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随着国民经济的不断发展,国家对安全生产提出了更高的要求,不断地出台了一系列的有关安全生产的法律、法规和条例,其中包括矿山安全生产的专门条例。
湖北省大冶市大红山矿业有限公司为了根治石头咀矿因强排地下水所造成的地面塌陷等灾害,彻底杜绝矿山开采过程中的突水事故的发生,于2004年6月至2006年6月在矿区的主来水通道上建造了长达540米,深达350余米的大型堵水帷幕。
帷幕注浆技术是一门以经验为主的科学,它涉及到多门学科和多种技术,在理论上尚不成熟,特别是矿山帷幕注浆,由于各矿山情况不一样,目前尚无成功的经验可借鉴。就本工程而言,要在埋藏较深的含水层中采用高压注浆的方法构筑防渗帷幕,对浆液的搅拌、输送和造浆工艺以及对注浆设备、输送管道及其联接件的性能,对钻孔的垂直度等均有较高的要求。这就决定了本工程技术上的复杂性。
为了给安全监督部门提供真实可靠的第一手资料,必须对地下帷幕的止水效果做出客观评价,目前对矿山止水帷幕的评价与检测方法,国内外尚没有现成的规范可循。
帷幕注浆工程是地下工程,与地面工程相比,它具有独立性、隐蔽性、复杂性、风险性、时效性等特点。由于地下情况复杂多变,工程的目的是否达到,效果怎样,需要从矿山的具体情况,施工的方案,设计,及施工的控制等方面着手,探索一套经济有效的评价方案。
受湖北省大冶市大红山矿业有限公司委托,于帷幕注浆的后期制定了效果评价的实施方案,决定从注浆资料的综合分析、检查孔验证、物探测试、试抽水等方法入手,对帷幕注浆的效果做出客观的评价。
首先收集帷幕设计资料及施工过程中所有勘察孔、注浆孔的水文地质资料、注浆资料、观测孔水位资料,在此基础上,评价幕址选择是否合理,分析帷幕侧边界、底边界的可靠性,掌握帷幕轴线岩溶发育规律、地下水主迳流带位置,判断帷幕参数、注浆材料、注浆工艺参数的合理性,了解各序次孔注浆量的变化规律及幕内外观测孔的水位变化规律,由此分析帷幕注浆施工过程中注浆质量控制的合理性,并判断帷幕注浆堵水的大体效果及帷幕轴线上可能存在的薄弱部位。重点分析了帷幕的设计参数;幕址的水文地质资料;堪察、注浆施工资料;水位观测资料;露天采坑的排水资料;帷幕的强度与截流衰减性能。
经分析,可以看出,大红山帷幕注浆工程的最大特点是始终坚持循环式的注浆工艺。
对比国内矿山帷幕注浆的实例可知,矿山帷幕注浆因孔深、地质条件复杂、地下水流速快等原因而难以实现质量最有保障的循环式注浆工艺。第二种方法是检查孔的检查。经在帷幕最复杂的区段布置两个检查孔,探查钻孔注浆在孔间的交联状态,判断帷幕断面上是否存在尚未充填的透水裂隙、溶洞,掌握地层内浆液结石体的力学性能、抗惨性能。经过资料分析,ZK6至K34孔之间为矿区东部强迳流带且为注浆封堵薄弱地段,因此,检查孔即布置在岩溶裂隙发育、吸浆量最大的ZK8号孔的两端,检查孔数量定为2个,两孔相距50米。
通过检查孔的取芯情况,可有效判别该部位地下岩溶裂隙的注浆充填状态,由此检查注浆孔之间的交联状态及浆液的有效扩散半径;根据取出的注浆结石体,可检查岩溶裂隙充填物的固结强度及其物理力学性能、抗渗性。由此可判别帷幕幕体的质量及帷幕在今后运营过程中截流能力的衰减性。通过检查孔施工时冲洗液的漏失量、分段压水试验的成果确定该部位自上而下帷幕的渗透性,以及帷幕的主迳流带上是否存在大的未充填好的岩溶裂隙。
第三种方法是物探的方法——CT透视法。物探检查与钻孔检查相比而言,是一种范围较大的宏观检测帷幕注浆效果的一种新手段,它采用层析成像技术勾画出探测剖面上大的岩溶裂隙具体位置及规模,对于帷幕注浆效果的检测具有很好的指导意义。经同一区域注浆前后的检查结果对比分析,可以证明检查范围内帷幕灌浆之前岩溶裂隙发育、连通性好,帷幕灌浆以后,范围内已无较大的溶洞、裂隙,地层透水性的人工改造情况较好,仅局部存在未完全封堵的岩溶裂隙。
由于仪器须下到孔内, CT透视法只能与检查孔配合进行,而检查孔的施工费用又较高,因此CT透视法不能单独大范围推广使用。
第四种是坑内抽水试验,坑内抽水试验是检验帷幕注浆效果最为直接有效的方式。根据抽水试验取得的综合成果,可采用地下水动力学法或涌水量曲线方程法预测矿坑涌水量、判定帷幕堵水率,并利用幕内外水位观测孔水位动态资料,预测地下水位降落漏斗扩展情况及地面岩溶塌陷可能的扩展范围。
本次试验采用稳定流抽水试验法,要求抽水井流量、水位及幕内外观测孔水位同步稳定两天以上。经对抽水试验资料的分析可知帷幕堵水率相当高,达82%以上,在今后矿山开采过程中,注浆帷幕可发挥显著的截流作用,从而有效地防范井下突水事故的发生,保证矿山的安全生产。以上分析还说明了大红山矿上部的“水帽”是可以揭掉的,形成的塌陷范围应不会波及到大冶六中。
通过几种方法的检查与分析,可以得出:帷幕的整体效果完全满足合同要求;满足矿山安全生产的需要。
帷幕投入运行后,再经过更长的时间的抽水验证,对各种检测方法的经济性与有效性建立初步认识。同时,也验证了帷幕注浆设计方案,施工工艺的合理与有效性,为今后同类工程的设计与施工提供实践经验。