0 前言
巖溶大水礦床是指水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶含水層異常發(fā)育，礦坑涌水量每天數(shù)萬(wàn)甚至數(shù)十萬(wàn)方的礦床。這些礦床巖溶水防治難度及成本較高，開采時(shí)將面臨突水淹井、地面沉降、地面巖溶塌陷、地下水資源破壞等水文地質(zhì)問題，有些礦體甚至在勘探階段已認(rèn)定為不宜開采。但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)金屬礦產(chǎn)的需求增加，老礦山向深部、邊部擴(kuò)大產(chǎn)能，一些原認(rèn)為不適宜開采的新大水礦床也進(jìn)入基建階段，礦山地下水害問題日益嚴(yán)重，開發(fā)巖溶大水礦床防治水新技術(shù)也是刻不容緩。礦體旁側(cè)帷幕注漿技術(shù)是近年我院開發(fā)應(yīng)用的巖溶地下水害防治新技術(shù)，該技術(shù)堵水率高，能有效的解決巖溶礦區(qū)地面塌陷、地下水資源損耗、排水電費(fèi)高昂等問題，與礦區(qū)地面帷幕注漿技術(shù)一樣成為巖溶金屬大水礦床根治地下水害的有效措施之一。
1 帷幕注漿技術(shù)及阻水機(jī)理
帷幕注漿技術(shù)最早應(yīng)用于水電大壩壩址中，隨著注漿堵水的廣泛應(yīng)用，逐漸成為礦山防治水的一種防治水新技術(shù)。帷幕注漿堵水的實(shí)質(zhì)就是通過鉆孔揭露含水層中的裂隙、孔隙、孔洞，通過高壓注漿，對(duì)含水層中的過水通道進(jìn)行充填、壓密、固化，改變含水層的滲透性能，形成類似帷幕狀的隔水帶(層)。隨著帷幕注漿技術(shù)在礦區(qū)防治水的發(fā)展應(yīng)用，在礦區(qū)地面帷幕的基礎(chǔ)上，我院又開發(fā)了礦體旁側(cè)帷幕注漿技術(shù)，更豐富和完善了復(fù)雜大水礦山防治水的技術(shù)方法。
帷幕注漿阻水機(jī)理就是利用漿液在含水層中的有效擴(kuò)散，對(duì)一定厚度含水層中的巖石空隙進(jìn)行加固、充填，使局部含水層透水性發(fā)生變化，從原來(lái)的強(qiáng)透水層變?yōu)楦羲畬?。注漿后巖石變化主要有兩方面：
(1)高壓注漿使?jié){液注入巖石空隙中，對(duì)巖石中的空隙或空洞等地下水賦存空間及運(yùn)移通道進(jìn)行充填，使巖石孔隙度降低，致密程度增加，給水度和透水性減弱;
(2)注漿后巖石(含結(jié)實(shí)體)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，巖石抗壓、抗?jié)B能力增強(qiáng)，提高了巖石抵抗幕外(或頂板)水壓的能力。
2 礦體旁側(cè)帷幕注漿技術(shù)及其特點(diǎn)
巖溶大水礦床由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜，受地層的可注性和注漿材料等影響，礦體旁側(cè)帷幕注漿施工完成后，井下排水設(shè)備仍應(yīng)具有最大礦坑涌水量的排水能力，以確保安全開采。下面就礦體旁側(cè)帷幕注漿適用條件、工程布置、安全厚度、效果檢查、安全開采要求等方面進(jìn)行介紹。
2.1 適用條件
(1)礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦坑涌水量大，傳統(tǒng)的疏干方案將產(chǎn)生高昂的排水電費(fèi)和嚴(yán)重的水文地質(zhì)問題;
(2)礦區(qū)水文地質(zhì)條件研究程度較高，對(duì)含(隔)水層分布、構(gòu)造含(導(dǎo))水性、水力聯(lián)系等有一定的認(rèn)識(shí)及工程驗(yàn)證;
(3)礦體相對(duì)集中，礦床儲(chǔ)量豐富。因防治水工程規(guī)模大，一次性投入多，在礦產(chǎn)資源開發(fā)中應(yīng)考慮成本效益;
(4)礦體頂(底)板為含水層，且?guī)r石可注性較好。該技術(shù)最終需要漿液充填孔隙或裂隙形成隔水帷幕，需要漿液在巖石中擴(kuò)散至安全厚度，形成一定厚度的保護(hù)層，因此，要求頂?shù)装鍘r石可注性較好。
2.2 工程布置
礦體旁側(cè)帷幕注漿工程一般分為前期工程、后期工程兩步實(shí)施。
