张马屯铁矿区既有阻水帷幕薄弱区治理技术方案

陈 新 张庆松 王凤刚 刘亚南，2 刘衍凯 郭焱旭 姜其琛

（1.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南250061；2.青岛市住房和城乡建设局，山东青岛266000）

阻水帷幕通过钻孔揭露裂隙含水层进行高压注 浆，封堵过水通道，改善裂隙岩体物理力学性质［1］和土体渗透性［2］，减少地下水流量［3］，有效截断矿体开采区域的地下水补给［4］，在土石坝［5］、填埋［6］、隧道［7-9］、矿区［10-12］等工程领域得到了广泛应用。矿区作业中，阻水帷幕为复杂富水环境下的矿体开采创造了有利条件。目前，国内外矿区阻水帷幕已有广泛实践，国外如安格连斯克煤矿、斯托林铁矿、罗希亚煤矿［1］等，国内如徐楼铁矿［10］、来新铁矿［11］、龙塘沿铁矿［12］、大红山铁矿［13］等，均取得了良好效果。

近年来，国内外学者对阻水帷幕开展了广泛的理论研究，王泽群等［4］以堵水率为评价指标，分析了注浆工程在不同帷幕线路和注浆参数下的堵水机制；刘鹏飞等［14］对高含水率条件下帷幕注浆加固进行了研究，认为注浆后的浆液结石体固结强度高、围岩整体稳定性好；王凯［15］对全风化花岗岩富水底层注浆加固机理进行了研究，形成全风化花岗岩地层突水突泥灾害的系统性注浆治理方法。在矿区阻水帷幕方面，张伟杰等［16］通过室内注浆模型试验系统开展了富水破碎岩体多孔分序帷幕注浆试验，分析了注浆扰动下岩体多物理场演化规律；付士根［17］对近矿体顶板帷幕注浆进行了系统性研究；张伟杰［18］对断层注浆加固机理进行了研究，并提出了负荷控制注浆设计方法。阻水帷幕的耐久性和稳定性伴随地下条件产生衰减，严重影响了矿区作业。对此，孙子正［1］对帷幕薄弱带发育模式进行了探索，指出阻水帷幕构筑期对导水构造的不完全覆盖，以及地下水软化浸泡冲蚀作用是帷幕薄软带形成的主要原因，而后者更具有显著的时间效应；李胜［3］、张省军等［19］分别对矿山帷幕的稳定性影响因素及矿山注浆堵水帷幕的稳定性监测方法进行了探索。现阶段对于阻水帷幕的理论研究成果较为丰硕，但涉及阻水帷幕薄弱区治理的相关实践性成果较少。

本研究针对阻水帷幕隐蔽性特点以及薄软带的时效特点，以张马屯铁矿为例，对阻水帷幕薄弱区综合治理技术方案进行研究，为矿区既有帷幕稳定性治理提供借鉴。

1 工程背景

张马屯铁矿位于济南市东郊张马屯村附近，矿床为接触交代矽卡岩型铁矿。由于交接带内形成了由大理岩强岩溶带、闪长岩破碎带、蚀变破碎带共同组成的含水层水力导通带，故矿床受地下溶水影响较大。前期进行了大帷幕注浆钻孔堵水工程，并形成封闭式帷幕，井下排水量为33 468.5 m3/d。由于矿床阻水帷幕薄弱段受水力破坏作用，导致减水效果减弱，引起的大量排水不仅增加了采矿成本，还对采矿作业安全产生了威胁，亟需对帷幕薄弱段进行分析并采取治理措施。

2 帷幕薄弱段综合治理方案

2.1 帷幕薄弱区综合治理技术体系

为有效兼顾安全性、长久性、经济性、环保性，达到治理减水目的，本研究提出了帷幕薄弱区治理技术方案，如图1所示。通过帷幕、地质、涌水、钻孔资料的分析，结合物探、井下及钻孔探测进行全面地质分析，确定区域水力补给水平、帷幕薄弱段位置、不良构造形态及富水空间分布情况，进一步结合各施工要素确定治理思路，并根据富水性和岩溶裂隙发育程度的差别采取精准治理方式进行分区治理；采用信息化施工与动态设计理念开展帷幕薄弱区综合治理，一方面依据超前探测、实时监测、原位试验结果，根据“物探先行、钻探跟进”的思路开展施工，另一方面根据示踪试验、材料试验、区域放水试验［20］结果判断治理区域状态，结合实时水文监测与实时区域探测数据进行治理方案动态设计，进而形成具有高适用性的矿体帷幕薄弱区综合治理方案。

