水口山铅锌矿鸭公塘矿区大型帷幕注浆治水工程技术特点.doc

水口山铅锌矿鸭公塘矿区大型帷幕注浆治水工程技术特点曾绍权提要：本文汇编了水口山帷幕注浆治水工程中摸索出的一整套因地制宜、技术先进、经济实惠的帷幕注浆治水技术，包括无线电波探测技术、钻孔定向导斜钻进技术、地面与井下联合注浆方案、自流注浆方式和孔内爆破技术等。前言：水口山铅锌矿是国内外有名的大水矿山之一。1966年至1968年矿床疏干过程中，曾出现强烈震响，地面塌陷面积约1.44平方公里，大小塌洞800余个。1968年一次洪水灌入塌洞水量达135万立方米，矿坑涌水量成倍增加，严重威胁井下采矿作业安全，每年排水电费高达100150万元。塌洞毁坏农田510亩，迁建居民村3个，造成不良的社会影响。据勘察部门预测，洪峰季节矿井涌水量将大大高于矿井排水能力。矿山处在淹井威胁之下，帷幕注浆治水技术的应用已势在必行。1969年，水口山矿务局铅锌矿与长沙矿山研究院及湖南有色217队联合制定了“地面井下联合注浆帷幕治水方案”，经上级主管部门批准列为部重点科研项目。自1970年2月至1986年6月，历时16年4个月，终于完成了长560米、深250米的大型帷幕注浆治水工程，完成钻探进尺31471.36米，巷道掘进1036米，注入水泥23129.36吨，尾砂3540.82吨，工程总投资524.46万元，取得了堵水作用，保证了鸭公塘的安全回采，每年可节约排水电费73万元，使地面塌陷区的发展得到控制，收到了良好的综合经济效益和社会效益。水口山铅锌矿帷幕注浆治水工程是我国金属矿山最先使用注浆技术治理矿区地下水的大型帷幕注浆工程，如此大规模的注浆帷幕在世界上亦尚无先例，所遇技术问题之复杂程度在国内外实属罕见。水口山人在兄弟单位大力协助下，攻克了一道道难关，摸索出了一整套适合当地条件、技术水平高、经济效益好而又简便可靠的施工方案，为我国较大型帷幕注浆治水工程提供了可资借鉴的宝贵经验。本文系根据该项工程的技术研究总结报告及相关资料综合编写而成。1、矿区水文地质特征与注浆帷幕方案简况1.1 矿区水文地质特征矿区位于衡阳盆地南缘，盐湖复式向斜北端。矿区南部、西南部为二个花岗闪长岩体，该岩体结构致密，不含水，为矿区南部、西南部之隔水层。矿区东部为二迭岩系当冲组（原矛口组）砂页岩，为矿区东部隔水层。矿区含水层有二个，分别分布于矿区西北部的二迭系当冲组上段的含燧石结核灰岩和栖霞组灰岩。二含水层之间有当冲组砂页岩相隔，无明显的水力联系。上部含水层发育深度0100米，补给源不充分，对矿区充水影响不大。下部含水层岩溶裂隙发育，透水性强，是矿区地下水补给的主要通道。尤其是栖霞灰岩与当冲组砂页岩的接触带，岩石破碎，岩溶裂隙发育，透水性极强，埋深200250米，平均厚度20米，对矿坑充水起着决定性作用。鸭公塘矿区的矿体集中在当冲组砂页岩与火成岩构成的“V”形三角地带内，地下水均由西北方向以4501200的角度进入矿区。矿区在疏干排水期间，其西北部的曾家桥一带产生大面积塌陷，大量洪水沿塌洞下灌，严重威胁矿井生产安全。综上所述，矿区水文地质的主要特征是：（1）三面隔水，一面进水且进水角度不大。（2）进水口两翼有比较可靠的隔水岩体。（3）岩溶发育程度由浅而深变弱，主要过水断面集中在一个厚度不大的接触带上。