強巖溶地區(qū)主過水通道注漿封堵技術(shù)探討

王伏春，樂 應(yīng)，白江紅，江 照

(湖北中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司，湖北武漢430081)

1 工程概況

廣東凡口鉛鋅礦為我國有名的巖溶大水礦山，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦坑涌水量旱季為28000 m3/d，雨季一般為38000 m3/d，最大可達60000 m3/d以上。帷幕注漿前地下水防治方法為淺部截流疏干法，經(jīng)多年運行，保證了礦山的安全生產(chǎn)。但隨著長期疏干排水，也暴露了許多問題，主要體現(xiàn)在以下2方面:一是地面塌陷頻繁發(fā)生，塌洞達數(shù)千個，造成地表水大量下滲，農(nóng)田、地面設(shè)施損毀嚴重，礦農(nóng)矛盾突出;二是排水、治理塌陷費用高，井下排水費用每年高達800萬元，塌陷治理費用每年達300萬元。為此，礦山?jīng)Q定通過帷幕注漿的方式解決地下水問題，從而徹底擺脫地下水對礦山開采的影響。

2 礦區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

2．1 礦區(qū)工程地質(zhì)條件

礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為一復(fù)式向斜，軸向北西，向南東傾伏。復(fù)式向斜內(nèi)發(fā)育有近南北和東西向的次一級褶曲(如金星嶺背斜、獅嶺背斜)，以及一系列走向北東或北北東的壓扭性斷層(如F3、F4、F5等)。

2．2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)有3個基本含水層:一是第四系含水層，在礦床疏干過程中，地表大量出現(xiàn)開裂和塌陷，大氣降水與農(nóng)田用水等地表水可通過孔隙、塌陷開裂等通道補給下伏含水層，具有較強透水性，與裂隙水有水力聯(lián)系，所以，礦區(qū)內(nèi)第四系的隔水作用已遭到破壞;二是位于含礦地層頂板的壺天群(C2+3ht)巖溶含水層，該地層巖溶極為發(fā)育，含有豐富的地下水，覆蓋于含礦層之上，在金星嶺以及獅嶺的局部與礦體直接接觸，構(gòu)成了礦體的直接或間接頂板，在平面上以金星嶺為界，分為南、北2個區(qū)，在垂向上分為上、下2個帶——上部強巖溶帶和下部弱巖溶帶;三是壺天群下部含礦地層的泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組上段(D2db)—泥盆系上統(tǒng)天子嶺組下段(D3ta)的灰?guī)r裂隙含水層，該含水層淺部(約50 m標高以上)巖溶較發(fā)育，深部以裂隙含水為主，滲透系數(shù)0.000336 ～0．2826 m/d。

2．3 礦區(qū)進水方向和通道

從長期觀測資料分析，礦坑主要存在3個明顯的進水通道。

(1)F4—F5斷層之間的金星嶺南部進水通道，水量16000～25000 m3/d，集中從－40 m新南截流巷涌出，雨季流量在旱季的基礎(chǔ)上增大約50%，部分水點水質(zhì)渾濁，且離CK47孔東側(cè)塌陷群水平距離僅500 m，說明進水方向以南面為主，進水通道主要是潰入型通道(寬大裂隙或巖溶管道)。

(2)西部隔水邊界至F4斷層之間的獅嶺南部進水通道，水量約1000 m3/d，主要從獅嶺南放水巷涌出，其中28號硐室涌水點水量隨降雨量陡漲陡落，水質(zhì)十分渾濁，且與214/ZK11孔北東側(cè)塌陷的產(chǎn)生具有相關(guān)性，說明進水方向也是以南面為主，其進水通道也是以潰入型通道為主。

(3)金星嶺北部進水通道，水量約3800 m3/d，主要從0 m北截流巷涌出，水質(zhì)清澈，附近地表穩(wěn)定，表明進水通道以滲入型通道(裂隙、溶孔等)為主，進水方向為正東方向。

3 帷幕軸線布置

帷幕軸線全長1670 m(E—F—G—H—I—J)，鉆孔278個，孔距8～10 m，局部加密到4 m，鉆探進尺45834．69 m。帷幕建成后，地下水水位標高超過第四系底板，因此帷幕頂板即第四系，帷幕底板為進入相對隔水層(天子嶺花斑狀灰?guī)r)5 m以上。帷幕軸線布置如圖1所示。

4 施工要求

4．1 鉆孔要求

布孔形式:單排孔。

孔位要求:為保證孔位準確無誤，測量工作分鉆孔施工前的放孔、施工完畢后的復(fù)測兩步，要求與設(shè)計孔位偏差≯20 cm。

孔斜控制標準:全孔孔斜率控制在1．5%以內(nèi)，孔斜超過設(shè)計要求的孔段必須進行糾斜處理。

孔深要求:孔深誤差控制在2‰以內(nèi)，要求每100 m進行一次孔深驗證工作，及時修正孔深參數(shù)。

地質(zhì)編錄要求:參考相應(yīng)的礦區(qū)水文地質(zhì)勘察規(guī)范，對巖性、巖溶、裂隙發(fā)育情況、溶洞充填情況、鉆孔漏水深度、鉆進速度等詳細描述，取上巖心要求拍照保存，以便日后分析查看。

