0 引言

矿业在中国国民经济中占有重要地位，金属矿产资源和地下水耦合伴生，矿山开发会带来地下水超采、突涌水、地下水生态破坏等系列地下水灾害问题，严重制约着资源高效开发（韩贵雷和袁胜超， 2019）。矿坑涌水是矿产资源开采过程中面临的主要问题之一，尤其是对于透水性、富水性均较强的地层中矿产资源的开采活动来说，矿坑涌水往往带来众多不利影响，例如矿井突涌水、地下水资源超采、地面塌陷等（郭斌等，2020；杨闪等，2023）。矿业开发是造成区域地下水超采的重要影响因素，例如邢台百泉泉域受区域内矿山开采影响，导致泉水停涌就是区域地下水生态环境被破坏的典型表现 （贾玉琴和韩贵雷，2022）。针对矿山疏干排水严重影响矿区周边地下水环境这一典型问题，厘清矿山水文地质条件与地下水治理关系，研究矿山地下水防治与协同保护相关技术，对于解决矿产资源开发与地下水保护之间的矛盾，保障国家资源安全具有重要意义（韩贵雷等，2009；蒋兵辉等，2010）。

针对矿山开采与区域水环境保护之间的矛盾，国内外学者已经进行了相关研究。Šubaranović et al.（2019）针对德尔姆诺煤矿与姆拉瓦河和多瑙河的水力联系进行研究，保护地表水环境不受采矿活动的影响；Tomiyama and Igarashi（2022）统计了多个国家矿井排水污染地下水质的案例，并建立相应模型进行污染评估，给出了相关防治措施；Liu et al. （2022）对干旱半干旱地区矿井水对地表湖泊的补给配置进行研究，形成了水资源配置方案和区域矿山排水利用新模式。前人研究多集中于矿山排水与区域地表水水力联系或地下水污染方面，对于矿山排水如何实现地表零排放，矿山防治水与地下水水质、水量保护协同平衡等问题，仍需进一步探索。

针对金属矿山地下水灾害治理问题，本文围绕 “矿山排水、水资源保护、水生态保护”三者之间的矛盾，全面梳理了矿山地下水防治与协同保护关键技术，研制了浆液时变扩散特性试验平台并开展堵水帷幕构建试验，揭示了“高承压、强岩溶”复杂工况堵水浆液留存机理，系统研发了矿区堵水帷幕构建“钻探、注浆、检测”全流程关键技术（韩贵雷， 2016），突破了帷幕堵水-基岩回灌交互影响和多层位基岩大流量回灌技术瓶颈，重构了矿区尺度内 “帷幕-回灌”地下水双流场水力新平衡，实现了矿山安全开发与地下水资源、水生态的协同保护。

1 矿区堵水帷幕浆液扩散搭接计算

帷幕注浆技术能够有效解决、保护区域地下水环境与安全开采矿产资源之间的矛盾，其应用越来越广泛，浆液扩散搭接是注浆帷幕构建的关键因素 （董书宁等，2020；赵晓明，2023）。本文基于地层水文地质特征、浆液特性和注浆工艺等多因素影响的复杂程度分析，厘清了主控浆液扩散搭接关键核心参数，通过对防治水专项勘探和矿区水文地质的精准刻画，建立了深孔单级 30 m 压水试验方法（标准压水试验段长 5 m），确定了帷幕注浆钻孔间距，构建了包含牛顿流体和宾汉流体等多液相类型的“浆液搭接距离”计算方法，奠定了矿山堵水帷幕浆液搭接设计理论。

1.1 深孔单级压水试验修正

针对标准压水与帷幕注浆段长不匹配、地层裂隙发育不均一带来的渗透系数测试高误差率的技术难题，本文采用新标准判定地层渗透性，试验压力采用不低于80%注浆压力，将在稳定压力下注浆流量连续5次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或者最大值与最小值之差小于1 L/min时的最终值作为判定标准。根据地层水位与试验段空间的关系，分析压水试验段和水位“上、中、下”3 种关系条件下压力零线的关系，进而修正压水试验，以此作为确定浆液起始水固比和堵水效果检测的主要依据，最终指导注浆施工

