谦比希铜矿井下深孔加密注浆堵水技术研究及效果分析

2023-11-17王贻明武鹏杰刘鹏鹏

金属矿山 2023年10期

李辉王贻明武鹏杰刘鹏鹏

(1.中色非洲矿业有限公司谦比希铜矿,赞比亚基特韦 22592;2.北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083)

随着近地表和浅部矿产资源的开采殆尽,深部开采是矿业发展的必然趋势[1]。我国将开采深度超过800 m的金属矿山定义为深部开采矿山,目前谦比希铜矿已进入深部开采阶段。金属矿山深部岩石赋存环境和水文地质条件与浅部迥然不同,深部开采往往伴随着地压凸显、岩爆灾害和开采扰动等问题[2]。而对于井下日涌水量达到一万方的大水矿山,深部开采不仅面临着“三高一扰动”的复杂开采条件,水文地质条件对开采的影响也产生了很大的变化。随着开采深度的增加,岩隙水压在水力梯度的作用下高达10 MPa以上,掘进或工作面回采过程中,破坏原生裂隙、弱层都可能打破深部原有流场的平衡,发生涌水事故。

国内外众多学者针对不同大水矿山的水文地质条件开展防治水技术研究,取得了显著的效果。王洋等[3]通过孔内窥视探测围岩裂隙损伤情况分析平硐渗漏水原因,采用深—浅孔组合的注浆堵水技术方案治理井壁渗水,通过地质雷达监测治水效果,堵水修复率为52%～100%,渗水得到了明显控制。袁东锋等[4]针对巨厚白云岩透水率“上强下弱”的特性,采用不同的注浆材料和注浆压力开展地面预注浆工艺,注浆完成后含水层透水率下降98.3%,堵水效果良好。刘正宇等[5]总结了“顶水注浆”、“壁后注浆”以及“中深孔预注浆”在望儿山金矿地下水治理工程中的应用效果和优缺点,中深孔预注浆堵水技术不仅改善井下涌水情况还刻意加固了巷道周边的围岩。王雪峰[6]采用坑内顶板注浆堵水技术,将上盘灰岩注浆形成与矿体平行的倾斜隔水帷幕,相较于传统的先疏干、后开采的治水理念,该技术更能实现井下安全高效开采。李文光等[7]优化下行前进式注浆堵水技术的注浆参数和实施方案,分段注浆确保井下开拓工程的安全进行,涌水量从46 m3/h降到0.5 m3/h。陈海远等[8]将深孔注浆堵水技术应用于谷家台铁矿浅部水平突水区域,堵水率高达99.9%,提高穿脉巷道的稳固性。肖松丽等[9]采用不同孔距单排直线布置的帷幕注浆堵水技术,合格率达到92%以上,确保了深部开拓工程安全。徐加夫[10]论证制定了“水平探水注浆—顶板加密注浆—群孔注浆”近矿体帷幕注浆堵水方案,注浆参数合理、堵水效果显著。王海等[11]分析典型案例总结出我国现有大水矿山防治水技术主要包括:疏干(地表、地下、控制)、地面帷幕注浆、井下帷幕注浆,提出了侧向帷幕注浆堵水新技术,实现矿山保水保采。

上述研究为谦比希铜矿的防治水措施提供了一定的参考价值,但是针对主矿体深部复杂特殊的水文地质情况及工程实际仍有一定的欠缺。本文对主矿体深部的复杂水文地质条件开展全面调查,明晰深部涌水机制,并有针对性地在770 m中段采用深孔加密注浆堵水技术,将矿体顶板的石英岩和矿体板岩形成注浆隔水层,隔绝燧石白云岩的动水补给作用。最终为主矿体下向充填采矿作业和深部开拓工程提供安全保障。

1 主矿体深部涌水机制

1.1 水文地质条件

谦比希铜矿田位于谦比希沉积盆地的北缘至东缘,矿区地层主要由基底和加丹加系地层构成,主要为白云岩类碳酸盐岩以及钙质砂岩、粉砂岩,长期的风化和溶蚀作用形成了广泛的风化裂隙水和岩溶裂隙水含水层。由于构造运动,近地表的地层发生了较强烈的褶皱,深部地层也发生了不同程度的轻微褶曲。主矿体多级褶皱构造使得水文地质条件更加复杂。主矿体位于区域地表水和地下水向盆地外排泄的通道区域,区域含水层的侧向补给和上罗恩含水层的越流补给也成为主矿体充水的补给来源。主矿体为以上罗恩亚群溶蚀裂隙承压含水层和燧石白云岩含水层充水为主的矿床,且为顶板间接充水矿床。

