岩溶裂隙产状对帷幕注浆施工及堵水的影响

高学通 刘殿风 蒋鹏飞

(华北有色工程勘察院有限公司)

帷幕注浆作为一种有效治理矿山地下水害的技术手段，能够在保障矿山安全开采的同时有效保护区域地下水资源环境，已日益成为人们所关注的焦点［1-3］。对于基岩裂隙含水层，帷幕注浆是将具有胶凝性的浆液在一定压力下泵入岩溶裂隙，并形成一定强度的结石体以堵截过水通道，从而起到减少矿坑涌水量，保障井下采矿作业安全的作用。

在帷幕注浆工程设计阶段，为了便于制定施工质量标准，常把岩溶裂隙含水层视为各向均匀的透水体。根据含水层的平均裂隙率和渗透系数，计算浆液在一定注浆工艺下的扩散程度及叠加情况，从而对设计幕体的堵水效果进行评价分析。

但是，根据理论分析和实际施工情况可知，基岩裂隙发育情况受到区域构造和地下水潜蚀的影响，表现为明显的不均匀性和分带特征［4-6］，其对注浆效果的影响不言而喻。本研究结合南李庄铁矿帷幕注浆施工过程，通过钻探岩芯裂隙统计和区域构造分析，揭示了岩溶裂隙产状对矿山帷幕注浆施工和堵水的影响。

1 工程概述

南李庄铁矿原名胡峪铁矿，位于河北省邯郸县南李庄村，已于1994完成地质勘探，查明铁矿石储量2 285.7万t。矿区地层由老到新依次为奥陶系、石炭系、二叠系、新近系和第四系。该矿属于接触交代型磁铁矿床，赋存于中奥陶系钙镁质碳酸盐岩与燕山期闪长玢岩的接触带上，中奥陶系灰岩含水层为矿体的直接围岩。

南李庄铁矿为水文地质条件极为复杂的大水矿山，水文地质研究报告中预测该矿开采至－150 m水平时矿坑最高涌水量可达74 470 m3/d。为了减少矿山排水费用、保障开采安全并保护矿区地下水资源，矿山选择帷幕注浆技术治理地下水，设计帷幕线长约1 691 m，注浆孔169个，帷幕线平面布置形式详见图1。

图1 南李庄铁矿设计帷幕线平面布置与矿区构造

矿区构造极其发育，主要表现为褶皱和断裂，褶皱主要分布在中奥陶系地层中，为南北构造体系。断裂主要分布在矿区东部及北部石炭、二叠系地层中，属新华夏构造体系，断层走向以北北东、北东向为主，多以高角度(70°左右)正断层形式出现，矿区构造组合关系如图1所示。

2 矿区岩溶裂隙产状划分

中奥陶系石灰岩是矿区的主要含水层，以岩溶裂隙为主，裂隙率为0.7% ～1.5%，含水层平均渗透系数为5.954 m/d。

表1为钻探施工中某10个终孔钻孔注浆段岩芯导水裂隙情况统计结果(平均每孔注浆段总长595.25 m)，由此可见矿区裂隙产状及发育情况。为便于分析，将导水裂隙划分为水平岩溶裂隙、垂向岩溶裂隙、斜向岩溶裂隙3种类型。

表1 矿区岩溶裂隙发育情况统计

2.1 水平岩溶裂隙

如图2所示，水平岩溶裂隙面基本垂直于钻孔轴向，偶见于地层层位发生变化的部位，宽度一般有几毫米，大者可达数厘米。虽然此种产状裂隙在区内少见，但钻探揭露层间构造破碎带常发育有透水性和连通性较强的大型水平溶隙，为矿坑的主要进水通道之一，也是注浆施工的重点改造部位。

