一种矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆技术

摘要

本发明公开了一种矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆技术，采用以下技术方案：1）上向探注孔布置：在每个硐室布置仰5°、15°和25°的上向探注孔各6个，探注孔设计以硐室中心为基点，各度的探注孔在平面上相互错开60°均匀布置，孔深50m，5°、15°和25°探注孔之间在平面上相互错开20°均匀布置；2）下向探注孔布置：在端硐室布置向外下向-5°、-30°和-60°探注孔，孔深50m，各下向探注孔在平面上对称布置，相互夹角为10°；3）根据采准工程的要求，进行注浆，形成注浆帷幕。本发明针对顶板岩溶裂隙，在井下建造高堵水率的注浆帷幕，可以起到隔水和加固的双重作用，在注浆帷幕的保护下安全高效地将矿体解放出来，为矿山的安全高效开采提供技术保障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下矿山开采技术，尤其是涉及一种地下矿山矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水条件下的安全开采技术。适用于各类含水层岩溶裂隙、溶洞发育、含水丰富且矿体相对集中的矿山。不仅可以增强顶板稳固性，同时起到隔水作用。

背景技术

我国地下矿山矿床水文地质条件复杂程度不一，单纯采用疏干降压方法，不仅排水费用高，而且易引发地面塌陷、地下水资源枯竭等严重环境问题，如水口山铅锌矿、凡口矿、泗顶铅锌铁矿等，为此，我国矿山防治水工作者借鉴水电大坝灌浆经验开发出矿区帷幕注浆堵水技术。经过近40年实践、发展，我国矿区帷幕注浆堵水技术已步入实用阶段，日趋成熟。目前我国对矿山地质灾害已引起高度重视，可以说，帷幕注浆堵水技术势必成为大水矿山防治水的主要技术之一。

国外的矿区帷幕注浆多为第四系表土层中的浅截帷幕，且大部分是用钻铣法或铲挖法施工的地下防渗墙，与我国的深大帷幕比较，不可同日而语。可以说，从矿区帷幕的应用范围、帷幕规模，以及所获得的经济效益、社会效益等方面来衡量，我国独创的矿区帷幕注浆堵水技术均处于世界领先水平。

目前国内外在矿区地面帷幕注浆已有近20个工程实例，而井下围岩帷幕注浆则罕见报道，两者在堵水率及安全性方面，均有明显区别，前者距采区有一定距离，不受采矿工程的影响，要求有一定的堵水率即可，而且幕内有完善的排水系统，不存在突水淹井的威胁；而后者紧贴矿体，容易被采矿活动（爆破、沉降等）所破坏，同时确保不发生突水淹井事故，因此其技术难度可想而知。

《工程建设》2009年2月发表的“帷幕注浆在凡口地区矿山堵水中的应用”论文中对在强动水条件下进行帷幕注浆的施工方法进行了介绍，其治理方案及原理为：通过贯穿地下水活动层的钻孔对透水地层( 主要为壶天群白云质灰岩和大唐阶泥质灰岩 ) 进行注浆，堵塞地下水活动通道，使得地层局部性质改变形成相对不透水柱状区域。划线横穿主要地下水流入矿坑的途径，线上进行等距节点式钻孔注浆，使得柱状相对不透水区域连接在一起形成一道相对不透水的帷幕，帷幕连接相对隔水层天子岭组花斑状灰岩，以此来阻断地下水流入矿坑的路径，达到阻止矿坑涌水的目的。但这种帷幕注浆堵水技术，难以适应矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆堵水。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术中存在的上述缺陷，而提供一种堵水率高且安全可靠的矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆技术。本发明针对顶板岩溶裂隙，在井下建造高堵水率的注浆帷幕，可以起到隔水和加固的双重作用，在注浆帷幕的保护下安全高效地将矿体解放出来，为矿山的安全高效开采提供技术保障。

为实现本发明的上述目的，本发明一种矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆技术采用以下技术方案：