4．2 注漿要求

注漿方式:采用自上而下的純壓式或循環(huán)式注漿，視現(xiàn)場條件靈活選用。

注漿材料:水泥尾砂漿、改性水泥粘土漿，主要以改性水泥粘土漿為主，在注漿過程中，適當(dāng)添加水玻璃速凝劑。

注漿壓力:采用靜水壓力的1．5～2倍(孔口壓力0．3～2．0 MPa)，特殊孔段經(jīng)設(shè)計單位同意可適當(dāng)降低、提高注漿壓力。

注漿結(jié)束標準:注漿壓力均勻持續(xù)上升達到設(shè)計終壓，同時鉆孔吸漿量＜10～20 L/min時，持續(xù)20～30 min即可結(jié)束注漿。

鉆孔封孔:采用水灰比0．6的純水泥漿進行鉆孔封孔，要求鉆孔充填飽滿、密實。

5 動水條件下主過水通道封堵措施

由于在帷幕注漿工程施工的同時，井下仍然正常生產(chǎn)排水，由此形成的疏干降落漏斗在帷幕軸線處形成近百米的水位差，大大增加了帷幕注漿施工的難度。尤其在ZK85、ZK70、ZK151三個鉆孔施工時，由于處于礦區(qū)南部、東南方向的過水通道上，地下水劇烈流動對帷幕注漿施工影響很大，采用常規(guī)的注漿方式極容易造成井下跑漿，對井下排水系統(tǒng)、排水設(shè)備產(chǎn)生致命傷害，同時也造成注漿材料的大量浪費。特別是位于主過水通道的ZK151鉆孔，在注漿過程中，就連采用水泥－水玻璃雙液漿灌注時，井下不到20 min即發(fā)現(xiàn)跑漿，注漿被迫終止。為此，項目試驗了多種處理方式，終將ZK151孔揭露的主過水通道封堵住。

5．1 灌注聚氨酯類漿液

考慮到普通的注漿材料在灌注初期沒有任何強度，極易被水沖刷，無法形成有效封堵，而聚氨酯類灌漿材料具有以下良好的特性:

(1)材料遇水反應(yīng)，反應(yīng)時間可在數(shù)秒到數(shù)十分鐘之間調(diào)節(jié);

(2)反應(yīng)迅速，反應(yīng)生成物在數(shù)分鐘后即具有一定強度，抗沖刷能力強;

(3)反應(yīng)物能夠與巖體緊密膠結(jié)，保證充填有效;

(4)反應(yīng)生成物與注漿原料相比，體積膨脹10～30倍，實現(xiàn)快速、高效充填。

灌注聚氨酯類材料的優(yōu)點是:該類材料遇水反應(yīng)，且反應(yīng)生成物能夠與巖體緊密膠結(jié)，強度提升很快，且具有膨脹性，這些優(yōu)點非常適合于動水注漿。缺點是:材料遇水反應(yīng)，而且反應(yīng)速度較快，由于南方氣候潮濕，尤其是在地下水水位以下孔段注漿時，施工操作難度大，很容易造成堵管、堵泵現(xiàn)象，同時注漿完畢后掃孔困難，掃孔時間大大增加，注漿材料成本較高。本項目使用聚氨酯注漿材料2．5 t。

5．2 投放充填材料

考慮到地下水流量大，流速快，普通漿液在初凝之前即被沖走，無法起到封堵裂隙的作用，因此大量投放海帶、谷殼、粗砂、瓜米石等充填材料，待過水通道充填飽滿后，再進行正常注漿，通過高壓注漿，使?jié){液進入之前已充填的填充材料空隙內(nèi)，從而達到固結(jié)填充材料、封堵細小裂隙的目的。材料投放的方式有干投和水沖式2種。

本項目共消耗的充填材料有:谷殼(稻草)8795袋;海帶2644 kg;黃豆1277 kg;瓜米石895 m3。

5．3 水泥－水玻璃雙液注漿

5．3．1 基本原理

水泥本身的凝結(jié)和硬化主要是水泥水化析出凝膠性的膠體物質(zhì)所引起的，在硅酸三鈣的水化過程中產(chǎn)生氫氧化鈣:

在混合液中水泥與水玻璃的反應(yīng)要比水泥本身的水解化學(xué)反應(yīng)快得多。

5．3．2 室內(nèi)試驗

為了解水泥尾砂漿與水玻璃在不同配比的情況下，初凝時間的變化規(guī)律，我們進行了室內(nèi)試驗。水泥采用P．C 32．5R復(fù)合硅酸鹽水泥，水玻璃模數(shù)為3．14，濃度為 35．1 波美度，水泥漿水灰比為 0．6。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 水泥－水玻璃雙液漿配比試驗成果表

