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矿山帷幕工程中提高砂层注浆效果方法探讨 朱承敏, 高 超, 容玲聪 长沙矿山研究院有限责任公司, 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ １ ２ 摘 要 随着开采深度的延深, 新桥矿由露天开采转为地下开采, 矿坑涌水量大, 原帷幕已 不能满足地下开采的要求, 为此, 开展了露天坑边坡外侧地表垂直封底帷幕工程, 施工中, 出现内外砂层单位注浆量大, 浆液扩散半径小, 注浆效果差的问题, 为了提高砂层注浆效 果, 对高压旋喷注浆方法和普通注浆方法进行了探讨, 其中高压旋喷注浆方法对集中砂层 区域以及小范围地层加固有较好的效果, 而普通注浆方法在大型帷幕工程第四系砂层中 具有成本低、 操作简单等优点, 可根据具体地质条件, 选择注浆方法. 关键词 深部开采; 矿山帷幕; 砂层注浆 ０ 引 言 安徽省新桥矿业有限公司 以下简称“ 新桥矿” 是一座以硫为主, 伴生铜、 金、 银、 铁、 铅、 锌等多种金 属元素的大型露天、 地下联合开采的矿山.矿坑涌 水量很大, 为典型的大水矿山, 水文地质条件复杂. 矿区东翼原采用露天开采, 目前即将达到露采最终 标高.东翼露天开采期间, 矿山在露天采场东北侧 实施了第四系帷幕和地表帷幕注浆 注浆孔底标高 －１ ８ ０m , 保证了露天采场的安全开采.但当转入 地下后, 因矿体倾向北西, 向北西、 北面、 北东延伸大 大超过原帷幕平面位置, 开采深度也超过原帷幕注 浆底界－１ ８ ０m标高 井采一期拟采－２ ３ ０－３ ８ ０ m标高的９线以西 , 原帷幕作用将大大减弱.为 防止露天转地下开采过程中出现水害事故, 新桥矿 于２ ０ １ ５年开始开展露天坑边坡外侧地表垂直封底 帷幕工程施工. １ 项目介绍 新桥矿露天坑边坡外侧地表垂直封底帷幕, 设 计由两排孔注浆形成, 分别为外线 L ２ x 和内 线 L １ x , 两线相距１ ０m,L １ x靠近露天坑内侧, 两线 平均孔距３８m. 帷幕线外排孔的位置为A－A １－B－C－D线, 长约６ ５ ２． １ ６m,６ ８个注浆孔平均孔距为９．８ ８m.设 计７个检查孔帷幕线内排孔位置为C－D线, 长约 ２ ４ ８．５ ９m, 注浆孔共２ ６个, 钻进总进尺５ ３ １ ９．３ ８m, 平均孔间距为９． ９ ４m. 内外排注浆孔施工时分三序进行, 先施工第一 序孔, 再施工第二序孔, 最后施工三序孔.第一序孔 兼幕址工程水文地质补堪孔, 钻探过程中取芯、 记 录、 水文地质试验按勘探孔的要求进行.第二、 三序 孔根据第一序孔的情况并参考物探成果进行针对性 布置, 一方面检验物探的可靠性, 另一方面提高主要 岩溶通道的命中机率.先施工外排孔, 再施工内排 孔.其中位于溶洞塌陷区域的钻孔为L ２ x－４ １ ６ ７,L １ x ４ １６ ６.砂层施工情况见表１. 表１ 砂层施工情况 砂层区域 钻孔、 孔数 砂层厚度 /m 单孔平均 厚度/m 砂层总注 浆量/m３ 砂层单位注浆 量/ m３/m 外排孔 ４ １６ ７ 、２ ５ ３ ３ ７ １．２ ８１ ３ ４．８ ５３ ０ ９ ３ ６．０ ８ ４９．１ ７ ６ 内排孔 ４ １６ ６ 、３ ３ ５ ８ ９ ０．１ １１ ７ ８．４ ９１ ５ ５ １ ６．９ ５ ４２．６ ３ ４ 从表１可知, 尽管主要砂层区域内外排间距缩 小到３m, 但内外砂层单位注浆量仍很大.说明浆 液扩散半径小, 注浆效果差. 为提高塌陷区域深部注浆效果, 并减少第四系 注浆时地表冒浆, 同时减少钻孔施工事故发生的概 率, 采取了以下措施 １注浆起始标高控制在－１ ０m,－１ ０m以下 注浆段采用花管注浆, 减小长分段注浆. ２注浆前后不做压水试验, 采用高浓度、 高流 动性 低稠度 高结石体强度的水泥粘土浆配比１∶ ２∶３,１∶１∶１．６进行注浆.以注浆结束标准来控 制段注浆效果. I S S N１ ６ ７ １－２ ９ ０ ０ C N４ ３－１ ３ ４ ７/T D 采矿技术 第１ ８卷 第１期 M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l ．１ ８,N o ．１ ２ ０ １ ８年１月 J a n ． ２ ０ １ ８ ３采用岩层注浆压力值的８ ０％作为控制段结 束标准, 防止地面跑浆、 冒浆. ４调整内排孔与外排孔的间距, 主要塌陷区 域控制在３m左右. 