为达到堵水率高且安全可靠的目的，本发明一种矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆技术首先应分析前期勘探钻孔的水文工程地质资料及巷道、钻孔揭露的情况，并进行必要的探水钻孔注浆工作，从宏观上掌握矿体顶板的水文地质特征，然后设计布置探水注浆工程和加密注浆工程，并通过纵横交错构成一定网度的注浆钻孔形成的空间网格，最终在矿床顶板形成一定厚度的注浆盖层—注浆帷幕，为矿山的安全高效开采提供技术保障。具体为：

1）上向探注孔布置：在每个硐室布置仰5°、15°和25°的上向探注孔各6个，探注孔设计以硐室中心为基点，各度的探注孔在平面上相互错开60°均匀布置，孔深50m；5°、15°和25°探注孔之间在平面上相互错开20°均匀布置。在现场实施过程中，不许根据揭露的水文注浆情况和采准工程的要求而进行调整。

所述的上向探注孔形成的钻孔控制网度在8m×8m以内。

2）下向探注孔布置：在端硐室布置向外下向-5°、-30°和-60°探注孔，孔深50m，以端硐室中心为基点，各下向探注孔在平面上对称布置，相互夹角为10°。在现场实施过程中，必须根据揭露的水文注浆情况和采准工程的要求而进行调整。

3）根据采准工程的要求，进行钻孔、注浆，形成注浆帷幕，具体参数为:

（1）帷幕厚度：T=H_s/J₀，m，

式中：

H_s-帷幕所能承受的最大水头,>

J₀-注浆材料所能允许的渗透比降；

（2）浆液在裂隙中的扩散形成的浆液扩散半径必须同时符合：

①计算公式：R=

式中：R-为浆液扩散半径，m，

K-为岩层渗透系数，

t-注浆延续时间，h，

r-输浆管半径，mm，

μ₁-水的黏滞系数，

μ₂-浆液的黏滞系数，

H注浆压力，MPa，

n-岩层的孔隙率。

②根据《注浆技术规程》规定，大理岩裂隙含水层中，浆液有效扩散半径取6～15m。

（3）其它参数：注浆材料、注浆压力、浆液浓度、注浆结束标准符合设计要求。

本发明一种矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆技术采用以上技术方案后，具有以下效果：

（1）实施井下帷幕加密注浆工程后，近矿体围岩的水文地质特征基本查清，绝大部分的导水裂隙及漏水“天窗”已被封堵，矿坑涌水量明显减少，估计可减少矿坑涌水量70%～80%左右，突水风险大大降低，为矿体安全高效开采提供了强有力的技术保证；

（2）通过对矿床井下帷幕注浆工程的实施，在具备一定的安全技术措施条件下，可基本上保障注浆帷幕以下矿量的安全开采；

（3）矿体形成整体井下注浆帷幕后，可节约大量的排水费用，经济利益显著；

（4）帷幕注浆工程实施后，可基本上保证矿区地下水不下降，地面基本不出现塌陷；

（5）降低了岩溶裂隙发育且强富水矿山的开采风险，并可以在各种类似条件矿山中推广应用。

附图说明

图1 为本发明一种矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆技术纵向投影图。

图2为本发明一种矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆技术水平向投影图。

附图标记为：1-硐室；2-巷道；3-5°探注孔；4-15°探注孔；5-25°探注孔；6-水位线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

由图1所示的本发明一种矿体顶板岩溶裂隙发育且强富水矿床的帷幕注浆技术纵向投影图并结合图2看出，巷道2位于水位线6之下，各硐室1沿巷道2侧向布置。

1）上向探注孔布置：在每个硐室1布置仰5°、15°和25°探注孔各6个，形成钻孔控制网度为8m×8m以内。探注钻孔设计以硐室中心为基点，6个5°探注孔3、6个15°探注孔4、6个25°探注孔5各自在平面上相互错开60°均匀布置，孔深50m。5°、15°和25°探注孔之间相互错开20°均匀布置。在现场实施过程中，不许根据揭露的水文注浆情况和采准工程的要求而进行调整。

2）下向探注孔布置：在端硐室向外布置下向-5°、-30°和-60°探注孔，孔深50m。以端硐室中心为基点，各下向探注孔在平面上对称布置，相互夹角为10°。在现场实施过程中，必须根据揭露的水文注浆情况和采准工程的要求而进行调整。

3）根据采准工程的要求，进行钻孔、注浆，形成注浆帷幕，具体参数为:

