矿山注浆防渗帷幕特点及相关参数分析

李国山 王安则

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

矿山注浆防渗帷幕特点及相关参数分析

李国山 王安则

(长沙有色冶金设计研究院有限公司)

随着社会经济的发展，采用注浆防渗帷幕技术进行防治水的矿山逐渐增多，到目前为止，国内大约有40多条帷幕建成使用。通过对多个矿防渗帷幕的分析，对帷幕的特点、帷幕结构型式及平面布置、注浆工艺、堵水效果、投资费用组成、经济效益及社会效益等方面做了总结介绍，最后对未来矿山注浆防渗帷幕技术的发展提出了展望。

防渗帷幕 防治水 注浆工艺

注浆防渗帷幕是在矿区地下水主要进水通道上采用注浆的方法构筑帷幕，堵截地下水，以确保开采安全的一种防治水技术措施[1]。注浆帷幕能将开采区和周边区域分开，阻断水力联系，只抽排开采区的地下水，减少对区域水环境的影响，保证矿山的安全生产[2]。在某些具备条件的矿山，采用注浆防渗帷幕堵水，不仅可以确保开采安全，而且还能大量节省排水用电和经营费用，其投资费用虽然比较高，但可以在短期内得到补偿，因此，在经济上仍然具有明显的优越性。

在国内，目前已有40多个矿山建立了地下水防渗帷幕[3]，其中有色矿山有水口山铅锌矿、铜山岭铜矿、铜录山铜矿、大红山铜矿、新华山铜矿、金敬咀铜矿等；黑色矿山有黑旺铁矿、张马屯铁矿、红卫铁矿、青山店子铁矿、中关铁矿等；化工矿山有新桥硫铁矿等；煤矿山有协庄煤矿、田屯煤矿、青山泉煤矿、关春煤矿、大封煤矿等。鉴于注浆防渗帷幕技术的在矿山的不断运用，有必要对其特点及相关参数进行总结，为将来矿山防治水技术提供有益借鉴。

1 矿山注浆防渗帷幕工程的特点

(1)受矿区水文地质和工程地质条件控制。矿山防渗帷幕通常是在大范围内堵截地下水。因此，帷幕堵截地段含水层的位置、隔水层及隔水边界的位置和空间形态共同决定着帷幕的范围、形状及空间形态，对防渗帷幕的布置具有控制作用，同时也直接影响着帷幕的堵水效果，而帷幕地段水文地质及工程地质条件的任何变化，都会给帷幕的建造和施工带来明显影响。

(2)注浆工艺复杂。①工艺及设备要求高,有些矿山需在埋藏很深的含水层中采用高压注浆的方法构筑防渗帷幕，而高压注浆对浆液的搅拌、输送和造浆工艺及对注浆设备、输浆管道以及连接件的性能均有较高要求,例如，张马屯铁矿含水层埋藏深达500 m，静水压力达4 MPa，其注浆压力最高达10 MPa;②联合注浆工艺复杂,为了减少注浆孔钻探工程量，有些矿山采用地面与井下联合注浆工艺，但这种工艺将使造浆、输浆和注浆等工艺过程进一步复杂化,例如，水口山铅锌矿采用地面和井下联合注浆，通过直通式输浆孔，把地面造浆系统和井下注浆系统连接起来，使整个注浆工艺系统复杂化;③注浆工程量大，基建投资高，一般帷幕的长度和深度均较大,因此，注浆孔的钻探工程量和注浆工程量很大，注浆材料消耗多，投资费用较高,表1列出了部分矿山帷幕注浆工程量及投资费用[4-6];④施工周期长,由于构筑防渗帷幕工程量大，因此，从施工准备到竣工建成需要较长的时间,如张马屯铁矿自1975年12月—1979年9月竣工，历时45个月；铜录山铜矿帷幕注浆工程从1988年5月开始帷幕注浆试验，到1992年11月施工结束，历时4年半[7]；中关铁矿帷幕施工从2008年6月—2010年6月结束，历时24个月。

表1 部分矿山帷幕注浆工程量及投资费用

2 帷幕注浆技术及相关参数

2.1 水文地质条件

现有矿山采用防渗帷幕主要是堵截富水的岩溶石灰岩和大理岩含水层，这些含水层除具有分布广、富水性强等共同特点外，还因矿床所在的地理区域和矿床种类的不同而异。

(1)位于我国南方的矿山，其碳酸质岩石的特点是溶洞发育，且溶洞内有泥沙充填。如湖南水口山铅锌矿、铜山岭有色矿多为大碳酸质岩石，溶洞十分发育，溶洞内有大量的泥沙充填物，水口山铅锌矿最大线岩溶率高达30.6%。

(2)位于我国北方的矿山，其碳酸质岩石的特点主要以溶蚀裂隙为主，局部有小的溶孔存在，裂隙及溶孔中无泥沙充填。如山东张马屯铁矿及黑旺铁矿的奥陶系石灰岩具有这种特点。

(3)煤矿采用大型注浆防渗帷幕，主要是用于堵截北方煤系地层中1～10层富水的石灰岩含水层，和金属矿床相比，这些含水层厚度小，埋藏比较浅，富水性较弱，含水层主要以溶蚀裂隙为主，且很少有泥沙充填。

上述水文地质条件的差异决定了构筑防渗帷幕时注浆方式和方法、注浆参数及堵水效果等。

2.2 帷幕结构形式及平面布置

(1)冶金矿山根据其水文地质特点，绝大部分矿区采用半封底式帷幕，即在垂向上，帷幕在采区强含水带的进水通道或集中径流带上完全截断地下水，幕底设在含水层下部弱带中，允许含水层的弱带向采区渗流，而在平面上则采用封闭式布置在两端隔水边界上。张马屯铁矿在一期施工的半封底式帷幕的基础上，在二期工程中，采取了封底措施，封底式帷幕明显地提高了堵水效果。

