某尾矿库泄洪隧洞围岩渗漏机理与治理方案_崔世新.pdf

某尾矿库泄洪隧洞围岩渗漏机理与治理方案崔世新1,史建松2,3(1.天津华北地质勘查总院,天津 3 0 0 1 7 0;2.华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 0 5 0 0 2 1;3.河北省矿山地下水安全技术创新中心,河北 石家庄 0 5 0 0 2 1)摘 要:尾矿库排洪隧洞长期渗漏将严重威胁尾矿库的安全运行。在充分分析某大型尾矿库库区地质构造和水文地质条件的基础上,揭示了排洪隧洞两处地下水涌水点的渗漏机理,并对两处渗漏点分别提出了壁后帷幕注浆治理方案。4 8 0m渗漏点是施工水闸墙时,水闸墙和围岩的接触面注浆不到位所致,4 8 0m处渗漏点治理方案为“先泄压、多钻孔、间歇注浆”。3 6 0 4 2 0m渗漏点是隧洞穿越了导水断层,沟通库区的地表水所致,治理总体思路是“分段施工,多钻孔,间歇注浆,控制注浆量,在巷道四周围岩内形成有效隔水的注浆帷幕层”。关键词:尾矿库;泄洪隧洞;地下水渗漏;注浆封堵;治理方案0 引言尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的,用以堆存金属或非金属矿山进行矿石分选后排出尾矿或其他工业废渣的场所。尾矿是指金属或非金属矿山开采出的矿石,经选矿厂选出有价值的精矿后排放的废渣。尾矿由于数量大,含有暂时不能处理的有用或有害成分,随意排放将会造成资源流失,大面积覆没农田或淤塞河道,污染环境。近些年来,随着我国矿山地下巷道系统的不断开挖,所面临的工程地质和水位地质条件也越来越复杂1。当巷道或隧道掘进过程中揭露隐伏导水断层或构造裂隙带时,易导致大流量、高势能的涌水灾害,给矿山的安全生产带来极大的隐患2。地下矿山巷道系统是运输设备和人员流动的重要通道,如果巷道系统发生地下水渗漏,将极大地影响运输安全和生产效率,并且长期的渗流也对矿山开采构成极大的安全隐患3。巷道帷幕注浆是治理围岩渗漏的一项有效措施,可以起到封堵渗漏通道、提高围岩强度和抗渗的作用。例如,金鸡滩煤矿副斜井发生严重涌水涌砂灾害,斜井的最大涌水量达到了7 2m3/h,最大携砂量达到了1 6%,地面形成了多处塌陷坑,随时有淹井的风险,后基于斜井涌水涌砂机理的分析,矿山实施了井筒帷幕注浆工程,取得了良好的治理效果,目前副斜井已恢复正常服役46。孤山铁矿-3 0 0m水平巷道系统在开拓过程中发现围岩裂隙发育,涌水量较大,经分析具有较高的突水风险,后采用巷道超前帷幕注浆的方式进行治理,治理后巷道的涌水量小于2m3/h78。由此可见,巷道帷幕注浆可以有效控制矿山地下采掘过程中的地下水渗漏问题,从而保障矿产资源的安全开采。本文在综合分析某尾矿库泄洪隧洞两处围岩渗漏机理的基础上,针对性地提出了巷道超前泄水和帷幕注浆相结合的工程治理方案,可为类似的治理工程设计提供参考和借鉴。1 工程地质背景1.1 尾矿库概况该尾矿库位于选矿厂西侧约4.5k m的沟谷内,一面筑坝,三面环山,库区的汇水面积约2 6k m2。尾矿库周围地区属于褶皱断裂剥蚀而形成的中、低山地貌,西南高,东北低,地势起伏较大,剥蚀沟谷较为发育。区内山顶标高在4 5 0 7 0 0m之间,地面标高在2 9 74 2 3m之间,谷坡至山顶局部基岩裸露。该尾矿库采用“上游式”筑坝,外坡比为15,主沟走向为东北向,断面呈U形,坝高为1 4 0m,设计最终淹没标高为3 8 0 m。