第32卷第6期 2017年6月 露天采矿技术 Opencast Mining Technology V0L32 No.6 Jun.2017 DOhlO.13235/j.cnki.1tcm.2017.06.OO9 引用格式:郭旭,汪云川,陈俊彬,等.跟管钻进注浆工艺在东明露天煤矿防治水系统中应用[J].露天采矿技术,2017,32(6): 3O一33. 跟管钻进注浆工艺在东明露天煤矿防治水系统中应用 郭 旭,汪云川,陈俊彬,康佳明,钟晓勇 (内蒙古呼伦贝尔东明矿业有限责任公司,内蒙古呼伦贝尔021000) 摘要:东明露天矿根据自身生产需求,结合矿区地质特性自主设计,将地质套管伸入含水层位, 把注浆原材料注入受注地层。过程中对注浆压力、水灰比等参数进行调整,通过浆液中添加可膨 胀骨料对导水通道进行充填封堵,对于厚松散沉积类型地层的露天矿防治水工作积累了一定经 验,使边帮残余水得到了有效的控制。 关键词:露天煤矿;注浆;防治水 中图分类号:TD743 文献标志码:B 文章编号:1671—9816(2017)06—0030—05 Application of pipe drflifng and grouting technology in water treatment system of Dongming Open-pit Coal Mine GUO Xu,WANG Yunchuan,CHEN Junbin,KANG Jiaming,ZHONG Xiaoyong Inner Mongolia Dongming Mining Co.,Ltd.,Hulunbei'er 021000,China) Abstract:According to their own production needs,combining with the geological characteristics of mining area independent design,the mine extended geological casing into the aquifer,injected the grouting materials into formation.The mine adjusted the pressure of grouting,water cement ratio and other parameters.Through adding expandable aggregate filling of water channels,the grouting pmject for thick loose strata sedimentary types of open-pit mine water prevention and control work had accumulated some experience,which effectively controlled the slope residual water. Key words:open—pit coal mine;grouting;water prevention and control 1 区域地质及水文地质 大,储量丰富,随着采掘场北推逐渐接近莫日格勒河 东明露天矿区域地层主要由第四系(Q)和白垩 水系,第四系潜水不断地得到补给。 系(K)组成。第四系广泛分布于煤系地层之上,主要 2防治水现状 由砂砾石、含砾黏土、粉质黏土,亚砂土等组成,厚度 4.85~77.95 In,平均厚度59 in。煤层属于白垩系地 东明露天矿主要采用外围布设降水井疏干与坑 层,煤层产状走向近东西,倾角为5。,属于平缓稳定 下强排工艺相结合控制矿区地下水。来针对采掘场 煤层,平均厚度17.52 m,是本区开采的目的层。