2.2 垂向岩溶裂隙

图2 水平岩溶裂隙

由图3可知，垂向裂隙面基本平行于钻孔轴向或与轴向相交角度极小，为矿区最为常见的裂隙形态，多为岩体经受先期构造运动剪切或张拉产生，后期地下水溶蚀改造。由钻探取芯可见，部分垂向裂隙为闭合节理，断面充填方解石脉，基本隔水，而大部分则具有一定的张开度，宽度不一，从数毫米至数厘米，断面粗糙，常具水蚀现象，说明其具有很强的透水性和连通性，为矿区主要岩溶过水通道，也是帷幕注浆施工中浆液的主要充填部位，其充填程度直接影响幕体的堵水性能。

图3 垂向岩溶裂隙

2.3 斜向岩溶裂隙

图4 所示为斜向岩溶裂隙的发育情况，其断面倾角介于以上2种裂隙之间，为钻探中较为常见的裂隙形态，发育宽度数毫米甚至更大，断面十分粗糙，连通性和延展性均较好，同样是矿区岩溶水的赋存场所和运移通道，需要注浆施工予以封堵改造。

图4 斜向岩溶裂隙

3 浆液在不同裂隙中的运移情况

裂隙产状形态控制着注浆过程中浆液的运移、扩散等，是幕体堵水效果的影响因素之一，同时对注浆施工存在一定的影响。

3.1 浆液在水平裂隙中的运移

浆液在水平岩溶裂隙中的运移情况如图5所示，浆液通过裂隙向周围扩散，围绕注浆段周围形成一定近圆形范围的结石体以充填裂隙空间，此种情况最为符合设计和验算要求。但是，浆液实际运移距离范围受到裂隙宽度、裂隙面粗糙程度等因素控制，本研究不作探讨。

图5 水平岩溶裂隙中浆液运移情况

3.2 浆液在斜向裂隙中的运移

如图6所示，由于斜向岩溶裂隙与注浆孔呈斜交状，在注浆过程中，浆液在机械压力和自身重力的双重作用下，沿着裂隙向四周运移，其中向下流动的浆液扩散距离和程度势必优于向上方流动的浆液，因为后者需要抵消掉一部分自重压力。

图6 斜向岩溶裂隙中浆液运移情况

3.3 浆液在垂向裂隙中的运移

对于垂直钻孔帷幕注浆施工而言，垂向裂隙是一种较为特殊的产状形式(其中包括断面陡倾的裂隙)，通过图6的分析可知，浆液在近平行于钻孔轴向的平面内流动，在压力作用下逐渐充填所有连通性较好的导水部位。

然而，此种裂隙产状对注浆施工存在较大的影响。如果裂隙垂向连通性强，可能造成部分浆液顺着裂隙绕过注浆段充填该段底板以下尚未进行钻探施工的部位(如图7中④处所示)，因裂隙被先期充填，从而影响下段注浆时浆液的扩散程度，对幕体堵水不利。这也是造成部分Ⅰ序孔钻探过程中偶尔发现浆液结石的主要原因之一。

图7 垂向岩溶裂隙中浆液运移情况

4 帷幕线与裂隙组合形式对注浆施工及堵水的影响

前文分析了单孔浆液在3种不同产状岩溶裂隙中的运移特点，但工程的最终目的是形成具备堵水能力的帷幕体，这需要沿帷幕线的一排注浆孔间的浆液具有相互叠加补充作用才能达到目的，因而帷幕线与几种裂隙间的组合关系是影响注浆施工、幕体质量和堵水效果的重要因素。

4.1 水平和斜向裂隙的影响

如图8所示，水平和斜向岩溶裂隙与帷幕线钻孔的组合关系较为简单，因为裂隙平面在水平向具有较好的展布，注浆施工中容易被控制，不易造成疏漏。浆液扩散范围较均匀，相邻各次序注浆孔间连通裂隙中浆液能够起到互相加密补充的作用，在此情况下形成的幕体堵水性能较好。