该尾矿库库容约为2.8亿m3,设计使用年限为4 0a。1.2 地质构造特征该尾矿库库区范围内主要分布着震旦系南芬组泥灰岩,局部出露震旦系钓鱼台组石英岩,呈中风化I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第2期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.22 0 2 3年3月M a r.2 0 2 3DOI:10.13828/ki.ckjs.2023.02.033状。库区地层整体较为稳定,岩石性质较好,有1条东西走向和5条南北走向的断层分布。库区内有卧龙沟河及其3条支流,库区河道长度为6.3 9k m,水文分区属于3区。该尾矿库地形条件优越,4 9 0m以下没有豁口,且沟底的地形坡度很缓,排洪构筑物布置得较远,保证了足够的干滩长度。尾矿坝平直,对于提升尾矿堆积坝外坡的防洪能力十分有利。该尾矿库整体的地形地貌特征和构造分布如图1所示。图1 尾矿库地形地貌特征和构造分布1.3 水文地质特征该尾矿库排洪隧洞渗漏的地下水类型主要为基岩风化裂隙水。根据排洪隧洞以往勘察孔压水试验资料得知,地层渗透系数约为0.7 0.8m/d。基岩风化裂隙水主要赋存于泥质灰岩和构造角砾岩的风化裂隙中,其水量随风化程度和地势而变化。构造破碎带及风化强烈且低洼处富水较强,反之则弱,为潜水类型,主要接受大气降水和第四系孔隙水补给。第四系地层孔隙水沿沟谷和坡地直接覆盖在基岩裂隙含水层之上,部分裂隙水沿地形坡向径流,渗入补给小溪,两者之间没有隔水体存在,水力联系密切。根据以往工勘报告中对地下水、地表水水样的分析结果,判定该地下水、地表水对混凝土无腐蚀性,对钢结构有弱腐蚀性。1.4 巷道围岩渗漏情况尾矿库的排洪系统一般由截洪沟、溢洪道、排水井、排水管、排洪隧洞等构筑物组成。该尾矿库排洪隧洞位于地表以下6 0 7 0m,现巷道内存在两处较大的地下水渗漏点,分别为3 6 04 2 0m处、4 8 0m处。在3 6 04 2 0m处渗漏点密集分布多个大的涌水点,水流呈急速喷射状涌出,涌水量约为2 0 0m3/h。2 0 1 9年9月,3 6 0 4 2 0m处渗漏点涌水呈较浑浊状态,1 1月底变为清水。巷道4 8 0m处渗漏点地下水从长约2 0m的浆砌石水闸墙与围岩接触位置的缝隙中涌出,涌水量约为1 0 0m3/h,2 0 1 9年9月涌水呈浑浊状态,1 1月底变为清水。2 0 1 9年1 1月两处涌水点照片见图2,平面位置如图1所示。图2 尾矿库排洪隧洞两处渗漏点现场照片2 围岩渗漏机理分析2.1 3 6 0 4 2 0m处渗漏点渗漏机理分析通过对比查询尾矿库排洪隧洞涌水位置的验洞记录,该处位于断层与巷道的相交位置。在隧洞的3 6 6 3 8 1m处揭露断层构造,断层宽度约为0.51.2m,产状为2 6 5 7 8;在4 1 14 1 7m处揭露断层,断层宽度约为0.4 0.8m,产状为2 7 0 8 0。断层破碎带的透水性较好,属于地下水的强径流带,破碎带内地下水运移通畅,且断层走向近南北,导通了库区的地表水。加之该段在支护时未考虑隔水要求,造成库区尾矿水及周边的地下水沿构造破碎带向排洪隧洞运移,在隧洞混凝土支护的接缝处涌出,形成涌水点。2.2 4 8 0m处渗漏点渗漏机理分析尾矿库排洪隧洞4 8 0m处地下水渗漏是由隧洞水闸墙西侧上方与围岩岩壁的接触部位涌出的。隧洞水闸墙与围岩岩壁的其他接触部位未见明显地下水渗漏发生。