(2)煤矿由矿区的水文地质特点决定，在堵截煤系石灰岩地下水时，常采用封底式的浅截帷幕，和冶金矿山相比，帷幕工程量小，堵水效果较好。

(3)在国内已建矿山帷幕中，帷幕线上注浆孔均按单排非等距布置，孔距变化在5～15 m，帷幕线距地下矿开采错动线一般为20～40 m。

2.3 注浆工艺及注浆材料

国内大部分帷幕注浆工程采用地面注浆施工和压入式下行分段注浆工艺，其注浆段段高则因注浆层的完整程度和单位吸水量的不同而异，一般在5～30 m，注浆压力最高可达10 MPa。水口山铅锌矿因地制宜采用地面和井下联合、自溜式下行分段注浆工艺，也取得了预期堵水效果。

在注浆材料使用方面，主要以水泥为主，采用单液水泥浆，浆液水灰比在0.25～3.0。在某些煤矿帷幕的施工中，根据注浆层的特点及堵水要求，也曾采用双液水泥-水玻璃浆液及强度较低、价格低廉的水泥-黏土浆液。此外，在溶洞及充填物相当发育的水口山铅锌矿及铜山岭有色矿，注浆过程中，填加了尾矿及木屑等掺合料，也填加了水玻璃、碳酸钠及氯化钙等促凝剂。

2.4 帷幕堵水效果

帷幕结构形式直接关系到帷幕的堵水效果，在很大程度上取决于矿区水文地质特点及投资。从国内冶金矿山来看，采用半封底式帷幕，其堵水率可达53%～70%，其中张马屯铁矿经二期补底成为封底式帷幕后，其堵水率由原来的53%提高到82%；大封煤矿浅帷幕采用单液、双液注浆后，其堵水率达99%，是煤矿堵水效果最好的矿山之一。

2.5 帷幕工程投资费用组成

根据冶金矿山统计，在防渗帷幕工程投资费用组成中，注浆孔钻探工程量(包括重复钻进工程量)占总投资费用的39.8%～51%，注浆材料费用占30%～48.1%，注浆施工及其他费用占6.43%～25%，部分矿山帷幕工程投资费用见表2。

表2 帷幕工程投资费用组成

2.6 社会效益及经济效益

张马屯铁矿帷幕建成后，取得了明显的社会效益和经济效益，保护了矿山附近的地下水资源，满足了附近电厂及农业用水的需要。矿山原-240 m水平预计矿坑涌水量为5万m3/d，帷幕形成后，坑内总排水量已降至1.1万m3/d，按此计算，每年可节约排水费用213.53万元，其帷幕投资回收期为2.6 a，取得了明显的经济效果。

水口山铅锌矿从1980年起，矿坑涌水量已降至706 m3/h，年节约排水费用73万元，投资回收期为7.2 a。帷幕建成后，控制了地面塌陷向外围扩展，减少了经济赔偿损失。

铜录山铜矿建成帷幕后，综合防治水效率达到62%，减少了井下、露天坑的排水量。1991年铜录山矿遭受大暴雨，7月份连降暴雨12d，全月降雨量高达395mm，但井下的洪峰排水量只有21万m3，井下没有增加排水设备，矿山安全得到了保证[7]。

3 结 语

(1)以往将矿坑地下水的进口比较狭窄作为采用防渗帷幕的必要水文地质条件，但是随着经济和技术的发展，目前此条件已经被突破，例如中关铁矿、后江桥锰矿矿区在平面上都是360°进水，且随着建幕对矿坑地下水进口狭窄要求的突破，帷幕规模和投资会更大。

(2)目前虽然帷幕技术发展突飞猛进，但是影响设计、施工和帷幕质量的不确定因素较多，因此，在帷幕方案确定时，应持谨慎态度。当矿山资源情况不佳，如品位低、储量小、矿石价值不高时，建立帷幕获得的经济效益可能难以补偿帷幕的投资，对这类不适于疏干，又不宜于采用帷幕的矿山，应该列为暂不宜开采矿山。

(3)防渗帷幕治水实质上应理解为与矿场疏干的联合治水。防渗帷幕建成后，只是阻隔了幕内外区域地下水对矿坑补给的主要部分，幕内外地下水位仍然很高，并未解除矿井采掘突然涌水的威胁。因此，在矿山设计时，仍要采用合适的疏干工程，不断降低幕内的地下水位，排除幕内巨大地下水静储量和幕外补给的动流量，才能保证矿井采掘安全。

[1] 采矿设计手册编委会.采矿设计手册—矿产地质卷(下)[M].北京:中国建筑工业出版社,1989.

[2] 白聚波,李现波,杨清莲.帷幕注浆技术在大水矿山治水中的应用[J].石家庄铁道学院学报：自然科学版,2008,21(1):80-83.

[3] 王 亮.大水金属矿床井下近矿体帷幕注浆堵水技术研究[D].长沙:长沙矿山研究院,2011.

[4] 曾绍权.水口山铅锌矿鸭公塘矿区大型帷幕注浆治水工程技术的应用[J].中国有色冶金,2006(6):55-59.

[5] 王 兴.中关铁矿堵水帷幕稳定性初步研究[D].沈阳:东北大学,2011.

[6] 蒋兵辉,刘殿凤,韩贵雷,等.中关铁矿帷幕注浆后基建期突水因素剖析及防治措施[J].矿产勘查,2010(6):525-529.

[7] 刘 旺.铜录山矿帷幕注浆堵水技术[J].矿业研究与开发,1993(2):19-38.

2015-03-31)

李国山(1981—)，男，工程师，硕士，410011 湖南省长沙市。