白象山铁矿高承压细小裂隙含水层预注浆技术

贾丰杰

(马钢(集团)公司姑山矿业有限责任公司白象山铁矿)

·实用技术·

白象山铁矿高承压细小裂隙含水层预注浆技术

贾丰杰

(马钢(集团)公司姑山矿业有限责任公司白象山铁矿)

矿山井下治水工程一直是安全生产的重大难题，根据白象山铁矿-500 m北车场贯通时出水点实际状况，对深部细小裂隙含水层分别采用了水泥-水玻璃以及改性脲醛树脂预注浆工艺，对比发现：改性脲醛树脂扩散半径大，注浆量大，注浆前期压力上升幅度小，稳定时的压力比水泥-水玻璃小4 MPa，单孔堵水率提高了57.5%，治水效果显著，值得推广。

细小裂隙含水层 改性脲醛树脂 预注浆 堵水率

白象山铁矿位于安徽省当涂县境内，青山河流经矿区。矿区地层由新到老为第四系、白垩系下统火山岩组、侏罗系中下统象山群、三叠系上统黄马青组，其中三叠系上统黄马青组杂色粉砂岩为矿床的主要含水层，平均厚113 m，有效裂隙率为1.4%，矿区内存在10条断裂，其中有7条导水断裂与矿床有直接关系，矿床水文地质条件复杂，自矿建以来，井下频繁涌水，先后发生过3次较大的突水淹井事故，防治水难度大，严重制约了矿山的基建工作。

我国从上世纪60年代后逐步开始应用化学浆液，经过几十年的发展，注浆材料、设备、工艺都取得了巨大的进步[1]。目前，注浆材料种类主要分为无机系和有机系，无机系主要为水泥、水泥-水玻璃、黏土、水玻璃浆液[2-3]，有机系主要有丙烯酰胺类、聚氨酯类、铬木素类、脲醛树脂类[4-5]。

通过白象山铁矿在井底车场前期采用水泥-水玻璃预注浆未取得预期效果的情形下，改用以改性脲醛树脂为主的化学注浆工艺，治水效果得到很大改善，为今后金属矿山井下治水提供了一定的技术经验。

1 工程水文地质条件

-500 m中段北部车场布置在角岩化砂页岩中。根据勘察报告，该层属于弱富水层，分布形态受岩体接触带控制，出露位置南高北低，平均厚93.5 m，背斜西翼变薄。从剖面图上分析，角页化砂页岩与上部闪长岩中等富水层接触，在矿床中部，缺少闪长岩中等富水层，导致角页化砂页岩与上部杂色粉砂岩强含水层接触，一般坚硬完整，以细小裂隙为主，有效裂隙率为0.15%，单位涌水量为0.014～0.032 L/(s·m)，渗透系数为0.012～0.058 m/d，整体含水性不均。

2 注浆设计

-500 m中段北部车场段位于弱富水层，目前矿山处于基建期，排水系统不完善，为保证巷道的顺利掘进和加快施工进度，同时减少井下排水压力，制定了工作面预注浆的方法加固该细小裂隙含水层。设计注浆段长35 m，掘进段长30 m，保留5 m的安全距离，掘进完成后再进行下一段次的预注浆工作。北部车场巷道净断面为3.1 m×3.28 m，在巷道外圈布置13个注浆孔(图1)。理论计算表明巷道扰动影响的最远距离为其半径的3～5倍，则需要向巷道外偏出4.5 m左右，结合该北车巷向左转弯，所以左帮及顶部钻孔向外偏10°，右帮钻孔向外偏3°～5°，采用风钻施工。

工作面的13个钻孔单孔平均涌水量约20 m3/h，工作面总涌水量约280 m3/h，水压约3.5 MPa，采用ZJB-30型高压注浆泵，根据涌水情况，前期决定以水泥浆液为主，辅以水泥-水玻璃浆液进行预注浆工作。

图1 注浆钻孔布置

3 水泥-水玻璃注浆工艺及效果

选取水泥、水、水玻璃为原料，对上述工作面进行注浆，其中水灰比为0.5～2.0,水泥浆与水玻璃体积比为(1∶0.5)～(1∶1)，水玻璃模数为2.4～3.4，浓度为30～50 °Bé, 设计工作面预注浆量为92 m3，单孔注浆4 m3，在预注浆期间发现注浆压力较大，10 d达到预注量后，工作面局部区域出现反渗现场，施工检查孔观察，涌水量依然很大。水泥-水玻璃注浆各参数随时间变化关系见图2。

