膏浆施工技术在矿坑裂隙岩体堵水中的应用

2020-11-12杨东升

湖南水利水电 2020年5期

王玲，杨东升

（湖南宏禹工程集团有限公司，湖南长沙 410007）

我国北方局部地区长期处于干旱状态。由于地质历史时期的地质构造运动以及后期的人为活动，如地震、矿山开挖爆破等原因，使得区域内地表水沿裂隙渗入岩体深部，而在部分有开挖的裂隙面和溶洞临空时出现涌水。裂隙涌水一方面导致周围地下水位的下降，引起地下水位下降和地面塌陷等地质灾害；另一方面，基坑内的大量涌水严重阻碍了生产，大量增加施工成本。帷幕堵水是解决地质灾害和减少施工成本的有效办法，常规的水泥灌浆，在大裂隙中水泥浆随着水流带走，不能对裂隙有效进行封堵，材料耗量高，污染环境，效果不佳。采用膏浆堵水施工技术可较好地解决上述问题。本文以烟台栖霞水泥矿山堵水注浆施工为依据，介绍在宽大裂隙中膏浆堵水施工技术。

1 矿山地质简况

矿区位于华北板块胶辽隆起区胶北隆起区胶北断隆栖霞-马连庄凸起东北部。矿区内出露地层主要为新元古代震旦-南华纪山口组、南庄组及香夼组，中生代白垩纪青山群八亩地组以及第四系。

1）震旦系香夼组（Z1x）：岩性为薄层泥灰岩夹灰岩、灰白色及青灰色厚层灰岩，在矿区内大面积出露，厚度＞100 m；已出露的灰岩内，溶蚀裂隙发育。矿坑内沿较大的裂隙出现大量涌水。

2）白垩系青山群八亩地组（K1b）：岩性为凝灰质角砾岩及凝灰岩夹安山质角砾岩及砂砾岩层。

3）第四系（Q）：主要为残坡积、坡洪积、冲洪积亚粘土、亚砂土、砂土及砂砾等，主要沿河床及沟谷分布。

4）岩浆岩：主要为闪长玢岩岩脉，矿区内规模较小，宽度一般20～30 m，长度不超过500 m。

2 堵水帷幕设计思路

矿石开采长期采用爆破方式，随着深度的增加，矿坑内涌水量已达50 000 m3/d，较大地增加了生产成本，矿坑长期排水导致矿坑周围地下水位下降，引起一系列的地质灾害。基于此，堵水采用帷幕灌浆结合对大裂隙和溶洞进行膏浆充填进行综合灌浆处理。

矿山堵水帷幕施工，施工前先进行生产性灌浆试验，确定施工参数，如孔距，浆材配比，灌浆压力等。灌浆试验选取较有代表性的地层，构造裂隙发育地层灌浆孔按单排布置（图1 所示），孔距按6 m、8 m、10 m 布置。试验设计7 孔，其中4 孔为灌浆孔，编号分别为K1、K2、K3、K4，施工完成后，内插3 个加强孔，编号分别为J1、J2、J3，做灌浆孔并验证试验效果。另外设置1 孔，K0 号孔，作为浆材试验孔。

帷幕设计深度以透水率小于5 Lu 为控制下限。先导孔压水试验揭露，孔深80 m 以下其透水率已小于5 Lu，因此帷幕钻孔深度按孔深80 m 实施。按照生产性试验成果，堵水帷幕设置单排，孔距6 m。

图1 帷幕试验孔布置图

3 膏浆施工技术

3.1 灌浆材料

矿坑堵水注浆岩体破碎，裂隙极度发育，钻孔压水试验时在60 m 以上无回水，漏失量大于泵量。对于裂隙连通性极好的透水岩体，堵水注浆材料十分关键，研究合适的浆材类型尤为重要。

