張馬屯鐵礦區(qū)既有阻水帷幕薄弱區(qū)治理技術(shù)方案

陳 新 張慶松 王鳳剛 劉亞南，2 劉衍凱 郭焱旭 姜其琛

（1.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東濟(jì)南250061；2.青島市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，山東青島266000）

阻水帷幕通過鉆孔揭露裂隙含水層進(jìn)行高壓注 漿，封堵過水通道，改善裂隙巖體物理力學(xué)性質(zhì)［1］和土體滲透性［2］，減少地下水流量［3］，有效截?cái)嗟V體開采區(qū)域的地下水補(bǔ)給［4］，在土石壩［5］、填埋［6］、隧道［7-9］、礦區(qū)［10-12］等工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。礦區(qū)作業(yè)中，阻水帷幕為復(fù)雜富水環(huán)境下的礦體開采創(chuàng)造了有利條件。目前，國內(nèi)外礦區(qū)阻水帷幕已有廣泛實(shí)踐，國外如安格連斯克煤礦、斯托林鐵礦、羅希亞煤礦［1］等，國內(nèi)如徐樓鐵礦［10］、來新鐵礦［11］、龍?zhí)裂罔F礦［12］、大紅山鐵礦［13］等，均取得了良好效果。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對阻水帷幕開展了廣泛的理論研究，王澤群等［4］以堵水率為評價(jià)指標(biāo)，分析了注漿工程在不同帷幕線路和注漿參數(shù)下的堵水機(jī)制；劉鵬飛等［14］對高含水率條件下帷幕注漿加固進(jìn)行了研究，認(rèn)為注漿后的漿液結(jié)石體固結(jié)強(qiáng)度高、圍巖整體穩(wěn)定性好；王凱［15］對全風(fēng)化花崗巖富水底層注漿加固機(jī)理進(jìn)行了研究，形成全風(fēng)化花崗巖地層突水突泥災(zāi)害的系統(tǒng)性注漿治理方法。在礦區(qū)阻水帷幕方面，張偉杰等［16］通過室內(nèi)注漿模型試驗(yàn)系統(tǒng)開展了富水破碎巖體多孔分序帷幕注漿試驗(yàn)，分析了注漿擾動下巖體多物理場演化規(guī)律；付士根［17］對近礦體頂板帷幕注漿進(jìn)行了系統(tǒng)性研究；張偉杰［18］對斷層注漿加固機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出了負(fù)荷控制注漿設(shè)計(jì)方法。阻水帷幕的耐久性和穩(wěn)定性伴隨地下條件產(chǎn)生衰減，嚴(yán)重影響了礦區(qū)作業(yè)。對此，孫子正［1］對帷幕薄弱帶發(fā)育模式進(jìn)行了探索，指出阻水帷幕構(gòu)筑期對導(dǎo)水構(gòu)造的不完全覆蓋，以及地下水軟化浸泡沖蝕作用是帷幕薄軟帶形成的主要原因，而后者更具有顯著的時(shí)間效應(yīng)；李勝［3］、張省軍等［19］分別對礦山帷幕的穩(wěn)定性影響因素及礦山注漿堵水帷幕的穩(wěn)定性監(jiān)測方法進(jìn)行了探索?，F(xiàn)階段對于阻水帷幕的理論研究成果較為豐碩，但涉及阻水帷幕薄弱區(qū)治理的相關(guān)實(shí)踐性成果較少。

本研究針對阻水帷幕隱蔽性特點(diǎn)以及薄軟帶的時(shí)效特點(diǎn)，以張馬屯鐵礦為例，對阻水帷幕薄弱區(qū)綜合治理技術(shù)方案進(jìn)行研究，為礦區(qū)既有帷幕穩(wěn)定性治理提供借鑒。

1 工程背景

張馬屯鐵礦位于濟(jì)南市東郊張馬屯村附近，礦床為接觸交代矽卡巖型鐵礦。由于交接帶內(nèi)形成了由大理巖強(qiáng)巖溶帶、閃長巖破碎帶、蝕變破碎帶共同組成的含水層水力導(dǎo)通帶，故礦床受地下溶水影響較大。前期進(jìn)行了大帷幕注漿鉆孔堵水工程，并形成封閉式帷幕，井下排水量為33 468.5 m3/d。由于礦床阻水帷幕薄弱段受水力破壞作用，導(dǎo)致減水效果減弱，引起的大量排水不僅增加了采礦成本，還對采礦作業(yè)安全產(chǎn)生了威脅，亟需對帷幕薄弱段進(jìn)行分析并采取治理措施。