4 8 0m处地下水渗漏的主要原因是在施工水闸墙时,水闸墙与围岩岩壁之间,尤其是水闸墙上侧与岩石顶壁接触部位注浆措施不到位,注浆封堵裂隙的效果不佳,致使接触部位留有缝隙,在水闸墙后方水动力作用下被逐渐拓宽,形成涌水通道。尾矿库4 8 0m处渗漏点的地下水来源主要是地表库区尾矿水。2.3 渗漏治理的必要性目前尾矿库水位高出排洪隧洞约4 0m,水压差02采矿技术2 0 2 3,2 3(2)不大,集中表现为在透水性强的断层与排洪隧洞交汇处形成涌水点。后期尾矿库内水位持续上升,隧洞与库区水之间的水压差逐步增大,水动力逐渐增强,其他透水性中等较强的断层与隧洞交汇点的涌水量将会由小变大,或出现新的涌水点。随时间推移,地下水不断冲蚀导水断层及裂隙内的充填物,各涌水点水量将逐渐增大。若不及时进行治理,后期在水位上升和渗透压力的作用下,外荷载超过了衬砌结构的承载力,会导致围岩岩体失稳,使隧洞遭受破坏,严重时会造成突发性坍塌,影响排洪隧洞正常功能且难以修复。与此同时,排洪隧洞发生渗漏,一般伴随有跑浑现象,即有尾砂悬浮物超标的渗水排入下游河道,造成水环境污染事故。因此,对该尾矿库排洪隧洞渗漏点应及时进行有效治理。3 治理方案3.1 3 6 0 4 2 0m处渗漏点治理方案经现场调查,该涌水段总长约6 0m,混凝土拱圈支护,巷道宽为2.4m,高为2.6m,围岩地层较为破碎,岩性为泥灰岩。在隧洞施工中该段曾出现围岩大面积垮落现象,并且涌水量较大。根据以上情况,该涌水段注浆堵水方案总体思路是“分段施工,多钻孔,间歇注浆,控制注浆量,在巷道四周围岩内形成有效隔水的注浆帷幕层”。设计注浆治理段总长为7 5m,除涌水段外,前后侧向外延伸7.5m,防止地下水在涌水段治理后绕流进入隧洞。将该治理段分为5段,每段长为1 5m,采用从东向西分段治理的方式。每段内的具体施工顺序为:施工泄水孔施工注浆孔注浆孔注浆泄水注浆孔注浆。泄水注浆孔与注浆孔平面布置如图3和图4所示。图3 3 6 0 4 2 0m处渗漏治理泄水注浆孔平面布置(单位:m)图4 3 6 0 4 2 0m处渗漏治理注浆孔平面布置(单位:m)采用潜孔钻机在断面1施工泄水注浆孔,设计钻孔数量为7个,设计孔深为2 0m。钻孔孔口管固定并安装闸阀,用小钻头继续钻进,直至达到设计孔深,施工完成后孔口闸阀处于打开状态。泄水注浆孔布置截面如图5所示。泄水注浆孔详细的施工参数见表1。图5 泄水注浆孔布置表1 泄水注浆孔施工参数孔号方位角/()倾角/()开孔直径/m m终孔直径/m m孔深/m中线+3 0 1 3 09 02 0中线偏左2 5 [phone]中线偏左3 5+5 1 3 09 02 0中线偏左3 5 -1 5 1 3 09 02 0中线偏右3 5 -1 5 1 3 09 02 0中线偏右3 5+5 1 3 09 02 0中线偏右2 5 [phone] 采用凿岩钻机施工断面1至断面2范围内的注浆孔,注浆孔布置截面如图6和图7所示。注浆孔开孔与巷道壁方向垂直,孔深4m,单个注浆孔施工完毕即进行注浆工作。断面1钻孔与断面2钻孔交替连续施工。3.2 4 8 0m处渗漏点治理方案经现场调查,此处水闸墙为楔形水闸墙,钢筋混凝土结构,厚度为8m,在施工时,水闸墙与岩壁之间图6 断面1钻孔布置12崔世新,等:某尾矿库泄洪隧洞围岩渗漏机理与治理方案图7 断面2钻孔布置的缝隙使用水泥浆进行充填。水闸墙后方为建设排洪隧洞时的措施巷,措施巷的另一端位于库区水位以下。