针对裂隙连通性极好的透水岩体，选择灌浆材料为水泥、粘土、石屑，外加剂等。

各种材料以适宜的比例拌和，再添加适量的外加剂，以提高膏浆的性能，降低浆材析水率，提高浆材的和易性，使膏浆在动水条件下，浆液具有不分散、不易被水冲释的性能。

3.2 浆材配比

灌浆试验开始前，初拟灌浆浆液分别为纯水泥浆，粘土水泥稳定浆液，粘土水泥膏浆，粘土水泥砂浆。

考虑到施工线路的长度以及夏季温度的因素，预备灌注浆液的配比见表1，流动度试验如图2 所示。

3.3 灌浆试验

灌浆前选取K0 号孔作为浆液试验孔，根据由稀变浓的基本原则，先灌注纯水泥浆，灌注时1#，2#浆液灌注基本无压力，灌注1 h 后，灌浆压力及注入率均无明显变化，停止灌浆，变浆至3#配比，其灌注情况与1#，2#配比基本一致，变浆至4#配比后灌注1 h 仍然不起压及无流量变化，在基坑下部出现漏浆点，更换至5#配比，管路出现堵塞现象，分析与高温有关，扫孔后采用7#配比灌浆，连续灌注4 h，灌浆压力出现变化。遂本试验孔主要浆液配比选取7#配比。

表1 浆液配比和结石性能

图2 流动度试验测试

3.4 灌浆压力（表2）

表2 试验最小灌浆压力

3.5 灌浆方法

钻孔完成后，将特种注浆管下至孔内并距离孔底50 cm，按照0.5～1.0 m 每段注浆上提灌浆管。该灌浆间隔提升段达到设计最小灌浆压力时，灌入率小于10 L/min 时，上提灌注下一段灌浆段。

全孔充填灌注完毕后扫孔至孔底灌注粘土水泥稳定浆液（4#配比），直至达到结束标准。稳定浆液帷幕灌浆时，灌浆段长设定为10 m 一段，当某段灌浆达到灌浆压力，且灌入率小于1 L/min 时，连续灌注30 min，可结束本段灌浆。

3.6 特殊情况处理

1）对于在动水条件下，钻孔过程中出现溶洞、溶蚀裂隙、灌注材料大量流失的情况，进行研究处理。

2）灌浆过程中，灌浆压力或注入率突然改变较大时，应查明原因，采取相应措施处理。

3）灌浆过程中，如发现冒浆、漏浆时，根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、掺外加剂、降压、浓浆、限流、限量、间歇灌注等方法处理。

4）钻灌过程中发生串通时，如具备灌浆条件，串通孔同时进行灌浆，灌浆时应一泵灌一孔。否则应将串通孔阻塞住，待灌浆结束后，再进行串通孔的扫孔、冲洗和钻进。

5）对孔口有涌水的孔段，灌浆前应测记涌水压力和涌水量，根据涌水情况，采用下述方法处理：

①缩短段长，对涌水段单独灌浆；

②相应提高灌浆压力；

③灌浆结束后采取屏浆措施，屏浆时间不少于1 h；

④闭浆；

⑤闭浆结束后待凝48 h；

⑥必要时，可在浆液中掺加适量速凝剂。

4 效果检查

4.1 灌浆量统计（表3）

表3 试验孔施工情况说明

从表3 可以看出，当孔距为6 m 时，两孔平均灌浆量为124.85 m3，孔距为8 m 时，两孔平均灌浆量为166.5 m3，当孔距为10 m 时，两孔平均灌浆量为395.9 m3。从上述数据可以看出，灌浆量与孔距有直接关系，孔距越大，耗浆量越大。内插孔的灌浆量相对来说非常小，不足试验孔的1%，从反渣情况来看，孔距8 m 内帷幕能够搭接，两孔间大的空洞或者裂隙已经基本被浆液充填。

4.2 灌浆效果分析

试验孔施工完成后，中间分别钻孔灌浆施工，钻孔过程中钻进平稳，回水正常，无卡钻现象发生，并有灌浆材料结石体，初步判断试验孔灌浆效果较好，帷幕能够形成有效搭接，从内插孔灌浆情况来看，内插孔较试验孔灌浆量大大减小，说明试验孔灌浆形成帷幕搭接，在两孔之间已经不存在大的空洞或裂隙。

由于孔距与耗浆量之间存在关系，并且孔距越大，灌浆量越大，采用内插孔验证效果。本试验通过检查孔简易压水试验，6 m 和8 m 两种孔距，灌浆后试段透水率最大值均在5 Lu 以下，而当孔距为10 m 时，其部分岩层试段透水率达到7 Lu。基本可以看出，采用同一种灌浆参数，孔距不同，其效果不同，孔距小的灌浆孔，施工效果好于孔距大的。

矿坑内按生产性试验成果选择单排6 m 帷幕进行堵水施工，堵水效果良好，达到业主的堵水要求。事实表明，膏浆对于裂隙发育岩体具有良好的堵水效果。