盘龙铅锌矿区大孔距、深孔帷幕灌浆试验研究

陶望雄,冯远余,李锡佳,张爱恒

(1.长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南 长沙 410019;2.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 南宁 530200)

随着水利水电工程建设的不断发展，在帷幕灌浆技术方面，中国积累了丰富的理论与实践经验[1-2]，近年来，随着国家大力倡导“绿色矿山”建设，帷幕灌浆技术在矿山行业开始得到重视与发展，国内一些大水矿山开始应用帷幕灌浆技术进行防治水，并且取得了良好的效果[3]。矿山帷幕灌浆具有其自身的特殊性，在灌浆目的、防渗标准以及灌浆参数(孔深、压力、段长等)等方面与水利帷幕灌浆存在一定差异性，矿山帷幕工程多为深孔灌浆，孔深最深达到1 000 m[4-5]。考虑到岩溶地区地质条件的复杂性，在帷幕工程大规模施工前进行灌浆试验，旨在论证拟采用的灌浆方法在技术上的可行性、施工效果的可靠性以及经济上的合理性，利用灌浆试验成果推荐合适的灌浆布置、灌浆方法及灌浆参数[6-7]。

1 工程概况

大藤峡水利工程蓄水后，盘龙铅锌矿区的东侧河段回水位将达到61.0 m，水位抬高约20～30 m，将在一定程度上增大矿坑涌水量，通过论证，拟采用防渗帷幕减少江水渗漏带来的影响。矿区南北部均为近东西走向的相对隔水层，北部为下泥盆统二塘组(D1e)地层，南部为下泥盆统郁江组(D1y)地层，均具有较好的隔水性能，可以作为帷幕幕肩，拟在矿区东、西侧各布置一道悬挂式防渗帷幕(图1)，帷幕南北两端与隔水层搭接，幕底进入弱透水层。帷幕主要阻隔下泥盆统上伦组(D1sl)白云岩岩溶含水层东西向的地下径流[8]。

图1 盘龙矿区帷幕区地质

本次灌浆试验目的在于：①验证不同孔距、排距下浆液的扩散效果，选择经济、合理的孔距、排距；②选择适用于岩溶区地层的灌浆材料及其配合比；③确定合适的灌浆工艺和灌浆参数，包括灌浆压力、段高、结束标准及特殊问题的处理方法等。

2 试验过程

2.1 试验场地选择

根据前期地质资料，沿帷幕轴线地质条件差异较大，故本次灌浆试验选取了南、北2个试验区，南部试验区布置在地质条件一般地段，北部试验区布置在岩溶强烈发育地段，试验区选址具有一定的代表性。

2.2 试验设计方案

本次灌浆试验区布置如下[8]。

a)南北试验段各布置灌浆试验孔14个，检查孔4个，采用双排直线布孔，排间距为3.0 m。北部试验段孔间距按4.0、6.0、8.0 m进行布置，南部试验段孔间距按4.0、5.0、6.0 m进行布置，各排分两序孔施工，见图2。

b)根据地质条件选用纯压式或孔内循环式灌浆。

c)初始水灰比为5∶1，分5个浆液比级按照规范要求的浆液变换原则，逐级变浓。

d)帷幕灌浆试验结束标准：灌浆压力达到设计终压后，单位灌浆量不大于1 L/min，继续灌注30 min，即可结束该段灌浆，灌后简易压水透水率小于5 Lu，可进行下段灌浆。

e)帷幕幕底标高定为-125 m，灌浆孔深度在190～210 m，属于大孔深灌浆。

f)综合考虑帷幕的水头衰减系数、帷幕体内的允许水力坡降及蓄水以后的水头值等因素，初步设计要求的防渗帷幕厚度为6 m。

图2 试验段孔位布置

2.3 灌浆试验材料

本次灌浆试验以纯水泥浆液作为主要材料，但在处理溶洞、岩溶宽大裂隙或溶蚀砂层等地层时，往往水泥浆液的耗浆量大、复灌次数多且耗时长，为能够有效控浆，减少无效浆液消耗量，本次试验在上述地层孔段采用水泥黏土浆和水泥黏土膏浆，试验发现，水泥黏土膏浆具有可控凝结性和时变性的特点，采用可控高压脉动方式进行灌注，一方面能够提高瞬时灌浆压力，另一方面又能使浆液的扩散范围得到有效的控制[9-11]。

