患，降低矿区排水成本，减小矿区排水压力。

2、矿床水文地质特征

自2000年以来，经过对望儿山金矿开拓过程中水文地质条件研究，总结望儿山矿区水文地质条件如下：

2.1 西部隔水边界

焦家断裂为矿床西部隔水边界，因为焦家断裂成矿后表现为压扭性断裂，主构造面相对封闭，隔水性好。西侧上盘主要是片理发育的变质岩系，东侧则主要是脆性较大的花岗岩体。焦家金矿涌水量小，平均氯离子浓度较高；望儿山金矿涌水量大，平均氯离子浓度较低。

2.2 东部隔水边界

望儿山断裂（F1）为矿床东部隔水边界，其为焦家断裂的一条支断裂，与焦家断裂延伸方向相近，成矿后总体表现为压扭性，主构造面相对封闭，隔水性较好。矿坑涌水主要来自上盘，而下盘为较完整的黑云母花岗岩，涌水量不大，且易于疏干。

2.3 北部隔水边界

望儿山金矿北2km的河西金矿，开拓深度750m，竖井日出水量不到1000方。2005年4月份的新城金矿水文孔观测水位-340m，比本矿同期井下水位低（-250m），说明本矿北部不远是分水岭（零流量边界）。

2.4 南部无明显边界

根据地表和钻孔水位长期观测资料所作的等水位线图来看，矿井疏排水形成的降落漏斗长轴延伸向南，说明矿井南部为来水方向。

3、矿区20中段富水区域特点

望儿山20中段富水区域通过工程揭露主要非集中在18-14线之间，该富水区域四组EW向导水构造破碎带（分别为Z1、Z2、Z3、Z4主导水构造）与巷道右帮近SN向导水构造相互切割交汇组成，且富水区域内张性节理极为发育，岩石较为破碎，顶板淋水较大。该富水区域稳定涌水量约400m3/h，水温38.5℃。

3.1 EW向导水构造破碎带

根据深部中段工程揭露，在18线-14线之间发育4组EW向导水构造破碎带。与主断裂（F1）呈“山”字形发育，是该中段主要的低温热水主要通道。构造带由一系列密集的张性破裂面构成，裂隙形态多不规则，延伸较短，当被揭露时，往往形成宽0.2-0.8米的裂缝，构成出水点。依照揭露顺序由北向南分别为“Z1、Z2、Z3、Z4”导水构造。

3.2 SN向导水构造

于20中段南巷18-14线之间巷道右帮揭露一SN向导水构造，该导水构造近直立，构造面较为光滑，涌水量较大，与该富水区域四组EW向导水构造破碎带相互切割交汇。

4、注浆区域及注浆方法的选择

本次注浆试验区域主要选择在20中段14—16线之间，共两个注浆区域，注浆区域包括Z3、Z4两主导水构造及其两构造之间的节理发育区，该次注浆试验区域核定工程量为263平方米，稳定涌水量约为180 m3/h。

结合本次注浆区域涌水量大、节理、断裂等构造较为发育、岩石破碎的特点，通过对注浆材料及注浆工艺优劣对比，本次注浆试验选择进行化学注浆。注浆材料为水溶性弹性聚氨酯材料。

5、化学注浆原理及优点

本次注浆化学材料是由多氰酸酯和多羟基聚醚进行化学合成的高分子注浆堵漏材料。该材料遇水后发生化学反应，形成弹性胶状固结体，从而达到很好的止水目的浆液遇水后自行分散、乳化、发泡，立即进行化学反应，形成不透水的弹性胶状固结体，有良好的止水性能。反应后形成的弹性胶状固结体有良好的延伸性、弹性及抗渗性、耐低温性，在水中永久保持原形。

本次化学注浆利用机械高壓动力，将化学材料裂缝中。聚氨酯灌浆材料进入裂缝的深度与裂缝宽度相关：裂缝越宽，浆液流速越大，进入裂缝就越深，灌浆效果越好。水溶性聚氨酯初始膨胀率能够达到100%以上。当浆液遇到裂缝中的水就会迅速分散、乳化、膨胀、固结，形成胶凝体以后，第一次膨胀消失，但具有很好的弹性，成为稳定的类似止水橡皮的弹性体。这样固结的弹性体填充所有裂缝，将水流完全地堵塞在结构体之外，以达到止水堵漏的目的。水溶性聚氨酯堵漏剂堵漏施工的特点：水溶性聚氨酯与水作用后，产生交联反应、发泡生成多元网状封闭弹性体的特征，迅速膨胀堵塞裂缝，达到止水的目的。聚氨酯遇水后伴随交联反应，释放大量CO2气体，产生二次渗压，高压推力与二次渗压再次将弹性体压入并充满所有缝隙，达到止漏目的。

化学注浆的优点：化学注浆设备及注浆材料简洁轻便，便于携带运输，可减少设备和材料的下放及运输成本，节约设备、材料倒运时间；化学注浆膨胀性较好，堵水效果好，凝固时间可控；化学材料有较强的膨胀性和黏结性，对岩石的牢固性有一定加强作用，改善岩石条件；施工方便速度快，堵漏成功率高。

6、注浆效果及涌水量变化观测

本次注浆工程结束后核定注浆面积为262平方米。注浆结束后注浆区域内涌水量明显减少，注浆堵水效果显著，作业环境明显改善。

本次注浆前后及工程施工期间，我们通过现场观察水位变化情况进行了详细的涌水量观测记录。注浆后现场水位下降0.1m，现场淋水约10 m3/h，注浆区域内涌水量减少170 m3/h，堵水率达到94.4%。此外我们对矿区水仓排水时间进行了详实记录。通过对比发现注浆工程结束后，20中段水仓每日抽水时间减少4.52h，日涌水量减少约4080m3；每年可节约排水成本160万元。

此外注浆结束后两周内20中段南大巷气温由原来40.5℃降低至33.8℃，南大巷内水汽明显减少，巷道内可见度大幅提升，作业环境得到明显改善，降低安全隐患风险。

结语

此次化学注浆的成功改善了20中段作业环境，减少矿区安全生产隐患，降低矿区排水成本，减小矿区排水压力，为矿区深部中段涌水治理工作积累了经验，同时也为同类地质条件下的矿山涌水治理工作提供理论参考和实践依据。endprint