钻探工程在尾矿库勘查中的封孔工艺及技术应用.pdf

第 51 卷 第 1 期有色金属设计Vol.51 No.12024 年 3 月Nonferrous Metals DesignMar.2024收稿日期:2023-02-15作者简介:叶发晖(1994),男,青海西宁人,助理工程师。主要研究方向:钻探工程技术。钻探工程在尾矿库勘查中的封孔工艺及技术应用叶发晖1,刘文1,赵珽2(1.青海省第二地质勘查院,青海 西宁 810000;2.青海省第三地质勘查院,青海 西宁 810008)摘要:通过分析尾矿库所处工程地质及水文地质条件,对尾矿库堆积坝进行钻探勘查,研究堆积坝受力特征及宏观稳定性。同时为避免勘查钻孔形成渗漏通道引发地质灾害,危害周边生态环境,从回填封孔、溶洞钻孔封孔以及封填封孔等 3 种封孔方案中进行封孔设计,保障尾矿库安全以及选矿厂的高效生产。关键词:尾矿库;工程勘查;封孔;钻探中图分类号:TD926.4文献标识码:B文章编号:1004-2660(2024)01-0036-03Hole Sealing Technology and Technical Application of Drilling Engineering in Tailing Pond ExplorationYE Fahui1,LIU Wen1,ZHAO Ting2(1.No.2 Exploration Institute of Geology Resources of Qinghai Province,Xining 810000,Qinghai,China;2.No.3 Exploration Institute of Geology Resources of Qinghai Province,Xining 810008,Qinghai,China)Abstract:By analyzing the geology and hydrogeological conditions of a tailings dam,drilling exploration of the accumulation dam was conducted to study its stress characteristics and macro-stability.At the same time,to prevent geological disasters caused by exploration drill holes turning into leakage paths that could harm the sur-rounding ecological environment,three sealing solutions were considered,including backfill sealing,karst cave drilling plugging,and cementation sealing.Sealing design was carried out to ensure the safety of the tailings dam as well as the efficient production of the mineral processing plant.Keywords:Tailings pond;Engineering exploration;Hole sealing;Drilling0 引 言尾矿库勘查过程中形成的钻探钻孔,是造成尾矿库渗漏,甚至发生溃坝事件的重要因素之一,很容易引发各类安全事故,造成人员财产损失。因此钻探封孔工艺的好坏,不仅影响到尾矿库的安全平稳运行,同时会影响到周边生态环境,甚至产生地质灾害。如果钻探钻孔封孔不彻底、不及时,就很容易产生突发性不可预见性的灾难,因此对尾矿库进行妥善封孔处理,对增强尾矿库安全,顺利完成钻孔勘查任务有着重要意义。1 工程背景1.1 工程实例尾矿库溃坝通常会引发严重人造泥石流灾害,威胁人民生命财产安全,以 2008 年 9 月襄汾新塔尾矿溃坝案例为例,该次溃坝事故造成 200余人死亡,4 人失踪,30 余人受伤,该矿区是由于临近二峰山铁矿开采场,铁矿石经破碎、分选作业后,随工业废渣堆积建成的尾矿库。2017 年3 月发生在铜绿山铜铁矿尾矿库的溃坝事故,造成 2 人死亡,1 人失踪,直接经济损失达 4 500 多叶发晖,刘文,赵珽:钻探工程在尾矿库勘查中的封孔工艺及技术应用万元。因此,对尾矿库安全勘查至关重要,甚至1 个勘查钻孔的渗漏就可能引发 1 场地质灾害,因此必须进行妥善封孔处理,确保尾矿库安全。1.2 工程概况研究铁矿尾矿库为筑坝拦截方式,呈谷口型结构,坝高约 80 m,可容纳近 600 m3废渣矿石,设计使用年限 15 年。初期建造坝体时在内坡设计有 1 层后斜坡用于排渗,下方设计排渗盲沟,设有马道,之后坝体用尾矿筑坝加高,最终堆积尾矿外坡变坡比达到 14.6。为保障坝体稳定,在外坡面铺设 0.3 m 厚的山皮土,同时种植草木防止雨水冲刷,在外坡周边多处开设有排水沟。图 1 原坝体尾矿库侧视图Fig.1 Side view of tailings pond of original dam body(1)区域地质。所勘查尾矿库山体外观隆起呈现不规则椭圆形,山体主要岩性为闪长岩以及奥陶纪灰岩,灰岩裂隙构造发育,呈放射状分布在山体周围。山体包括部分石炭二叠纪泥岩,环绕在山体周围呈现出穹顶结构,周围分布着多个断层。(2)水文地质资料。