某露天开采铀矿床注浆帷幕防治水效果分析

雷明信，张 群，冯张生

(1.中核矿业科技集团有限公司，北京 101149；2.中核沽源铀业有限责任公司，河北 沽源 076561；3.中陕核工业集团二一八大队有限公司，陕西 西安 710100)

矿山地下水防治一般采用矿床疏干、防渗墙和防渗帷幕等方法。采用矿床疏干的矿山一般生产条件好，但前提条件是矿山附近有受纳水体[1]1160。防渗墙能有效地截断地下水流，从而减少进入矿坑的渗流量，可代替或部分代替矿山疏干排水工程。利用防渗墙可以大幅度降低矿山排水费用，并对地下水资源起到保护作用；但由于防渗墙虽施工深度不大，工程量却较大，使其应用受到限制。防渗帷幕在矿山地下水防治中应用较广，有高压喷射(旋喷)防渗帷幕和注浆防渗帷幕。高压喷射防渗帷幕是在施工时通过旋转带喷嘴的钻杆，采用高压空气将水泥浆喷射到地层中，水泥浆与土体固结后形成防渗帷幕，它仅适用于砂类土、黏性土和淤泥等[2]。注浆帷幕适用于各种地层，在施工时先施工注浆钻孔，然后通过高压注浆泵将水泥浆泵入地层的裂隙中，水泥浆固结后与围岩一起形成帷幕以防止地下水的流动；它的主要缺点是施工工艺较复杂、注浆工程量大、防治水投资高、工期较长[1]1147。

随着注浆帷幕技术的不断发展和完善，注浆帷幕工艺已广泛应用于地下工程防水、治水领域[3-6]。注浆帷幕技术是通过设置钻孔注浆工程，最终在矿床周围形成一定厚度的注浆帷幕，切断水体与开采矿床之间的水力联系，保护水资源。该工艺为矿山的安全高效开采提供了技术保障，已在多个金属矿山得到应用，取得了巨大的经济和社会效益[7]。

某矿床位于内蒙高原南缘地带，地表水贫乏，当地没有受纳水体。矿床水冶工艺最大消纳水量为33 m3/h，而矿坑地下水涌水量远大于水冶工艺可消纳的水量。若不进行地下水防治，多余的矿坑水将无处排放，矿山将无法正常生产。为了使矿山能够持续生产，并保护地下水资源，必须采取措施对矿床地下水进行治理。

1 矿床水文地质条件

1.1 矿床地下水分类

1.1.1 第四系松散层孔隙水

第四系松散层孔隙水主要分布于第四系冲积洪积物中，岩性为粉砂、黏土、砂砾石互层，厚度为5～46 m，水位埋深为3～15 m，平均水位标高为1 494.11 m。该层地下水浅部为潜水，深部为承压水，岩层富水性较好。SHW-2水文地质孔和4号供水机井的抽水试验结果表明，第四系松散层孔隙水平均单位涌水量为1.440 L/(s·m)，平均渗透系数为3.891 m/d。

1.1.2 基岩裂隙水

基岩裂隙水主要分布于地层层间破碎带和次流纹斑岩体内外接触带。56个钻孔的含水层统计结果如图1所示，可以看出岩层含水性由地表向深部逐渐减弱，主要含水段处于1 200 m标高以上。基岩裂隙水的水位埋深为30～50 m，平均水位标高为1 509.83 m，含水层平均总厚度为80.60 m。根据SHW-1、SHW-2水文地质孔，以及ZK12-11、ZK1-5A地质水文孔的抽水资料，基岩裂隙水单位涌水量为0.004～0.053 L/s·m，平均渗透系数为0.038 m/d。

图1 矿床含水层发育深度统计

1.2 断裂构造的含水性

矿床地质构造及水文地质孔和地质水文孔分布如图2所示。矿床内断裂构造比较发育，F45与F31为矿床主要断裂构造带。近东西向F45-1、F45-2构造规模大，影响范围宽，沿构造面充填有断层泥。水文地质渗水试验表明，构造本身含水性和导水性差，如F45-2构造带渗透系数为4.650 m/d。SHW-3水文地质孔在F45-1构造带内的抽水试验结果表明，其单位涌水量为0.000 53 L/(s·m)，渗透系数为0.000 92 m/d。在F45-1与F45-2之间有宽约100 m的构造影响带，岩石破碎，漏水严重。F31为压性断裂构造，呈北西走向，从矿床中心穿过，沿构造带硅化强烈，裂隙不发育，通过坑道观察未发现含水现象，F31断层渗透系数较小。

