近矿体帷幕注浆是指在矿山井下布设多组钻孔，揭露含水裂隙及导水构造，并采取注浆措施封堵导水通道的过程。该技术主要应用于以灰岩岩溶水、断裂构造水为突水水源的大水矿山，在减少矿山涌水[1,2,3]、截断外部补给路径[4,5,6]、降低岩体渗透性能[7,8]、保护地下水资源[1,9]等方面效果显著。目前已在业庄铁矿[1]、谷家台铁矿[10,11]、莱新铁矿[12]、徐楼铁矿[13]等十多家矿山应用并取得了显著成果。

我国科技工作者近年来对井下矿体帷幕注浆机理方面开展了诸多研究，张改玲[14]研究深部矿山水文地质结构及其采动时空演化，建立了浆液偏流扩散数学模型，构建了“浆 - 岩”组合体渗透性采动效应评价方法；刘鹏飞等[15]研究发现帷幕注浆加固体能够有效阻断地下水的涌渗流，浆液结石体固结强度高，围岩整体稳定性好；彭国威等[16]探究浆液留存率与流速和坍落度之间的关系，结果表明浆液的抗水冲散性能与浆液的坍落度和动水流速皆成负相关，在动水流速不大于1.5 m/s的情况下，浆液的抗水冲散性能较好；杨柱等[17]结合凡口铅锌矿帷幕工程，采用示踪试验、加密钻探等手段，基于地下水动力学及渗流理论，得出计算骨料投放量公式，并提出4步动水注浆方案，一次性封堵过水量为6000 m3/d的强动水通道。帷幕工程应用方面，谢世平等[18]采用近矿体帷幕有效地化解了龙塘沿铁矿的突水威胁，表明30 m的帷幕厚度是安全可靠的；徐磊等[2]在某水文地质条件复杂的大水矿山实施了近矿体帷幕注浆，工程实施后堵水率达到86%。帷幕效果评价方面，许峰[19]采用综合检测方法(高密度电阻率法、钻孔抽芯、压水试验和地下水位动态监测)对黄玉川煤矿DF6断层带帷幕注浆的效果进行了评价；王海等[1]总结了多种截水帷幕技术，发现帷幕截水率大多在60%以上，帷幕外侧水位显著抬升，保护了矿山水资源和矿区生态环境。矿山帷幕注浆研究在机理、应用及效果评价方面成果较多，但根据岩溶发育区矿体富水空间分布差异，针对性实施井下帷幕注浆优化的相关实践性成果较少。

因此，本文针对复杂大水矿山水文地质条件复杂及矿体富水空间分布差异的特点，以安庆铜矿东马鞍山矿体-580～-900 m中段为例，对局部近矿体帷幕注浆技术方案进行优化和实践，旨在为典型复杂大水矿山涌水治理提供技术支撑和工程案例参考。

1、近矿体帷幕注浆技术优化方案

东马鞍山矿体为安庆铜矿新开拓区域，位于长江中下游铁铜成矿带中部，为一隐伏接触交代矽卡岩型铜铁矿床。由于矿区内大理岩岩溶发育，透水性、富水性强，并具较高水压且为矿体直接顶板，故矿床受地下岩溶水影响较大。矿山基建期间坑下开拓工程揭露灰岩顶板时均出现大量涌水，造成地表塌陷频发、地表水倒灌等事故，给矿山建设、生产及周边环境带来了不良影响。亟需对矿床岩溶发育、涌水情况进行研究并开展注浆堵水工作。

1.1 综合治理技术体系

为实现治理矿山井下水害目的，并有效兼顾矿山安全性、长久性、经济性、环保性，本研究提出局部近矿体帷幕注浆技术方案(见图1),方案在传统近矿体帷幕注浆技术的基础上，根据含水层的富水性差异分区治理，既保证治水效果，又尽可能节省投资。在收集以往巷道开拓工程地质、涌水、钻孔资料的基础上，全面分析矿体水文地质条件，确定区域水力补给水平、不良构造形态及富水空间分布情况，根据富水性差异分段治理。

近矿体帷幕注浆工程实施依照分区分段设计理念展开，根据“探 - 注 - 检”的技术路线开展施工。首先，采用探水钻探判断局部富水状态，结合探测数据进行动态设计；其次，进行加密钻孔注浆；最后，实施检查孔。最终形成“探 - 注 - 检”一体化技术，构成高适用性的局部近矿体帷幕注浆技术方案。

图1 局部近矿体帷幕注浆技术方案   

1.2 富水空间划分

东马鞍山矿体局部近矿体帷幕注浆工程遵循分区分段设计理念设计施工，首先应详细查明-580 m水平至-820 m水平岩溶水赋存规律，为近矿体帷幕注浆和水害防治提供数据支撑。本文基于目前对水文地质条件、区域岩溶发育规律、钻孔涌水等资料的认识，对富水空间分布进行了划分。

