山东张马屯铁矿靶向注浆技术的应用实践

王孝虎 李 胜

(山东钢铁集团矿业有限公司)

张马屯铁矿始建于1966年，矿床水文地质条件极为复杂，涌水量特别大，为防治地下水实现矿体安全开采，在查明矿床水文地质条件后，采用了 “以堵为主，排、堵结合”的防治水方法。经过实施小帷幕注浆堵水工程及大帷幕注浆堵水工程后，堵水效果达到85%以上，实现了安全开采。随着帷幕内-300 m 水平以上的矿石开采接近尾声，采掘作业主要集中于-300～-360 m水平2#～4#矿柱区域，在该区域的采掘过程中经常出现矿房内出水及巷道涌水现象，导致无法正常生产。该区矿井涌水量逐年增多，通过对帷幕微震监测系统获取的微震事件的多项参数和大量震源数据进行分析，发现帷幕附近微震事件也明显增多。为防止帷幕在内外高水力差作用及爆破振动诱导下发生变化，造成大规模涌水事件发生，有必要有效查找并确定帷幕薄弱区漏水点并对其进行定向补注浆治理。在补注浆工程实践过程中，本研究提出了靶向注浆技术，该项技术是一种能够准确查找定位帷幕薄弱漏水点，而后通过钻孔揭露并对其实施高压动水注浆的综合性注浆技术方法。

1 帷幕阻水性及薄弱区分析

1.1 利用微震分析软件评价帷幕稳定性

微震监测技术是利用岩石受力变形和破坏过程产生的微震来监测工程岩体稳定性的技术方法。通过微震监测系统，以微震监测和相关科学计算技术为手段，可以对矿山岩层活动以及岩爆、突水等矿山动力灾害进行连续监测或实时预测[1-5]。本研究利用微震监测系统SeisVis分析软件，对2007年12月—2016年11月的微震监测数据进行了初步分析，去除所有爆破和未知事件仅留微震事件(图1)[6]，帷幕线附近点(事件)数量的多少便可直观反应该区域岩石受力发生变形的情况，可用于研究并圈定帷幕薄弱区域。

1.2 帷幕线附近水文地质分析

图1 帷幕区微震事件分布

(1)强岩溶发育区分析。岩溶发育区地质结构复杂，表现在溶洞裂隙发育较普遍，岩面倾斜较大。因此在矿山进行大帷幕注浆期间，注浆钻孔揭露的岩溶强发育区域极有可能成为富水区和主要导水通道。通过深入研究矿区大帷幕地质剖面图，发现有大块闪长岩体侵入灰岩中，2种不同岩石相互穿插时硬度小的岩石更易受到破坏，造成2种岩性交接带处的灰岩更为破碎，致使交接带灰岩的岩溶裂隙极为发育，成为主要导水通道。该段分布于大帷幕线D70～D92段，埋深-270～-385 m。

(2)断裂构造导水性与区域分析。矿区D70～D82、D102～D103、D120～D125段均存在灰岩顶底板陡升陡降现象以及矿床、灰岩、闪长岩相互穿插现象，由D85、D86、D87 3个注浆孔地质资料均发现存在角砾岩且胶结物为钙质，该处注浆耗灰量极大也反映出该处岩溶极为发育的特点，故推断该处可能为一断层错动带。根据D120～D125段出现的铁矿床由无到有、闪长岩穿插其中、注浆耗灰量极大等现象，分析认为该处发育有一断层破碎带。D134～D138处的O2-Ⅱ大理岩底板陡降35 m，顶板随之向下错动，O2-Ⅲ大理岩顶板陡降21 m，底板起伏更为剧烈，据此推断发育断裂构造的区域为D12～D16、D26附近地段。

(3)放水试验帷幕内外水文地质特征变化分析。经过对帷幕线内外水文观测孔放水试验时水位降深情况进行比对分析，发现帷幕南段观8、观9水位降深变化明显，而其附近的观6、k19水位降深并未发生明显变化，表明观8、观9附近的帷幕内外存在水力联系，综合分析认为观9对应的帷幕以西为帷幕薄弱部位。

1.3 帷幕线地表地球物理探测

针对该矿大帷幕补幕注浆的特殊水文地质条件，采取井上、井下相结合的方式在地表帷幕线部分关键区域采用瞬变电磁法进行探测，查明深度400 m 以内帷幕线内外地下水的分布情况。经地表考察，帷幕西南段具备探测条件。由于矿区水头与潜水层基本一致，因此可以通过探测幕内外潜水水位标高确定幕内外大致水头差，从而确定大帷幕的薄弱环节。通过研究发现大帷幕西南段为主要漏水段，其中D56～D41段帷幕较为薄弱，而D50～D56段透水性最强，据此判断大帷幕西南段的主要薄弱部位处于D50～D56钻孔分布范围内。

