帷幕注浆技术在铜仁汞矿基建期防治水中的应用

王永智， 寇明遥， 郑建新， 王光宁

（1.西北矿冶研究院，甘肃 白银 730900；2.金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 737104）

0 矿区水文地质

铜仁汞矿田位于铜凤汞矿带中段中部，在大兴背斜东侧，北西至F108断裂，南东抵F21断裂，横跨北北东向延伸的区域相交线.出露地层为寒武系中、上统.矿田内，分布有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级褶皱，其中Ⅲ级褶皱广为发育.按其展布方向可分为北西向、北北东向、北东向及南北向等4组褶皱.

铜仁汞矿乱岩塘矿床位于F24断裂北盘之茶田——孙营脑Ⅱ级背斜北东翼上.矿床内，地表出露地层主要为上寒武统比条组（∈3b），仅在图幅东缘出露少量车夫组（∈3c）.钻探工程揭露地层由老至新为∈2a2（上部）∈2a3、∈2a4、∈2a5、∈2h、∈2h1、∈2h2、∈2h3等.中寒武统敖溪组第5段（∈2a5）是矿床的含矿层.北西向褶皱构造由南往北有茶田--孙营脑Ⅱ级背斜、Ⅲ级格皱有大坪背斜、乱岩塘背斜、亭子关背斜及相间的同级向斜.断裂构造发育，在矿床南缘有近东西向的Ⅰ级F24断裂， Ⅰ级断裂由北向南依次有 F108、F24、F21、F20等.其中尤以F24断裂在矿田内延伸最长、对矿田影响最大.Ⅱ级断裂由南至北有 F101、F102、F104、F105、F107、F202等.它们呈北东、北东东向.F104、F105、F107断裂横穿乱岩塘矿床.F107是矿田规模最大、对乱岩塘矿床有影响的Ⅱ级 断裂[1].F24阻水构造水文地质剖面见图1.

图1 F24阻水构造水文地质剖面图

铜仁汞矿乱岩塘矿床为深埋地下的隐伏盲矿，其不仅低于当地的侵蚀基准面，而且由于F24断层的切割结果，比白崖壁矿床低约200 m.区内虽有地表水流通过，但鉴于上部含水层富水性弱，一般对矿床不存在威胁；“Ⅰ”级断裂构造多具隔水性和阻水性，对地表水体和上部含水层的沟通可能性不存在.其余断裂构造有一部分虽然具有一定的导水性，却仍然是比较弱的（ZK3605，K=0.041 77 m/昼夜），说明与上部含水层有沟通.据此，乱岩塘矿床隶属于岩溶裂隙充水矿床.

1 基建淹井事故

2006年5月29日，在进行主副井联络道施工时，距主井中心92 m处（图2），进行凿岩，在掏槽孔施工时，发现有2个孔出水，凿岩深度1.8m，水头有一定压力，射程为30～40 cm，并用2.5 m的钎杆在辅助眼、周边眼进行探水，均未发现异常.爆破停止，进行水量观测.5月30日，发现水头喷射射程不远，表面水压不大，并于5月30日17∶30分钟矿山进行了爆破作业.

爆破结束后，发现爆破后的作业面大量出水，及时通知井下所有施工人员安全撤离，并开动井下所有抽水设备排水.

发生透水事故后，在确保人员安全的前提下，矿山立即进行了抽水自救工作，于5月30日18∶00分钟全部开动中段水仓的4台水泵，排水至主井六号水仓，水泵设计流量为180m3/h，由六号水仓直接排出地表.

但在排水过程中，发现流量为180 m3/h的排水量，不能及时排出所有的透水，中段巷道中随着时间的延长，水面开始上涨.为了防止水面上升，漏电烧毁配电柜，经研究决定：放弃中段排水设备，人员撤离，中段电源切断.井筒水面上升320m，距离井口170m，井下的所有设备全部被淹没.

根据透水情况，透水点距离F106断层约35 m，其F106断层次生裂隙发育强烈，各裂隙与F106断层互相贯通.因此，预防断层附近的次生裂隙及断层是关系到开拓工程是否顺利进行的关键，本次透水直接经济损失约360万元[2].

2 基建期防治水方案

由于矿床矿体主要分布在F106断层和F107断层之间，且矿体跨越F106断层，按照设计，穿越F106断层的南1巷主巷及南4巷回风巷道，靠近F107断层的各条施工巷道，都存在一定的水患[3].

图2 透水时井下工程开拓系统图

因此，在基建期首先查明巷道前方的水文地质条件.利用TSP202超前工程水文地质预报系统[4]，对巷道掌子头前方的水文地质情况进行勘查，准确掌握水文条件后，按照制定的防治水预案和设计，进行下一环节的施工.根据地质预报情况，对开拓、采准巷道需要通过的断层、破碎带，可采用超前支护的方式进行施工；对于含水的断层或破碎带，进行涌水量测试，测试结果水量大于20m3/h的地段，原则上采用帷幕注浆技术[5]，通过该地段，切勿盲目施工.

对于TSP202系统暂无法掌握巷道前方地质体的开拓巷道，原则上在钻凿掏槽孔的中心空眼时，采用5m长的钎杆进行探水作业，进行防治水作业.

帷幕注浆是对巷道前方的不良地质体，提前进行注浆，封堵地下水的过水通道、胶结破碎的围岩，形成隔水层，防止巷道开挖到不良地质体区域时，周边地下水出现大量渗流，发生突水或影响巷道的施工，以达到堵水和加固围岩的目的.帷幕注浆主要针对巷道穿过涌水、涌泥或塌方严重地段、富水围岩段（如含水砂层）、地下水十分丰富的断层破碎带等时采用[6].