根据探查钻孔涌水量判别地层中岩溶裂隙发育程度。当钻孔涌水量小于20 m3/h时，说明地层岩溶裂隙发育弱，无明显含水构造，地层可注性差或注浆量有限；当钻孔涌水量为20～100 m3/h时，说明地层岩溶裂隙发育中等，存在小型岩溶裂隙或构造，具有一定的可注性；当钻孔涌水量大于100 m3/h时，说明地层岩溶裂隙发育强，存在大型岩溶裂隙或构造，地层可注性强。根据该判别标准，东马鞍山矿体自西向东(8线至38线)呈现由弱变强的变化趋势；垂直方向岩溶发育形态由浅部以溶洞为主，逐渐转变为深部以溶蚀裂隙、密集的蜂窝状溶孔为主，岩溶发育程度随深度减弱。

富水空间的划分以水平探矿钻孔单点涌水量大小为依据，将矿床地下水在平面上自西向东划分为3个区：弱富水区、次富水区、强富水区[20],划分标准及分布区域详见表1、图2。

表1 矿体富水空间划分

图2 矿体富水区分布   

1.3 局部近矿体帷幕注浆技术方案

依照局部近矿体帷幕分区分段设计思路，将东马鞍山矿体划分为弱富水区、次富水区、强富水区，再根据“探 - 注 - 检”的思路开展设计施工。帷幕工程分为探水工程和注浆工程，根据探水、注浆工程的目的不同，分两阶段实施，即前期工程、后期工程。

前期工程实施探水钻孔，兼具探水、注浆、探矿三重作用，查明东马鞍山矿体富水性差异，充分弄清矿体顶板水文、工程地质特征，掌握地下水分布规律，对钻孔涌水5 m3/h以上的出水点进行注浆封堵，探测数据为加密钻孔、矿体帷幕的动态设计奠定基础。

后期工程根据探水钻孔揭露矿体富水空间分布情况，针对大理岩含水性质差异分别布置注浆堵水工程。对8线至28线弱富水区、次富水区进行加密钻孔注浆，对28线至38线强富水区实行近矿体帷幕注浆，最后实施检查孔。

1.3.1 探水注浆钻孔

根据局部近矿体帷幕注浆方案，分别在-580 m水平、-640 m水平、-700 m水平、-760 m水平、-820 m水平上盘开拓巷道16～38线之间，按20 m×20 m网度开展探水工程，在矿体上盘开拓巷道设计布置沿勘探线方向的探水倾斜钻孔，每个探水注浆硐室沿勘探线方向布设3～4个探水注浆孔，孔深以揭露到矿体为界。探水钻孔兼具注浆作用，当钻孔涌水量小于5 m3/h时，可不进行注浆堵水处理，钻孔涌水自流进入巷道后，通过-900 m水平水仓排出矿坑；而对于涌水量大于5 m3/h的出水点，按注浆堵水技术要求进行注浆堵水。

探水硐室具体长×宽为5.0 m×4.5 m, 高度为3.6～4.5 m。在拟定的探水注浆硐室施工前，应布置1～2个检查钻孔，检查孔深为5 m, 视检查钻孔出水情况决定是否对钻注硐室进行预注浆处理。

1.3.2 加密注浆钻孔

待8～28线弱富水区、次富水区完成前期探水钻孔后，针对岩溶裂隙相对较发育，钻孔涌水量大于5 m3/h的出水点，需按照10 m×10 m网度实施加密注浆，如图3所示。为避免工程量的浪费，加密钻孔布设方案可分为以下两种。

(1) 当钻孔出水量小于等于10m3/h时，在出水点位置水平方向增加2个加密注浆钻孔，在出水点位置水平方向形成10 m×10 m注浆网度。

(2) 当钻孔出水量大于10m3/h时，分别在水平方向、垂直方向各增加2个加密注浆钻孔，分别于出水点位置水平方向、垂直方向形成10 m×10 m注浆网度。加密注浆完成后布置1～2个检查孔对注浆堵水质量进行检验，并视钻孔涌水情况决定是否继续加密注浆钻孔。

图3 加密钻孔布置  

1.3.3 局部近矿体帷幕注浆

(1) 帷幕厚度。

依照近矿体帷幕堵水机理，帷幕构成可分为有效厚度(h1)和无效厚度(h2)两部分，如图4所示。其中，无效厚度是近矿体帷幕可能受到采矿活动影响的裂隙发育带厚度，与有效厚度相比，该层防渗能力不稳定。有效厚度是注浆帷幕中不受采矿活动影响的部分，是防渗和自稳的主体。

图4 近矿体帷幕构成  

帷幕厚度通过工程实践法和理论计算法综合确定[3,21],以岩体力学和弹性力学为理论依据。理论计算法计算帷幕厚度：无效厚度为8.72 m, 有效厚度为16.20 m, 则帷幕总厚度为24.92 m。类比同类型的大水矿山，帷幕总厚度(h1+h2)取27 m。根据工程实践经验及理论计算，注浆帷幕的厚度在24～27 m之间，为可靠起见，注浆帷幕最终厚度取30 m, 并以此作为帷幕注浆钻孔孔深设计的依据。

