均衡法在矿山帷幕注浆堵水效果评价中应用

韩贵雷

(华北有色工程勘察有限公司，　河北 石家庄　050021)



均衡法在矿山帷幕注浆堵水效果评价中应用

韩贵雷

(华北有色工程勘察有限公司，河北 石家庄050021)

水患矿山实施帷幕注浆后评价堵水效果的方法一直不完善。利用矿山帷幕将改变矿区地下水流场，在帷幕内形成相对独立的水文地质单元的特点，采用均衡法计算评价帷幕渗透性及堵水效果。在详细阐述均衡法计算原理的基础上，利用中关铁矿帷幕注浆工程作为计算实例进一步验证了均衡法的有效性，计算结果表明：采用均衡法计算帷幕平均渗透系数K=0.039 m/d，幕体防渗性能指标满足设计，具有可行性。

帷幕注浆；堵水效果；均衡法

0　引　言

随着我国对矿产资源需求量的增加和开采强度不断加大，矿山开采过程中由于疏排水带来的一系列环境、水资源保护及安全等问题日益凸显。帷幕注浆技术能够有效解决保护区域地下水环境与安全开采矿产资源之间的矛盾，其应用越来越广泛，已经成为国内水患矿山主要的治水手段，并取得了良好的效果。

由于矿山帷幕注浆工程具有典型的隐蔽工程特点，水患矿山实施帷幕注浆后，其堵水效果和帷幕体本身的渗透性的评价方法一直不完善。目前，帷幕注浆工程领域一直采用实施检查孔以及相关物探等手段评价帷幕体本身的透水性。采用检查孔的评价方法不仅投资费用较高，同时其评价结果只是验证了检查孔附近的帷幕体透水性，难以对帷幕体整体透水性以及堵水效果做出全面的评价。2015年出版的《矿山帷幕注浆规范》提出了矿山帷幕注浆的堵水效果评价可利用矿坑疏干放水或者进行专门的抽、放水试验进行验证。该方法数据真实性、可靠性强，但是矿山的基建期受影响因素较多，且矿坑放水也存在较长的排水期，也就是说，整个堵水效果的验证可能需要等1～2 a甚至更长的时间。因此，研究新的技术方法及评价手段预测幕体堵水效果，对帷幕注浆工程施工尤为重要。

矿山帷幕形成后，将改变矿区地下水流场，在帷幕内形成相对独立的水文地质单元。在同一时间，帷幕内外的地下水位会产生一定的变化，但不管是帷幕内还是帷幕外均会存在有联系的地下水补、径、排条件，因此可以利用这些条件试算帷幕体的堵水效果。

1　均衡法原理

水均衡法也称水量平衡法或水量均衡法，是全面研究某一地区(或均衡区)在一定时间段地下水的补给量、储存量和消耗量之间的数量转化关系的平衡计算。对于一个饱和富水的含水层来说，含水层组中水体积(或质量)为稳定量。因而建立水均衡方程式：

Q进=Q排

(1)

式中：Q进——某一时刻进入计算区域内的水量；

Q排——某一时刻流出计算区域内的水量。

针对矿山帷幕注浆工程，在矿山堵水帷幕形成后，在开拓及开采过程中，单位时间内流入或流出矿井(坑)，包括井筒、巷道和开采系统的水量，一般都是通过周边含水体向矿坑内补充，在每一时间点上，补给量和排出量应该是相同的，也就是补给和输出是均衡的。

因此根据均衡原理，通过研究某一时期(均衡期)帷幕体内外地下水各均衡要素(补给量、消耗量和储存量)之间的关系，建立地下水均衡方程，计算出帷幕体在特定条件下的渗透特性，为评价帷幕体的堵水效果提供依据。

2　应用实例

2.1工程背景

中关铁矿位于河北邢台沙河市，隶属于河北钢铁集团矿业公司，2004评价矿坑涌水量丰水年为15.03万m3/d，属于典型的大水矿山，采用传统的疏干采矿将严重破坏邢台地区的地下水资源，2004年以前被列为限采矿山。2005年华北有色工程勘察院有限公司为其进行了矿山帷幕注浆试验并取得成功，中关铁矿由规划限采区调整为允许开采区，经过2006年的再次试验最终确定了在中关铁矿实施全封闭整体帷幕的治水方案。

中关铁矿帷幕注浆方案确定帷幕形成后堵水率不小于80%，即在-230 m中段帷幕形成后矿坑涌水量平水年最大不超过2.44万t/d，丰水年最大不超过3.00万t/d。主要技术参数为：帷幕线全长3397 m，在平面上呈椭圆形封闭圈；帷幕体厚度不小于10 m；帷幕体防渗性能不大于2 Lu；注浆孔单排；注浆孔间距12 m。

