迁安市长城金矿Ⅰ号矿体帷幕注浆工程的施工

高英强

(山西省地质勘查局二一七地质队，山西 大同 037008)

1 工程概况

迁安市长城金矿位于河北省迁安市军屯村北侧，矿方拟在其矿区内(第7勘探线至第2勘探线)南部开采Ⅰ号金矿体。因矿床富水性强，地下水水位埋深浅，矿体赋存于地下水水位之下约200 m，排水困难，开采难度大，需对拟开采矿体进行帷幕注浆堵水。由山西省第十地质工程勘察院编制了《迁安市长城金矿Ⅰ号矿体帷幕注浆堵水施工设计方案》，该方案经甲方同意后，山西省第十地质工程勘察院实施迁安市长城金矿Ⅰ号矿体帷幕注浆堵水工程。

2 注浆设计

本工程主要是通过钻机成孔——高压注浆，利用注浆材料的充填凝固，阻断基岩裂隙和岩溶通道，形成隔水帷幕。根据地下水水位埋深，注浆段起始标高定为+90 m。帷幕底界以进入相对隔水的蓟县系杨庄组(Jxy)顶面以下50 m为限。这样，在Ⅰ号矿体周围形成一个与外围相对隔离的堵水幕体，且长期有效。帷幕内排水量与堵水前相比，堵水后排水量降低率为85%以上，以减少矿坑排水，解决矿区排水难度，减少排水费用，满足采矿施工要求，提高采矿效益，保护地下水资源及矿山地质环境。

2.1 钻孔布设

该项目经东、南、西、北4条帷幕线组成闭合的帷幕体，阻断区域来水。帷幕平面呈不规则梯形，设计钻孔100个，其中直孔92个，穿过帷幕线的F5断层带布置斜孔8个。南帷幕距离F1断层带较近，钻孔按锯齿状布置，钻孔斜距8 m，直距7 m，线距4 m，布置钻孔19个，其余各帷幕布置单排钻孔，钻孔间距8 m，帷幕线长760 m，钻探总进尺30060 m，其中注浆段长26925 m，非注浆段长3135 m，注浆量29620 m3，设计工作量情况见表1。

2.2 孔深和孔径

设计要求，钻孔注浆段孔径≥96 mm，注浆段起始标高+90 m以上采用套管永久封闭，孔斜控制在每百米1%以内。

表1 设计工作量Table 1 Designed workload list

2.3 注浆压力设计

注浆压力是注浆的重要参数之一，注浆结束压力标准：

P=P1+P2-P3≥3 MPa

式中：P——注浆全压力，MPa，取静水压力的2～3倍；P1——孔口压力表指示压力，MPa；P2——浆液自重压力，MPa；P3——地下水静水压力，MPa。

浆液自重压力P2可按下式计算：

P2=〔hγ+(2S+L)/2+(γ-1)/2〕/100

式中：P2——浆液自重压力，MPa；h——压力表至地下水位间的高度，m；γ——浆液密度，g/cm3；S——地下水位至止浆塞的高度，m；L——注浆段长度，m。

2.4 注浆材料

水泥、水、水玻璃。

3 注浆施工

3.1 注浆工程量

通过第1序次钻孔施工，按设计深度进入蓟县系杨庄组(Jxy)50 m后岩层仍破碎，注浆量较大。为此，将北帷幕线钻孔深度增加至260 m(标高-140 m)左右，南帷幕线钻孔深度增加至400 m(标高-250 m)左右。其余钻孔根据地层破碎程度及注浆量情况适当增加深度。

根据实际情况对原设计进行了调整，调整后的帷幕线长780 m，设计钻孔108个(含8个取心孔)，钻探工作量31917.00 m,其中注浆段长29296.42 m，非注浆段长2620.58 m,注浆量32226.06 m3，设计单位注入量1.1 m3/m。