3 地质预报

以淹井事故为教训，邀请有关科研单位对矿山主要开拓巷道进行TSP202超前工程水文地质预报，该预报是注浆堵水实施前，查明出水点部位及出水点前方岩层的岩性、构造、裂隙的开度、规模及产状、导水性和富水性等参数[7].矿山已有的地质报告主要针对矿体储量的探查而进行，虽然已查明了矿区内一些大的断裂构造，但对于矿区下部局部的导水构造而言，其勘探孔布设的网度尚不能满足井下治水要求.为此，注浆堵水作业面需采用超前地质预报系统.

TSP202地质超前预报系统是目前精度较高的一种，由4大部分组成，分别是人工震源、传感器单元、记录单元和分析单元.一次探测的距离为150～200 m，本工程采用这种物探形式，其预报系统见图3.

图3 TSP202地质超前预报系统原理图

通过对南1巷进行TSP202超前工程水文地质预报，发现在开拓巷道南1巷前方30m处有不明地质体，与F106断层相距5m左右，表明该不良地质体就是F106断层.采用同样的方法，对靠近F106断层方向的巷道进行了探测，并准确推断不良地质体的位置，如图4所示.

图4 TSP202预报不良地质体图

4 帷幕注浆

4.1 止浆岩盘确定

根据工程地质条件，开拓巷道围岩主要为十分稳定的白云岩，不存在明显的软弱层，平均抗压强度32.4MPa，利用其岩石的结构完整性，围岩预留3m厚止浆岩盘，这样既可以节省钻孔的深度，减少工程量，同时，利用岩体自身的强度，减少浇筑人工止浆墙[8]，安全经济.

4.2 注浆管安装

先采用YQ70F型浅孔钻机，凿岩3.0 m深，将2.8 m长Φ60的无缝钢管利用钻机插入，外留20～30 cm，管壁与孔口接触处用快速锚杆水泥卷填塞.

4.3 注浆钻孔施工

为了合理布孔，先在作业面按照设计，进行作业面钻孔定位，并按设计钻孔的方位角调整钻机，固定并进行凿岩.凿岩时，注意岩石的变化，裂隙发育情况、出现涌水位置，并进行涌水量和涌水压力的测试[9].当单孔出水量小于30 L/min，可继续施钻；否则，立即停止凿岩，进行注浆[10].

其钻孔布置如图5所示.

图5 注浆钻孔布置图

4.4 注浆浆液的制备

按照设计要求，将525#水泥和水玻璃浆液[11]按照设计的配比，利用搅拌机均匀搅拌，搅拌后的浆液利用1mm×lmm网筛过滤，确保浆液均匀.

4.5 注水试验

注浆管路全部连接好后，对系统进行带压注水，检查注浆管路的密封性；同时冲冼岩石之间的堵塞物，扩大浆液通路，增加浆液冲塞的密实性[12]，其系统连接见图6.

图6 注浆系统布置图

注浆压力的大小，根据凿注浆孔时，测得的静水压、裂隙大小、浆液的性能及扩散距离、止浆岩盘的抗压等参数确定.注浆压力高，浆液的渗透性能好，堵水和加固的范围大；但过高时，会造成浆液的返流等[13].因此，注浆压力按静水压的1.5～2倍计算.

根据2007年4月25日，南1巷水压测试，该水压为3.6 MPa[14]，初步判断与发生透水时的静压力相同，证明其F106断层的次生裂隙是相互贯通的.为此，设计注浆压力为5.4～7.2 MPa.

4.6 浆液量计算

浆液注入量根据破碎带段巷道的断面、浆液的扩散半径、岩层裂隙率、结石率、注浆损耗等参数计算确定，按下述公式计算[15]：

其中：L为富水段 （或裂隙破碎带）沿巷道轮廓的弧长，m；D为浆液扩散距离的平均值，m；h为受注段的厚度，m；η为岩层裂隙率；β为浆液的结石率；K为注浆损耗系数，取1.1.

4.7 注浆方式

由于本次钻孔过程中未遇见泥夹层，仅为涌水，设计采用全孔一次压入式注浆.当注浆压力达到设计终压，双液浆吸浆量小于10 L/min，稳定3 min，检查孔涌水量小于0.2 L/min.即可结束.

5 巷道施工

2007年4月3日～5月28日，对已探明的南1巷进行帷幕注浆施工，此地段静水压力为3.6 MPa，采用水泥525#、水玻璃和外加化学剂进行注浆，注浆压力平均为6 MPa，其中单孔注浆量为1～4 t浆液[16]，注浆结束后，7 d后进行光面爆破开挖，揭露断层厚度约2.56 m，漏水率为5%以下，注浆成果.

同样对南1回风巷、南4、6主巷进行了帷幕注浆.

6 结 论

通过对铜仁汞矿基建期井下开拓系统采用帷幕注浆技术，顺利通过富水断层F106的实践，其经验值得同类矿山系统借鉴.

1）帷幕注浆从技术和施工方面来看，十分成熟，对控制地下水灾有着十分重要的意义；

2）通过采用帷幕注浆技术，从防治水方面，技术上是可行的，仅需要从经济方面进行比较；

3）对现已开采的矿山，因涌水量等引起的安全隐患，是完全可控和消除的.

4）帷幕注浆技术对涌水量较大的矿山，能有效降低企业防排水成本，提高企业的经济效益.

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