区 西侧富水靶区及地下水补给通道布设了很多降水 内已查明有近东西走向的断层6条,由于构造隆升 井,降水井抽水效率整体较高,区域水头标高也大幅 造成局部区域煤层顶板缺失,对煤层的厚度和连续 度下降,水位标高得到了一定控制。 性造成一定影响。 由于该区域地层松散渗透系数大、地下水侧向 该地区第四系厚松散含水层十分发育,且矿区 径流补给强量大,地质构造复杂,采用单一的疏干截 地势低处于盆地底谷区域受莫日格勒河水系和区域 水工艺无法从根本上解决第四系潜水补给问题,仍 地质构造的影响,地下水导水通道多、径流补给量 有大量第四系残余水顺沿边帮平盘涌出,由于残余 水动、势能大流速快严重冲蚀边帮平盘,对边帮整体 收稿日期:2017—02—16 稳定性带来一定隐患。 作者简介:郭旭(199l一),男,辽宁阜新人,采矿助理 帷幕堵水工艺除在特定的水文地质条件下单独 工程师,2014年毕业于辽宁工程技术大学,现为呼伦贝尔东 使用外,一般情况下,只要条件具备,采用降水孔和 明矿业有限责任公司水文地质技术人员。 帷幕堵水联合疏干工艺,会取得最佳技术经济效果 ・30・ 第32卷第6期 20l7年6月 [11,露天采矿技术 Opencast Mining Technology V01.32 No.6 Jun.2017 防渗帷幕治水实质上应理解为与矿场疏干的联 点在于相邻3孔内浆液扩散区域重合的机率比正方 形布孔时高许多,注浆效果更好[3】。三角形布孔示意 图如图1所示。 合治水[21。为了进一步控制残余的第四系潜水,降低 每年因残余水冲蚀平盘产生的高额的边帮治理费用 及解决当前环保、水务等法规及行业规则限制,在现 有基础上更加有效地控制采掘场西侧、西北侧边帮 渗水量。特提出采用疏堵结合的方式对第四系潜水 进行控制。即通过外围降水疏干与帷幕注浆工艺试 验性注浆封堵联合应用的方式解决残余水问题。 3试验原理及参数 3.1跟管钻进注浆工艺原理 图1三角形布孑L示意图 3.4注浆材料的选择及配比 从地面开孔,利用定向跟管钻进技术,以垂直孔 的形式,将套管伸入含水层位或需加固地层,通过地 面注浆系统将所制浆液注入受注地层。浆液在第四 注浆材料是决定帷幕工程总投资的一个重要因 素[41。注浆材料的选择与注浆地层的裂隙、孔隙的大 小、含水透水性有关,不管采取何种材料注浆,形成 的帷幕体的厚度、强度,应能抵抗水头的压力【 。为 系厚松散层中遇到较大裂隙或导水通道时,呈现压 力较低或无泵压甚至自吸状态,进行充填注浆;遇到 孔隙松散层时,主要以脉状扩散为主,在浆液充满孔 间后,随着注浆压力的升高,浆液驱替地下水分为 浆、水两区,向外径向辐射扩散;随着注浆压力继续 升高,在脉状扩散渗透注浆的基础上发生扩缝效应, 引起裂隙张开进一步扩展充填。 3.2注浆方式 了降低注浆材料投资,根据不同配比下水泥与粉煤 灰凝结特性,提出了水灰比自然条件下既能满足工 程所需的凝固后强度要求,又能大幅度降低材料。不 同水灰比浆液凝结特性见表2,不同掺量水泥粉煤 灰时间特性曲线如图2。 表2不同水灰比浆液凝结特性 试验初期分别采用全段式注浆(钻孔编号: zk02)与前进式分段注浆(钻孔编号:zk01、zk03、 zk04)2种不同方式。从注浆量、过程把控等方面对 比分析,全段式注浆易出现串浆及跑浆现象,且浆液 扩散的可控性差,单孔上压慢,出现浆液沿单一薄弱 通道流失的可能性较大,若出现跑浆现象处理不当 会严重影响整个钻孔的施工质量;从现场施工及取 芯情况来分析,前进式分段注浆则可控性较好,能较 好的保证各层位注浆质量,相对更适合露天矿的厚 松散第四系沉积地层。全段式与分段式注浆各项参 数对比见表1。 表1 全段式与分段式注浆各项参数对比 图2不同掺量水泥粉煤灰时间特性曲线 3.5 注浆压力 注浆压力是驱使浆液克服各种流动阻力,在地 3.3布孔方式 层空隙中扩散、充填的动力【6]。