井下近矿体帷幕注浆技术在高原地区金属矿山的应用

2019-02-18易伟功辛小毛

山东冶金 2019年4期

易伟功，辛小毛

（1长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙410012；2金属矿山安全技术国家重点实验室，湖南长沙410012）

1 前言

黄岗铁矿属于典型的内蒙古高原地区大水矿山，海拨较高，矿山涌水量大，水文地质条件较复杂，矿山开采过程中一直采用疏干排水的方法，排水费用昂贵，同时由于长时间的抽排地下水，出现了地表水枯竭，植被破坏和地表塌陷等一系列环境地质问题。目前在矿山防治水领域主要的防治水技术有疏干排水、矿区地面帷幕注浆和井下近矿体帷幕注浆三种［1］，其中井下近矿体帷幕注浆技术是近年发展起来的矿山防治水新技术，该技术在平原地区大水金属矿山已得到成功应用［2-6］。介绍了井下近矿体帷幕注浆技术在黄岗铁矿的研究与应用，是该防治水技术在高原地区大水金属矿山的成功应用，为今后该技术在高原地区类似大水矿山的推广应用提供了可借鉴的经验。

2 近矿体帷幕注浆可行性分析

2.1 井下近矿体帷幕注浆的必要//可能性

黄岗铁矿床属于孔隙—裂隙充水矿床，矿区水文地质条件较复杂。矿床顶板为碎屑岩裂隙含水层，与第四系松散岩类孔隙含水层水力联系密切。第四系松散岩类孔隙含水层地下水静动储量丰富，导水性好，富水性强；同时，由于其底部隔水层分布不稳定，在矿区局部地段有缺失，形成“天窗”现象，致使矿体直接与第四系富水砂层相通，大大增加了矿山开采难度。如果矿区继续采用疏干排水的防治水方案，将致使矿区地下水位持续下降，形成较大范围的降落漏斗，继而造成矿区地面塌陷、地下水资源消耗、地质环境破坏等一系列问题。与此同时，矿山排水费用大幅度增加，开采成本提高，不利于企业长期可持续发展，更不利于对地下水资源及生态环境的保护。如采取矿区地面帷幕注浆防治水方法，由于矿床充水含水层分布于矿体顶板及四周，矿床进水通道多而宽阔，其结果势必导致工程投资高昂，周期长、堵水效果不直接且质量难以保证，帷幕建设期间井下时刻存在突水隐患，威胁矿山安全生产。

此项研究既能保护矿区地下水资源，避免矿区地质环境遭到破坏，又能保障矿床安全高效开采。要满足上述目的，只有在矿体周围岩内形成一定厚度的连续人工隔水层，形成矿体开采的保护层。井下近矿体帷幕注浆是以堵水为主、排水为辅的防治水方法，其研究的重点是通过对含水层构造、裂隙发育分布规律、水力联系、地下水分布规律、富水性、主要径流通道等水文工程地质特征的研究；通过设计布置实施水平和斜孔探水注浆工程及帷幕加密注浆工程，查清矿床水文地质特征，并通过纵横交错的注浆钻孔形成空间网格，最终在矿床四周围岩中形成一定厚度的注浆盖层，为矿山的安全高效开采提供技术保障，因此井下近矿体注浆帷幕是该矿区的必然选择。

2.2 矿山基本具备井下近矿体帷幕注浆的条件

前期在黄岗铁矿区进行了地质勘探工作，掌握了相关地质资料，对分析研究矿区矿床水文、工程地质条件和制定技术可行、经济合理的防治水方案有较大的帮助。该矿区矿带顶板及四周围岩均为厚度大的矽卡岩或安山岩，而底板为花岗岩，并且矽卡岩或安山岩在10～185 m深度发育含水风化裂隙带，裂隙发育分布有一定的规律，为实施井下近矿体帷幕注浆，保证其堵水效果，提供了必要的客观条件；同时，井下部分分段水平实施的探矿巷道、回风巷道和运输巷道已基本到位，为探水注浆钻孔的布置提供了空间条件，且井下排水泵房具备2.5万m3/d的排水量能力，为矿山安全开采及探水帷幕注浆工程实施，提供了一定的安全保障，因此通过以上分析研究表明，井下近矿体帷幕注浆技术在黄岗铁矿的应用具有可行性。

3 井下近矿体帷幕注浆工程设计

本次井下近矿体帷幕注浆工程主要是在井下利用穿脉、探矿和运输巷道等地下空间，施工水平和斜向探水注浆钻孔，其目的主要是查明矿床顶板裂隙发育分布情况、地下水分布规律、含水层间水力联系等水文、工程地质特征，并通过对这些探水钻孔进行科学、有序地注浆施工，构建隔水帷幕体，基本达到封堵地下水主要径流通道的目的。

3.1 穿脉钻孔探水注浆工程设计

穿脉钻孔以各中段水平钻孔为主，由于矿体的走向为近似东北向，碎屑岩裂隙含水层裂隙和接触带的走向主要为东北向，因此，穿脉探水注浆钻孔的钻进方向与之垂直，为西北方向，主要是为了能够增大揭露构造裂隙的机率，并达到注浆封堵的目的。结合工程实际情况本工程主要在1 450、1 400、1 350、1 325、1 287.5、1 250、1 212.5、1 187.5、1 150 m这9个中段或分段水平进行穿脉钻孔布置设计。

