一.概述
管仲铁矿是河北钢铁集团新建的矿山。矿体属于接触交代矽卡岩型铁矿，埋藏于地表以下300米。矿体走向长约2000米，宽约300 ~ 1000米，倾角一般为10° ~ 15°。矿区内共有四个矿体，编号分别为ⅰ、ⅲ、ⅳ、ⅴ。1号矿体储量为8599万t，约占矿区总储量的92%。矿体的平均品位为TFE = 45.84%，硫= 1.58%，钴= 0.01%。矿床顶板为奥陶系灰岩，底板为燕山期闪长岩。由于矿床埋藏较深，设计采用地下开采。鉴于该区水文地质条件高度复杂，矿坑涌水量大，且所有矿体均埋藏在矿区地下水位以下的特点，自20世纪70年代发现该矿储量以来，由于采矿技术和采矿成本的限制，多年来一直定位为限采山。
鉴于解决开采问题的治水技术日益成熟，2006年，河北省国土资源厅调整管仲铁矿，允许其在邢台市矿产资源规划中开采。同年，省国土资源厅等部门进行了复查。通过对常规可选深井排水方案和帷幕灌浆堵水方案的比较论证，遵循保护水资源和环境、避免地质条件破坏的主线，确定了圆形单排全封闭接地帷幕灌浆堵水方案。
二。管仲铁矿帷幕灌浆工程设计的主要思路和参数来源
目前，国内成功实施帷幕注浆堵水方案的主要有山东黑王铁矿、张马屯铁矿、湖南水口山铅锌矿、大红山铅锌矿等。其中，张马屯铁矿地质条件与管仲铁矿相似，其成功经验可作为重点借鉴。
帷幕线的确定:遵循尽可能多圈出矿体的原则，考虑矿区水文地质条件和矿体赋存条件，帷幕线布置在+100m标高矿体错动范围外20m处。
帷幕深度的确定:根据矿体埋藏条件和开采深度的要求，结合矿区水文地质条件，参考类似帷幕工程的实践经验，确定帷幕深度必须穿透O2灰岩和矿体，进入下部闪长岩≥10 m
帷幕顶标高的确定:经分析，1994年管仲铁矿水位为+97 m，当时全区总排水量为7.9万m3/d，管仲相邻矿山排水量为35万m3/d，未影响管仲矿区水位。因此，设计确定帷幕灌浆顶标高为+100 m，不进行压力灌浆。
灌浆孔间距D的确定:参考其他行业规定，常规灌浆孔间距为10m。根据2006年在管仲铁矿有代表性的720m长段的注浆试验，钻孔间距可达12m，故设计孔距D=12 m，局部复杂段可适当缩小。
帷幕厚度T的确定是基于单一水泥浆材料的允许渗透梯度和帷幕所能承受的最大水头差。浆液有效扩散半径R≥8m，设计帷幕厚度T≥10m。
灌浆压力P的确定:帷幕灌浆压力确定为2倍水头压力。考虑到矿区地下水位埋深较大，水泥浆自重压力每米可达1.125 MPa~1.8 MPa，可能会出现水泥浆自重压力高于设计压力的情况。因此，注浆压力控制原理可分为两种情况:当浆液自重压力小于静水压力的2倍时，取静水压力的两倍值作为注浆压力；当泥浆自重压力大于静水压力的2倍时，地面压力表的读数应控制在0.5 MPa~1.0 MPa。
帷幕防渗程度的确定:管仲铁矿地质基础环境与山东张马屯铁矿相当，实施帷幕工程后张马屯铁矿堵水率为85-90%。设计确定管仲铁矿帷幕防渗度达到80%；根据水文地质数值计算结果，当帷幕厚度为10 m时，为满足80%堵水率的设计要求，帷幕体单位吸水量应q≤5 Lu(吕荣值)，帷幕体K ≤ 0.08 m/d，根据该矿区2006年的实际测试，均小于1 Lu。为了进一步增加保险系数，本设计选用q≤2 Lu。
孔径、孔斜、灌浆结束标准的确定:参照相关行业标准。