是决定注浆效果的主 要因素之一[刀。如何确定压力,国内外没有统一的准 则嘲,多据经验公式。一般经验表明,注浆压力控制 ・注浆孔形采用边长(孔距)为20 nl的三角形布 孔方式,注浆孔的行间距为14 m。三角形布孔的优 31・ 第32卷第6期 2017年6月 露天采矿技术 Opencast Mining Technology V0l-32 No.6 Jun.2017 在1.5—2.0倍静水压力足以满足工程需要。根据注 0寸0一缸 8.1_ 法直观给出定量评价,质量检测评价方法也相对较 浆初期注浆层位岩石通道、裂隙处于张开状态,过水 通道、裂隙对浆体的阻力较小,浆液扩散较远,选用 的浆液需相对较稀,初期压力不宜过大;注浆过程 中,浆液浓度由初期较稀逐步加稠至预定浓度;注浆 宣皿 N 终压即注浆的结束压力,参考下面两种计算方式及 0 N 0 一一 少【lOl。因此,依据注浆前后打钻返芯情况、幕体内渗 水量、外围水位动态等因素最大限度地侧面分析。 4.1 注浆区域岩体致密度增大 在理论的浆液扩散区域内二次打钻中发现与注 浆项目开展前,钻进过程中出现掉钻、见空、见软等 钻孔与边帮的距离后,将注浆压力控制在2~3 Pa。莹_【 注浆压力变化曲线如图3。 现象明显减少,此现象也直接反映出浆液在孔隙率 8.zI 时 刻 大、导水通道密布的第四系厚松散地层中有效扩散、 o():寸'I 善 幽 00:n 划 0 皿卜 8_I_【 皿 图3注浆压力变化曲线 3.6单孔注浆量 钻孔预注浆时由于裂隙通道未完全打开,水泥 浆液在流过导水通道时出现水浆分离现象,造成通 道封死而急剧上压,导致单孔注浆量小于设计值而 影响钻孔施工效果。为了避免此现象出现,注浆初期 先开高档位进行注水,利用泵和水的冲击力使裂隙 张开进一步提高注浆质量,此外采取先稀后稠的水 泥浆液配比变化方式,利用稀浆液打开通道,再用稠 浆液注浆进行充填和扩散。 Q= ̄rR2hna(1+ ) (3) 式中:Q为单孔注浆量,Ill ;R为浆液扩散半径, m;h为注浆段长,m;n为地层裂隙度(孔隙率),%;口 为浆液填充率,%; 为浆液损失率,%。 3.7跑浆 采用定量定压注浆和间歇注浆,有效地控制浆 液扩散距离[91。试验过程中发现跑浆时根据跑浆程 度分别采用了双液浆、骨料膨胀充填、间歇工艺及联 合应用方式有效的进行了处理。水泥采用P.032.5R 普通硅酸盐水泥,水泥浆采用水灰比(质量比)为1: 1的配比。双液浆注浆时配比为水泥浆:水玻璃(体积 比)为1:0.2。采用间歇注浆工艺,待压力开始起步上 升后恢复正常注浆。 4注浆试验结果分析 由于帷幕注浆工程是典型的地下隐蔽工程,注 浆施工完成后幕体质量的好坏、防渗效果如何,都无 ・32・ 充填。证明出浆液凝固后改变周围岩体结构类型,使 边帮岩体强度及致密度增加。 4.1.1幕体内侧水量减少 矿区注浆帷幕截流,是在矿区地下水主要进水 通道上通过钻孔向导水地层注浆,形成类似帷幕状 的人工阻水体【Ⅻ。5眼降水井位于注浆浆液扩散区 域内,为了避免浆液扩散至降水井影响降水井正常 抽水,8月下旬开展浆液扩散区域内提泵工作,提泵 后降低了外围截水强度,在补给量不变的情况下,外 围截水强度降低,坑下出水点处流量应增大,但是将 北帮598、588、578 m水平3眼、西帮578 m水平1 眼,西帮地面1眼降水井水泵提出后,通过2个月对 坑下水量进行观测及提泵降水井所对坑下出水点进 行监测巡视显示,坑下各新旧出水点未发现水量明显 增大现象,此现象侧面反映出注浆项目开展后,西帮 地层岩体结构有所改变,透水性降低,截水能力得到 提升。 4.1.2坑下水量减少 通过对边帮富水区域、导水通道进行注浆,浆液 进行充填、固结、渗透压密作用,从而达到了预期封 堵孑L隙及加固的效果,致使边帮渗透系数大幅度降 低,大部分地下水被拦截在帷幕外侧,残余水外渗量 减少,因此坑下排水量减少。