（1）帷幕厚度为：T=H_s/J₀，m，

式中：H_s-帷幕所能承受的最大水头,>

J₀-注浆材料所能允许的渗透比降；

（2）浆液在裂隙中的扩散形成的浆液扩散半径必须同时符合：

①计算公式：R=

式中：R-为浆液扩散半径，m，

K-为岩层渗透系数，

t-注浆延续时间，h，

r-输浆管半径，mm，

μ₁-水的黏滞系数，

μ₂-浆液的黏滞系数，

H注浆压力，MPa，

n-岩层的孔隙率；

②根据《注浆技术规程》规定，大理岩裂隙含水层中，浆液有效扩散半径取6～15m；

（3）其它参数：注浆材料、注浆压力、浆液浓度、注浆结束标准符合设计要求。

①注浆压力

注浆压力是浆液克服流动阻力进行渗透扩散的动力，是决定注浆效果的主要因素。在整个注浆过程中，注浆压力随着注浆孔周围浆液的扩散、沉析、充填压裂等情况的变化而随时变化，一般分为初始压力、过程压力和终值压力三个阶段。

初始压力：此时由于注浆刚刚开始，宜采用稀浆低压注浆，使浆液慢慢的过散、充填，一般初始压力为静水压力的1.0倍。

过程压力：出现在注浆过程的中期，此时浆液在裂隙内流动扩散、沉析、充填，大裂隙逐渐缩小、小裂隙开始进浆充填。过程压力控制在1.5～2倍静水压力值之间。

终值压力：出现在注浆末期，是注浆结束时的压力，此时出现注浆量随压力升高而减小的现象，仍需保持注浆压力并稳定一段时间，其目的是使已经充填饱满的空隙在高压下进一步压实，这个阶段的持续时间较短，由于压力曲线明显上升，标志注浆已临近结束，应按注浆结束标准结束注浆工作，设计注浆终压为2.0～3.0倍静水压力。在实际注浆工作中，应综合考虑，灵活运用，当岩石裂隙不发育或岩溶裂隙中有较多充填物时，尤其是矿体上下盘破碎接触带，宜采用高压注浆对其进行压密挤实、充填细微裂隙或加固处理；若岩溶裂隙发育，则应采用低压、浓浆、定量间歇注浆方法，以免浆液扩散过远，造成浪费。

②浆液浓度

注浆浆液的浓度直接影响浆液的可注性和结石强度，由于注浆段中含有不同宽度的裂隙，因此每次注浆中都应采用几种浓度的浆液，原则是先稀后浓，用不同浓度的浆液分别去适应各种不同宽度的裂隙。单液水泥浆的起始浓度由每个钻孔注浆段的岩层吸水率决定。单液水泥浆起始浓度按水灰比2：1、1.5：1、1：1和0.8：1等四个级别进行配比，供注浆时选择；水泥、水玻璃双液浆一般采用1：1的水泥浆的体积与水玻璃的体积配比，体积比为1：1和1：0.8二个级别。

③浆液注入量

为了达到最佳注浆效果，必须注入足够的浆液量，以保证浆液有一定的扩散范围，形成足够的注浆厚度。浆液注入量与注浆段厚度、岩石裂隙率、岩溶率、浆液凝胶时间等有关，但由于岩石的裂隙率很难准确提供，因此每孔的浆液注入量计算值，只能供准备材料时参考。根据同类矿山注浆分析比较，每米钻孔浆液消耗量为0.3～0.8t/m。

④注浆结束标准：注浆孔单液注浆时，在设计的终值压力下，注浆段吸浆量小于20～35L/min，持续30min后，即可结束注浆。

⑤注浆材料。注浆材料应满足以下要求：浆液粘度低，可注性好，浆液扩散半径适宜；浆液结石率高，抗渗性好，稳定性好，结石长期在水中浸泡不发生态变。根据上述要求，可选用纯水泥浆和粘土水泥浆。与纯水泥浆相比，粘土水泥浆的成本只有纯水泥浆的60%，而且可注性、稳定性和抗稀释性更好，条件适宜时应优先选用，其缺点是强度较低，造浆工艺复杂。

4）钻孔和注浆过程中严格按照有关的技术要求进行。