跟管鉆進注漿工藝在東明露天煤礦防治水系統(tǒng)中應用

郭 旭，汪云川，陳俊彬，康佳明，鐘曉勇

（內蒙古呼倫貝爾東明礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

跟管鉆進注漿工藝在東明露天煤礦防治水系統(tǒng)中應用

郭 旭，汪云川，陳俊彬，康佳明，鐘曉勇

（內蒙古呼倫貝爾東明礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000）

東明露天礦根據自身生產需求，結合礦區(qū)地質特性自主設計，將地質套管伸入含水層位，把注漿原材料注入受注地層。過程中對注漿壓力、水灰比等參數進行調整，通過漿液中添加可膨脹骨料對導水通道進行充填封堵，對于厚松散沉積類型地層的露天礦防治水工作積累了一定經驗，使邊幫殘余水得到了有效的控制。

露天煤礦；注漿；防治水

1 區(qū)域地質及水文地質

東明露天礦區(qū)域地層主要由第四系（Q）和白堊系（K）組成。第四系廣泛分布于煤系地層之上，主要由砂礫石、含礫黏土、粉質黏土，亞砂土等組成，厚度4.85～77.95 m，平均厚度59 m。煤層屬于白堊系地層，煤層產狀走向近東西，傾角為5°，屬于平緩穩(wěn)定煤層，平均厚度17.52 m，是本區(qū)開采的目的層。區(qū)內已查明有近東西走向的斷層6條，由于構造隆升造成局部區(qū)域煤層頂板缺失，對煤層的厚度和連續(xù)性造成一定影響。

該地區(qū)第四系厚松散含水層十分發(fā)育，且礦區(qū)地勢低處于盆地底谷區(qū)域受莫日格勒河水系和區(qū)域地質構造的影響，地下水導水通道多、徑流補給量大，儲量豐富，隨著采掘場北推逐漸接近莫日格勒河水系，第四系潛水不斷地得到補給。

2 防治水現(xiàn)狀

東明露天礦主要采用外圍布設降水井疏干與坑下強排工藝相結合控制礦區(qū)地下水。來針對采掘場西側富水靶區(qū)及地下水補給通道布設了很多降水井，降水井抽水效率整體較高，區(qū)域水頭標高也大幅度下降，水位標高得到了一定控制。

由于該區(qū)域地層松散滲透系數大、地下水側向徑流補給強量大，地質構造復雜，采用單一的疏干截水工藝無法從根本上解決第四系潛水補給問題，仍有大量第四系殘余水順沿邊幫平盤涌出，由于殘余水動、勢能大流速快嚴重沖蝕邊幫平盤，對邊幫整體穩(wěn)定性帶來一定隱患。

帷幕堵水工藝除在特定的水文地質條件下單獨使用外，一般情況下，只要條件具備，采用降水孔和帷幕堵水聯(lián)合疏干工藝，會取得最佳技術經濟效果[1]，防滲帷幕治水實質上應理解為與礦場疏干的聯(lián)合治水[2]。為了進一步控制殘余的第四系潛水，降低每年因殘余水沖蝕平盤產生的高額的邊幫治理費用及解決當前環(huán)保、水務等法規(guī)及行業(yè)規(guī)則限制，在現(xiàn)有基礎上更加有效地控制采掘場西側、西北側邊幫滲水量。特提出采用疏堵結合的方式對第四系潛水進行控制。即通過外圍降水疏干與帷幕注漿工藝試驗性注漿封堵聯(lián)合應用的方式解決殘余水問題。

3 試驗原理及參數

3.1 跟管鉆進注漿工藝原理

從地面開孔，利用定向跟管鉆進技術，以垂直孔的形式，將套管伸入含水層位或需加固地層，通過地面注漿系統(tǒng)將所制漿液注入受注地層。漿液在第四系厚松散層中遇到較大裂隙或導水通道時，呈現(xiàn)壓力較低或無泵壓甚至自吸狀態(tài)，進行充填注漿；遇到孔隙松散層時，主要以脈狀擴散為主，在漿液充滿孔間后，隨著注漿壓力的升高，漿液驅替地下水分為漿、水兩區(qū)，向外徑向輻射擴散；隨著注漿壓力繼續(xù)升高，在脈狀擴散滲透注漿的基礎上發(fā)生擴縫效應，引起裂隙張開進一步擴展充填。