坑下涌水水量变化趋势 图如图4。 5.O 4.0 O 4月 1日5月1日6月1日7月1日8月1日9月1日 日期 图4坑下涌水水量变化趋势图 4.2幕体外围观测井水位上升 水位监测数据显示注浆开始前4—5月水位呈 现下降趋势,注浆工程开展后,西侧外围观测井水位 存在普遍上升趋势(9—10月),而本地区10月冬季 第32卷第6期 2017年6月 露天采矿技术 Opencast Mining Technology V_01.32 No.6 Jun.2Ol7 已至,地表已开始冻结,地面降水补给可忽略,在外 围总补给量不变的前提下,观测井水位上升表明边 帮渗透系数增大,截水能力提升,导致地下水向坑下 补给量减小,因此外围水位出现某时间段内逐渐上 且西北侧采区水位高,第四系水流河道遍布采区内 部,致使采掘、运输设备不能进入施工区域,为采矿 工程带来巨大难度,随着-2015--2016年度采掘场西 侧注浆封堵试验项目与地下水阶段性控制工程的有 升趋势。观测井水位标高记录见表3,地下水水位变 化情况如图5。 表3观测井水位标高记录 效开展对第四系残余水进行封堵和疏干联合治理, 目前西侧及西北角涌水得到有效控制,保障了该区 域采矿工程的顺利进行。 5结论与建议 1)跟管钻进的分段式注浆工艺适合于东明露 天矿厚松散沉积型地层,浆液通过渗透扩散,提升了 固定边帮的防渗能力,边帮整体稳定性有所提升。 2)从本次试验结果可以看出,针对东明矿防治 水现状,采用以地下水综合地球物理勘探成果为理 论基础,针对地下水补给通道及靶区采用注浆封堵 与外围疏干截水联合治理的方式开展防治水工作在 技术上是可行的。 3)随着露天矿的推进和延深,疏干降水费用逐 渐增加,通过对非工作帮进行帷幕注浆结合的方式 对露天矿地下水的治理,可以克服井排过度加密导 585 580 575 致的凿井、维护成本增加现象,也可以避免因新井增 加带来原有降水井抽水效率整体下降问题。 4)注浆的均匀性还有待进一步加强,注浆工艺 恒570 565 56o 555 仍需进一步攻关及优化。 5)成本控制方面,浆液的配比仍需进一步实验 论证,材料成本控制还有可挖潜空间。 w一02一Q w一04一Q w一06一Q w-0S-Q w-10一Q 井号 m4月份・5月份口9月份口10月份 6)厚松散第四系沉积地层开展注浆技术不仅可 以实现边帮防渗截流的预期效果,同时也能显著提 图5地下水水位变化情况 高边坡的稳定性,对于保障煤矿安全生产和保护区 域水资源环境建立绿色矿山同样具有良好的作用。 参考文献: [1] 赵毅.国外露天矿帷幕注浆堵水及在我国的应用前景 4-3边坡位移减缓 2015m2016年对边帮进行注浆后明显的提高 了注浆区域(西帮)的整体稳定性,注浆项目开展区 域内各边坡监测点的观测数据显示,本年度1一l1 [J].露天采矿技术,1987(3):25—31. [2]李国山,王安则.矿山注浆防渗帷幕特点及相关参数 分析[J].现代矿业,2015(8):171—172. 月西帮边坡各监测点累计位移量仅为1.43 2.77 em,各监测点累计沉降值均在1.6 cm以内,是未开 展注浆区域(南帮)位移量的1/10。 4.4改善施工作业环境 [3]刘福义.松散层注浆加固工艺设计与施工[J].水力采 煤与管道运输,2014(3):63—66. [4]刘菲.高海拔地区公路构筑物加固注浆材料试验研究 [D].长安大学,2012. 东明露天矿建矿以来,西侧、西北角地下水补给 量、涌水量巨大,占全矿总补给量的85%,2014、2015 [5]鲁德刚,马二康,祖玉喜.凤凰山铁矿地面预注浆施工 [C].全国矿山建设学术会议,2014(S1):93—96. [6]冯锐,李智渊.