根据《张马屯铁矿大帷幕堵水工程总结报告》，对矿床和帷幕线内外进行了微震监测，确定帷幕薄弱区域，在此基础上，分别从岩溶发育程度、可能存在的断裂构造、放水试验中帷幕内外水文观测钻孔水文特征以及地表物探成果等方面对大帷幕阻水性和薄弱部位分别进行了综合分析，确定了大帷幕南段(D34～D41)、大帷幕西南段(D50～D56)以及大帷幕西段(D70～D92)为大帷幕阻水性薄弱区段(图2)。

图2 帷幕薄弱区段分布示意

2 治理方案及关键技术

2.1 治理方案

依据矿体各开采中段巷道布置情况和帷幕薄弱区补漏治理的难易程度，确立了南北分区依次治理的总体思路，即将西南区D50～D56帷幕薄弱部位、北区J30～D117、D120～D125和D131～D141作为首先重点治理区段。通过采用物探和钻探方法对南区(D34～D41)、西南区(D41～D50)和小帷幕西端可能存在的大帷幕薄弱区段进行探查，依据探查结果，采取不同的针对性措施。在上述治理区域实施补幕注浆工程完成后依然无法满足减水要求时，可将南部-360 m注浆巷道向西延伸至D70～D92对应区域内，封堵西区大帷幕西段可能存在的漏水区域。

2.2 动水注浆技术

本研究注浆采用井上、井下相结合的方式，注浆材料以骨料、双液浆和可控新型速凝注浆材料为主，堵水后注浆加固以单液浆为主。水泥采用质量合格的32.5R普通硅酸盐水泥，水玻璃波美度为36～42°Be′，模数为2.4～2.8。无论是单液注浆还是双液注浆，水泥浆水灰比为1∶1～0.5∶1，施工时可根据现场情况适当调整。水泥浆液与水玻璃的配比(体积比)可根据现场配比试验确定。注浆流程如图3所示。

图3 注浆流程

注浆压力值的选取与多种因素有关，在注浆过程中依据帷幕薄弱区域内主要控矿构造的产状，概化模拟边界条件，通过选取适宜的水文地质参数，分别采用了MODFLOW、FEFLOW、VISUALFLOW等数值软件进行了地下水渗流计算；而后通过MATLAB等软件进行地下水流网模拟分析计算，针对不同的注浆材料确定适宜的注浆压力[7-10]，即根据岩壁完整及耐压程度，在破碎带内的注浆压力不宜超过含水层水压的1.5倍，即不超过4.5 MPa，完整岩石内的注浆压力不宜小于6 MPa。

针对裂隙水流速高、水压高、流量大的特点，有必要选取适用于动态封堵的速凝水泥基注浆材料确保注浆堵水效果。一般来说，稳定浆液应具有凝胶时间可调范围大、稀释率可调、动水条件下浆液不易流失冲散、封水永久性能稳定、凝固后结石率为96%～100%、密实结晶内部结构密实等特点。在注浆过程中，本研究采用GXJ系列新型速凝注浆材料进行注浆堵水。该型材料的特点为：①初凝时间可调，终凝和初凝时间间隔短，初凝前浆体的流动性损失小；②抗渗性能较好，在水接触条件下材料性能持久稳定；③早期强度高，后期强度不倒缩并能够持续稳定增长；④微膨胀性能好，可使得材料与岩石壁体进行有效锚固；⑤有助于减少材料施工损耗和提高治水施工效率，降低工程成本。

在日常实践中，本研究尝试向新型速凝水泥基注浆材料中加入一定数量的海带、黄豆、玉米芯、锯末等传统膨胀材料，堵水效果也较好。由于注入海带、黄豆、玉米芯、锯末等骨料时难度较大，有必要应用骨料注入器(一种高压封闭的容器)将骨料添加至骨料注入器内后，连接高压胶管，打开孔口水闸门，通过注浆泵注入清水，依靠注浆泵的高压方可将骨料压入钻孔[11-12]。

3 结 语

以山东张马屯铁矿为例，为确保矿井安全开采，首先分别采用了微震监测技术、水文地质分析、瞬变电磁探测等方法进行了综合探测，确定了大帷幕南段(D34～D41)、大帷幕西南段(D50～D56)、大帷幕西段(D70～D92)为大帷幕阻水性薄弱区段；在此基础上，提出了靶向注浆技术思路，并采用GXJ系列新型速凝水泥基注浆材料进行了注浆治理。工程实施后-300～-360 m水平2#～4#矿柱区域矿房内的出水及巷道涌水现象不再出现，对含水体及导水构造进行注浆封堵，形成了一定厚度的连续、封闭帷幕阻水带，有效隔离了来自顶部岩溶水、基岩裂隙水以及底部大理岩岩溶承压水，使得3#～4#矿柱之间的100万t矿量得以有效利用，在一定程度上延长了矿山服务年限。