如图1所示,2022年主矿体700 m中段和800 m中段不同月份的平均涌水量最小值为15 042.1 m3/d,最大涌水量为24 502.4 m3/d。日涌水量远超10 000 m3,是典型的大水矿山,涌水问题严峻,亟需开展深部注浆堵水工程。

1.2 主矿体含水层

(1)矿体含水层。矿体及其上盘白云质泥板岩和石英岩互层统称矿体含水层,是矿床疏干的主要对象之一。该层岩性变化较大,主要是底砾岩和板岩,上盘为砂质板岩、白云质板岩与石英岩互岩,其含水性与裂隙发育程度有很大关系。

(2)燧石白云岩含水层。该含水层距矿体顶板约37～60 m,溶蚀空洞非常发育,是矿区最主要含水层。该层的底板上部是石英岩,顶板是砂质滑石片岩与白云岩。

(3)隔水层。矿体含水层和燧石白云岩含水层之间为白云质泥板岩夹石英岩隔水层,总厚度40～60 m。其中的“上部石英岩”厚度15 m左右,隔水性很好,起到隔水层的作用。。

1.3 涌水机制分析

金属矿山深部开采是否发生涌水,主要取决于水源、开采活动和导水裂隙3个因素。本文结合主矿体复杂水文地质条件及深孔加密注浆钻孔编录资料,分析主矿体深部涌水机制。

(1)水源补给。根据已有水文地质资料,主矿体自身具有含水属性,是以上罗恩亚群溶蚀裂隙承压含水层和燧石白云岩含水层充水为主的顶板间接充水矿床。目前矿坑涌水量75%来自上部燧石白云岩,25%来自矿体含水层,上部白云岩含水层对矿体含水层有较强补给作用。同时,770 m中段含水层水位线位于770 m水平以上30～40 m,说明深部矿体已位于水位线以下,矿体水源补给呈现多源性:上部补给、侧向补给以及深部补给,如图2所示。

(2)开采活动。如图2所示,主矿体由于露天矿坑的存在,以及受到浅部崩落法开采影响。已被矿体上盘的相对隔水层上部石英岩破坏,崩落裂隙带沟通上下罗恩含水层,形成“统一含水体”,使得主矿体井下水文地质条件变得更加复杂。矿床上部地下水及地表水随着矿山开采对构造的揭露和对原岩稳定性的破坏,成为矿体充水的主要因素。

(3)导水裂隙。由于开采形成的岩体裂隙属于采矿扰动类导水裂隙。同时主矿体上方发育有与次级褶皱相伴的层间剪切带,其影响宽度约20～50 m,属于原生导水通道,由于它的存在,主矿体区域矿体及其顶板碎屑岩裂隙水的富水性较强。此外,封闭较差的老钻孔也会成为矿床充水的主要通道。

综上所述,在矿床未开采之前,燧石含水层、上部石英岩隔水层以及矿体含水层处于一定的相对平衡状态。由于地表开挖形成露天坑以及浅部崩落法开采,在水压和矿压的双重扰动作用下,相对隔水层岩层必然受到不同程度的破坏。此时岩层原有的闭合裂隙因此而活化或者产生新的裂隙,当裂隙沟通上下罗恩含水层便形成了导水裂隙,导致主矿体深部涌水。

2 深孔加密注浆堵水技术应用

2.1 深孔加密注浆堵水原理

如图3所示,利用钻孔施工至上部石英岩,通过深孔加密注浆工艺,对矿体含水层和上部石英岩的层理、节理等导水裂隙进行注浆充填固结,使矿体板岩至上部石英岩之间形成隔水层,与上部石英岩这个天然的隔水层联合达到对2个隔水层所包围的矿岩体的防水作用,达到注浆堵水的目的。