1.2 矿山堵水帷幕孔距设计

帷幕注浆钻孔孔距是帷幕注浆设计的重要技术参数，该参数大多根据以往的实例经验确定，相对均质的裂隙含水层注浆孔距一般设计为8～12 m，构造岩溶通道含水层注浆孔距一般小于5 m。但根据以往经验确定的钻孔间距注浆效果往往存在一定偏差，甚至影响帷幕体整体施工质量。针对凭经验选取堵水帷幕钻孔孔距存在的“低精度和主观性”问题，基于浆液搭接与注浆压力、地层透水性、浆液特性多元函数关系研究，文中建立了包含牛顿流体和宾汉流体等多液相类型的“浆液搭接距离” 计算理论，发明了堵水帷幕钻孔孔距确定方法。在邯邢资源基地某矿山注浆帷幕工程中，结合以往地质资料及注浆试验结果，水泥浆液的有效扩散半径 R 不小于 8 m，依据传统注浆经验，原帷幕钻孔孔距设计为 10 m。当注浆厚度 L 取 10 m 时，根据式（1） 计算得到，注浆孔间距 a 为 12.49 m；按此计算值以间距 12 m 布置注浆孔，并在两孔之间施工检测孔，经检测浆液搭接效果良好，验证了孔间距增大到12 m 的可行性和科学性。帷幕钻孔孔距由 10 m 增大到 12 m，钻探投资节约 20%，帷幕堵水效果达到 85%，经理论计算和现场工业试验，证明了钻孔孔距确定方法的可靠性。

经研究，对帷幕钻孔孔距可按照下式进行计算：

式（1）中：a 为注浆孔间距（m），L 为帷幕厚度 （m），R为浆液扩散半径（m）。

牛顿流体浆液扩散半径 R 可按照下式进行计算：

式（2~3）中：P 为注浆孔内压力（MPa），P₀为裂隙内静水压力（MPa），T 为注浆时间（s），b为裂隙宽度（m），r₀ 为注浆孔半径（m），η 为浆液初始黏度 （Pa·s）。

宾汉流体浆液扩散半径 R 可按照式（4）进行计算：

式（4）中：P 为注浆压力（MPa），δ 为裂隙宽度 （m），τ为浆液屈服强度（MPa）。

2 浆液时变扩散特性试验

针对矿山防治水面临的不同工况环境，本文系统性研发了浆液时变扩散特性试验平台，并开展了 “高承压、强岩溶、大动水”帷幕防渗体构建试验，揭示了注浆浆液高压固结、动水留存机理及浆液扩散过程。

2.1 浆液高压固结物化规律

目前，中国开采深度超过 700 m 的地下金属矿山有 100 多处，深部开采带来的高水压难题制约着矿山安全高效开发（蔡美峰等，2019）。针对矿山高承压水防治问题，本文研制了高压注浆固结试验平台，揭示了浆液高压固结物化反应和结构变化规律。该试验平台包括试验舱、围压舱、高压注浆系统、高压注水系统、定压排水系统、电极监测系统共 6部分，具备对地层透水性进行相似模拟、提供地下水压力环境（最大可达10 MPa）、实时无损监测浆液固结状态等功能。针对深埋矿山构建堵水帷幕面临的“高承压”地下水压力环境，本文建立了浆液固结状态与其电阻率变化的对应关系，揭示了帷幕堵水注浆材料高压脱水物理固结和化学结石体形成机理，其高承压注浆固结试验平台及示意图见图1。