据长城金矿深部普查地质报告资料，F1断层位于南帷幕线南侧10～50 m，F5断层在北帷幕线ZK63～ZK64钻孔、南帷幕线ZK27～ZK29钻孔附近通过。实际施工中，根据西、南、东三侧帷幕线注浆钻孔揭露的断层破碎带位置，推断F1断层对应的地面位置从南帷幕线内侧(西帷幕ZK88钻孔与东帷幕ZK38钻孔连线)通过，走向120°，倾向SW，倾角65°。较原资料向北平移80～100 m。据北帷幕钻孔岩心破碎程度、注浆量情况，以及北帷幕内外两侧+90 m平巷掘进中揭露断层破碎带位置，推测F5断层带应从北帷幕ZK67～ZK72钻孔范围通过。原设计的F5断层南、北帷幕8个注浆斜孔调整到北帷幕F5破碎带位置(ZK64～ZK77钻孔)，进行孔间加密，加密孔深度设计200 m左右。

实际完成钻孔108个，钻探工作量32192.96 m，其中注浆段长29379.50 m，非注浆段长2813.46 m，帷幕共注浆37450.09 m3，浆液单米注入量1.33 m3。

3.2 注浆方法

采用下行式灌注法，钻孔钻进20～40 m的注浆段，然后下入止浆塞到该注浆段顶部以上完整地层，进行隔水后，连接注浆站的注浆管道，由注浆站搅拌浆液进行不间断注浆，达到注浆结束压力标准后停止注浆[1-7]。

3.3 压水试验和水泥配方

下好止浆器，先做压水试验，检查注浆系统，同时把钻孔裂隙中的岩粉等充填物推出注浆范围以外，以利浆液的充填密实，提高胶结程度，并获取压水试验的各项数据。通过压水试验获取的单位吸水量和渗透系数，及时判断裂隙透水能力，通过压水试验获取的吕容值ω≤0.05 Lu时，注浆段岩心完整，裂隙极小甚至没有裂隙，水在加压的情况下都不可能在地层中扩散，故浆液也不可能在地层中扩散，该注浆段可跳过注浆程序，待钻孔成孔完毕封孔时将该注浆段封实即可。

依据设计采用水灰比1.25∶1、1∶1、0.75∶1和0.6∶1四种浓度配比的浆液注浆，水玻璃添加质量为水泥质量的2%～5%。

4 注浆施工工艺

4.1 钻孔成孔

(1)地表松散层段，开孔采用Ø133 mm金刚石复合片钻头钻进，泥浆护壁。钻进至完整岩石5～8 m，下入Ø127 mm护孔管。

(2)地下水位以上段，采用Ø113 mm金刚石复合片钻头钻进，泥浆护壁。钻进至+90 m，下入Ø108 mm套管，用水泥浆固管。

(3)待水泥浆凝固后，采用Ø96 mm金刚石绳索钻具，清水钻进，每到一个注浆段先洗孔后做压水试验、注浆、凝固4～6 h、扫孔钻进，如此反复直至终孔。

部分钻孔覆盖层较厚，见基岩深度超过设计起始注浆深度(+90 m)，致使下入套管深度超过设计起始注浆深度，根据岩层实际情况调整了钻进工艺，采取在注浆孔段内套管割花管的方法注浆(低于+90 m套管均打孔至+90 m处)。

4.2 钻孔注浆顺序

为了防止窜浆、保证注浆质量和效果，钻孔按三个序次依次施工，第一序次钻孔编号为1、5、9、13、……，第二序次钻孔编号为3、7、11、15……，第三序次钻孔编号为2、4、6、8、12、……。在施工二次序和三次序钻孔过程中，均从岩心裂隙中发现前一次序钻孔注的水泥浆，对裂隙进行了有效充填(参见图1)。

图1岩心裂隙充填水泥照片
Fig.1Core cracks filled with cement

4.3 注浆流程

根据设计要求及钻进中的具体清况，当钻孔达到一个注浆段长度时，洗孔、下止浆器，首先确定压水、注浆结束标准、浆液浓度，然后做压水试验，而后制作浆液，先向一级搅拌池按配比标定加水，开动搅拌机，加入水泥，搅拌10 min，放入二级搅拌池，加水玻璃，搅拌5 min，开始注浆。

一般情况下注浆由稀浆开始，为的是满足扩散半径的要求。如遇大吸浆量的注浆段时，当一种浆液注入量>50 m3时，采用间歇式注浆，防止浆液无为扩散，使其既能达到充满帷幕体的效果，又不至消耗太多浆液。间歇后注浆改用下一级配比开始，最后由浓浆结束。