设计增加内排孔检查加密孔, 作为注浆效果薄 弱区域的补强措施. ２ 施工中遇到的问题 施工过程中发现帷幕外线从４ ５号孔往东以及 内线４ ３号孔往东的注浆孔上部大片溶洞发育, 顶板 塌陷直接与第四系相连, 底板深度不一, 最深的L ２ x －６ １达２ ０ ９．３ ３m, 且溶洞充填第四系塌陷土层、 角 砾岩、 卵石、 接触带强风化岩层形成的碎石碎块以及 粗砂; 与河流、 水库等联通的溶洞、 裂隙、 断层经矿区 开采时长期的疏导, 主要充填河沙与粉细沙.施工 难度主要为 １地层条件复杂, 注浆钻孔施工难度大, 极易 出现垮孔埋钻烧钻事故. ２浆液的扩散半径小, 且无法采用高压注浆. 压力提高, 容易造成地面边坡冒浆、 套管挤压变形. 注浆效果差. ３ 方法探索 ３．１ 高压旋喷注浆方法 提高砂层注浆效果, 首先考虑的是成本的增加. 采用高压旋喷注浆对第四系及砂层注浆效果较好. 高压喷射注浆法适用于处理淤泥、 淤泥质土、 流 塑、 软塑或可塑黏性土、 粉土、 砂土、 黄土、 素填土和 碎石土等地基.该方法被广泛运用于既有建筑和新 建建筑的地基加固处理、 深基坑止水帷幕、 边坡挡土 或挡水、 基坑底部加固、 防止管涌与隆起、 地下大口 径管道围封与加固、 地铁工程的土层加固或防水、 水 库大坝、 海堤、 江河堤防、 坝体坝基防渗加固、 构筑地 下水库截渗坝等工程.其特点主要有 １设备需求专业化, 成套化配置. ２施工现场要求高. ３专业技术要求高, 需配置专业技术人员. 由于高压旋喷法注浆主要采用桩基工程, 单根 桩基一般采用间距１２m的多个钻孔同时注浆加 固形成.这是因为高压旋喷浆液有效扩散半径为１ ２m.而国内大型帷幕工程设计孔距一般为１ ０m, 砂 层区域２５m.因此, 在帷幕工程中运用高压旋喷 方法处理砂层时, 工作量将大大提高, 同时该方法单 价成本远高于普通注浆方法, 所以, 对帷幕堵水率要 求不是非常高的情况下, 一般采用普通注浆方法. ３．２ 普通注浆方法 普通注浆方法要尽可能的提高砂层的注浆效 果, 只能根据地层情况设计合理的孔间距. 在本帷幕工程中, 由于业主提供的地质资料跟 实际地层情况不符, 设计１ ０m孔间距无法满足要 求, 在施工检查孔时５ m的间距仍无法形成帷幕 墙.针对此情况, 对砂层区域设计内排钻孔, 孔距 １ ０m, 排距３m, 呈梅花型错开布置. 具体施工方案及步骤 １钻孔施工 大口径开孔 方便下多层套管 , 一般不低于１ ３ ０mm.施工至注浆起始标高后, 下 第一层套管, 并用水泥浆固结, 防止浆液从地表及孔 口冒出. ２全孔从上之下分段注浆, 段长根据地层及 施工难度控制, 每段一般不超过１ ０m.该段注浆达 到结束标准后继续施工下一段, 直至成孔. ３根据地层情况及工程要求, 合理下第二、 三 层套管, 不采用水泥浆固结, 以便成孔后取出套管, 减少材料成本. ４钻孔各段注浆达到设计要求后, 取套管, 封孔. 施工中易遇到的问题及处理 １地表及孔口冒浆.由于第一层套管水泥浆 固结效果不好, 造成孔口周边冒浆的, 在套管止水固 结过程中, 需确保水泥浆从孔口周边返出, 因裂隙漏 水无法返浆的需先对裂隙自流注浆后再固结套管, 并保证充足的水泥浆凝固时间 １ ２h以上或添加速 凝剂 .因裂隙导致地表冒浆的, 采用提高浆液浓 度、 添加速凝剂、 降低注浆压力以及间歇注浆方法. ２因砂层垮孔缩径等无法按原孔位施工.本 帷幕工程采用从上至下注浆, 确保上部地层得到反 复注浆, 但也造成扫孔工作量增大, 以及成孔难度加 大.在该段注浆达到设计要求后, 扫孔至该段位, 并 下入套管穿过易垮孔缩径地层, 再继续施工下一段. ３因地层及注浆压力因素造成套管变形断裂 等.在下套管前, 确保该段注浆达到设计压力以及 套管质量符合要求.注浆压力的提高有利于注浆效 果的提升, 但是压力过高会造成套管变形断裂等事 故.因此, 在注浆过程中, 施工技术人员需严密观察 压力变化情况, 确保不出现超压注浆.同时, 设计人 下转第５ ５页 ３４ 朱承敏, 等 矿山帷幕工程中提高砂层注浆效果方法 [３]宫宇新, 何满朝, 汪政红, 等．岩石破坏声发射时频分析算法 与瞬时频率前兆研究[J]．