(1)前期工程。對(duì)開拓工程采用超前探水注漿的方法，查明礦巖的邊界、巖溶含水層巖溶裂隙發(fā)育規(guī)律及富水性，實(shí)施礦體內(nèi)穿脈水平探水注漿工程，開展井下礦體頂板群孔關(guān)(放)水試驗(yàn)及注漿工作，查明礦體頂?shù)装逅牡刭|(zhì)、工程地質(zhì)特征。井下形成足夠的排水能力，建立礦區(qū)地下水動(dòng)態(tài)觀察網(wǎng)絡(luò)。
(2)后期工程。前期工程完成后，根據(jù)水平探水注漿鉆孔揭露的資料和研究分析，在巖溶較發(fā)育的地段、地下水相對(duì)豐富的區(qū)段、地下水進(jìn)入礦坑的主逕流帶以及一些可能存在的含水盲區(qū)進(jìn)行橫向鉆孔加密探水注漿工程，鉆孔方向與前期的水平探水注漿鉆孔的方向在空間上大致垂直，主要是封堵平行于穿脈水平探水鉆孔方向的導(dǎo)水裂隙，最終在礦體周圍形成有一定厚度的人工注漿蓋層(礦體旁側(cè)帷幕)。
2.3 注漿施工工藝流程
注漿施工工藝流程為：地面自動(dòng)控制集中造漿——專用輸漿管路——各個(gè)水平分支管路——井下二級(jí)貯漿池——注漿泵——注漿管——孔口高壓裝置——注漿。
2.4 安全厚度
礦體旁側(cè)帷幕既可以作為隔水巖層，又可以作為采場(chǎng)的頂板，所以其具有隔水和保持礦房圍巖穩(wěn)定的雙重作用。注漿帷幕體一方面需要承受采礦時(shí)的爆破震動(dòng)以及平衡采場(chǎng)頂板應(yīng)力的集中，同時(shí)另一方面要抵抗帷幕體外的承壓水壓力，所以注漿帷幕體的厚度是礦體旁側(cè)帷幕注漿參數(shù)中最重要的一個(gè)參數(shù)，如果帷幕厚度太小，則在采掘作業(yè)過程中可能會(huì)有突水的隱患，如若幕體厚度過大則大大增加施工成本，延長(zhǎng)施工周期。我院黃炳仁教授以巖石力學(xué)和彈性力學(xué)為理論依據(jù)，計(jì)算業(yè)莊鐵礦井下礦體旁側(cè)帷幕注漿安全厚度22.81m，效果良好。
2.5效果檢查
2.5.1 帷幕注漿質(zhì)量的檢查
(1)數(shù)據(jù)分析：根據(jù)帷幕注漿施工過程中鉆孔揭露頂板水文、工程地質(zhì)特征以及鉆孔漿液消耗量變化情況，尤其是掌握后序鉆孔與前序鉆孔的涌水量、單位吸水率、漿液注入量和注漿壓力等參數(shù)是否按規(guī)律變化，從而在注漿施工過程中判斷注漿的質(zhì)量。
(2)檢查孔檢查：一是在注漿后期，采用檢查孔取芯檢測(cè)并進(jìn)行壓水試驗(yàn)對(duì)注漿區(qū)域的注漿質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查孔數(shù)量為注漿孔總數(shù)的 10%。二是在礦體的采準(zhǔn)階段，利用炮孔或中深孔鉆機(jī)(4～20m)針對(duì)上盤巖層布置 1～2 個(gè)鉆孔進(jìn)行探查。
(3)水位觀測(cè)：在帷幕注漿施工過程中，通過大量鉆孔注漿，必然會(huì)封堵大量的導(dǎo)水裂隙通道，并減少礦坑涌水量，影響礦區(qū)觀測(cè)孔的水位變化，通過多個(gè)觀測(cè)孔水位變化情況分析，可以了解漿液運(yùn)移的規(guī)律，從整體上了解注漿帷幕堵水的效果。
2.5.2 堵水效果的檢查
堵水效果的檢查可以礦坑疏干放水后礦坑涌水量變化作為直接手段，條件不具備時(shí)，可利用已有井巷和鉆孔進(jìn)行抽水試驗(yàn)驗(yàn)證，或者專門布置抽水孔。礦山基建達(dá)到一定程度時(shí)也可采用礦坑放水試驗(yàn)。并結(jié)合注漿后地下水流場(chǎng)的變化，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
2.6 安全采礦要求
注漿堵水后，雖然給礦體回采提供了較強(qiáng)的安全保障，但由于帷幕體仍然承受上部含水層的水頭壓力，帷幕體本身在含水構(gòu)造發(fā)育的部位可能存在薄弱處，又或者受到采掘活動(dòng)或者地壓變化破壞，有重新形成導(dǎo)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。具體要求有：
(1)采礦方法一般要求為膠結(jié)充填采礦方法，防止帷幕體因穩(wěn)固性受影響遭到破壞;