图2 水泥-水玻璃注浆各参数随时间变化关系

从图2可以看出，采用水泥-水玻璃注浆后，随着时间的推移，注浆压力急剧增大，出现注浆困难，侧面反映了对微小裂隙含水层物理注浆时，由于其充填物颗粒大，扩散半径小等原因，很难在这类围岩含水层中充分扩散，不易进入细小裂隙深处，预注浆效果不显著，而施工结束后的检查孔平均涌水量高达13 m3/h，充分验证了这一点。由于水泥-水玻璃浆液在细小裂隙层预注浆效果不理想，所以参照原注浆方案使用化学浆液代替。

4 改性脲醛树脂工艺及效果

4.1 浆液性能与配比

根据脲醛树脂物理性能指标测试结果，其密度为1.18 g/cm3，其在甲醛与尿素摩尔比为2合成时的压缩强度为5.2 MPa，一般情况下化学浆液可以灌注宽度不足10 μm的裂隙，而以三聚氰胺、聚乙烯醇合剂(8%)改性后的脲醛树脂压缩强度可达9 MPa，且改进后的浆液会降低原浆液中甲醛含量，更具有环保性[6]，由于白象山铁矿水的pH值为6.9～7.7,主体呈弱碱性，配以一定量碱性物质，使得堵剂注入含水层后，其温度不会过快升高，对施工安全性起到了一定的保护作用。

4.2 注浆效果

按照上述配比进行预注浆，设计工作面13个注浆孔总注浆量为213 m3，单孔注浆量为36 m3，平均单位注浆量为16.5 m3，注浆过程中动态检测注浆压力，化学注浆各参数随时间变化关系见图3。

图3 化学注浆各参数随时间变化关系

从图3可以看出，改用改性脲醛树脂后，其注浆压力上升幅度比用水泥-水玻璃注浆要小，当两者压力达到平衡时，后者比前者小约4 MPa；且注浆量在每个时间节点上也都高于前者。不难看出，改性脲醛树脂扩散半径要大于普通的物理注浆介质，更有利于进入岩层破碎带深处，大大增强了其封堵出水点的能力；同时，从检查孔平均涌水量与时间变化关系可得出，施工的检查孔平均涌水量为0.5 m3/h，说明浆液已经很好地渗入细小裂隙中，起到了良好的封堵作用。

5 结 论

(1)针对白象山铁矿深部承压细小裂隙含水层采用传统的水泥浆液或水泥-水玻璃浆液治理时，由于裂隙开度小，浆液难以进入，导致升压快，注入量小，采用水泥-水玻璃物理注浆的单孔平均堵水率为40%，采用改进后的改性脲醛树脂的单孔平均堵水率为97.5%，整体单孔堵水率提高了57.5个百分点；改性后的脲醛树脂复合药剂中的三聚氰胺对甲醛游离基具有中和作用，降低了其化学毒性，同时使其压缩强度提高了72.4个百分点。

(2)采用改进后的化学注浆工艺治水后，巷道掘进中仅少量渗水，无明显的集中涌水现象，30 m掘进段完成后，仅局部顶板、侧帮有部分淋水现象，该段总涌水量为2 m3，堵水效果超过了预期，保证了开拓工程的顺利进行。

[1] 郭密文.高压封闭环境孔隙介质中化学浆液扩散机制试验研究[D].徐州:中国矿业大学,2010.

[2] 李利平,李术才,崔金声.岩溶突水治理浆材的试验研究[J].岩土力学,2009,30(12):28-32.

[3] 殷金虎,贺子奇.地下工程注浆材料与注浆技术的研究应用现状[J].建筑技术与应用,2007,9(1):13-15.

[4] 李冬林,姜振泉.深井高倾角微裂隙围岩防渗化学注浆治理[J].煤田地质与勘探,2005,33(4):25-28.

[5] 姜振泉,吴圣林,李冬林,等.赵庄矿斜井微裂隙围岩防渗化学预注浆治理[J].煤炭科学技术,2005,33(4):15-17.

[6] 洪晓东,孙 超,牛 鑫,等.改性脲醛树脂的合成及性能[J].化工进展2013,32(4):848-851.

2015-03-26)

贾丰杰(1981—),男，副矿长，工程师,243000 安徽省马鞍山市。