2.2 帷幕薄弱区特征分析及治理策略

2.2.1 帷幕薄弱区特征分析

为探明地表至地下-360 m水平作业面的全貌，首先具体查明地表至-200 m水平第四系潜水和岩溶水赋存规律，为矿体既有帷幕注浆和水害防治提供可靠依据。本研究在综合分析现有资料的基础上实施了三维高密度电法探测［21］。根据大理岩含水体与铁矿均为低阻体、闪长岩为高阻体的特点，对其进行了区分，通过矿体电阻率三维数据体的切片处理来识别矿体富水区低阻异常。综合分析矿体电阻率三维数据体（图2）及其切片（图3）发现在探测范围内矿体位置存在低阻异常，低阻异常的分布范围及幅度随着深度增加而减小，深度250 m处矿体富水区低阻异常完全消失，说明矿体富水性随深度增加而减弱。

在重点治理的-360 m水平工作面，根据前期大帷幕实践发现，自矿体西南段向西段导水构造由小溶洞与溶蚀裂隙向溶洞和大型岩溶过渡。自西南段向西段大理岩中含有的白云质成分逐渐增多，导水性逐渐增强。前期钻探揭露的涌水主要为广泛发育的导水岩溶裂隙，钻孔揭露的涌水点较多、水压较低、水量较少。

通过资料分析、钻孔揭露结果综合分析表明，阻水帷幕由西北至东南存在4处薄弱区域（图4），且阻水帷幕靠近西北段穿越破碎带。根据最后一次-360 m水平施工的3个注浆硐室钻孔数据分析可知：6#硐室钻孔分布于大帷幕东南部，该区域大理岩完整性较好，最大涌水量为50 m3/h，仅在大理岩和闪长岩交变带存在破碎；7#硐室钻孔主要分布在大帷幕西南段，该区域大理岩破碎严重，富水性强，破碎富水区和破碎黄泥富水区沿钻孔方向互相交替，最大涌水量达300 m3/h，因存在黄泥和沙为注浆带来很大困难，注浆量较少，影响治理效果；8#硐室钻孔分布在大帷幕西段，该区域大理岩较薄，破碎带和破碎黄泥交替，卡钻严重，富水性较强，最大涌水量为150 m3/h，与7#硐室情况类似，存在黄泥和沙增加了注浆难度，影响了治理效果。靠近大帷幕西段的5#硐室揭露的涌水构造数量较少，但水量大、水压高，以顺层岩溶通道和溶洞溶管为主，涌水补给能力强。

综合分析可知，该矿体阻水帷幕治理的难点为：①前期针对性的多轮钻探注浆堵水以后，大部分导水通道封堵，泄压区域急剧减少，水压逐步升高，水力连通发生改变，探查不清；②通道区域大理岩破碎严重，富水性强，破碎富水区和破碎黄泥富水区沿钻孔方向互相交叉侵蚀，易卡钻、埋钻，增加了钻探和注浆施工难度。局部存在片帮、塌方，为后期施工治理带来很大的安全隐患。-360 m水平大帷幕水压高达3 MPa，地下水流速极大，部分区域形成动水。

2.2.2 基于物探-钻探的导水通道探查方法

为解决探查不明的工程难点，根据“物探先行、钻探跟进”的帷幕薄弱区治理理念，对薄弱区进行了物探-钻探结合探测。对帷幕薄弱区开展了高密度电法探测，图5为薄弱区B高密度电法反演结果，图中出现了明显的低阻区域，推断为铁矿或者含水体，标出了大理岩与闪长岩的分界面。在分界面下方不存在明显的含水体，分界面上方介质的电阻率均低于10 Ω·m，推断为铁矿或者含水体。根据探测结果，低阻区域与铁矿边界吻合较好，也反映了闪长岩中穿插的大理岩赋水区域。依据高密度电法反演结果，调整钻孔布置，有助于提高钻孔揭露含水构造的可能性。

通过开展钻探作业，发现大帷幕多处钻孔揭露到大型溶洞并发生掉钻。说明该段大理岩岩溶发育较强烈，地下水流动性强导致溶洞充填物积聚较少。这与-360 m水平已施工的钻孔揭露的水文地质资料较吻合。综合分析可知，西侧帷幕内外水力连通性较强，主要通过岩溶裂隙进行水力补给，但是由于导水构造的空间发育规模较小致使补给能力较弱，且静态储量较低。大帷幕西南部和西部为主要的导水通道，通道区域大理岩破碎严重，富水性强，破碎富水区和破碎黄泥富水区沿钻孔方向互相交叉侵蚀，存在的破碎黄泥富水区和沙，提高了治理难度。