2.2 深孔加密注浆堵水注浆参数

(1)扩散半径。裂隙中浆液的扩散半径随岩石的渗透系数、注浆压力、注入时间的增加而增大,随浆液的浓度和黏度的增加而减少[12]。据现场观测经验,含水层渗透性良好,浆液平均扩散半径为10～15 m,一般为4～8 m。

(2)注浆材料。本次注浆作业选用42.5#普通水泥,浆液类型为单浆液。

(3)注浆配比。注浆料的流动性、渗透性随水灰比的增大而增大,但凝结时间随水灰比的增大而延长,强度随着水灰比的增大而降低。因此,在满足施工要求的前提下,尽量减小水灰比、控制在0.65∶1～0.80∶1范围之内。

(4)注浆压力。注浆压力对浆液的扩散影响很大,随着注浆压力的提高,充塞物质的强度急剧增加,这就保证了充塞物具有足够的强度和不透水性[13]。故合理运用注浆压力是本次注浆工作的关键,初步设定注浆压力>7.0 MPa。

(5)注浆量。根据扩散半径和岩石裂隙率计算各深孔注浆量为

式中,Q为注浆量,m3;r为浆液扩散半径,m;A为浆液消耗系数,一般取1.2～1.3;H为孔深,m;n为裂隙率,由钻孔编录资料获得;β为有效注浆系数,一般取0.9～0.95。

2.3 深孔加密注浆堵水工艺方案

注浆区域位于770 m中段勘探线2 070～2 700线之间,东西跨度630 m。其中2 160线以东90 m范围为注浆试验阶段,共设计水文观测孔、注浆深孔、检查孔16个;2 160线以西540 m范围为深孔注浆阶段,共设计前序孔、加密孔和检查孔40个,见图4。

图4 注浆深孔平面分布Fig.4 Distribution of grouting deep holes

2.3.1 注浆试验阶段

(1)首先施工3个水文观测孔,对注浆区域内涌水量进行观测。

(2)对30 m间距的4个深孔(1、3、5、7)进行钻探并注浆。

(3)加密至15 m间距施工钻孔(2、4、6)并注浆。

(4)全部注浆完成后再施工注浆检查孔6个(a～f),以检测注浆试验阶段的堵水效果。

2.3.2 深孔注浆阶段

(1)首先按照15 m间距施工深孔18个(8～25)并完成注浆。

(2)在注浆过程中相邻两孔出现串浆情况,因此后18个孔先施工30 m间距钻孔9个(26～43中的偶数序号孔),并完成注浆。

(3)接着,15 m间距加密施工剩下9个孔并完成注浆(26～43中的奇数序号孔),后续很好地避免了串浆等异常情况;

(4)深孔加密注浆全部完成后,施工4个注浆检查孔(g～j)检测堵水效果。

3 深孔加密注浆效果分析

由于注浆堵水工程属于典型的矿山隐蔽工程,其堵水效果监测具有“黑箱”效应,无法直观地观察到注浆堵水效果[14]。因此,本文采用水文观测孔对比法[15]、检查孔观察法[16]以及叠加效应分析法[17],分别对涌水量、单位注浆量以及钻孔见混凝土情况进行检测,分析本次深孔加密注浆堵水效果。

3.1 注浆试验阶段效果分析

3.1.1 水文观测孔

如图5所示,试验阶段深孔注浆前,3个水文观测孔总涌水量约18.70 m3/d;在30 m间距深孔完成注浆后,3个水文观测孔总涌水量降低到11.43 m3/d,与注浆前相比总涌水量降低了38.87%;15 m间距加密注浆后,水文观测孔1和水文观测孔2中已完全不涌水,水文观测孔3涌水量为4.97 m3/d,与加密注浆前相比,15 m加密注浆后涌水量降低了56.52%。

图5 水文观测孔涌水量变化Fig.5 Changes in water inflow from hydrological observation holes

通过水文观测孔在注浆前后涌水量的变化可知,深孔注浆堵水效果较好;而且相对于30 m间距注浆,15 m间距注浆的堵水效果更好。因此,在后续深孔注浆作业中,深孔间距为15 m。