三。施工质量监控要点及分析
按照措施、效果检验和长期监测的主线，帷幕灌浆工程一般分为灌浆孔、检查孔和观测井。
(一)施工流程
主要工艺流程为定位测量、钻孔(测斜和水压)、灌浆和封孔。
(2)质量监控的重点和分析
1.钻孔过程
钻井工作预控:在钻井工作正式开始前，应结合区域地质调查报告对钻机进行技术交底，强调各个层位和地层的特点，并明确推荐的钻井参数。提前预测地层，制定特殊地层施工工艺，优化钻井参数，有利于提高施工效率，避免孔内事故的发生。
钻孔过程质量控制点的设置:注浆段长度控制、冲洗液控制、扫孔控制和孔斜控制。
注浆段长度控制:按照常规，注浆段长度一般控制在≤30m。当岩芯揭示地层异常(破碎岩层或断层、洞穴等)时，应随时进行灌浆。)或钻进时回水效果不好；当岩芯揭示地层状况良好(岩芯完整，裂隙基本不发育)，钻进过程中回水效果较好时，可适当延长注浆段，但单段长度不超过50m。
分析:注浆段最大单段长度≤50 m有充分的实践依据。在管片控制中，过长的管片长度会造成注浆压力的损失，监测的管片注浆流量值会失真，直接影响注浆浆液扩散及其质量效果判断。
冲洗液控制:本工程+100m标高以上(即设计幕墙位置)第四系地层可采用膨润土或植物胶护壁；原则上，在标高+100m以下的灌浆段，不允许使用冲洗液材料护壁。如遇特殊情况(如灌浆段质量效果已得到保证，处理钻孔事故时，事故处理后应及时洗井)，可有针对性地分析后考虑。
分析:目前国内钻孔护壁材料种类繁多，护壁性能不一。如聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠等无固相洗井液具有“护壁性能强，洗井液中的聚合物分子能与孔壁上的岩石胶结成膜，其护壁效果比泥浆好得多”的特点。为防止灌浆完成的假象，真正保证帷幕质量，本工程灌浆段禁止灌浆。
扫孔过程控制:分段灌浆工作完成后，扫孔时对钻孔返水的检查是判断灌浆效果的明显标志，要提高认识，做好这项工作。
分析:帷幕灌浆工程是一项隐蔽的地质工程，无法直接观察到地层裂隙的发育和充填情况，灌浆过程中可能会出现达到灌浆终止条件的假象。在本工程中，灌浆正常后的扫孔过程中多次发现钻孔不回水或回水情况不好，说明孔内仍有裂隙通道，应及时重新灌浆。
2.灌浆过程
灌浆过程中质量控制点的设置:灌浆水灰比、灌浆压力的确定，止浆器放置位置的检查，灌浆终止条件的检查。
灌浆水灰比的确定:设计浆液浓度分为6个等级，分别为5: 1、3: 1、2: 1、1: 1、0.8: 1、0.5:1；浓度变化原理:根据注浆段不同的透水性，改变不同的初始水灰比和持续时间。
当水渗透率Q小于3Lu时，初始水灰比为5: 1。
当水渗透率Q大于3Lu时，初始水灰比为3: 1。
如果泥浆在持续时间内没有达到设计压力，可以将一级泥浆稠化；当压力达到设计压力时，持续时间内流量不会明显下降，一级浆也可以稠化。
分析:在正式灌浆工作开始前，先用大泵量冲洗孔内不少于30min，以冲掉孔内浮渣，部分填补堵塞的裂缝；灌浆时，实现浆液的有效扩散是关键。本设计由薄到厚分为六个等级，同样遵循先冲洗后灌浆的原则，同时保证微小裂缝的灌浆效果。在施工过程中，应严格遵循工艺顺序，避免灌浆结束的假象，减少材料浪费，以保证帷幕体的质量效果。
灌浆压力的确定:灌浆压力(P)=表面压力(P1)+泥浆自重压力(P2)-管道损失压力(P3)。