2.2.3 基于材料选用的动水治理思路

岩石不耐注浆压力出现裂痕并伴有涌水出现，表明破碎岩层在水的长时间浸泡和压力环境下遭到破坏，耐压能力降低。考虑到破碎岩体堵水一般采用渗透-劈裂联合注浆加固模式［22］，当出现岩石裂痕伴有涌水发生时，根据注浆孔压情况停止注浆。当涌水量较小、岩壁较完整时，停止注浆，注入工业海带或锯末等软骨料，骨料进入裂隙内阻水成功后再注入浓度更大的水泥浆，封闭涌水裂痕。当水泥加固并达到一定强度后，采用小泵量、小压力浆液注浆。注浆采用间歇式进行，不断提高破碎岩体的耐压强度。岩壁裂隙淋水量增大时，选用速凝材料或者骨料。骨料选择应侧重考虑阻水作用，骨料可通过钻孔被流水携带至涌水裂隙，实现在裂隙内阻水。成功阻水后，裂隙内淋水显著减少，再次注入水泥浆，封堵涌水裂隙。上述方法成效不显著时，可使用高分子材料或特殊无机速凝材料对涌水裂隙进行封堵。

2.2.4 帷幕薄弱区综合治理技术方案

根据本研究帷幕薄弱区综合治理方案，并结合探查结果，分别在-360、-240、-200 m等水平以及地表进行了精准补帷幕作业，依照物探及钻探结果对主要导水通道实施了精准定位。以井下注浆钻孔为 例，注浆钻孔设计参数及涌水量见表1。

3 帷幕薄弱区综合治理效果

施工过程中钻孔揭露的实际地质情况如图6所示。图6中，6#、7#、8#硐室位于-360 m工作面，上部存在30～100 m厚的破碎富水带。

-360 m工作面6#、7#、8#硐室钻孔及涌水情况如图7所示。分析可知：6#硐室钻孔分布在大帷幕东南部，该区域大理岩完整性较好，最大涌水量为50 m3/h，仅在大理岩和闪长岩交变带存在破碎，总注浆量达141.88 t，整体减水效果明显。

根据实测结果，-360 m水平减水4 224.5 m3/d；-240 m水平老钻孔减水量约4 682 m3/d；地表扫孔减水量约1 250 m3/d。治理后井下排水量降至23 312 m3/d，相较于治理前排水量33 468.5 m3/d下降了30.3%，总体减水量为10 156.5 m3/d，减水效果显著。

以-360 m水平为例，治理前，2017年4—6月-360 m水平井下净、污排水统计如图8所示。图8（a）为水平泵房排水时间及排水量统计，图8（b）为高压污水泵排水时间及排水量统计。分析该图可知：单月水平泵房排水耗时1 300 h左右。单月水平泵房排水量约770 000 m3，单月高压污水泵排水耗时380 h左右，单月高压污水泵排水量约38 000 m3，单月总排水量约800 000 m3，其中5月的各项指标处于高位，且5月单月总排水量达841 250 m3。4—6月份-360 m水平泵房排水总量达2 316 300 m3，为主要排水来源，总高压污水泵排水量达114 800 m3，总排水量为2 431 100 m3，日均排水量为26 715.4 m3/d。

治理后，2018年5月6—22日-360 m水平排水量如图9所示。因停产后污水泵未上排，故-360 m水平泵房排水量即为该水平总排水量，日平均井下排水量达22 490.9 m3，最大日排水量达23 240 m3，最小日排水量达21 680 m3，统计期间合计井下总排水量为382 346 m3。相较于治理前排水量26 715.4 m3/d下降了15.8%，总体减水量为4 224.5 m3/d，减水效果显著。

4 结论

（1）提出了依托“物探先行、钻探跟进”理念的帷幕薄弱区综合治理技术方案，即通过帷幕、地质、涌水、钻孔资料的分析，结合物探、井下及钻孔探测进行全面地质分析，确定了区域水力补给水平、帷幕薄弱段位置、不良构造形态及富水空间分布情况，进一步结合各施工要素确定治理思路，并根据富水性和岩溶裂隙发育程度的差别进行精准治理。

（2）张马屯铁矿阻水帷幕薄弱区综合治理后减水效果显著，破碎岩体耐压强度提高、涌水减少，其中井下减水达30.3%，水平减水达15.8%，治理成效明显，可为同类工程实践提供参考。

（3）依托张马屯铁矿阻水帷幕薄弱区治理工程，对具有隐蔽性的帷幕薄弱区提出了具有针对性的综合治理方案。但由于帷幕薄弱区的形成具有显著的时间性，因此建立健全阻水帷幕风险监测评价方法，形成对阻水帷幕自构筑期始的稳定性评估，并将帷幕薄弱区风险监测、评价、治理综合形成整体化方案具有重要的工程意义。同时，对高水压高流速条件下的浆液结石固化作用、注浆加固机理需要进行更深入的探讨和研究。