（4）第四系与基岩之间无可靠隔水层，矿区疏干排水时，在矿区附近产生严重的地面塌陷和洪水倒灌，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响（参见图1）。由此可见，鸭公塘矿区具有比较好的建立注浆帷幕的水文地质条件。1.2 注浆帷幕方案简况鸭公塘注浆帷幕属大型深部基岩注浆帷幕，当时国内外矿山尚无此类帷幕的先例。广大科技工作者勇于开拓，根据本矿区的特点，同时参照国内外可供参考的资料，于1969年提出了帷幕注浆工程的初步设计方案，后几经充实和修改，至1974年才基本定型。最终方案如下；（1）帷幕布置在采矿崩落区范围之外，与最近的矿体（、号）相距40米，帷幕设计长度330米，后因发现东北部隔水边界东移，使帷幕实际长度增至560米。帷幕增长后两端隔水边界可靠。（2）帷幕带地面标高为96150米，注浆钻孔控制深度达450米，实际主要注浆段发育在60100米标高，一般孔深250米。根据15个深孔揭露情况表明，在150米标高以下均未发现富水地段。（3）帷幕厚度参照一般水电大坝岩基灌浆的实例定为10米。（4）注浆钻孔采用单排布置，孔距10米，终孔口径一般不少于91毫米。（5）注浆孔实际数目为57个（其中4个兼作输浆孔）。（6）采用固定式地面造浆站造浆，通过管道及输浆孔，浆液自流直接灌入注浆孔。（7）注浆材料以水泥单液浆为主，添加尾砂作充填材料，水玻璃、碳酸钠等作促凝剂，必要时加入适量的锯末。（8）观测孔的布置，目的是观测帷幕内外地下水动态变化，帷幕外5个，帷幕内2个，帷幕线上3个。（9）井下注浆巷道工程，1974年设计为587米，1979年实际增至1036米。2、帷幕注浆工程施工技术2.1 钻孔定位方法2.1.1 应用无线电波透视技术确定孔位利用地下水与围岩的电导率和声波阻抗具有明显差异这一特性，采用井中无线电波透视法和电火花声波透视法，寻找岩石中溶洞和裂隙发育地段，并确定可能存在浇流的部位。将JWT1型无线电波透视仪和电火花声波仪的发射机与接收机置于先期已施工的两孔内，用不同测试方法于钻孔全深测得数条相应曲线并互相交汇得出低阻异常区和声影异常区。本工程共实施无线电波透视的钻孔9个，圈定出36个低阻异常区，实施声波透视钻孔5个，圈定出7个声影异常区，根据该法测试所得出的异常所处位置，为下一批注浆钻孔的布置提供依据。通过已施工的钻孔验证，证明与无线电波及声波测试结果基本吻合。应用此法可节约大量的钻探进尺，并对主要过水地段作了进一步的肯定。2.1.2 通过地下水连通试验确定孔位在帷幕上游钻孔内投放指示剂如荧光素、亚硝酸或食盐等，在下游各地段的钻孔及井下泄水点取水样，根据水样分析结果编制流速图，寻找出隐伏迳流带，为补充设计注浆钻孔提供依据。本工程利用此法查明在D2D3号钻孔一带尚有迳流通道存在，据此补充施工了注浆钻孔B3号，经9次注浆，注入水泥798.35吨，尾砂154.96吨，水玻璃7.15吨，锯末2.48吨，形成结石体积735.99立方米，有效堵塞了该处隐伏迳流通道。2.1.3 利用资料的综合分析确定孔位根据大量的钻孔资料和井下巷道实测资料，结合地下水长期动态观测资料进行综合分析，得出地下水进入矿坑的三个主要区段位置，即东部区段、中部区段和西部区段，其长度分别是115米、80米和80米。 