施工现场实验室通过对水泥黏土浆和水泥黏土膏浆的配比进行科学设计以及反复试验调整，对不同配比浆液的流动度和结石体进行取样试验，得到适合岩溶地区特殊地层的灌浆浆液配比(表1)，根据地层的岩溶发育强弱特征，按1—5号逐级变换。

施工耗时表显示，采用纯水泥浆液灌注溶洞、宽大裂隙或溶蚀砂层孔段时，平均复灌次数为3～5次，而采用水泥黏土膏浆灌注后复灌次数仅为1～2次，大大减少了单段灌浆耗时，提高了施工效率；从检查孔取芯情况来看，采用水泥黏土浆灌注孔段附近的检查孔均发现有膏浆结石(图3)，且膏浆结石强度及抗渗性能均能达到设计要求。因此，本次试验证明，水泥黏土膏浆在岩溶发育的松散、强透水地层，能够在灌浆孔周围快速、均匀扩散，形成良好的连续帷幕体，此外，水泥黏土浆液具有经济性和环保性，在帷幕灌浆工程中值得推广应用。

图3 EJ01孔膏浆结石

表1 水泥黏土膏浆配比及部分指标

3 试验成果分析

3.1 叠加效应分析

根据本次灌浆试验成果统计，按灌浆先后顺序对试验各序孔的单位注入量进行统计，结果见表2，分析如下。

表2 各序孔的单位注入量及透水率统计

a)南、北两试验段各排单位注入量对比，各排Ⅱ序孔比Ⅰ序孔均有明显的降低，说明Ⅰ序孔灌浆浆液已经填充了试验段岩层中的大的径流通道，降低了基岩裂隙的连通性，Ⅰ、Ⅱ序孔灌浆浆液在其有效扩散范围内已经明显搭接，Ⅱ序孔灌浆进一步充填了细微裂隙。

b)南、北部灌浆试验段的黔江排单位注入量分别仅为矿区排单位注入量的46%和38%，黔江排单位注入量明显小于矿区排，表明浆液在其有效扩散范围内已经明显搭接，符合帷幕灌浆的一般性规律。

c)两试验段各排平均透水率对比，Ⅱ序孔比Ⅰ序孔均有明显的降低，灌浆后地层透水率减小。叠加效应是指前序孔(上游排孔)灌浆后对后序孔(下游排孔)的灌浆量(或岩层透水率)的影响，灌浆量(或岩层透水率)一般呈现出后序孔(下游排孔)小于前序孔(上游排孔)的趋势[12-13]。本次试验Ⅰ、Ⅱ序孔及矿区排、黔江排之间单位注入量叠加递减趋势明显，反映出Ⅰ、Ⅱ序孔及矿区排、黔江排之间的岩溶通道得到了连续、有效的充填，符合帷幕灌浆的一般规律。

3.2 单位注入量变化曲线分析

单位注入量变化曲线是通过将所有灌浆孔的单位注入量分次序连接起来后形成相应的连续曲线，可以反映前序孔灌浆对后序孔的影响[14]，变化曲线分3种类型，所代表的灌浆效果见表3。

表3 曲线类型相应质量评价

所有灌浆试验孔的平均单位注入量按Ⅰ、Ⅱ分次序连接起来后形成的变化曲线见图4、5，对变化曲线区段分析。①矿区排(下游排)：北部试验段矿区排因为特殊地质条件使得ES07(Ⅱ序孔)单位注入量高于个别Ⅰ序孔(ES11)，造成矿区排变化曲线类型(3)为交互型；南部试验段矿区排则因为ES23(Ⅰ序孔)单位注入量偏小，低于两侧的Ⅱ序孔，造成矿区排变化曲线类型(3)为交互型。②黔江排(上游排)：北部试验段和南部试验段变化曲线类型均为(1)Ⅰ>Ⅱ型，Ⅱ序孔单位注入量明显小于Ⅰ序孔，表明Ⅱ、Ⅰ序孔灌浆浆液在其有效扩散范围内已经明显搭接。③单位注入量变化曲线可以看出，黔江排(上游排)单位注入量明显小于矿区排(下游排)单位注入量，表明矿区排、黔江排灌浆浆液在其有效扩散范围内已经明显搭接。

图4 北部试验段单位注入量变化曲线

图5 南部试验段单位注入量变化曲线

3.3 检查孔压水试验

南、北两试验段检查孔压水试验透水率统计成果见表4，由表可知，除8 m孔距外，其余各孔距范围内检查孔压水试验透水率小于5 Lu的试段百分比均大于90%，由此证明本次灌浆试验段4、5、6 m孔距范围所形成的帷幕体能够达到设计要求的5 Lu的防渗标准。