(2)為確保礦山長(zhǎng)期安全高效生產(chǎn)，帷幕構(gòu)建后，井下仍須有與預(yù)測(cè)涌水量相匹配的排水能力;
(3)在富水區(qū)的聯(lián)絡(luò)巷道外布設(shè)防水閘門，若出現(xiàn)大的突水，難以采用注漿及時(shí)封堵，可將突水巷道與礦井其余部分隔離，對(duì)井下的安全生產(chǎn)起保護(hù)作用;
(4)采空區(qū)頂板殘余涌水及時(shí)封堵，對(duì)大于1m3/h淋水直接注漿封堵，防止長(zhǎng)時(shí)間洗空巖溶裂隙中的泥質(zhì)充填物，造成過水通道加大，水量加大，形成惡性循環(huán)。
(5)堅(jiān)持探水注漿，采掘或防治水工程中，在富水區(qū)或發(fā)現(xiàn)突水異?，F(xiàn)象，應(yīng)施工超前探水孔進(jìn)行探水。
3 礦體旁側(cè)帷幕注漿技術(shù)在業(yè)莊鐵礦的應(yīng)用
3.1 工程概述
業(yè)莊鐵礦構(gòu)造斷裂、巖溶裂隙、溶洞極發(fā)育，大理巖含水層中的地下水靜儲(chǔ)量、動(dòng)儲(chǔ)量十分豐富。補(bǔ)給源匯水面積達(dá)100km2以上，預(yù)計(jì)礦坑涌水量12萬(wàn)m3/d，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，為我國(guó)北方有名的大水礦山。礦體旁側(cè)帷幕注漿工程共施工探水注漿鉆孔816個(gè)，合計(jì)鉆探進(jìn)尺41379.9m，注漿量20545.99m3。
3.2 技術(shù)效益
3.2.1 經(jīng)濟(jì)效益
業(yè)莊鐵礦礦坑涌水量原為100000 m3/d左右，實(shí)施井下礦體旁側(cè)帷幕注漿工程后，井下已看不見滲、漏水點(diǎn)，排水泵房已基本上不用排水了，因此，井下帷幕注漿堵水率幾乎達(dá)100%。防治水工程共投入了1500萬(wàn)左右的工程成本，每年節(jié)省排水電費(fèi)1095萬(wàn)元，可安全開采礦石價(jià)值約14億元，經(jīng)濟(jì)效益巨大。
3.2.2 社會(huì)、環(huán)境效益
礦體旁側(cè)帷幕注漿堵水率一般在90%以上，業(yè)莊鐵礦更是高達(dá)100%?；灸芸刂频孛娌凰荩鼙Ｗo(hù)地下水資源等。同時(shí)，礦山不用疏排地下水，礦區(qū)地下水位基本能恢復(fù)至開采前水平。不僅保護(hù)地下水資源，確保了地面不塌陷，避免了工農(nóng)矛盾的發(fā)生，而且大大改善了井下作業(yè)環(huán)境，確保了井下生產(chǎn)的安全。
4 結(jié)論
(1)巖溶大水礦床的開采，傳統(tǒng)疏干排水因能耗高、排水電費(fèi)高、環(huán)境問題突出，不能滿足日益提高的安全和環(huán)保的要求。因此，帷幕注漿技術(shù)是復(fù)雜大水巖溶礦山的必然選擇。根據(jù)礦山水文地質(zhì)條件、礦體賦存狀態(tài)、采礦方法等多方面因素綜合考慮選擇地面帷幕注漿或者井下礦體旁側(cè)帷幕注漿;
(2)礦體旁側(cè)帷幕注漿前期工程進(jìn)行穿脈水平探水鉆孔注漿，查清礦區(qū)地下水主要徑流通道等水文地質(zhì)特征，封堵大部分導(dǎo)水構(gòu)造;后期工程實(shí)施橫向鉆孔加密注漿，揭露不同方向的導(dǎo)水裂隙，對(duì)井下帷幕注漿前期工程起到補(bǔ)充、完善和檢查的作用。業(yè)莊鐵礦實(shí)踐表明，該技術(shù)可操作性強(qiáng)，堵水效果好。
(3)實(shí)施礦體帷幕注漿工程后后，給采礦環(huán)境提供了較強(qiáng)的安全保障，但仍需采取一定的安全措施。
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聲明：
“巖溶大水礦床礦體旁側(cè)帷幕注漿新技術(shù)” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來(lái)源：長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司
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