尾矿库周边有 1 条南北流向的河流,河流距离尾矿库 280 m 处构筑有水坝,水坝下游存在有细微地下溪流。(3)工程地质条件。在进行尾矿库结构强度勘探过程中,布置有 20 余个钻孔,钻孔深度不一,最深可达 41 m,浅部钻孔 8 m,揭露出岩性包括人工填土、砂土、细砂、粉土等,在坝体部位垂直布设有 3 条地质剖面。2 尾矿库钻探现存问题及解决办法尾矿筑坝往往采用上游输送形式完成,在完成初期坝体结构建筑后,通过管道将废弃铁矿、废渣材料输送至尾矿库进行尾矿堆积,再利用旋流器设备,将颗粒较大的材料从设备底部流出筑坝,剩余旋流器种的细粒材料则直接流入尾矿库内部。因此在尾矿库表面就会形成以重力形式分布的沉积层,其中粗砂、细砂会因重力大率先在坝体前沉积,黏土、粉土等重力较轻的材质则会缓慢沉积,也就造成尾矿库坝体前岩层粗、库尾岩层细的特征,这也是钻探过程中较为常见的勘探结果。由于尾矿库沉积特征,导致尾矿堆积结构松散,岩层固结程度很低,因此在进行钻探作业时,需要通过浇筑泥浆对钻孔进行保护,通过这种手段进行钻探仍会出现坍塌钻孔、堵塞钻孔等现象,导致钻探水位无法精确测量。因此可通过PVC 管,在底部打眼的形式,完成钻孔任务后及时置入 PVC 管,在管中监测水位变化情况,避免钻孔堵塞堆积影响到勘探结果。3 钻探封孔工艺当前尾矿库钻探封孔工艺主要有以下 3 种手段,包括回填封孔、溶洞钻孔封孔以及封填封孔工艺,其中封填封孔工艺主要是利用黏土球或水泥材料进行封填1。3.1 回填封孔工艺回填封孔工艺适用条件主要是针对上层覆盖区段,在完成钻孔勘探任务后,按照所取钻芯的老旧顺序,原位置回填封孔。回填封孔过程应分段进行,避免因距离过程造成钻探岩芯架空渗漏,因此每段回填距离不应超过 500 mm,同时每段回填完成后利用钻具压实岩芯,压实度应大于原始地层硬度。通常情况下,按照回填封孔工艺完成钻探封孔任务,回填岩芯量不足,因此可依据所取地层地质条件,按照性质相似材料进行充填,保障回填效果。3.2 溶洞封孔工艺在溶洞地质构造的尾矿库钻探作业时,需要注意勘探溶洞是否被充填,若溶洞未被充填,可先在溶洞顶板利用栓塞处理,再通过注入水泥浆对溶洞进行密实充填,尤其是对溶洞上方的基岩段范围,通过水泥注浆充填的方式增强密实性。若探明溶洞已经被密实充填过,则可直接通过注入水泥浆形式,对溶洞进行密实充填。3.3 封填封孔工艺封填封孔工艺较上述 2 种工艺的适用范围更广,包括利用黏土球材料、水泥材料进行封填,其中黏土球材料多用于对不透水地层进行充填,73有色金属设计第 51 卷透水地层多用水泥材料进行充填。图 2 粘土溶洞封堵工艺示意图Fig.2 Schematic diagram of clay karst cave plugging process(1)黏土球封孔充填工艺。利用含黏粒密度达 30%以上的黏土制成密度高于 1.4 g/cm3的黏土球,当完成钻探任务后,将风干后的黏土球分批次回填至钻孔,同样每段回填距离不宜超过500 mm,防止黏土球架空影响充填效果。完成每段充填任务后,可利用钻具将黏土球进行密实处理,增强黏土球密实程度2。由于黏土球受积水冲击影响下,自身结构强度会显著降低,因此黏土球多适用于不透水地层封孔充填过程。(2)水泥注浆封孔充填工艺。水泥注浆所用材料为常规硅酸盐水泥,通过与膨胀剂以及细砂配合使用,实现对透水性钻探钻孔的封孔任务。浅层钻孔封孔时,水灰比应适当调高,适用稠水泥保障充填效果,要求深度在20 m 以内的钻探孔封孔,水灰比可达到 0.6 左右,深部水泥注浆充填可适当降低充填浓度,节省充填成本3。在进行水泥注浆封孔充填前,应利用清水对钻孔进行冲洗,待钻孔流出清水后,再通过钻具从钻孔底部开始进行水泥注浆作业,当钻探趋于裂隙孔隙发育时,应确保水泥充分充填,通过加压注浆形式,保证封孔效果。4 尾矿库稳定性评价对尾矿库采用上述综合钻孔封孔工艺,处理初期勘探 20 余处钻孔后,对尾矿库进行长期水位、位移监测,通过全天候数字化监测尾矿库坝体渗流、抗滑稳定性。监测部位主要是尾矿库坝体浸润线,尾矿库钻孔水位监测显示,水位埋深大多位于 1318 m 左右,基本可以判断尾矿库整体结构稳定4。同时可以通过钻孔原位测试,对尾矿库内部充填结构的密实程度进行监测,从勘查结果来看,15 m 以深钻孔可以达到中等密实程度,也就是说该区域内尾矿库未出现过度液化,积水较少。最后通过 Auto Bank7.0 水工设计软件,对尾矿库的整体稳定性进行仿真计算,分别模拟正常状态下、雨水影响状态下以及特殊地质灾害影响下尾矿库的稳定性情况,通过仿真模拟结果发现,尾矿库整体稳定性良好,坝体始终保持稳定状态。5 结 语虽然在进行勘探钻孔作业时钻孔孔径很小,通常不会影响到尾矿库整体结构强度,但钻孔形成的渗漏通道在尾矿库松散岩性以及溶洞、积水的共同作用下,很容易发生尾矿泄露、滑落灾害,最终造成尾矿库整体的坍陷甚至溃坝事故。因此为避免因钻探钻孔封孔不彻底、不及时,产生突发性不可预见性的灾难,必须对尾矿库进行妥善封孔处理,增强尾矿库的安全稳定性,保障顺利安全完成钻孔勘查任务,保障选矿厂安全高效开采生产。参考文献:1纪燕祥,李斌.浅谈尾矿库工程勘察J.硅谷,2010(06):107.2王学谦,张晋磊,宿晓辉,等.山西省浮山县尾矿库工程地质勘察浅析J.砖瓦,2020(06):104-105.3彭湃.尾矿库库区钻探封孔的重要性综述J.中国金属通报,2020(02):158-159.4彭湃,黄成利.尾矿库库区勘察物探方法与钻探方法对比分析J.世界有色金属,2019(21):292-293+295.83