2 帷幕薄弱段綜合治理方案

2.1 帷幕薄弱區(qū)綜合治理技術(shù)體系

為有效兼顧安全性、長久性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，達(dá)到治理減水目的，本研究提出了帷幕薄弱區(qū)治理技術(shù)方案，如圖1所示。通過帷幕、地質(zhì)、涌水、鉆孔資料的分析，結(jié)合物探、井下及鉆孔探測進(jìn)行全面地質(zhì)分析，確定區(qū)域水力補(bǔ)給水平、帷幕薄弱段位置、不良構(gòu)造形態(tài)及富水空間分布情況，進(jìn)一步結(jié)合各施工要素確定治理思路，并根據(jù)富水性和巖溶裂隙發(fā)育程度的差別采取精準(zhǔn)治理方式進(jìn)行分區(qū)治理；采用信息化施工與動態(tài)設(shè)計(jì)理念開展帷幕薄弱區(qū)綜合治理，一方面依據(jù)超前探測、實(shí)時(shí)監(jiān)測、原位試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)“物探先行、鉆探跟進(jìn)”的思路開展施工，另一方面根據(jù)示蹤試驗(yàn)、材料試驗(yàn)、區(qū)域放水試驗(yàn)［20］結(jié)果判斷治理區(qū)域狀態(tài)，結(jié)合實(shí)時(shí)水文監(jiān)測與實(shí)時(shí)區(qū)域探測數(shù)據(jù)進(jìn)行治理方案動態(tài)設(shè)計(jì)，進(jìn)而形成具有高適用性的礦體帷幕薄弱區(qū)綜合治理方案。

2.2 帷幕薄弱區(qū)特征分析及治理策略

2.2.1 帷幕薄弱區(qū)特征分析

為探明地表至地下-360 m水平作業(yè)面的全貌，首先具體查明地表至-200 m水平第四系潛水和巖溶水賦存規(guī)律，為礦體既有帷幕注漿和水害防治提供可靠依據(jù)。本研究在綜合分析現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上實(shí)施了三維高密度電法探測［21］。根據(jù)大理巖含水體與鐵礦均為低阻體、閃長巖為高阻體的特點(diǎn)，對其進(jìn)行了區(qū)分，通過礦體電阻率三維數(shù)據(jù)體的切片處理來識別礦體富水區(qū)低阻異常。綜合分析礦體電阻率三維數(shù)據(jù)體（圖2）及其切片（圖3）發(fā)現(xiàn)在探測范圍內(nèi)礦體位置存在低阻異常，低阻異常的分布范圍及幅度隨著深度增加而減小，深度250 m處礦體富水區(qū)低阻異常完全消失，說明礦體富水性隨深度增加而減弱。

在重點(diǎn)治理的-360 m水平工作面，根據(jù)前期大帷幕實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，自礦體西南段向西段導(dǎo)水構(gòu)造由小溶洞與溶蝕裂隙向溶洞和大型巖溶過渡。自西南段向西段大理巖中含有的白云質(zhì)成分逐漸增多，導(dǎo)水性逐漸增強(qiáng)。前期鉆探揭露的涌水主要為廣泛發(fā)育的導(dǎo)水巖溶裂隙，鉆孔揭露的涌水點(diǎn)較多、水壓較低、水量較少。

通過資料分析、鉆孔揭露結(jié)果綜合分析表明，阻水帷幕由西北至東南存在4處薄弱區(qū)域（圖4），且阻水帷幕靠近西北段穿越破碎帶。根據(jù)最后一次-360 m水平施工的3個(gè)注漿硐室鉆孔數(shù)據(jù)分析可知：6#硐室鉆孔分布于大帷幕東南部，該區(qū)域大理巖完整性較好，最大涌水量為50 m3/h，僅在大理巖和閃長巖交變帶存在破碎；7#硐室鉆孔主要分布在大帷幕西南段，該區(qū)域大理巖破碎嚴(yán)重，富水性強(qiáng)，破碎富水區(qū)和破碎黃泥富水區(qū)沿鉆孔方向互相交替，最大涌水量達(dá)300 m3/h，因存在黃泥和沙為注漿帶來很大困難，注漿量較少，影響治理效果；8#硐室鉆孔分布在大帷幕西段，該區(qū)域大理巖較薄，破碎帶和破碎黃泥交替，卡鉆嚴(yán)重，富水性較強(qiáng)，最大涌水量為150 m3/h，與7#硐室情況類似，存在黃泥和沙增加了注漿難度，影響了治理效果?？拷筢∧晃鞫蔚?#硐室揭露的涌水構(gòu)造數(shù)量較少，但水量大、水壓高，以順層巖溶通道和溶洞溶管為主，涌水補(bǔ)給能力強(qiáng)。