1—矿床范围；2—实测断层及编号；3—推测断层及编号；4—水文地质孔；5—地质水文孔。图2 矿床地质构造及水文地质孔和地质水文孔分布图

1.3 地下水的补给与排泄

矿床区域范围内无地表水体，地下水主要靠大气降水补给，据钻孔ZK0-3A长期观测资料(图3)，5～9月份(雨季)水位明显上升，10月～翌年4月份水位明显下降，矿床地下水与大气降水关系密切。

图3 矿床ZK0-3A孔地下水位与降雨量关系

由于矿床范围内第四系黏土层普遍发育，加之地形北高南低，大气降水多以地表径流流失，因此本矿床基岩裂隙水补给条件较差，补给水源不足，矿床地下水以静储量为主。

矿床地下水无地表出露，其排泄形式以机井、民井排泄为主，以蒸发为辅。根据地下水等水位线分析，矿床地下水总体流动方向为N→SE及N→SW，其次为N→S；矿床地下水在向东面、西面径流过程中汇集至2个水库。

1.4 矿床充水因素分析

根据矿床地下水分布特征，影响矿床开采的充水因素有第四系孔隙水、基岩裂隙水和大气降水。基岩裂隙水由于补给量有限，地下水以静储量为主，对矿床开采影响不大。第四系孔隙水的影响最大，特别是采用露天开采时，第四系孔隙水会直接补给采矿场。因此，对第四系孔隙水防治要给予足够的重视。

1.5 矿坑涌水量预测

根据矿床水文地质条件，结合矿床开采方案，运用水文地质“大井法”对矿坑涌水量进行了预测，预测结果见表1。

表1 矿床露天坑各梯段地下水涌水量预测结果

从表1可看出，预测的矿坑地下水涌水量大于矿山水冶工艺可以消纳的水量(33 m3/h)。为了矿山的持续生产，需要采取防治水方案，以减小矿坑地下水涌水量。

2 防治水方案设计

根据《矿山帷幕注浆规范》编制防治水方案，在考虑正常注浆孔的同时，根据注浆效果检查情况布置加密孔。

2.1 确定防水帷幕施工方法

根据矿床水文地质条件及矿床开采条件，需要对矿床地下水进行治理。治理的方法有高压旋喷法和注浆帷幕法。由于露天坑为基岩，高压旋喷法无法实施，因而选用注浆帷幕法。

2.2 确定帷幕深度

因含水裂隙发育深度主要在1 300 m以上(图1)，所以帷幕底部设计在1 300 m以下。当开采1 300 m以下矿体时，由于含水裂隙不发育，预测其矿坑涌水量不会太大；当局部地段出现涌水时，可以在局部地段有针对性地采取注浆堵水措施。根据上述分析，并考虑到后期开采方式将从露天开采转为地下开采，从标高1 504 m进行注浆，帷幕深度可确定在标高1 280 m，那么帷幕注浆钻孔平均孔深约为220 m。

2.3 布置帷幕注浆孔

由于矿床范围不大，矿体比较集中，所以采用全封闭帷幕注浆方案，即在岩石移动界线以外10 m处施工一周帷幕。当注浆孔为单排时，孔间距宜为6～12 m[8]15，本项目注浆孔间距取8 m。共布置注浆孔226个，检查孔21个，加密孔21个，监测孔17个(图4)。

1—陡坡；2—梯段标高；3—注浆孔布置。图4 设计注浆孔布置示意图

2.4 确定注浆材料

通常使用的悬浊液注浆材料主要包括黏土浆、纯水泥浆、水泥黏土浆、水泥水玻璃浆等，这些材料容易取得、成本较低、无毒性，既适用于岩土工程加固，也适用于防渗，在各个工程中应用较为广泛[8]380。

黏土类浆液由普通的黏土配制而成，由于普通黏土来源广泛和成本低廉，在防渗工程中得到了广泛的应用；但黏土浆黏粒过大、析水性差，以及固结收缩性较大易产生裂缝，因而单纯的黏土浆在防渗工程中的应用受到限制[9]385。

纯水泥浆易析水、稳定性差、凝结时间较长，在地下水流速较大的条件下注浆时，浆液易受水冲刷和稀释，纯水泥浆在防渗工程中应用不多[9]382。

水泥黏土浆由于在水泥浆液中加入了分散性、亲水性好的黏土，使得浆液的稳定性大大提高，被广泛应用于工程中[9]384。

水泥水玻璃浆液克服了纯水泥浆凝结时间长且不易控制、结实率低等缺点，提高了水泥注浆的效果。水泥水玻璃浆液凝结时间与水玻璃的加入量有关，当加入的水玻璃占水泥浆液体积小于16%时，水泥浆液凝结时间随水玻璃加入量增大而缩短；当水玻璃的加入量大于16%时，水泥浆液凝结时间随水玻璃加入量增大而延长(图5)。一般情况下，加入水玻璃的目的是为了缩短水泥浆液的凝固时间，所以水玻璃的加入量不会超过16%。由于水泥水玻璃类浆液凝结时间短，因而在堵水工程中，当应用于水压较大、流速较快或充填较大裂隙时，要求浆液的凝结时间短且具有一定的抗压强度[9]492。