岩石力学与工 程学报,２ ０ １ ３,３ ２ ４ ７ ８ ８ Ｇ ７ ９ ９． [４] MO G IK． S o u r c e l o c a t i o no fe l a s t i cs h o c k s i nt h ef r a c t u r i n g p r o c e s s i nr o c k[J]． B u l l e t i no fE a r t h q u a k eR e s e a r c hI n s t i t u Ｇ t e,T o k y oI m p e r i a lU n i v e r s i t y,１ ９ ６ ８,４ ６８ １ １ ０ ３ Ｇ １ １ ２ ５． [５] S C HO L ZCH． E x p e r i m e n t a l s t u d yo f t h e f r a c t u r i n g i nb r i t Ｇ t l er o c k[J]． J o u r n a lo fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h,１ ９ ６ ８,７ ４４ １ ４ ４ ７ Ｇ １ ４ ５ ４． [６] J AN S E DDP,C A R L S ONSR,YOUN GRP,e t a l ． U l t r a Ｇ s o n i c i m a g i n ga n da c o u s t i ce m i s s i o nm o n i t o r i n go f t h e r m a l l y i n d u c e dm i c r oc r a c k s i nL a cd uB o n n e tG r a n i t e[J]． J o u r n a l o fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h,１ ９ ９ ３,B １ ２９ ８ ２ ２ ２ ３ １ Ｇ ２ ２ ２ ４ ３． [７]裴建良, 刘建锋, 左建平, 等．基于声发射定位的自然裂隙动 态演化过程研究[J]．岩石力学与工程学报,２ ０ １ ３,３ ２ ４ ６ ９ ６ Ｇ ７ ０ ４． [８]左建平, 裴建良, 刘建锋, 等．煤岩体破裂过程中声发射行为 及时空演化机制[J]．岩石力学与工程学报,２ ０ １ １,３ ０ ８ １ ５ ６ ４ Ｇ １ ５ ７ 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成本, 施工方法及操作简单, 可以在矿山帷幕中得到 较好的推广运用.该２种注浆方法均能有效地提高 注浆效果. 参考文献 [１] G B１ ２ ７ １ ９－１ ９ ９ １．矿区水文地质工程地质勘探规范[S]． [２]刘正峰．水文地质手册[M]．出版社 银声音像,２ ０ １ ０． [３]丛 山．矿山帷幕注浆堵水工程设计与施工[M]．地质出版 社,２ ０ １ １． [４]黄才启, 孙 健．大水矿山截水帷幕注浆工程施工关键技术 [J]．探矿工程 岩土钻掘工程 ,２ ０ １ １,３ ８１ ２ ７ ４ Ｇ ７ ８． [５]王立彬, 毕明亮, 许小东．复杂砂砾石层坝基帷幕灌浆中特殊 地层处理对策[J]．云南水力发电, ２ ０ １ ０,２ ６０ ４ ６ ３ Ｇ ６ ６． [６]姜春山．高压旋 喷桩工程特性 研究[J]．科 技 创 业 家,２ ０ １ ３ ０ ６ ３ １． 收稿日期 ２ ０ １ ７ Ｇ １ ０ Ｇ ３ １ 􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙􀤙 上接第４ ６页 [１ ０] 岳建华, 薛国强．中国煤炭电法勘探３ ６年发展回顾[J]．地球 物理学进展,２ ０ １ ６,３ １０ ４ １ ７ １ ６ Ｇ １ ７ ２ ４． [１ １] 刘树才, 刘鑫明, 姜志海, 等．煤层底板导水裂隙演化规律的 电法探测研究[J]．岩石力学与工程学报, ２ ０ ０ ９,２ ８０ ２ ３ ４ ８ Ｇ ３ ５ ６． [１ ２] 张 彬, 牟 义, 张俊英, 等．瞬变电磁法在导水裂隙带高度 探测中的研究应用[J]．煤炭工程, ２ ０ １ １０ ３ ４ ４ Ｇ ４ ６． [１ ３] 张宏伟, 荣 海, 韩 军, 等． EH－４在复杂巨厚煤层覆岩破 坏范围确定中的应用[J]．地球物理学进展,２ ０ １ ４,２ ９ ０ ５ ２ ３ ０ ７ Ｇ ２ ３ １ ３． [１ ４] 陈义群, 肖柏勋．论探地雷达现状与发展[J]．工程地球物理学 报,２ ０ ０ ５, ２０ ２ １ ４ ９ Ｇ １ ５ ５． [１ ５] 邓志刚, 李国宏, 盛继权, 等．基于微震分析法的特厚煤层导 水裂缝带高度研究[J]．煤矿开采, ２ ０ １ ２,１ ７０ ６ ８ ６ Ｇ ８ ８． [１ ６] 申 涛, 袁 峰, 宋世杰, 等． P波各向异性检测在采空区导 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