图8 水平与斜向溶裂隙中浆液扩散叠加情况垂向剖面

但是，在相邻或孔距较小的钻孔同时进行注浆施工的情况下，如果彼此存在连通性较好的水平或斜向裂隙，两孔间易发生串浆事故，严重者浆液甚至把止浆塞和注浆管凝固在钻孔内，处理起来难度很大。因此，在注浆施工过程中应严格遵守技术规程，采取孔口注水等方法监测孔内水位抬动情况，在保证注浆质量的同时减少此类事故的发生几率。

4.2 垂向裂隙的影响

垂向或陡倾岩溶裂隙断面与帷幕线可呈平行或者斜交形式，通过沿帷幕线方向的垂向剖面(图9)的分析可以看出:图9(a)中显示基本平行于帷幕线的垂向裂隙只要被钻孔揭露，浆液就可以在顺着帷幕线方向裂隙平面内流动，形成堵截地下水通道的墙状结石体，对幕体堵水有利;然而在图9(b)中，裂隙与帷幕线成一定角度相交，在注浆孔间距一定、裂隙间连通性差、为独立过水通道的情况下，将会存在部分如图中①～④所示的裂隙难以被浆液充填，从而成为工程质量的隐患部位，对于幕体形成良好堵水性能极为不利。另外，图10(a)、(b)分别为图9中2种情况所对应的水平剖面示意图，由此也十分明确地解释上述了问题。

4.3 矿区构造对注浆施工的影响

本区构造十分发育，属新华夏构造体系，由图1分析可知，区内分别发育有NNE向的背斜、向斜和正断层穿越帷幕线南北两段。

对于褶皱而言，其核部地层往往较为破碎，层间错动和各向裂隙极为发育，而断层两侧常伴生有次级断裂，这些部位后期经地下水流侵蚀、冲刷，形成良好的过水通道，是帷幕注浆施工中应当重点勘察、治理的位置。

由图1所示，设计帷幕线的BD、GH和HA段均和矿区主要构造迹线相交，因此，在施工过程中，首先应结合Ⅰ序注浆孔进行详细的地质勘察，探明以上位置构造及各种岩溶裂隙的发育特征、透水情况等，为注浆施工、布置检查加密孔和后期幕体堵水效果评价打下基础。

5 结论

(1)本研究结合南李庄铁矿帷幕注浆工程实例，将矿区内的岩溶裂隙划分为3种常见类型，分别为水平、垂向和斜向岩溶裂隙。

(2)阐述了浆液在上述3种不同类型岩溶裂隙中的运移、叠加规律，在此基础上分析了帷幕线与裂隙、构造的组合形式对帷幕注浆施工、幕体堵水效果的影响，重点提出应关注与帷幕线相交的垂向(陡倾)裂隙对工程质量可能造成的不良影响。

(3)根据钻孔岩芯难以判别裂隙面走向，故对几种裂隙间的组合关系缺少相关分析。在很多地层中，各种不同类型的裂隙往往交错发育，形成良好的裂隙网络，这些连通性良好的裂隙对于施工过程中浆液的扩散和互相叠加是有利的，同时地层吸浆量也是很大的。因此，结合区域构造发育特征，加强矿区的地质条件研究是保障帷幕注浆工程达到预期要求的先决条件，应予以高度重视。

［1］ 卢 萍，侯克鹏.帷幕注浆技术在矿山治水中的应用现状与发展趋势［J］.现代矿业，2010(3):21-24.

［2］ 王 军.矿山地下水害防治技术新进展［J］.采矿技术，2002，2(3):55-58.

［3］ 蒋鹏飞，于同超，高广峰.帷幕注浆工艺在大水矿山中的应用［J］. 现代矿业，2010(6):118-120.

［4］ 孙 钊.大坝基岩灌浆［M］.北京:中国水力水电出版社，2004:45-46.

［5］ 安润莲，宁永香.岩溶研究现状及发展趋势［J］.煤炭技术，2002，21(5):55-57.

［6］ 庄金银，黄永亮.影响岩溶发育因素的几点探讨［J］.西部探矿工程，2008(1):127-129.