该涌水点注浆堵水方案总体思路是“重点治理、兼顾四周”。采用“先泄压、多钻孔、间歇注浆”的方式,水泥浆液与化学浆液匹配使用,有效地封堵集中涌水点,并对水闸墙四周进行预注浆加固工作。泄水注浆孔与注浆孔布置如图8和图9所示。图8 4 8 0m处水闸墙封堵纵剖面布置图9 4 8 0m处水闸墙封堵平面布置在集中渗漏点附近施工4 6个泄水注浆孔,设计孔深为7m,钻孔孔口管固定并安装闸阀,用小钻头继续钻进,直至达到设计孔深,施工完成后孔口闸阀处于打开状态。使用凿岩钻机施工数个注浆孔,完成注浆工作。3.3 注浆过程控制(1)注浆方法:注浆采用下行式、间歇注浆法。(2)按设计注浆顺序进行注浆工作,注浆段根据孔内遇见的破碎带或涌水量确定,原则上一个钻孔设一个注浆段。(3)双液浆水泥、水玻璃配比。水泥液与水玻璃体积比为3 1,水泥浆液水灰比为11,水玻璃(4 2 B)掺水配比由稀到浓,水、水玻璃的掺和比可由起初的3 1降至1 1。(4)注浆结束标准。注浆孔孔口压力为1.52.5M P a;泄水注浆孔孔口压力为56M P a;单位消耗量小于5L/m i n。(5)过程控制。注浆必须连续进行不得中断,要配备必要的备用设备;要根据压力的变化适时地调整给浆量,防止突然升压堵塞进浆通道导致达不到应有的扩散半径;注浆结束时,要同时关闭孔口闸阀,实施孔内保压。关阀与停泵要做到同步进行,以防止浆液回流和造成管内短路瞬时高压;关阀结束注浆后,要继续观测记录孔口压力表的失压过程,每5m i n记录一次,直至失压为零后,孔口注浆人员方可撤离现场。(6)注浆过程中要认真做好记录,记录内容包括:注浆前钻孔的涌水量涌水位置水压、水的颜色;每一次注浆的起止孔深;浆液注入量、水泥消耗量;注浆压力;注浆时观察顶板是否有跑浆及钻孔相互串浆现象,并做好详细记录(跑浆、串浆位置等)。4 结论(1)某尾矿库排洪隧洞3 6 04 2 0m处渗漏点主要是由于隧洞穿越断层破碎带,沟通库区的地表水,导致库区尾矿水及周边的地下水沿构造破碎带向排洪隧洞运移,在隧洞混凝土支护的接缝处涌出,形成涌水点。(2)某尾矿库排洪隧洞4 8 0m处地下水渗漏的主要原因是在施工水闸墙时,水闸墙与围岩岩壁之间,尤其是水闸墙上侧与岩石顶壁接触部位注浆措施不到位,注浆封堵裂隙的效果不佳,致使接触部位留有缝隙,在水闸墙后方水动力作用下被逐渐拓宽,形成涌水通道。尾矿库4 8 0m处渗漏点的地下水来源主要是地表库区尾矿水。(3)某尾矿库排洪隧洞3 6 04 2 0m处渗漏点治理的总体思路是“分段施工,多钻孔,间歇注浆,控制注浆量,在巷道四周围岩内形成有效隔水的注浆帷幕层”。(4)某尾矿库排洪隧洞4 8 0m处渗漏点治理方案为“先泄压、多钻孔、间歇注浆”,水泥浆液与化学浆液匹配使用,有效地封堵集中涌水点,并对水闸墙四周进行预注浆加固工作。22采矿技术2 0 2 3,2 3(2)参考文献:1 王建军,周英烈,饶斌,等.矿山突水灾害影响因素分析及防治措施研究J.采矿技术,2 0 2 1,2 1(0 6):6 9-7 2+7 6.2孟庆彬,韩立军,齐彪,等.复杂地质条件下巷道过断层关键技术研究及应用J.采矿与安全工程学报,2 0 1 7,3 4(0 2):1 9 9-2 0 7.3钱自卫,黄震,张蕊,等.基于高压注水试验的断层破碎带渗透特性研究J.岩土工程学报,2 0 2 1,4 3(1 0):1 8 3 4-1 8 4 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