注浆开始一般先用大排量即高挡位，随着注浆量的增加，孔口压力表有一定反映，压力值逐渐升高，并最终达到设计终压，此时改用次一级挡位，直到变为最低一级挡位注浆吸浆量<0.58 L/s时，利用注浆泵回水阀，保持压力不变，稳定30 min后停止注浆。如果在稳定阶段又发生异常现象，比如压力突然增大或吸浆量突然增大等，注浆不停止，继续进行，视前面已经达到设计压力和吸浆量为无效，重新开始，直到达到新的平衡后，稳定注入30 min无异常才停止注浆[8-15]。

所有钻孔最后一段注浆结束后，又对钻孔分段进行了压水试验、复注浆，如果压水试验测的吕容值<0.05 Lu时，用0.8∶1浆液进行无压封孔，如果压水试验测的吕容值>0.05 Lu时，有压注浆封孔。

4.4 矿区抽水量观测

矿山主井、副井均位于帷幕线外北侧，主井水位标高85.85 m，副井水位标高87.70 m。帷幕线内有水井6眼、西帷幕线外侧1眼，井深120～130 m，帷幕注浆施工前水位标高在85～87 m。在帷幕钻孔注浆时，水泥浆灌入井内将水井淤堵，多数水井淤至井深70～80 m，致使水井水量减少或无水。

自主盲竖井排水开始(2017年10月24日)，对7眼水井进行水位观测。从水位观测记录可看出，随着帷幕线注浆孔、加密孔施工的实施，其中5眼水井水位下降明显(见表2), 各水井因与排水的主盲竖井距离及水泥浆注入后淤堵程度不同，水位下降幅度不同。

5 注浆效果

主盲井位于北帷幕线西段内侧12 m处。2017年10月16日掘进至深度15.5 m(标高74.5 m)时，在井筒北侧井壁揭露一断层带，走向35°，倾向125°，倾角75°，断层带宽度2.5 m，岩性为灰色白云岩碎块与紫红色泥砂混杂。断层带有地下水涌出，涌水量约为10 t/h。

2017年10月24日掘进至深度19.8 m(标高70.2 m)时，在井筒东北侧井壁揭露一断层带，走向近340°，倾向250°，倾角45°，断层带宽度约3.0 m，岩性为泥质白云岩碎块与紫红色泥砂混杂。地下水沿井壁裂隙涌出，水量约30 t/h。在井底打炮眼孔1.5 m深时，炮眼孔内向上涌水，最高水头高达1.0 m。当时井内一台水泵(排水量60 t/h)排水，水位不降，后增加一台水泵(排水量50 t/h)同时排水，水位降至井底，根据泵量及扬程，估计总涌水量达90 t/h。连续排水30 d，炮眼孔内涌水水头约0.2 m，排水量渐减少到约50 t/h，在北帷幕ZK69、ZK70钻孔注浆时在井底裂隙有少量水泥浆随地下水渗出。

2017年11月28日起，在排水条件下开始掘进。掘进至深度25 m(标高65.0 m)时，井内出水量明显减小，在12月8日排水量约为30 m3/h。

2017年12月12日井底深度30.5 m(标高59.5 m)，南马头门掘进6.0 m、北马头门掘5.0 m。两处掘进工作面及顶板均有水从岩缝中流出(无压力)，井内总出水量增加至80～100 m3/h。

随着北帷幕线注浆孔及加密注浆孔，在不同深度注浆不断闭合，从帷幕线外侧补给水量逐渐减小。

5.1 不同序次钻孔吸浆率变化特征

根据不同序次钻孔注浆量、吸浆率值及各序次钻孔吸浆率曲线图可看出，各序次吸浆率逐次递减，符合裂隙岩层注浆规律，反映注浆效果良好(见表3、图2)。

表3 各序次钻孔吸浆率统计Table 3 Summary of grout absorption rate of the boreholes in each sequence