分析:灌浆压力是决定灌浆能否终止的第一控制因素。上表中的灌浆压力为有效灌浆压力，它由两部分组成，即观测到的孔口表面压力和浆液自重压力之和。管道损失压力(可根据现场试验获得)应包含在施工作业中，制浆站控制系统的观测压力(灌浆压力P)应计算确定。同时，由于施工区地下水埋深较大(146.0-216.0m)，灌浆段埋深较大，浆液的重力压力会大于灌浆压力p，因此，控制灌浆压力的原则是:当浆液的重力压力小于静水压力的2倍时，灌浆压力应为静水压力的2倍；当泥浆自重压力大于静水压力的2倍时，地面压力表的读数应控制在0.5 ~ 1.0 MPa。
止浆器放置位置的检查:止浆器在预定位置的放置是保证灌浆效果的关键工作，应进行重点控制检查。
分析:根据设计，止浆塞放置在注浆段顶板，注入2 ~ 3m井壁较完整的地层中。止浆器的放置位置是控制注浆段长度的唯一手段，以避免由于操作者的原因，造成注浆段孔壁反复加压、孔事故或注浆段上部压力损失、观测到的浆液单位流量不代表待注浆段的现象。
灌浆终止条件检查:根据设计，当灌浆压力不小于预定压力，注入量不大于30L/min时，继续灌浆30分钟，灌浆结束。
分析:常规灌浆终止条件和本工程初步设计确定的灌浆终止条件均遵循“当注入量不大于30L/min，压力不小于预定压力时，继续灌浆30分钟，灌浆结束”的标准。在项目实施过程中，发现严格执行上述标准存在不足之处，个别情况可能无法完全实现(如压力突然升高过高，流量下降过快，灌浆持续30分钟时泵或灌浆管被堵塞)。通过参与施工各方的共同研究，优化了注浆终止条件，即“当注浆压力升至预定压力以上0.5MPa以上，流量降至10L/min以下，且监测系统观测到注浆过程中压力与流量之间的过渡较为平稳时，即可终止注浆”。当然，施工中也可能出现其他不可预见的情况，如瞬时压力上升和流量下降过大时，应视情况暂停灌浆工作(不超过30分钟)，然后重新注入一级或二级水泥浆作为初始水灰比，观察效果后最终终止灌浆。
3.特殊情况下的灌浆
特殊情况下注浆是指在巷道、溶洞、断层等特殊地层条件下注浆。
巷道注浆:本设计确定了两种情况下的巷道处理措施。当巷道底界在+90m标高以上时，采用地质套管隔离方案；二是巷道底界在+90m标高以下时，先充填后注浆的方案。
分析:本项目实施过程中，幕线西南煤场附近多孔与巷道相遇，均在+90m标高以上。采用地质套管隔离，正常通过，顺利进行下灌浆段施工。当巷道底界在+90m标高以下时，建议分层填筑反滤料(建议采用10-30mm砾石作为反滤料)，分层注浆。主要流程如下:
(1)充填滤料:为保证后续分层灌浆的效果，建议充填滤料厚度不超过40cm(选择较大粒径的砾石，限制分层充填厚度，主要是较大粒径砾石充填后的空间隙较大，有利于浆液的沉降和充填)。充填过程中利用高压泵计量水冲洗，保证巷道内滤料的扩散效果，及时下放钻杆检测充填厚度。
(2)分层灌浆:分层灌浆可选择纯水泥浆结合混合浆(混合浆是在纯水泥浆中加入粉煤灰或膨润土或尾矿砂等辅料的灌浆浆，所选材料的用量可根据现场试验确定)。灌浆是对水泥材料的合理使用，因此应限制单次水泥用量(单次≤10t)。根据常规灌浆间隔时间，应不少于4h。纯浆(初始水灰比为3: 1)灌浆不少于两次后，混合浆可用于一次灌浆。在按规定设置的间隔时间后，应继续下一个循环的砾石充填和灌浆，直至隧道处理完毕，并进行扫孔。水压试验和灌浆应按技术规定分阶段进行。