3.2 注漿方式

試驗初期分別采用全段式注漿（鉆孔編號：zk02）與前進式分段注漿（鉆孔編號：zk01、zk03、zk04）2種不同方式。從注漿量、過程把控等方面對比分析，全段式注漿易出現(xiàn)串漿及跑漿現(xiàn)象，且漿液擴散的可控性差，單孔上壓慢，出現(xiàn)漿液沿單一薄弱通道流失的可能性較大，若出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象處理不當會嚴重影響整個鉆孔的施工質量；從現(xiàn)場施工及取芯情況來分析，前進式分段注漿則可控性較好，能較好的保證各層位注漿質量，相對更適合露天礦的厚松散第四系沉積地層。全段式與分段式注漿各項參數對比見表1。

表1 全段式與分段式注漿各項參數對比

3.3 布孔方式

注漿孔形采用邊長(孔距)為 20 m的三角形布孔方式，注漿孔的行間距為14 m。三角形布孔的優(yōu)點在于相鄰3孔內漿液擴散區(qū)域重合的機率比正方形布孔時高許多，注漿效果更好[3]。三角形布孔示意圖如圖1所示。

圖1 三角形布孔示意圖

3.4 注漿材料的選擇及配比

注漿材料是決定帷幕工程總投資的一個重要因素[4]。注漿材料的選擇與注漿地層的裂隙、孔隙的大小、含水透水性有關，不管采取何種材料注漿，形成的帷幕體的厚度、強度，應能抵抗水頭的壓力[5]。為了降低注漿材料投資，根據不同配比下水泥與粉煤灰凝結特性，提出了水灰比自然條件下既能滿足工程所需的凝固后強度要求，又能大幅度降低材料。不同水灰比漿液凝結特性見表2，不同摻量水泥粉煤灰時間特性曲線如圖2。

表2 不同水灰比漿液凝結特性

圖2 不同摻量水泥粉煤灰時間特性曲線

3.5 注漿壓力

注漿壓力是驅使?jié){液克服各種流動阻力，在地層空隙中擴散、充填的動力[6]。是決定注漿效果的主要因素之一[7]。如何確定壓力，國內外沒有統(tǒng)一的準則[8]，多據經驗公式。一般經驗表明，注漿壓力控制在1.5～2.0倍靜水壓力足以滿足工程需要。根據注漿初期注漿層位巖石通道、裂隙處于張開狀態(tài)，過水通道、裂隙對漿體的阻力較小，漿液擴散較遠，選用的漿液需相對較稀，初期壓力不宜過大；注漿過程中，漿液濃度由初期較稀逐步加稠至預定濃度；注漿終壓即注漿的結束壓力，參考下面兩種計算方式及鉆孔與邊幫的距離后，將注漿壓力控制在2～3 Pa。注漿壓力變化曲線如圖3。

圖3 注漿壓力變化曲線

3.6 單孔注漿量

鉆孔預注漿時由于裂隙通道未完全打開，水泥漿液在流過導水通道時出現(xiàn)水漿分離現(xiàn)象，造成通道封死而急劇上壓，導致單孔注漿量小于設計值而影響鉆孔施工效果。為了避免此現(xiàn)象出現(xiàn)，注漿初期先開高檔位進行注水，利用泵和水的沖擊力使裂隙張開進一步提高注漿質量，此外采取先稀后稠的水泥漿液配比變化方式，利用稀漿液打開通道，再用稠漿液注漿進行充填和擴散。