3.1.2 注浆检查孔

注浆检查孔法是通过观察检查孔成孔是否涌水、见混凝土,从而定性评定注浆效果[18]。

注浆检查孔的涌水量及其两侧的注浆深孔涌水量对比结果见表1。分析发现,注浆检查孔介于两侧注浆深孔之间,在注浆完成一段时间后,检查孔涌水量均小于两侧注浆深孔的涌水量,深孔注浆堵水效果明显。

表1 注浆试验阶段检查孔涌水量Table 1 The water inflow in the check hole during the grouting test stage

同时发现,15 m加密注浆深孔(2、4、6)涌水量均小于相邻两侧的30 m间距注浆深孔。这是因为注浆试验阶段,前序30 m深孔注浆已取得较好的堵水效果。而在15 m加密注浆后,在6个检查孔岩芯中见混凝土的钻孔有4个,证明浆液扩散半径基本可达到7.5 m左右,注浆参数设计合理。

3.2 注浆阶段效果分析

3.2.1 叠加效应分析

根据注浆阶段前序深孔和加密深孔的孔深及总注浆量,绘制各深孔单位注浆量频数分布直方图和频率累计曲线,如图6所示。分析发现,加密孔单位注浆量频数直方图完全分布于0～0.04 m3/m之间,频率累计曲线较陡,频率累计较早地累积到1;而前序深孔单位注浆量分布较广,最大可达到0.2 m3/m。这说明,前序孔单位注浆量较大(>0.04 m3/m)的深孔出现频率较高,由于上部岩层裂隙发育,前序深孔注浆作业浆液扩散范围较大,注浆需求量大。而随着前序深孔水泥浆的堵水作用,加密孔注浆量明显减少。随着加密注浆作业,深孔单位注浆量具有明显的叠加效应,也反映出注浆阶段深孔加密注浆取得了较好的堵水效果。

根据注浆阶段前序深孔和加密深孔的涌水量,绘制各深孔涌水量频数分布直方图和频率累计曲线,如图7所示。随着加密注浆作业,深孔涌水量表现出与单位注浆量相同的叠加递减效应,在前序孔水泥浆的扩散封堵作用下,加密深孔涌水量明显减少,堵水效果显著。

图7 涌水量叠加效应分析Fig.7 Analysis of superposition effect of water inflow

3.2.2 注浆检查孔

注浆检查孔g位于注浆深孔9和10之间,东西间距7.5 m,涌水量82.6 m3/d。9号深孔涌水量172.5 m3/d,10号深孔涌水量402.7 m3/d,检查孔涌水量明显低于两侧注浆孔涌水量。同时检查孔g分别在进尺34～37 m,42～50 m,71～74 m发现混凝土碎块,证明水泥浆已经注入此区域,两侧注浆起到隔水效果。

注浆检查孔h涌水量为47.52 m3/d,东西两侧注浆孔13和14涌水量分别为152.55 m3/d和130 m3/d。同时在52.0～55.0 m进尺见有混凝土碎块,证明两侧注浆堵水效果较好。

注浆检查孔i位于注浆深孔27和28之间,终孔涌水量为90.99 m3/d,而东侧27深孔涌水量为49.29 m3/d,西侧28深孔涌水量为118.80 m3/d,检查孔与两侧深孔涌水量差异不明显。检查孔i钻孔水量观测数据显示,52.4 m进尺处无涌水,而在57 m处又开始有水,后续水量逐渐变大。这说明在矿体含水层的注浆产生了较好的效果,但在接近上部主含水层时由于受主含水层的水流补给而堵水效果下降,涌水量逐渐增大。

注浆检查孔j位于注浆孔34及35中间,终孔涌水量87.88 m3/d,东侧34深孔涌水量为128.0 m3/d,西侧35深孔涌水量为218.73 m3/d。通过水量对比,检查孔j涌水量明显小于两侧注浆深孔涌水量,且在39～40 m进尺处见有少量混凝土碎块。

如图8所示,对比深孔注浆阶段前序孔和加密孔与检查孔的单位注浆量发现:经过深孔加密注浆作业后,注浆检查孔所需单位注浆量远小于注浆深孔的单位注浆量。同样证明深孔加密注浆作业注浆扩散作用明显,堵水效果较好。