根據(jù)表1，繪制出水泥漿中水玻璃含量與凝膠時間關(guān)系，見圖2。

圖2 水泥漿中水玻璃含量與凝結(jié)時間關(guān)系圖

從圖2可以明顯看出，在水玻璃摻入量較小時，凝結(jié)時間隨著水玻璃的增加而縮短，當(dāng)達到一定量時，凝結(jié)時間又隨著水玻璃摻入量的增加而延長。這個臨界點在10% ～15%，最短凝結(jié)時間約為20 s。該試驗結(jié)果可以有效指導(dǎo)現(xiàn)場雙液注漿工作。

5．3．3 現(xiàn)場實施

雙液注漿分孔口混合和井內(nèi)混合2種方式，這里主要采用孔口混合式雙液注漿，操作如圖3所示。

圖3 孔口混合式雙液注漿示意圖

在實際操作中根據(jù)注漿壓力的變化情況，注意調(diào)節(jié)水玻璃與水泥漿液的配比，盡量縮短初凝時間，提高漿液抗沖刷能力。同時由于漿液初凝時間短，注意施工過程的連續(xù)性，避免意外中斷造成堵管、堵泵現(xiàn)象。

5．4 ZK151孔處理思路

ZK151孔設(shè)計為Ⅲ序注漿孔，按照由疏到密的原則，先施工旁邊的Ⅰ序孔(ZK150，ZK154)，然后施工Ⅱ序孔(ZK152)，最后才施工ZK151，終孔深度190．14 m。先于ZK151施工的ZK149(64．85～76.91 m段)、ZK150(77．66 ～82．73 m 段)、ZK152(70．87 ～95．33 m段)、ZK154(71．15 ～82．18 m 段)幾個鉆孔均出現(xiàn)井下嚴重跑漿現(xiàn)象，說明鉆孔與井巷連通性非常暢通。同時與ZK151鉆孔最近的水文觀測孔CK1301的水位也相對較低，在ZK151孔注漿前僅有75 m左右。帷幕施工前的物探成果資料亦顯示，ZK150—ZK158之間存在一過水通道。以上跡象說明，ZK151(67．63～81．28 m段)存在一與礦坑連通性非常好的過水通道，是決定本次帷幕注漿能否成功的關(guān)鍵鉆孔。

處理思路:首先投放充填材料，期間穿插灌注聚氨酯類材料;待過水通道填充得差不多的時候，采用水泥－水玻璃雙液漿灌注;雙液漿處理完畢后，采用普通漿液進行高壓壓密注漿，直至達到注漿結(jié)束標準;最后，考慮到巖溶、裂隙發(fā)育的無規(guī)律性，為保證裂隙通道封堵的可靠性，再在鉆孔上下游施工若干個補強孔，從而最終將該通道徹底封堵好。

6 效果分析

6．1 主過水通道周邊地下水位變化情況

為便于觀測，礦方特意在ZK151孔上游施工一水文觀測孔CK1301，該水文孔在ZK151孔注漿前水位是75 m標高，ZK151孔注漿后，該孔水位上升至100 m標高，說明ZK151孔注漿對攔截地下水效果明顯，帷幕外圍水位抬升達25 m之多。

6．2 主過水通道截水作用分析

ZK151孔主過水通道封堵完畢后，最為直觀的是井下－40 m截流巷道出水量明顯減少，尤其是井下3股大水的射程縮短至不到原來的一半，說明針對主過水通道制定的封堵措施有效，起到了明顯的截水作用，甚至可以說主過水通道封堵質(zhì)量直接關(guān)系帷幕的成敗。－40 m中段排水量由施工前平均18000～20000 t/d減少到6000～8000 t/d，減少了約12000 t/d。

6．3 帷幕整體堵水效果分析

井下排水是驗證帷幕堵水效果最直接的方式，通過帷幕注漿井下排水量大大減少，－40 m中段月平均排水量從原來的714584 t/m降為226172 t/m，堵水率達68．35%。

7 結(jié)語

(1)本次帷幕注漿，徹底解決常年影響礦山安全生產(chǎn)的水患及環(huán)境地質(zhì)問題。井下排水量從帷幕注漿前的714584 t/m降為226172 t/m，堵水率達68．35%，實踐證明，帷幕注漿技術(shù)能夠從源頭上解決礦山水患問題。

(2)在施工過程中，礦山正常生產(chǎn)排水，由此造成的巨大水頭差給帷幕注漿施工帶來很多問題，尤其是強徑流帶部位，是礦山注漿領(lǐng)域的一大難題，其封堵質(zhì)量關(guān)系整條帷幕的堵水效果，本工程巖溶地區(qū)主過水通道封堵技術(shù)經(jīng)驗，可為類似工程提供參考。

(3)礦山注漿技術(shù)經(jīng)驗性很強，需要根據(jù)現(xiàn)場情況靈活調(diào)整注漿方式方法，以最少的工程投資，獲得最佳的堵水效果。

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