新近系松散扰动地层充填注浆加固技 年采掘场西侧、西北侧第四系水储量大、径流量大, 水流流速快导致各平盘均出现不同程度的坍塌现 象,近2年该矿边帮恢复治理费用高达350万元,而 (下转第36页) -33・ 第32卷第6期 2017年6月 露天采矿技术 Opencast Mining Technology V01.32 No.6 Jun.2017 面内排无法跟进,工作面太长经济上不合算,因此, 综合对比600、800、1 000、1 500 in四种工作线长度 的各项技术指标,最终背斜东翼开拓延深期间工作线 长度取800 m,较原工作线长度缩短46.7%,背斜东 排弃帮坡角小于最终稳定帮坡角,排土工作面向坡 顶线方向有3%一5%的反坡,最下层清理基底、排 弃中硬以上岩石。 5结语 翼开拓延深后工作线长度延长至正常工作线长度【”, 矿坑南部缩帮增加了内排空间,降低了剥离排弃的 运距和高差,缓解了直接推过背斜开采成本严重后 翘的局面。 根据煤层赋存情况和影响范围合理确定开采方 式,是保障露天矿安全高效回采的充分必要条件。安 太堡露天矿如按以前的开采程序,不仅存在重大的 安全隐患,而且造成大量煤炭资源损失。因此,根据 4现场实施 构造类型和煤层赋存情况研究合理的开采程序和方 安太堡露天矿采用单斗挖掘机一自卸卡车一矿 法对露天矿安全、高效生产具有重大的意义。 坑边它移式破碎站一胶带输送机半连续工艺,综合考 虑电铲能力、安全生产 煤质和高效率出煤等因素, 参考文献: 矿坑采煤从1l 、 、4*煤层分上、中、下3个台阶,为 [1] 安太堡露天矿背斜东翼开拓延深技术改造初步设计 了保证煤层连续有效衔接,采煤工作面分别沿煤层 [R].西安:中煤西安设计工程有限责任公司,2016. 顶板拉沟延深,沿矿坑走向平行推进采用水平分层 [2]郑友毅,薛应东,曹兰柱.倾斜煤层深凹露天矿深部开 倾斜反坡回采,从煤层顶板向底板采掘推进;为了使 采技术研究[J].采矿与安全工程学报,2009(12): 电铲安全高效作业,推土机配合处理三角原煤。正常 494-496. 作业时,推土机与电铲作业范围之间,上下作业平盘 [3]谢景立,刘晓军,郭海俊.对霍林河南露天矿工作平盘 电铲作业范围之间要留有30 nl以上的安全错距,防 宽度参数的讨论[J].露天采矿技术。2002(5):3—4. 止设备之间以及斜坡上滚落的岩石掉落砸伤设备和 [4]刘峰,邓有燃,张小东,等.安家岭露天矿过芦子沟背 斜期间开采程序优化[J].露天采矿技术,2012(s1): 人员。 5—8. 因工作面倾斜向下延深,内排无法跟进,待工作 [5]解廷望,崔宏伟,安太堡露天矿过芦子沟背斜期间开 面落平后才能进行内排。工作面落平前,内排只有在 拓运输系统的确定[J].露天采矿技术,2013(12):6— 背斜轴部以西可以排弃,内排排土场最大排弃高度 8. 为180 ITI,与采场西帮最终形成360 m的边坡,内排 [6]刘峰,邓有燃,刘如成,等.安家岭矿过逆断层和背斜 土场设计最终边坡角22。,与采场西帮形成最终边 期间开拓运输系统优化研究[J].露天采矿技术,2012 坡角度为l4。,经计算,该边坡最危险滑面贯穿排弃 (S1):21—24. 物料,其稳定系数为1.266,能够满足稳定安全的要 [7]刘爱兰,王社林,刘泽民,等.安家岭露天矿合理开采 求[11。为了安全起见,排土场周围修筑了可靠的截 方案确定[J].煤炭科学技术,2003(7):47—49. 水、防洪和排水设施,排土严格按排弃参数作业,总 【责任编辑:陈毓】 (上接第33页) 术[J].中州煤炭,2015(4):77—79. 术[J].中州煤炭,2015(4):77—79. 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