在正常情况下，这三个区段的涌水量占鸭公塘矿区总涌水量的80%以上。据此综合分析成果，相应地确定了帷幕注浆施工的重点，从整体上克服了注浆布孔的盲目性。2.2 垂直钻孔施工技术对深度较大的注浆帷幕来说，钻孔垂直度关系重大，影响整个帷幕的连续性和完整性。钻孔设计对此有严格要求：钻孔揭露含水段后，允许偏离设计位置的距离不超过2米。因此钻孔在0150米深度内必须保持直孔，以后每加深100米，倾角允许偏差10。控制钻孔偏斜的主要技术措施是：（1）钻孔安装牢固平稳，开钻前严格检查主轴垂直度。（2）重视开钻质量，开孔钻具粗径的长度随钻孔的延深而加长，最后保持在1822米左右。（3）钻具保持正直不变形。（4）加重钻具，采用钻头号料作岩心管，总重约550700公斤。（5）保持孔底清洁，如岩粉及投砂量均不宜过多。（6）控制轴心压力。（7）加强测斜，每钻进2025米测斜一次，发现孔斜超标，应及时采取措施纠偏。实践证明，采用上述措施施工的钻孔，70%以上达到设计要求。2.3 钻孔定向导斜技术钻孔定向导斜即是在地面钻孔内采用定向导斜技术，在一个主孔内含水段以上的某一位置按设计要求在含水段中导出一个或数个分枝钻孔（参见图2）。定向的原理如图3所示，已知导斜设计方位角 ，并实测得仪器与钻孔中心线连线方位角 ，则可求出导向方位角与仪器方位角之差（ ），据（ ）求出相应弧长L=0.01745 （1800 ），得一照准标志线。据此利用定向瞄准器、经伟仪、井口中心照准器、罗盘、钢卷尺等定向工具进行地面定向，控制井内导斜楔的方位，将楔子送到预定深度进行导斜钻进，钻孔即可按预定方向从主孔分导出支孔来。本工程中共施工导斜钻孔47个，占地面钻孔总数的46%，累计钻探进尺5041.69米，占地面钻孔总工程量的20%，节约无效钻进9400米，占地面钻探总量的41%，利用导斜孔补注水泥2085吨，占总注入量的10%。实践表明，对于注浆段埋深较大的钻孔，采用钻孔定向导斜的先进技术，大大减少了注浆段以上的无效进尺，减少钻机搬迁次数，较大的节约了钻探施工费用，加快了施工进度。事实证明，钻孔定向导斜是建造深层帷幕的一种好方法。2. 4注浆新工艺地面与井下联合注浆地面与井下联合注浆即是在帷幕工程的前期通过地面钻孔对含水层注浆，而在工程后期，在井下适当的位置沿某一预注地层掘进注浆巷道，在巷道中用水平钻孔揭露含水层，用地面造浆站造浆，浆液经输浆钻孔自流进入井下注浆巷道的注浆孔中，对含水层进行注浆（参见图4）。地面与井下联合注浆是本帷幕注浆施工工艺的一个特点。对于含水层埋深较大的帷幕而言，在井下钻进注浆孔，可大量节省钻孔无效进尺，钻进有效进尺可达80%，钻孔揭露含水层或某一水文地质体准确，钻孔报废率低，钻机安装、搬迁方便，钻进效率高，钻孔成本较地面降低50%左右。利用地面造浆站造浆、供浆，材料运输方便，造浆站不受空间限制，可利用大型造浆设备和优化造浆工艺，供浆充足，工人劳动强度低，地面作业条件好，地面与井下联合注浆方案，既保留了地面造浆这一系列优势，又发挥了井下打钻注浆的所有优点，是一种因地制宜、灵活可靠、节省成本的注浆新工艺。2.5 注浆方法自流注浆自流注浆的实质是利用地形高差产生的位能由造浆站供浆，利用钻孔中的浆液自重所产生的压力迫使浆液在含水岩溶裂隙中扩散，达到注浆目的。