式中：Q為單孔注漿量，m3；R為漿液擴散半徑，m；h為注漿段長，m；n為地層裂隙度（孔隙率），%；a為漿液填充率，%；β為漿液損失率，%。

3.7 跑漿

采用定量定壓注漿和間歇注漿，有效地控制漿液擴散距離[9]。試驗過程中發(fā)現(xiàn)跑漿時根據跑漿程度分別采用了雙液漿、骨料膨脹充填、間歇工藝及聯(lián)合應用方式有效的進行了處理。水泥采用P.032.5R普通硅酸鹽水泥，水泥漿采用水灰比（質量比）為1∶1的配比。雙液漿注漿時配比為水泥漿∶水玻璃（體積比）為1∶0.2。采用間歇注漿工藝，待壓力開始起步上升后恢復正常注漿。

4 注漿試驗結果分析

由于帷幕注漿工程是典型的地下隱蔽工程，注漿施工完成后幕體質量的好壞、防滲效果如何，都無法直觀給出定量評價，質量檢測評價方法也相對較少[10]。因此，依據注漿前后打鉆返芯情況、幕體內滲水量、外圍水位動態(tài)等因素最大限度地側面分析。

4.1 注漿區(qū)域巖體致密度增大

在理論的漿液擴散區(qū)域內二次打鉆中發(fā)現(xiàn)與注漿項目開展前，鉆進過程中出現(xiàn)掉鉆、見空、見軟等現(xiàn)象明顯減少，此現(xiàn)象也直接反映出漿液在孔隙率大、導水通道密布的第四系厚松散地層中有效擴散、充填。證明出漿液凝固后改變周圍巖體結構類型，使邊幫巖體強度及致密度增加。

4.1.1 幕體內側水量減少

礦區(qū)注漿帷幕截流，是在礦區(qū)地下水主要進水通道上通過鉆孔向導水地層注漿，形成類似帷幕狀的人工阻水體[10]。5眼降水井位于注漿漿液擴散區(qū)域內，為了避免漿液擴散至降水井影響降水井正常抽水，8月下旬開展?jié){液擴散區(qū)域內提泵工作，提泵后降低了外圍截水強度，在補給量不變的情況下，外圍截水強度降低，坑下出水點處流量應增大，但是將北幫598、588、578 m水平3眼、西幫578 m水平1眼，西幫地面1眼降水井水泵提出后，通過2個月對坑下水量進行觀測及提泵降水井所對坑下出水點進行監(jiān)測巡視顯示，坑下各新舊出水點未發(fā)現(xiàn)水量明顯增大現(xiàn)象，此現(xiàn)象側面反映出注漿項目開展后，西幫地層巖體結構有所改變，透水性降低，截水能力得到提升。

4.1.2 坑下水量減少

通過對邊幫富水區(qū)域、導水通道進行注漿，漿液進行充填、固結、滲透壓密作用，從而達到了預期封堵孔隙及加固的效果，致使邊幫滲透系數大幅度降低，大部分地下水被攔截在帷幕外側，殘余水外滲量減少，因此坑下排水量減少。坑下涌水水量變化趨勢圖如圖4。

圖4 坑下涌水水量變化趨勢圖

4.2 幕體外圍觀測井水位上升

水位監(jiān)測數據顯示注漿開始前4—5月水位呈現(xiàn)下降趨勢，注漿工程開展后，西側外圍觀測井水位存在普遍上升趨勢（9—10月），而本地區(qū)10月冬季已至，地表已開始凍結，地面降水補給可忽略，在外圍總補給量不變的前提下，觀測井水位上升表明邊幫滲透系數增大，截水能力提升，導致地下水向坑下補給量減小，因此外圍水位出現(xiàn)某時間段內逐漸上升趨勢。觀測井水位標高記錄見表3，地下水水位變化情況如圖5。

