石灰岩含水层中高角度裂隙对帷幕注浆的影响分析

蒋鹏飞 赵立涛 高学通

(华北有色工程勘察院有限公司)

石灰岩含水层中高角度裂隙对帷幕注浆的影响分析

蒋鹏飞 赵立涛 高学通

(华北有色工程勘察院有限公司)

矿山帷幕注浆技术在大水矿山地下水防治方面的作用逐渐受到业界的广泛认可，矿山帷幕注浆工程量大、工期长，作为大型隐蔽工程，其施工质量受到很多因素制约和影响，而受注地层的裂隙发育条件则是影响注浆施工的一项重要因素。以南李庄铁矿帷幕注浆工程为例，通过对工程中钻探和注浆资料的分类统计，分析了矿区灰岩含水层岩溶裂隙发育特征和裂隙产状对注浆施工的影响，认为矿区地层普遍存在的高角度裂隙对于浆液扩散搭接存在不利影响，结合现有工程施工经验，提出了降低这种不利影响的合理建议，为类似工程提供参考。

帷幕注浆 灰岩含水层 高角度裂隙

矿山帷幕注浆是近年来为解决大水矿山安全开采和区域地下水资源保护等问题而逐渐兴起的防治水技术[1-4]。作为隐蔽工程，其注浆和堵水效果受到很多客观地质因素的制约和影响，如待注浆岩体裂隙发育程度、裂隙宽度及延展性、裂隙连通程度、充填物的性质和充填程度、破碎带透水性等。本文以南李庄铁矿帷幕注浆工程为例，分析矿区地层中高角度岩溶裂隙对注浆施工的影响，结合现有施工经验，提出合理的注浆工艺改进措施，旨在指导同类工程施工。

1 工程简介

南李庄铁矿位于河北省邯郸县，矿区处于一个相对独立的水文地质单元中，主要含水层为奥陶系石灰岩岩溶裂隙水，含水层裂隙岩溶发育，富水性强。矿床赋存于潜水面以下120～114 m，水文地质条件复杂。为了保证矿山安全开采和保护区域地下水资源，南李庄铁矿实施帷幕注浆工程堵截地下水。

本工程设计帷幕线长1 691 m，施工注浆孔171个，检查孔24个，加密孔7个，总钻探进尺为122 666.9 m；平均孔深为613.87 m，最大孔深为735.76 m；总注浆量为143 694.99 m3，最大单孔注浆量为4 092.08 m3，最大平均单位注浆量为6.98 m3/m。

2 水文地质条件

南李庄铁矿帷幕注浆工程施工场区位于独立水文地质单元中部偏东位置，处于强径流带，周边无明显隔水边界，见图1。

图1 场区水文地质简图

施工场区内主要含水层为中奥陶统石灰岩以溶隙为主，含丰富的裂隙岩溶潜水，平均渗透系数达到5.95 m/d，地下水静水位标高基本保持在+100 m左右。

场区含水层富水性在水平向呈现东侧和北侧较强、西侧和南侧较弱的趋势：在垂向上体现上弱、中强、下弱的趋势，其中+130 m标高以上为弱富水段，+130～+100 m标高为富水段，+100～-150 m 标高为强富水段，-150～-200 m标高为富水段，-200～-320 m标高为弱富水段，但局部位置存在富水性和透水性强的裂隙岩溶。

场区内基底为燕山期闪长玢岩，其顶板接触带在场区内起伏不平，最浅处标高为-129.87 m，最深处标高为-490.92 m。在工程中对闪长玢岩进行压水试验，其平均单位透水率仅为0.25 Lu，说明燕山期闪长玢岩可作为场区内的隔水层。

3 高角度裂隙对注浆的影响分析

3.1 灰岩裂隙形态划分

裂隙角度是断裂面与岩芯中轴线垂直面的夹角。按裂隙角度的大小，可将裂隙分为3个类别：水平裂隙，倾角为0°～10°；斜交裂隙，倾角为10°～60°；高角度裂隙，倾角为60°～90°[5]。裂隙形态见图2。

图2 裂隙形态

3.2 灰岩裂隙角度分析

以南李庄铁矿帷幕注浆工程为例，对其中的Ⅰ序孔进行裂隙夹角统计，见表1。

-200 m标高是中部强含水层的下限，因此，-200 m 标高以上的石灰岩含水层是本工程重点注浆治理对象，其裂隙角度发育规律见表2。

表1 Ⅰ序注浆孔石灰岩含水层裂隙夹角统计

表2 -200 m标高以上石灰岩含水层裂隙夹角统计

从表2可以看出，-200 m标高以上的石灰岩含水层中，大于60°的高角度裂隙占到了79.3%，10°～60°的斜交裂隙仅有19.4%，低于10°的水平裂隙只有1.4%，说明场区内石灰岩含水层裂隙发育角度以高角度为主。