表4 各孔距检查透水率统计

4 孔距及排距合理性分析

4.1 孔距合理性分析

北部试验段孔距分别为4、6、8 m。据图6可知，各孔距条件下灌浆效果存在如下差异：①对于矿区排4、6 m 孔间距，Ⅰ序孔施工完成后，该排Ⅱ序孔的透水率和单位注入量均有明显减少，而8 m区段无此规律；② 8 m孔距检查孔压水试验合格率小于90%，且EJ03 单位耗浆量较大、钻孔岩心较破碎且未取到有效膏浆结石，表明8 m孔距灌浆效果不理想，达不到设计要求。

南部试验段孔距分别为4、5、6 m。据图7可知，各孔距条件下灌浆效果存在如下差异：矿区排4、5、6 m 孔间距的Ⅰ序孔和Ⅱ序孔的透水率和灌浆量规律性不明显，说明浆液沿帷幕轴线方向的扩散能力相对较弱[15]；从检查孔来看，4、5、6 m孔距下的检查孔的透水率合格率均大于90%，说明6 m孔距同样能达到4、5 m 孔距的灌浆效果，并且减小后的透水率和单位注入量相差不大。

综上分析，8 m孔距达不到设计的灌浆效果，选择6 m孔距是合适的。

图6 北部灌浆试验段矿区排不同孔距下单位注入量对比

图7 南部灌浆试验段矿区排不同孔距下单位注入量对比

4.2 排数及排距合理性分析

关于单排孔和双排孔的选择问题，分析试验数据可知，矿区排(下游排)灌浆孔完成后，在3 m排距布置下，黔江排(上游排)Ⅰ序孔灌前压水试验透水率仍有较多大于5 Lu的灌浆段，其中北部试验段黔江排Ⅰ序孔灌前透水率大于5 Lu的灌浆段百分比为100%，南部灌浆试验段黔江排Ⅰ序孔灌前透水率大于5 Lu的灌浆段百分比为25%，可见，单排孔形成的帷幕体有效厚度无法达到设计要求的防渗标准。但从双排孔灌浆完成后的检查孔压水试验来看，浆液沿垂直帷幕轴线方向的扩散较好，双排孔形成的帷幕体可以满足设计要求。因此，采用梅花型布置的双排孔是合适的。

4.3 孔深合理性分析

帷幕轴线勘察成果显示(表5)，矿区0 m标高以上为岩溶强发育带，0～-120 m标高段为岩溶相对中等发育带，-120～-500 m标高段为岩溶相对弱发育带，因此，本次试验将幕底高程定为-125 m。但在施工过程中发现，个别灌浆孔孔底达到-125 m标高以后，孔段灌前压水试验透水率仍大于5 Lu，因此，考虑岩溶垂向上发育的不均一性，要求幕底高程不仅应达到-125 m标高，同时所有灌浆孔孔底进入弱透水层(<5 Lu)深度不小于10 m。

5 结论

采用叠加效应、单位注入量曲线分析等方法，结合检查孔压水试验成果，对不同孔距、排距下浆液的扩散效果进行了研究，进而选择经济、合理的孔距、排距，以及适用于岩溶区地层的灌浆材料及其配合比，为确定合适的灌浆工艺和灌浆参数等提供参考。本次灌浆试验得到以下结论。

表5 帷幕区地层岩溶垂向发育分带

a)叠加效应、单位注灰量曲线分析均显示灌浆试验采用两序孔施工时，后序孔较前序孔灌浆量有明显减小，说明分序施工效果明显，符合分序递减、分排递减的灌浆一般性规律。

b)孔距(排距)过大往往很难使帷幕达到防渗效果，过小则容易造成投资浪费，经济上不合理。利用试验成果对主要灌浆参数的合理性进行了分析，显示排距3 m、孔距6 m梅花型布置灌浆孔，既能够满足设计要求的防渗标准，且经济上合理。

c)岩溶区帷幕幕底高程主要由岩溶的垂向发育深度决定，对于无隔水层作为幕底的悬挂式帷幕，应要求幕底必须进入弱透水层，且进入弱透水层深度不应小于10 m。

d)采用水泥黏土浆液处理溶洞、宽大裂隙或溶蚀砂层等特殊地层时，能够在灌浆孔周围快速、均匀扩散，有效减少单段灌浆耗时，提高施工效率，且膏浆结石强度及抗渗性能均能达到设计要求。此外，水泥黏土浆液具有经济性和环保性，在帷幕灌浆工程中值得推广应用。