3.2 钻孔加密注浆工程设计

加密钻孔的工程设计必须根据穿脉探水钻孔实施揭露的水文情况，如矿床顶板的裂隙发育情况、富水性和地下水的分布规律等水文地质特征，以及随着前期穿脉探水注浆工程的结束，经过一段时间后矿区的地下水位可能会有所回升，而导致新的涌水点，针对薄弱地段进行钻孔加密注浆。

根据前期穿脉钻孔的实施表明矿体的导水裂隙主要分布发育在矿床的东北部、西南部和矿岩上下盘接触带，其他地段少见涌水现象，即以上地段顶板接触带附近的含水更为丰富，是矿床充水的主要来源，因此，针对这些区域设计了部分加密注浆钻孔。

3.3 帷幕注浆参数设计

3.3.1 帷幕参数

井下近矿体帷幕注浆厚度确定为30 m；帷幕高度从1 150～1 435m水平，垂直高度为285 m；帷幕长度从矿床的西部11线至东部90线，长度约1 976 m。

3.3.2 注浆方式和注浆段高

根据目前国内矿山注浆的实践经验，考虑到本工程的具体特点，设计采用下行压入式注浆法；如果钻孔涌水量较小时（Q＜10 L/min），采用全孔不分段注浆；当钻孔涌水量较大时，立即停钻进行注浆封堵，再钻到设计孔深进行注浆。注浆段长度一般情况下取50 m。

3.3.3 注浆压力和浆液配比

注浆压力是浆液克服流动阻力进行渗透扩散的动力，是决定注浆效果的主要因素。在整个注浆过程中，注浆压力随着注浆孔周围浆液的扩散、沉析、充填压裂等情况的变化而随时变化。一般分为初始压力、过程压力和终值压力3个阶段。一般注浆终压为2.5～3.0倍静水压力，根据本工程实际特征1 300 m水平以上设计终压为6 MPa；1 200～1 300 m水平设计终压为10 MPa；100 m水平以下设计终压为12 MPa。

浆液配比直接影响浆液的可注性和结石强度，由于注浆段中含有不同宽度的裂隙，因此每次注浆中都应采用几种浓度的浆液，原则是先稀后浓，用不同浓度的浆液分别去适应各种不同宽度的裂隙。单液水泥浆起始浓度按水灰比2∶1、1.5∶1、1∶1和0.8∶1这4个级别进行配比，供注浆时选择；水泥水玻璃双液浆采用1∶1的水泥浆，与水玻璃的体积配比，体积比为1∶1。

4 井下近矿体帷幕注浆效果分析

4.1 钻孔涌水量

穿脉钻孔施工中，多数钻孔涌水量较大，最大钻孔涌水量达300 m3/h，而在后期加密钻孔施工中，部分钻孔涌水量＜2 m3/h，个别钻孔涌水量30 m3/h，但绝大部分钻孔都未见出水或渗漏水。通过前后钻孔涌水量对比，明显出现从大到小的递减规律，充分说明穿脉水平钻孔和横斜向加密钻孔在矿床围岩周边形成了全方位的立体钻孔体系，有效封堵了地下水进入矿床的导水通道。

4.2 检查孔注浆效果检验

穿脉水平钻孔注浆工程和横斜向加密钻孔注浆工程施工完后，布置了10%的检查钻孔来检验井下近矿体帷幕注浆效果，发现90%以上检查钻孔未出水，只有少量检查钻孔有渗水，且渗水量＜2 m3/h，钻孔单位吸水量＜0.03 L/（min·m），部分检查钻孔可取到水泥结石。综合分析认为，井下近矿体帷幕注浆的堵水率＞80%。

4.3 矿区地下水动态观测

随着井下近矿体帷幕注浆工程的逐步实施，矿井涌水量逐渐减少。矿井实际涌水量从工程注浆实施前的13 000 m3/d左右大幅度减少到4 000 m3/d左右，同时矿区地面观测孔的水位也有不同程度的回升；因此，从矿区地下水动态观测的数据综合分析，井下近矿体帷幕注浆的堵水效果是非常理想的。

4.4 经济效益和社会环境效益显著

矿山预测最大涌水量约为21 556 m3/d，自井下近矿体帷幕注浆工程实施后，从2014年开始，矿井涌水量控制在4 000 m3/d左右，堵水率＞80%，每年节约排水电费（按2元/m3计算）约1 280万元，同时可释放矿山受水患威胁的可采矿量约1 000万t，矿石价值达20亿元以上。另外，矿区地下水已基本回升至矿山开采前的水平，不仅保护矿区地下水资源，还避免了地面塌陷等地质灾害的发生，从而带来显著的环境效益和社会效益。

4.5 问题讨论

通过井下近矿体帷幕注浆工程的实施，发现存在两个问题：1）在井下对近矿体围岩的水文地质条件探查方法比较单一；2）近矿体帷幕钻孔施工的针对性不强，无效钻进偏多。针对以上两个问题，是否可以在井下近矿体帷幕注浆工程实施前采用井下物探的手段对近矿体围岩的水文地质条件进行探查，查明其存在的薄弱地带。一方面可以利用井下物探方法加强对矿体围岩水文地质条件的分析研究，另一方面可以提高钻孔施工的针对性，减少钻孔的无效钻进量，并可在帷幕工程实施完成后利用井下物探的方法对帷幕体的完整性进行检测。目前瞬变电磁法等物探方法在煤矿井下和隧道探测水患方面应用的比较普遍［7-10］，井下物探和井下近矿体帷幕注浆技术相结合的方法，在理论上是可行的，但其在金属矿山的具体运用及效果如何均有待验证。