3.3 注浆与裂隙角度的关系

矿山帷幕注浆是利用钻探揭露含水层裂隙，将可凝结的浆液通过外加高压注入到裂隙之中，使其扩散到一定范围，待浆液凝结后完全充填裂隙空间，达到封堵裂隙通道，隔离帷幕内外水力联系的目的。

一般来说，在水平裂隙进行注浆，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；在斜交裂隙中注浆，由于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，由于自重压力的存在，在浆液扩散距离和程度上，下方向势必优于上方向和水平方向；而高角度裂隙可能造成部分浆液顺着裂隙越过待注浆段，对下部尚未钻探施工的含水层进行充填，不利于下段注浆浆液的扩散，可能影响到帷幕的堵水效果[5]。

3.4 高角度裂隙对注浆的影响

南李庄铁矿帷幕注浆工程中45个Ⅰ序孔有25个钻孔在钻探过程中揭露有浆液结石，占Ⅰ序孔总数的57.78%。Ⅰ序孔在注浆前出现浆液结石有2种可能：①含水层裂隙岩溶发育，连通性好，浆液平面扩散距离远；②含水层高角度裂隙发育，浆液垂向导通至下部未钻探注浆段，这种浆液结石往往出现在垂向裂隙之中。

通过对工程中Ⅰ序孔发现浆液结石的位置、时间和相邻注浆孔施工情况进行对比，分析认为其中18个Ⅰ序孔出现浆液结石是因为高角度裂隙。对这18个Ⅰ序孔和邻近Ⅲ序孔的注浆资料(表3)进行分析,可以看出在高角度裂隙影响下，附近Ⅲ序孔注浆情况为30.55%的Ⅲ序孔单位注浆量小于Ⅰ序孔注浆量的50%，近50%的Ⅲ序孔单位注浆量大于Ⅰ序孔注浆量的70%，单位注浆量超过Ⅰ序孔的Ⅲ序孔占了20%。对比邻近矿区帷幕注浆工程可以看出，南李庄矿区地层由于高角度裂隙较为发育，造成浆液水平向扩散叠加困难，在经过Ⅰ、Ⅱ序孔的注浆施工后，大部分Ⅲ序孔仍存在注浆量偏大的情况，需要加强分析。

3.5 注浆效果评价

对于上述分析中认为由于高角度裂隙发育造成Ⅰ序孔出现浆液结石的18个Ⅰ序孔，通过布置检查孔和加密孔对其中的12个孔进行了注浆效果检查验证，验证孔布置与注浆情况见表4。

由表4可以看出，12个验证孔中仅有2个孔平均单位注浆量大于0.5 m3/m，注浆量低于Ⅲ序孔的平均值。但是，在12个验证孔中共计进行了170段次的压水试验，其中有34段次压水试验结果大于1 Lu(小于帷幕体设计防渗标准2 Lu)，有15段次单位注浆量大于1 m3/m，单段最大单位注浆量达到3.51 m3/m，说明在高角度裂隙发育的地层部位浆液水平向扩散较为困难，各序孔间注浆量的叠加递减效应不明显，由此证明高角度裂隙对帷幕注浆施工和幕体堵水效果有较大不良影响。

表3 高角度裂隙影响下Ⅲ序孔注浆情况统计

表4 高角度裂隙条件下注浆效果验证统计

4 结 语

借助南李庄铁矿帷幕注浆工程相关施工资料，分析了石灰岩含水层中高角度裂隙对注浆施工的影响，认为高角度裂隙在一定程度上影响了浆液的扩散范围，造成局部地段Ⅲ序孔注浆量偏大，影响了帷幕体局部的注浆效果。因此，对于受到高角度裂隙影响的Ⅰ序孔，如果附近Ⅲ序孔注浆量过大，应视为注浆异常地段，必须进行注浆补强。

对于普遍存在高角度裂隙的大水矿山，在采用帷幕注浆技术治理地下水时，建议采取以下措施：

(1)开展大规模注浆施工前必须进行帷幕线地质勘察和注浆试验，确定裂隙发育产状及程度，对高角度裂隙发育的地段适当缩短注浆孔孔距。

(2)要达到相同的水平扩散范围，在高角度裂隙中浆液需要更长的流动距离，必须选用适宜的混合浆液，增强浆液的流动性，延长浆液的凝结时间，从而降低高角度对于扩散距离的影响。

(3)浆液的流动距离一定程度上取决注浆泵施加的压力，因此可以适当增大有效注浆压力，便于浆液在高角度裂隙含水层中扩散。

[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,高广锋.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] 宋 峰,刘新社.中关铁矿帷幕注浆工程科技成果汇编[M].武汉:中国地质大学出版社,2012.

[5] 高学通,刘殿风,蒋鹏飞.岩溶裂隙产状对帷幕注浆施工及堵水的影响[J].金属矿山,2013(3):25-28.

2014-10-20)

蒋鹏飞(1974—)，男，高级工程师，050021 河北省石家庄市。