表3 觀測井水位標高記錄

圖5 地下水水位變化情況

4.3 邊坡位移減緩

2015—2016年對邊幫進行注漿后明顯的提高了注漿區(qū)域（西幫）的整體穩(wěn)定性，注漿項目開展區(qū)域內各邊坡監(jiān)測點的觀測數據顯示，本年度1—11月西幫邊坡各監(jiān)測點累計位移量僅為1.43～2.77 cm，各監(jiān)測點累計沉降值均在1.6 cm以內，是未開展注漿區(qū)域（南幫）位移量的1/10。

4.4 改善施工作業(yè)環(huán)境

東明露天礦建礦以來，西側、西北角地下水補給量、涌水量巨大，占全礦總補給量的85%，2014、2015年采掘場西側、西北側第四系水儲量大、徑流量大，水流流速快導致各平盤均出現(xiàn)不同程度的坍塌現(xiàn)象，近2年該礦邊幫恢復治理費用高達350萬元，而且西北側采區(qū)水位高，第四系水流河道遍布采區(qū)內部，致使采掘、運輸設備不能進入施工區(qū)域，為采礦工程帶來巨大難度，隨著2015—2016年度采掘場西側注漿封堵試驗項目與地下水階段性控制工程的有效開展對第四系殘余水進行封堵和疏干聯(lián)合治理，目前西側及西北角涌水得到有效控制，保障了該區(qū)域采礦工程的順利進行。

5 結論與建議

1）跟管鉆進的分段式注漿工藝適合于東明露天礦厚松散沉積型地層，漿液通過滲透擴散，提升了固定邊幫的防滲能力，邊幫整體穩(wěn)定性有所提升。

2）從本次試驗結果可以看出，針對東明礦防治水現(xiàn)狀，采用以地下水綜合地球物理勘探成果為理論基礎，針對地下水補給通道及靶區(qū)采用注漿封堵與外圍疏干截水聯(lián)合治理的方式開展防治水工作在技術上是可行的。

3）隨著露天礦的推進和延深，疏干降水費用逐漸增加，通過對非工作幫進行帷幕注漿結合的方式對露天礦地下水的治理，可以克服井排過度加密導致的鑿井、維護成本增加現(xiàn)象，也可以避免因新井增加帶來原有降水井抽水效率整體下降問題。

4）注漿的均勻性還有待進一步加強，注漿工藝仍需進一步攻關及優(yōu)化。

5）成本控制方面，漿液的配比仍需進一步實驗論證，材料成本控制還有可挖潛空間。

6）厚松散第四系沉積地層開展注漿技術不僅可以實現(xiàn)邊幫防滲截流的預期效果，同時也能顯著提高邊坡的穩(wěn)定性，對于保障煤礦安全生產和保護區(qū)域水資源環(huán)境建立綠色礦山同樣具有良好的作用。

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【責任編輯：陳 毓】

Application of pipe drilling and grouting technology in water treatment system of Dongming Open-pit Coal Mine

GUO Xu,WANG Yunchuan,CHEN Junbin,KANG Jiaming,ZHONG Xiaoyong
(Inner Mongolia Dongming Mining Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021000,China)

According to their own production needs,combining with the geological characteristics of mining area independent design,the mine extended geological casing into the aquifer,injected the grouting materials into formation.The mine adjusted the pressure of grouting,water cement ratio and other parameters.Through adding expandable aggregate filling of water channels,the grouting project for thick loose strata sedimentary types of open-pit mine water prevention and control work had accumulated some experience,which effectively controlled the slope residual water.

open-pit coal mine;grouting;water prevention and control

TD743

B

1671－9816（2017）06－0030－05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.06.009

郭旭，汪云川，陳俊彬，等.跟管鉆進注漿工藝在東明露天煤礦防治水系統(tǒng)中應用［J］.露天采礦技術，2017，32（6）：30-33.

2017-02-16

郭 旭（1991—），男，遼寧阜新人，采礦助理工程師，2014年畢業(yè)于遼寧工程技術大學，現(xiàn)為呼倫貝爾東明礦業(yè)有限責任公司水文地質技術人員。