中关铁矿帷幕注浆工程自2008年开始施工，2011年完成了全部的野外工作，野外工作量见表1。

表1　中关铁矿帷幕注浆工程工作量

2.2均衡法计算帷幕体渗透系数

中关铁矿注浆帷幕形成后，阻断了与区域地下水主要的水力联系，在帷幕内外产生水头差，也是洪水期幕外水向幕内渗透的动力。根据地下水补给排泄的均衡原理，以观测期内某一天的水位观测资料为基础(图1为帷幕线附近观测孔布置图)，运用均衡法试算注浆帷幕的平均渗透系数。

2.2.1计算公式

根据达西定律确认本次计算公式，具体过程如下：

(2)

Q=KiA

(3)

(4)

(5)

式中：K——帷幕体平均渗透系数，m/d；

A1——进水断面面积，m2；

A2——出水断面面积，m2；

Q1——主副井排水量，m3/d；

Q进——进入帷幕内的水量，m3/d。

图1　帷幕观测孔布置

计算中主要涉及到以下几个方面参数：

(1) 由于帷幕注浆孔间距是等距的，故设定帷幕体是均质的；

(2) 计算中采用的数据为某体观测日的水位观测资料；

(3) 主、副井2010年3月开始停产，其中主井排水量为25m3/h，副井排水量为20m3/h，日排水量稳定在1080m3/d；

(4) 幕内外观测孔间距为40m；

(5) 渗透系数为帷幕体的平均渗透系数。

2.2.2参数计算

(1) 进水断面。由水位观测数据可知，观测时期正处于洪水期的帷幕体呈现幕外水向幕内渗透的趋势，因此可以看作帷幕体为全过水断面，其含水层的厚度以当时水位为顶板，底板为注浆孔揭露灰岩的平均深度，过水断面剖面面积按条分法划分，见图2。

(2) 出水断面。由于观测日处于洪水期，帷幕外地下水向帷幕内渗透，因此无出水断面。

(3) 水力坡度。将地下水位观测数据带入公式(6)，求解帷幕内外水力坡度，计算结果见表2。

(6)

式中：l——观测孔距离，40 m。

图2　条分法计算过水断面面积

表3　进水断面观测孔水位数据

为了准确计算过水断面平均水力坡度，采用面积加权平均的方法，根据不同观测孔控制长度与剖面条分宽度计算各对观测孔的控制面积。计算公式见式(7)，计算结果见表3，最终计算得进水总面积为1118228.21 m3, 加权平均水力坡度为0.0248。

(7)

(3) 主、副井日排水量。根据矿山排水记录表，主副井日排水量1080 m3/d，并且该排水量已稳定有6个月。

(4) 试算结果。根据上述假设，将表中数据代入公式(5)，经试算中关铁矿注浆帷幕的平均渗透系数K=0.039 m/d，小于设计要求的0.08 m/d，表明帷幕体防渗性能指标满足设计，帷幕体堵水率应能够达到80%。

3　结　论

(1) 矿山实施帷幕注浆后，帷幕内外在每一时间点上补给量和排出量应该是相同的，也就是补给和输出是均衡的，因此，采用均衡法评价帷幕注浆堵水效果具有可行性。

(2) 通过采用均衡法对中关铁矿帷幕注浆工程堵水效果进行评价，中关铁矿注浆帷幕的平均渗透系数K=0.039 m/d，小于设计要求的0.08 m/d，表明帷幕体防渗性能指标满足设计，帷幕体堵水率应能够达到80%。

(3) 中关铁矿评价实例表明均衡法评价帷幕注浆工程堵水效果具有较高可信度。

[1]刘新社，韩贵雷，于同超,等.矿山帷幕注浆规范[M].北京：中地址出版社，2015.[2]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.[3]韩贵雷，于同超，刘殿凤,等.深孔注浆帷幕墙井间电阻率测试技术和效果评价[J].地质调查与研究，2009(2).[4]韩贵雷，于同超，刘殿凤,等.矿山帷幕注浆方案研究及堵水效果综合分析[J].矿业研究与开发，2010，30(6).[5]孙钊.大坝基岩灌浆[M].北京：中国水利水电出版社，2004.[6]张东成, 钱运生.井间测量技术及其应用现状[J].勘探地球物理进展，2004,27(06):402￣406.[7]徐磊,李飞,辛小毛.近矿体帷幕注浆在某大水矿山的应用[J].矿业研究与开发,2015,35(03):68￣71.[8]孙翠华,曾先贵.某铁矿井下近矿体帷幕注浆堵水及其效果评价[J].采矿技术,2011,11(04):95￣96.[9]祝世平，王伏春，曾夏生.大红山矿帷幕注浆工程实践及治水效果[A].采矿科学技术前沿论坛论文集[C].2006.

2016￣04￣15)

韩贵雷(1980-)，男，河北保定人，高级工程师，硕士，主要从事矿山防治水研究，Email：hanguilei@tom.com。