图2 各序次钻孔吸浆率曲线图Fig.2 Absoption rate curves of the boreholes in each sequence

5.2 帷幕线注浆及吸浆率变化特征

根据已完成钻孔注浆量统计，各帷幕线注浆量及吸浆率情况见表4，各帷幕线吸浆率等值线见图3～6。

表4 各帷幕线注浆量及吸浆率情况统计Table 4 Grouting quantity and absorption rate of each curtain line

从以上等值线图可看出：西帷幕吸浆率较大范围分布在标高+90～-100 m；南帷幕吸浆率较大范围分布在标高+90～-100和-150～-250 m两段，上部为侏罗系后城组(J2h)砾岩、安山质凝灰岩、流纹质凝灰岩，岩石裂隙较发育，下部对应为F1断层破碎带；东帷幕及北帷幕东段位于F1与F6断层之间，岩石裂隙发育相对较弱，吸浆率偏小，受废弃巷道影响，上部有小范围吸浆率偏大；北帷幕西段位于F5与F2断层交汇部位，断层破碎带发育，岩石裂隙发育，吸浆率较大范围分布在标高+90～-50 m。

图3北帷幕吸浆率等直线图
Fig.3Contour map showing the absorption rate of the north curtain

图4 西帷幕吸浆率等直线图Fig.4 Contour map showing the absorption rate of the west curtain

综上所述，吸浆率大小主要受断层破碎带位置及深度控制。在断层带附近，岩石破碎程度高，吸浆率增大；随着深度增加，岩石裂隙发育程度逐渐降低，吸浆率减小。

5.3 地下水导水通道特征

地下水补给通道：Ⅰ号矿体帷幕注浆施工前，矿区地下水水位标高在85～88 m，北高南低，地下水由北向南径流。由于矿区内断裂构造发育，F2、F3、F5、F6、F8、F10六条断裂在设计开采区西北部(Ⅰ号矿体采区西北约200 m)交汇，断裂带岩石裂隙发育，岩层破碎严重。F2、F10断层向北东延伸3～5 km，穿过采区北部的大岔沟、地眼沟及多条沟谷，地表水通过断裂带向下游(设计开采区)地下入渗补给，向6条断裂交汇处径流，成为地下水的导水通道。

图5南帷幕吸浆率等直线图
Fig.5Contour map showing the absorption rate of the south curtain

图6 东帷幕吸浆率等直线图Fig.6 Contour map showing the adsorptiotn rate of the east curtain

导水通道特征：根据区域构造分布特征，长城金矿设计开采区内断裂带是多期构造运动的产物。冷口断裂带位于五道河-冷口复式向斜的东北翼，在燕山期构造运动近南北向挤压应力的作用下，形成了高角度冷口逆冲断裂。受喜山构造运动的影响地应力转换为拉张应力，逆冲的冷口断裂转换为正断层。应力转换过程中伴生了多条NW向和NE-NNE向断裂，这些断裂沿主应力方向追踪式发育，在水平和垂向上呈锯齿状延伸。即构造导水通道在水平和垂向亦为不规则的带状延伸。

在北帷幕内外两侧+90 m水平巷道和主盲竖井掘进中，揭露的断层破碎带均为不规则的带状延伸。

6 存在问题及建议

由于该矿地质勘查程度低，特别是对矿区内构造及水文地质条件研究不够，在Ⅰ号矿体帷幕线及注浆孔布置时，对Ⅰ号矿体地下水主要充水来源认识不够，对导水断裂带封堵的针对性不强。如施工顺序安排、部分注浆孔吸浆率偏低以及西帷幕被帷幕交汇处施工发现连串钻孔注浆量大导致该段采取加密孔的补救措施。

建议迁安市长城金矿对矿区做水文地质、工程地质的详查工作，以便查明开采技术条件，同时尽快施工大口径疏干孔8～10眼，以排出帷幕圈内积水，确保矿区安全生产建设。另外，为确保安全，采矿活动至少与帷幕线保持15～20 m距离。

7 结语

通过本注浆工程的施工，本堵水工程实施后，Ⅰ号矿体周围岩石裂隙、断层导水通道将会被填堵，吕容值ω≤0.05 Lu。Ⅰ号矿体帷幕范围内排水量大幅度减少。与堵水前排水量相比，堵水后排水量降低率为85%以上，既解决了排水难度，又减少了排水费用，满足采矿施工要求。