(2) 注浆压力。

以近矿体帷幕堵水作用机理中注浆帷幕厚度30 m为临界值，将矿体顶板30 m以内确定为重点注浆段，此段内注浆适当提高注浆压力，30 m以外则为非重点段。参考同类型矿山及本矿山已施工的超前注浆工程情况，确定注浆压力取1.5～3倍静水压力(依据矿区水文观测孔长期观测数据确定为-300 m),因此，非重点段和重点段孔深d≤10 m、10 m<d<30 m、d≥30 m时的注浆压力分别为静水压力的1.5倍、2倍、2.5倍、3倍，具体各注浆段注浆压力见表2。

表2 不同注浆段设计注浆终压

1.3.4 工程实施

(1) 前期工程。

依照局部近矿体帷幕注浆方案，探水注浆钻孔按设计分别在-580 m、-640 m、-700 m、-760 m、-820 m共5个中段内沿勘探线方向总计施工136个倾斜钻孔，钻孔累计进尺10 345.26 m, 钻孔总涌水量为1210.76 m3/h, 总注浆量为4592.44 m3,单位注浆量为0.44 m3/m, 详见表3。

表3 前期工程钻孔注浆统计

(2) 后期工程。

前期探水钻孔实施后，根据所揭露的矿体富水空间分布情况，针对大理岩含水富水区域差异分别布置加密帷幕注浆堵水工程。总计施工251个加密帷幕注浆钻孔，钻孔累计进尺为22 244.22 m, 钻孔总涌水量为3924.65 m3/h, 总注浆量为12 617.37 m3,单位注浆量为0.57 m3/m。施工检查孔19个，钻孔累计进尺为2014.47 m, 钻孔总涌水量为72.30 m3/h, 总注浆量为568.83 m3,单位注浆量为0.28 m3/m, 详见表4。

表4 后期工程钻孔注浆统计

2、局部近矿体帷幕注浆效果分析

2.1 矿坑涌水量分析

已知-900 m中段为东马鞍山矿体最低中段，-400～-580 m中段涌水排至-580 m中段水仓，-580～-900 m中段涌水排至-900 m中段水仓。图5为东马鞍山矿体-580 m中段和-900 m中段2016年、2020年月均涌水量数据对比。由图5可知，近矿体帷幕注浆工程实施前后两中段涌水量变化显著，2020年较2016年的矿坑总涌水量降幅达36.5%,且-580 m中段注浆工程实施后涌水量降幅明显大于-900 m中段。其中，-580 m中段在2020年1月份涌水量降幅最大，与2016年同期相比下降49.6%,总体减水量为1369 m3/d, 平均降幅达38.5%;而-900 m中段在2020年6月份涌水量降幅最大，与2016年同期相比下降36.7%,总体减水量1135 m3/d, 平均降幅达34.3%。检测结果表明，局部近矿体帷幕注浆工程的实施成功封堵了矿体周边大部分导水通道，对减少东马鞍山矿体-580 m中段以下矿坑涌水量具有十分显著的效果。

图5 注浆前后矿坑涌水量对比  

2.2 钻孔水压分析

东马鞍山矿体井下巷道揭露出水点-400 m标高以上基本无水，矿坑中心地下水位标高约-400 m。-580～-900 m中段前期工程探水钻孔揭露涌水水压基本在1.5～5 MPa之间，而后期工程加密帷幕钻孔所揭露的涌水水压大多小于1.5 MPa, 钻孔水压呈现出由大变小的递减趋势。据此断定局部近矿体帷幕注浆工程实施后，基本切断了矿床与外部水体的过水通道，低水头涌水应为帷幕内侧静水或与外界水体水力联系微弱的裂隙涌水。

2.3 检查孔效果分析

通过在-580 m、-700 m、-760 m、-820 m中段施工19个检查孔对近矿体帷幕进行效果检验，发现检查孔内涌水具有总涌水量少、单点涌水小(Q均小于10 m3/h)、水压低的特点，表明局部近矿体帷幕注浆已达到预期注浆效果。

3、结论

(1) 基于矿床地质、涌水、钻孔资料，全面分析了东马鞍山矿体岩石富水特征，根据探查钻孔涌水量判别地层中岩溶裂隙发育程度，进一步结合各施工要素形成“探 - 注 - 检”的技术路线，结合探测数据进行动态设计，最终总结出局部近矿体帷幕注浆技术优化方案。

(2) 帷幕厚度基于工程实践法和理论计算法综合确定，以岩体力学和弹性力学为理论依据计算帷幕总厚度为24.92 m, 根据工程经验，为可靠起见，最终厚度为30 m。通过对矿体旁侧帷幕注浆实施前后矿坑涌水量、钻孔水压、检查孔的变化情况进行效果分析，发现东马鞍山-580～-820 m中段矿体旁侧帷幕注浆厚度取30 m是安全可靠、经济合理的。

(3) 东马鞍山矿体-580～-820 m中段实施矿体旁侧帷幕注浆对减少矿坑涌水量效果十分显著，2020年较2016年的矿坑总涌水量降幅达36.5%,帷幕注浆成效明显，为矿山取得了较大的经济效益、社会效益和环境效益，可为同类工程实践提供参考依据。

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文章来源:杨柱,叶强,李阳明等.复杂大水矿山近矿体帷幕注浆技术优化及应用[J].矿业研究与开发,2023,43(11):157-162.