溶洞灌浆:采用填碎石、纯水泥浆、混合浆灌浆方案。
分析:本项目实施过程中，在帷幕线的南侧、东北侧和东侧发现了大小不一的洞穴。由于溶洞充填，穿透性不如巷道，所以不必采取分层处理措施。对于高度小于30cm的洞穴，可采用正常工艺进行灌浆施工。当高度大于30cm时，确定使用粒径为0.5-10mm的砾石充填(充填时注意保持高压泵计量水冲洗)，当充填至距洞顶边界一定距离时(本工程控制在10cm，以避免充填高于洞顶边界造成灌浆扩散的影响)，按常规工艺措施开始灌浆。
断层注浆:采用邻孔同时注浆的方案。
分析:本工程中关沟上下游帷幕线上均发现地质断层，上游断层部分被软塑粘土充填，下游断层充填较少。上游钻孔单孔在断层位置灌浆完成后，从邻孔向断层位置灌浆时，存在浆串现象。为了避免灌浆对帷幕质量的影响和孔内事故的发生，有必要采取相邻孔同时灌浆的措施，特别是后续孔。实践后，灌浆工作通常在下游孔灌浆时完成。
特殊灌浆概述:本工程上述情况所采取的措施实施后均达到最终标准，但措施的经济技术最优性有待研究。在相关成功经验的基础上，针对遇到的具体情况，具体分析，具体解决。
4.封孔
封孔采用孔口封闭和孔内循环进行注浆，并进行二次充填；当孔口表面压力达到1.0-1.5MPa，流量≤30L/min时，即可完成0.5: 1水泥浆的灌浆。初凝后，第二次填浆找平。
5.异常情况分析
(1)压水试验的小LU值不是初步判断注浆浆液用量少或注浆效果好的唯一标准。
分析:由于岩石裂隙发育，无法直观观察充填情况，压水试验的低LU值不能作为初步判断注浆浆液消耗量低的标志，尤其不能作为是否需要分期注浆的依据。本工程施工过程中，多次出现水压LU值Q < 1LU的情况，但实际灌浆量较大，因此决定无论如何都要进行分段灌浆。鉴于上述原因，对原设计中的检查孔施工进行了优化，由设计中的检查孔不灌浆改为按正常工艺要求进行灌浆，并增加了检查孔的灌浆数据，以综合判断灌浆孔的施工质量，从而进一步加强和保证帷幕质量。
(2)在特殊地层(裂隙非常发育或溶洞等)附近。)，可能有不连通的裂隙，灌浆后可能仍有水流通过。
分析:施工过程中可能出现裂缝发育但不连通，灌浆孔施工初期浆液扩散不能正常叠加。这个项目是通过各种渠道体现的。例如，在该矿竖井工程施工过程中，观察到一口井深370米(灌浆孔最终孔深约400米)出现涌水，并在井内相邻施工了4个探水孔，呈2米见方的形状。涌水量差别很大，从两孔涌水量、两孔不涌水量，到四孔全部涌水量；一口井深258m(已进入注浆段)见泥质灰岩，岩层被腐蚀，多10-30cm的小溶洞，无水泥石充填；同时，在吸浆量较大的地层中，在灌浆孔附近布置检查孔，部分孔存在同一地层透水性小于Q < 2Lu但吸浆量较大的情况。上述情况表明，地层中裂缝局部发育，但不完全具有横向或纵向连通的特征。因此，对于透水性较强的地段，仍需进行正常的注浆工作。
四。结论
帷幕灌浆技术是目前岩体地区堵水工程中广泛采用的一种较为成熟的技术措施，但受地质条件影响较大，属于地下隐蔽工程。施工过程中可变因素多，影响质量效果的因素也多，特别是特殊地层的灌浆，成型标准没有参考。因此，使帷幕灌浆技术更加完善和合理，探索综合最优方案，是这项工作的一项长期任务。