綜合分析可知，該礦體阻水帷幕治理的難點(diǎn)為：①前期針對性的多輪鉆探注漿堵水以后，大部分導(dǎo)水通道封堵，泄壓區(qū)域急劇減少，水壓逐步升高，水力連通發(fā)生改變，探查不清；②通道區(qū)域大理巖破碎嚴(yán)重，富水性強(qiáng)，破碎富水區(qū)和破碎黃泥富水區(qū)沿鉆孔方向互相交叉侵蝕，易卡鉆、埋鉆，增加了鉆探和注漿施工難度。局部存在片幫、塌方，為后期施工治理帶來很大的安全隱患。-360 m水平大帷幕水壓高達(dá)3 MPa，地下水流速極大，部分區(qū)域形成動水。

2.2.2 基于物探-鉆探的導(dǎo)水通道探查方法

為解決探查不明的工程難點(diǎn)，根據(jù)“物探先行、鉆探跟進(jìn)”的帷幕薄弱區(qū)治理理念，對薄弱區(qū)進(jìn)行了物探-鉆探結(jié)合探測。對帷幕薄弱區(qū)開展了高密度電法探測，圖5為薄弱區(qū)B高密度電法反演結(jié)果，圖中出現(xiàn)了明顯的低阻區(qū)域，推斷為鐵礦或者含水體，標(biāo)出了大理巖與閃長巖的分界面。在分界面下方不存在明顯的含水體，分界面上方介質(zhì)的電阻率均低于10 Ω·m，推斷為鐵礦或者含水體。根據(jù)探測結(jié)果，低阻區(qū)域與鐵礦邊界吻合較好，也反映了閃長巖中穿插的大理巖賦水區(qū)域。依據(jù)高密度電法反演結(jié)果，調(diào)整鉆孔布置，有助于提高鉆孔揭露含水構(gòu)造的可能性。

通過開展鉆探作業(yè)，發(fā)現(xiàn)大帷幕多處鉆孔揭露到大型溶洞并發(fā)生掉鉆。說明該段大理巖巖溶發(fā)育較強(qiáng)烈，地下水流動性強(qiáng)導(dǎo)致溶洞充填物積聚較少。這與-360 m水平已施工的鉆孔揭露的水文地質(zhì)資料較吻合。綜合分析可知，西側(cè)帷幕內(nèi)外水力連通性較強(qiáng)，主要通過巖溶裂隙進(jìn)行水力補(bǔ)給，但是由于導(dǎo)水構(gòu)造的空間發(fā)育規(guī)模較小致使補(bǔ)給能力較弱，且靜態(tài)儲量較低。大帷幕西南部和西部為主要的導(dǎo)水通道，通道區(qū)域大理巖破碎嚴(yán)重，富水性強(qiáng)，破碎富水區(qū)和破碎黃泥富水區(qū)沿鉆孔方向互相交叉侵蝕，存在的破碎黃泥富水區(qū)和沙，提高了治理難度。

2.2.3 基于材料選用的動水治理思路

巖石不耐注漿壓力出現(xiàn)裂痕并伴有涌水出現(xiàn)，表明破碎巖層在水的長時(shí)間浸泡和壓力環(huán)境下遭到破壞，耐壓能力降低?？紤]到破碎巖體堵水一般采用滲透-劈裂聯(lián)合注漿加固模式［22］，當(dāng)出現(xiàn)巖石裂痕伴有涌水發(fā)生時(shí)，根據(jù)注漿孔壓情況停止注漿。當(dāng)涌水量較小、巖壁較完整時(shí)，停止注漿，注入工業(yè)海帶或鋸末等軟骨料，骨料進(jìn)入裂隙內(nèi)阻水成功后再注入濃度更大的水泥漿，封閉涌水裂痕。當(dāng)水泥加固并達(dá)到一定強(qiáng)度后，采用小泵量、小壓力漿液注漿。注漿采用間歇式進(jìn)行，不斷提高破碎巖體的耐壓強(qiáng)度。巖壁裂隙淋水量增大時(shí)，選用速凝材料或者骨料。骨料選擇應(yīng)側(cè)重考慮阻水作用，骨料可通過鉆孔被流水?dāng)y帶至涌水裂隙，實(shí)現(xiàn)在裂隙內(nèi)阻水。成功阻水后，裂隙內(nèi)淋水顯著減少，再次注入水泥漿，封堵涌水裂隙。上述方法成效不顯著時(shí)，可使用高分子材料或特殊無機(jī)速凝材料對涌水裂隙進(jìn)行封堵。