图5 水泥水玻璃浆液中水玻璃含量与凝结时间关系

根据本矿床地下水的特点，并结合几种浆液的优缺点比较，在设计时选用水泥黏土浆进行注浆堵水，注浆材料配比为水泥∶黏土∶水=1∶3∶6。

3 防治水方案实际施工

矿床初期开采时为山坡露天，开采过程中不存在地下水的影响，因而设计的防治水方案没有实施。在矿床开采转入凹陷露天时，由于出现了地下水的影响，矿山企业为了节省生产成本，与注浆施工单位自行制订注浆方案。在涌水量比较大的东南侧和西南侧进行了局部帷幕注浆，新注浆方案的注浆帷幕不是布置在矿坑开采境界10 m以外，而是在矿坑内的车辆行驶平台上进行了注浆施工。

矿山企业根据矿坑涌水量情况分别于2018年、2020年进行了2次注浆帷幕施工。2018年注浆时，注浆平台标高为1 504 m，西北侧布置56个钻孔，东南及南侧布置71个钻孔，单排孔的孔距为10 m，双排孔的孔距为5 m。2020年注浆集中在西南侧，平台标高为1 504 m、1 492 m，共布置51个钻孔，2次注浆孔布置如图6所示，2次注浆参数见表2。2020年的注浆帷幕防治水效果没有达到预期效果。

1—陡坡；2—平台标高。图6 实际施工注浆孔布置示意图

4 防治水效果分析

4.1 注浆材料用量分析

2次注浆孔的布置形式、孔间距、注浆段长度基本相同，但2次注浆后的防水效果不同。2018年注浆时，水泥单位用量为0.382 t/m，水泥中水玻璃的添加量为0.5%；2020年注浆时，水泥单位用量为0.086 t/m，水泥中水玻璃的添加量为8.9%。2018年的注浆水泥单位用量是2020年注浆水泥单位用量的4.4倍，而2020年注浆时水玻璃的添加量却是2018年的17.8倍。由于2020年注浆时水玻璃添加量远高于2018年，导致浆液无法注入，使得水泥用量减少，因而防治水效果较2018年差。

4.2 注浆孔布置分析

在设计中，注浆孔布置在露天境界以外10 m处，可以保证在注浆时浆液有足够的扩散距离；同时通过检查孔发现注浆效果不佳时，可以施工加密孔进行补注，从而保证注浆效果。而实际施工注浆孔布置在露天坑内的平台上，2020年施工的注浆孔距坑内爆破点太近，且注浆材料为水泥-水玻璃浆液，没有使用原设计的水泥黏土浆。水泥-水玻璃浆液固结后呈脆性，由于注浆平台靠近坑底，注浆封堵的裂隙在爆破震动时会重新开裂，从而影响防治水效果。

另外，当注浆孔为双排布置时，通常采用“梅花形”布置；但实际注浆时，部分注浆段双排孔采用平行布置(图6)。在基岩裂隙含水层中，裂隙发育不像第四系松散层孔隙那样均匀分布，这种布置方法有可能使同一列中2个钻孔之间的裂隙得不到浆液充填，影响防治水效果。

4.3 浆液扩散距离分析

2018年帷幕注浆施工时，由于水玻璃添加量小，水泥浆需要固结的时间较长，因而水泥浆沿裂隙扩散的距离较远，防治水效果较好。而2020年防水帷幕注浆施工时，由于注浆平台距坑底较近，为了防止浆液从裂隙流出形成冒浆，从而加大了水玻璃的用量。由于水玻璃用量的加大，使得水泥浆在裂隙中固结时间缩短，导致浆液扩散距离较近，再加上爆破震动的影响，从而导致在注浆部位仍有地下水涌出，防水效果没有达到预期目标(图7)。

图7 注浆帷幕施工后坑壁涌水情况

5 建议

矿山采用露天开采时，为了最大限度地减小矿坑水涌水量，防渗帷幕线应布置在开采境界以外，并且与矿坑开采境界保持一定的距离。这种情况下，浆液有一定的扩散距离，结合施工过程中对注浆效果的检查结果，必要时可以施工加密孔进行注浆。当含水层为裂隙含水层时，防水帷幕的注浆材料应采用黏土浆或水泥-黏土浆，以减小爆破震动对防治水效果的影响。