帷幕带含水层和地下水位埋深在200米以上，利用孔内浆柱自重可产生2535公斤/厘米2的压力，而注浆段底板静水压力仅为23公斤/厘米2。室内实验表明，溶洞泥在2公斤/厘米2压力下即失水处于稳定状态，自流注浆压力足于满足堵水和稳定溶洞泥的需要。当地形高差所产生的浆柱压力足于满足注浆压力时，采用自流方法注浆，可以简化注浆工艺，省去注浆泵，也不受泵的流量限制和故障影响，提高了注浆工作效率又节省能源，同时能根据不同地质条件，加入地层能够吸收的各种掺和料，而无需考虑泵的磨损及堵塞问题，操作简便。2.6 提高钻孔吸浆率新技术孔内爆破在孔隙性含水层或裂隙很小又沟通不好的含水层，用一般注浆方法堵水效果比较差。为了沟通钻孔附近的岩溶裂隙，常采用孔内爆破技术，即在注浆孔内预定位置进行孔内爆破，形成人为的网状裂隙，使注浆孔与周围固有裂沟通，达到提高岩层裂隙率和可注性，从而达到减少注浆孔数、提高堵水效果的目的。孔内爆破的装药量与岩层结构、性质、要求振动范围的大小、炸药的性能、钻孔直径等因素有关，经验用量为1045公斤。所用炸药的防水性能要好（如甘油炸药）。本工程中共实施孔内爆破20余次，使孔内注浆材料注入量提高530吨，收到了明显的效果。3、注浆质量检查为获得较好的注浆堵水效果，必须在施工过程中进行一定数量的注浆质量检查工作。本工程采用了工程检查和利用无线电波透视法检查。3.1 钻孔检查在工程设计中，注浆质量检查钻孔数量占钻孔总数的20%，重点布置在主要进水通道地段，以查明这些地段注浆后的渗漏程度，浆液扩散方向、水泥的充填程度和结石强度等。当检查钻孔发现该处尚有导水通道未封闭时，可利用检查钻孔进行补注浆。3.2 巷道检查除了利用原有采掘井巷涌水点的涌水量在注浆前后的动态变化来了解注浆效果外，还通过掘进巷道直接揭露注浆层位的办法，更直观检查注浆效果。本工程共实施注浆检查巷3条，合计进尺946米。井下检查巷又为实施无线电波和电火花声波检测及水平钻孔补注浆创造了条件。3.3 应用无线电波透视法检查注浆效果应用无线电波透视法的检测成果，除了满足注浆钻孔布孔的需要外，同时也为注浆效果的检查提供重要依据。注浆前，含水岩层的溶洞裂隙对高频电磁波有强烈的吸收反应，使接收机接收到的信号显著减弱，出现“阴影”区；注浆后，水泥结石替换水并充填于溶洞、裂隙中，将不完整的含水岩层变为完整不含水的高阻介质，使注浆段接收信号普遍升高，原有的“阴影”区消失；若岩溶裂隙未被充填或充填不饱满，则仍存在信号减弱的阴影“区。通过注浆前后无线电波透视资料对比，即可评价注浆效果。本工程利用此法检查帷幕带东段及东延段的注浆效果，其中发现J1孔壁及附近，在注浆前经钻孔透视发现含水层有一个7米长、3米高的“异常”，经注浆后透视，在相应位置虽测得异常，然而形状有变化，已分割成三个小“异常”，这是浆液局部充填的结果。后经补孔注浆，该“异常”消失。巷道检查也证明该段含水性已大大减弱。3.4 电火花声波透视法检查注浆效果注浆前，地层与岩溶裂隙交界面处，由于两边物质疏密度相关悬殊，故波阻抗明显不同，声波传播至此，会产生比较强烈的反射、折射、绕射和散射现象，从而吸收部分声能形成“声影”，使接收信号减弱；注浆后，水泥结石挤走了水，其交界处两边物质疏密度比较接近，波阻抗差值接近或消失