2.2.4 帷幕薄弱區(qū)綜合治理技術(shù)方案

根據(jù)本研究帷幕薄弱區(qū)綜合治理方案，并結(jié)合探查結(jié)果，分別在-360、-240、-200 m等水平以及地表進(jìn)行了精準(zhǔn)補(bǔ)帷幕作業(yè)，依照物探及鉆探結(jié)果對主要導(dǎo)水通道實(shí)施了精準(zhǔn)定位。以井下注漿鉆孔為 例，注漿鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)及涌水量見表1。

3 帷幕薄弱區(qū)綜合治理效果

施工過程中鉆孔揭露的實(shí)際地質(zhì)情況如圖6所示。圖6中，6#、7#、8#硐室位于-360 m工作面，上部存在30～100 m厚的破碎富水帶。

-360 m工作面6#、7#、8#硐室鉆孔及涌水情況如圖7所示。分析可知：6#硐室鉆孔分布在大帷幕東南部，該區(qū)域大理巖完整性較好，最大涌水量為50 m3/h，僅在大理巖和閃長巖交變帶存在破碎，總注漿量達(dá)141.88 t，整體減水效果明顯。

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，-360 m水平減水4 224.5 m3/d；-240 m水平老鉆孔減水量約4 682 m3/d；地表掃孔減水量約1 250 m3/d。治理后井下排水量降至23 312 m3/d，相較于治理前排水量33 468.5 m3/d下降了30.3%，總體減水量為10 156.5 m3/d，減水效果顯著。

以-360 m水平為例，治理前，2017年4—6月-360 m水平井下凈、污排水統(tǒng)計(jì)如圖8所示。圖8（a）為水平泵房排水時(shí)間及排水量統(tǒng)計(jì)，圖8（b）為高壓污水泵排水時(shí)間及排水量統(tǒng)計(jì)。分析該圖可知：單月水平泵房排水耗時(shí)1 300 h左右。單月水平泵房排水量約770 000 m3，單月高壓污水泵排水耗時(shí)380 h左右，單月高壓污水泵排水量約38 000 m3，單月總排水量約800 000 m3，其中5月的各項(xiàng)指標(biāo)處于高位，且5月單月總排水量達(dá)841 250 m3。4—6月份-360 m水平泵房排水總量達(dá)2 316 300 m3，為主要排水來源，總高壓污水泵排水量達(dá)114 800 m3，總排水量為2 431 100 m3，日均排水量為26 715.4 m3/d。

治理后，2018年5月6—22日-360 m水平排水量如圖9所示。因停產(chǎn)后污水泵未上排，故-360 m水平泵房排水量即為該水平總排水量，日平均井下排水量達(dá)22 490.9 m3，最大日排水量達(dá)23 240 m3，最小日排水量達(dá)21 680 m3，統(tǒng)計(jì)期間合計(jì)井下總排水量為382 346 m3。相較于治理前排水量26 715.4 m3/d下降了15.8%，總體減水量為4 224.5 m3/d，減水效果顯著。

4 結(jié)論

（1）提出了依托“物探先行、鉆探跟進(jìn)”理念的帷幕薄弱區(qū)綜合治理技術(shù)方案，即通過帷幕、地質(zhì)、涌水、鉆孔資料的分析，結(jié)合物探、井下及鉆孔探測進(jìn)行全面地質(zhì)分析，確定了區(qū)域水力補(bǔ)給水平、帷幕薄弱段位置、不良構(gòu)造形態(tài)及富水空間分布情況，進(jìn)一步結(jié)合各施工要素確定治理思路，并根據(jù)富水性和巖溶裂隙發(fā)育程度的差別進(jìn)行精準(zhǔn)治理。

（2）張馬屯鐵礦阻水帷幕薄弱區(qū)綜合治理后減水效果顯著，破碎巖體耐壓強(qiáng)度提高、涌水減少，其中井下減水達(dá)30.3%，水平減水達(dá)15.8%，治理成效明顯，可為同類工程實(shí)踐提供參考。

（3）依托張馬屯鐵礦阻水帷幕薄弱區(qū)治理工程，對具有隱蔽性的帷幕薄弱區(qū)提出了具有針對性的綜合治理方案。但由于帷幕薄弱區(qū)的形成具有顯著的時(shí)間性，因此建立健全阻水帷幕風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測評價(jià)方法，形成對阻水帷幕自構(gòu)筑期始的穩(wěn)定性評估，并將帷幕薄弱區(qū)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測、評價(jià)、治理綜合形成整體化方案具有重要的工程意義。同時(shí)，對高水壓高流速條件下的漿液結(jié)石固化作用、注漿加固機(jī)理需要進(jìn)行更深入的探討和研究。