岩溶大水矿床矿体旁侧帷幕注浆新技术

1154 编辑：中冶有色技术网来源：长沙矿山研究院有限责任公司

2023-02-16 11:26:54

0 前言

岩溶大水矿床是指水文地质条件复杂，岩溶含水层异常发育，矿坑涌水量每天数万甚至数十万方的矿床。这些矿床岩溶水防治难度及成本较高，开采时将面临突水淹井、地面沉降、地面岩溶塌陷、地下水资源破坏等水文地质问题，有些矿体甚至在勘探阶段已认定为不宜开采。但随着经济的快速发展，对金属矿产的需求增加，老矿山向深部、边部扩大产能，一些原认为不适宜开采的新大水矿床也进入基建阶段，矿山地下水害问题日益严重，开发岩溶大水矿床防治水新技术也是刻不容缓。矿体旁侧帷幕注浆技术是近年我院开发应用的岩溶地下水害防治新技术，该技术堵水率高，能有效的解决岩溶矿区地面塌陷、地下水资源损耗、排水电费高昂等问题，与矿区地面帷幕注浆技术一样成为岩溶金属大水矿床根治地下水害的有效措施之一。

1 帷幕注浆技术及阻水机理

帷幕注浆技术最早应用于水电大坝坝址中，随着注浆堵水的广泛应用，逐渐成为矿山防治水的一种防治水新技术。帷幕注浆堵水的实质就是通过钻孔揭露含水层中的裂隙、孔隙、孔洞，通过高压注浆，对含水层中的过水通道进行充填、压密、固化，改变含水层的渗透性能，形成类似帷幕状的隔水带(层)。随着帷幕注浆技术在矿区防治水的发展应用，在矿区地面帷幕的基础上，我院又开发了矿体旁侧帷幕注浆技术，更丰富和完善了复杂大水矿山防治水的技术方法。

帷幕注浆阻水机理就是利用浆液在含水层中的有效扩散，对一定厚度含水层中的岩石空隙进行加固、充填，使局部含水层透水性发生变化，从原来的强透水层变为隔水层。注浆后岩石变化主要有两方面：

(1)高压注浆使浆液注入岩石空隙中，对岩石中的空隙或空洞等地下水赋存空间及运移通道进行充填，使岩石孔隙度降低，致密程度增加，给水度和透水性减弱;

(2)注浆后岩石(含结实体)力学性质发生变化，岩石抗压、抗渗能力增强，提高了岩石抵抗幕外(或顶板)水压的能力。

2 矿体旁侧帷幕注浆技术及其特点

岩溶大水矿床由于水文地质条件复杂，受地层的可注性和注浆材料等影响，矿体旁侧帷幕注浆施工完成后，井下排水设备仍应具有最大矿坑涌水量的排水能力，以确保安全开采。下面就矿体旁侧帷幕注浆适用条件、工程布置、安全厚度、效果检查、安全开采要求等方面进行介绍。

2.1 适用条件

(1)矿区水文地质条件复杂，矿坑涌水量大，传统的疏干方案将产生高昂的排水电费和严重的水文地质问题;

(2)矿区水文地质条件研究程度较高，对含(隔)水层分布、构造含(导)水性、水力联系等有一定的认识及工程验证;

(3)矿体相对集中，矿床储量丰富。因防治水工程规模大，一次性投入多，在矿产资源开发中应考虑成本效益;

(4)矿体顶(底)板为含水层，且岩石可注性较好。该技术最终需要浆液充填孔隙或裂隙形成隔水帷幕，需要浆液在岩石中扩散至安全厚度，形成一定厚度的保护层，因此，要求顶底板岩石可注性较好。

2.2 工程布置

矿体旁侧帷幕注浆工程一般分为前期工程、后期工程两步实施。

(1)前期工程。对开拓工程采用超前探水注浆的方法，查明矿岩的边界、岩溶含水层岩溶裂隙发育规律及富水性，实施矿体内穿脉水平探水注浆工程，开展井下矿体顶板群孔关(放)水试验及注浆工作，查明矿体顶底板水文地质、工程地质特征。井下形成足够的排水能力，建立矿区地下水动态观察网络。

(2)后期工程。前期工程完成后，根据水平探水注浆钻孔揭露的资料和研究分析，在岩溶较发育的地段、地下水相对丰富的区段、地下水进入矿坑的主迳流带以及一些可能存在的含水盲区进行横向钻孔加密探水注浆工程，钻孔方向与前期的水平探水注浆钻孔的方向在空间上大致垂直，主要是封堵平行于穿脉水平探水钻孔方向的导水裂隙，最终在矿体周围形成有一定厚度的人工注浆盖层(矿体旁侧帷幕)。

2.3 注浆施工工艺流程

注浆施工工艺流程为：地面自动控制集中造浆——专用输浆管路——各个水平分支管路——井下二级贮浆池——注浆泵——注浆管——孔口高压装置——注浆。

2.4 安全厚度

矿体旁侧帷幕既可以作为隔水岩层，又可以作为采场的顶板，所以其具有隔水和保持矿房围岩稳定的双重作用。注浆帷幕体一方面需要承受采矿时的爆破震动以及平衡采场顶板应力的集中，同时另一方面要抵抗帷幕体外的承压水压力，所以注浆帷幕体的厚度是矿体旁侧帷幕注浆参数中最重要的一个参数，如果帷幕厚度太小，则在采掘作业过程中可能会有突水的隐患，如若幕体厚度过大则大大增加施工成本，延长施工周期。我院黄炳仁教授以岩石力学和弹性力学为理论依据，计算业庄铁矿井下矿体旁侧帷幕注浆安全厚度22.81m，效果良好。

2.5效果检查

2.5.1 帷幕注浆质量的检查

(1)数据分析：根据帷幕注浆施工过程中钻孔揭露顶板水文、工程地质特征以及钻孔浆液消耗量变化情况，尤其是掌握后序钻孔与前序钻孔的涌水量、单位吸水率、浆液注入量和注浆压力等参数是否按规律变化，从而在注浆施工过程中判断注浆的质量。

(2)检查孔检查：一是在注浆后期，采用检查孔取芯检测并进行压水试验对注浆区域的注浆质量进行检查，检查孔数量为注浆孔总数的 10%。二是在矿体的采准阶段，利用炮孔或中深孔钻机(4～20m)针对上盘岩层布置 1～2 个钻孔进行探查。

(3)水位观测：在帷幕注浆施工过程中，通过大量钻孔注浆，必然会封堵大量的导水裂隙通道，并减少矿坑涌水量，影响矿区观测孔的水位变化，通过多个观测孔水位变化情况分析，可以了解浆液运移的规律，从整体上了解注浆帷幕堵水的效果。

2.5.2 堵水效果的检查

堵水效果的检查可以矿坑疏干放水后矿坑涌水量变化作为直接手段，条件不具备时，可利用已有井巷和钻孔进行抽水试验验证，或者专门布置抽水孔。矿山基建达到一定程度时也可采用矿坑放水试验。并结合注浆后地下水流场的变化，进行综合评价。

2.6 安全采矿要求

注浆堵水后，虽然给矿体回采提供了较强的安全保障，但由于帷幕体仍然承受上部含水层的水头压力，帷幕体本身在含水构造发育的部位可能存在薄弱处，又或者受到采掘活动或者地压变化破坏，有重新形成导水通道造成突水的可能，因此，建幕后仍需采取一定的安全措施。具体要求有：

(1)采矿方法一般要求为胶结充填采矿方法，防止帷幕体因稳固性受影响遭到破坏;

(2)为确保矿山长期安全高效生产，帷幕构建后，井下仍须有与预测涌水量相匹配的排水能力;

(3)在富水区的联络巷道外布设防水闸门，若出现大的突水，难以采用注浆及时封堵，可将突水巷道与矿井其余部分隔离，对井下的安全生产起保护作用;

(4)采空区顶板残余涌水及时封堵，对大于1m3/h淋水直接注浆封堵，防止长时间洗空岩溶裂隙中的泥质充填物，造成过水通道加大，水量加大，形成恶性循环。

(5)坚持探水注浆，采掘或防治水工程中，在富水区或发现突水异常现象，应施工超前探水孔进行探水。

3 矿体旁侧帷幕注浆技术在业庄铁矿的应用

3.1 工程概述

业庄铁矿构造断裂、岩溶裂隙、溶洞极发育，大理岩含水层中的地下水静储量、动储量十分丰富。补给源汇水面积达100km2以上，预计矿坑涌水量12万m3/d，水文地质条件复杂，为我国北方有名的大水矿山。矿体旁侧帷幕注浆工程共施工探水注浆钻孔816个，合计钻探进尺41379.9m，注浆量20545.99m3。

3.2 技术效益

3.2.1 经济效益

业庄铁矿矿坑涌水量原为100000 m3/d左右，实施井下矿体旁侧帷幕注浆工程后，井下已看不见渗、漏水点，排水泵房已基本上不用排水了，因此，井下帷幕注浆堵水率几乎达100%。防治水工程共投入了1500万左右的工程成本，每年节省排水电费1095万元，可安全开采矿石价值约14亿元，经济效益巨大。

3.2.2 社会、环境效益

矿体旁侧帷幕注浆堵水率一般在90%以上，业庄铁矿更是高达100%。基本能控制地面不塌陷，能保护地下水资源等。同时，矿山不用疏排地下水，矿区地下水位基本能恢复至开采前水平。不仅保护地下水资源，确保了地面不塌陷，避免了工农矛盾的发生，而且大大改善了井下作业环境，确保了井下生产的安全。

4 结论

(1)岩溶大水矿床的开采，传统疏干排水因能耗高、排水电费高、环境问题突出，不能满足日益提高的安全和环保的要求。因此，帷幕注浆技术是复杂大水岩溶矿山的必然选择。根据矿山水文地质条件、矿体赋存状态、采矿方法等多方面因素综合考虑选择地面帷幕注浆或者井下矿体旁侧帷幕注浆;

(2)矿体旁侧帷幕注浆前期工程进行穿脉水平探水钻孔注浆，查清矿区地下水主要径流通道等水文地质特征，封堵大部分导水构造;后期工程实施横向钻孔加密注浆，揭露不同方向的导水裂隙，对井下帷幕注浆前期工程起到补充、完善和检查的作用。业庄铁矿实践表明，该技术可操作性强，堵水效果好。

(3)实施矿体帷幕注浆工程后后，给采矿环境提供了较强的安全保障，但仍需采取一定的安全措施。

参考文献：

[1]王军等.复杂及特殊条件下矿床开采调研报告之大水矿床防治水技术部分[M].中国有色金属工业采矿住处信息网，1995.

[2]刘晓亮、褚洪涛.我国复杂大水金属矿床的开采现状及发展趋势[J].采矿技术，2008,8(2)：3-4.