依托“高承压”注浆固结试验平台，笔者团队开展了非工业固体材料湖泥、黏土、尾矿砂等改性混合浆液固结特性试验（图2）。注浆材料高压固结分为“物理脱水压密”、“物化混合固结”、“化学固结”3 个阶段，其中物理脱水压密阶段浆液电阻率增长较快，固结以高压条件下失水压密为主；物化混合固结阶段，浆液电阻率增长放缓，浆液失水减少，固结受高压失水压密和水泥自身化学固结双重影响；化学固结阶段，浆液电阻率保持稳定，浆液几乎不再失水，固结以水泥化学反应凝结硬化为主。该试验结果表明，600 m水头地下水压力环境条件下，改性黏土注浆材料“物化混合固结”阶段结束时间为110 min（韩贵雷，2017）。依据上述试验结果，结合浆液扩散半径（式 2），采用改性黏土浆作为注浆材料是纯水泥浆液扩散半径的 1.5 倍、注入量的 3.37 倍，说明改性黏土浆液具有良好的可注性和浆液搭接性能。

2.2 强动水浆液流失率研究

中国邯邢、鲁中西等金属资源基地面临强岩溶大动水的困扰（雷媛媛等，2023），如山东归来庄某金矿岩溶过水通道直径达 0.5 m 以上、地下水流速为1.2 m/s以上，被注浆领域定义为典型的岩溶管道强动水地下水系统。针对岩溶发育矿山构建堵水帷幕过程中面临的“强岩溶”地下水动力环境，研究团队对岩溶管道粗糙度、地下水动力特性、注浆工艺进行概化，研制了强动水岩溶管道注浆试验平台，该试验平台主要包括管道模拟系统、数据采集系统、注浆灌注系统、支撑系统及供水系统共 5 部分，具备1∶1大尺寸再现地下水岩溶管道形态、稳定提供地下水高动力环境、可更换内衬模拟岩溶管道粗糙度等功能。强动水岩溶管道注浆试验平台及示意图见图3。

研究团队依托强动水管道注浆试验平台，开展水泥-水玻璃、黏土膏体浆液等4种注浆材料强岩溶动水条件流失特性试验（图4）。试验获得了 4种改性混合浆液流失特征曲线，橙色曲线表明：特定配比黏土膏体浆液具有较低的流失率，同时试验成果揭示了改性黏土膏体浆液在岩溶通道注浆封堵过程中地下水“紊-渗”流态转捩非线性特征，有效指导了注浆参数调整，相关研究成果对于“强岩溶”矿山地下水治理具有显著支撑作用（章爱卫和杨彤飞，2023）。

2.3 高防渗条件下浆液弥散过程分析

矿业开采活动会导致部分有害重金属通过介质向环境缓慢释放，对周围土壤、生态环境造成影响，危害人类身体健康和安全（郭钰颖等，2022；陈雪等，2023；徐勇等，2023）。《尾矿设施设计规范 （GB 50863-2013）》中13.2.6条要求，Ⅱ类库的环保防渗要求为库的底部和周边应具有一层防渗系统，并具备相当于一层饱和渗透系数不大于 1. 0×10^-7 cm/s、厚度不小于 1.5 m的黏土层的防渗性能（中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2013）。针对尾矿设施等环保防渗要求，研究团队研制了高防渗注浆模拟试验平台，并发明了低碱高防渗注浆材料，揭示注浆弥散过程。该试验平台主要包括注浆系统、排水系统、数据采集系统、试验舱、充填地质体共 5 部分，可模拟不同地质体环境下高防渗注浆过程。针对金属矿山地下水生态治理过程中构建高防渗帷幕体（10^-7 cm/s）面临的低渗透地层环境，基于该试验平台进行了致密金属矿山地层垂向物性差异和空间特征分析和低渗透地层浆液颗粒团聚堵塞、浆液弥散行为研究。高防渗性能注浆模拟试验平台及注浆结石体形态见图5。

a—试验平台实景照片；b—试验平台结构示意图

依托高防渗注浆模拟试验平台，研究团队系统构建了多因素多水平低碱高防渗注浆浆液正交配比，创新开展了外加剂与黏土、水泥基注浆材料的化学效应与降碱机理系列试验，研发了结石体渗透系数低于 10^-7 cm/s 的新型无机低碱高防渗注浆材料。以此材料为基础，开展复合防渗帷幕抗渗特性试，揭示了低碱高防渗注浆材料孔隙介质扩散规律，形成了垂向复合帷幕结构搭接边界强抗渗技术，为高防渗帷幕体（10^-7 cm/s）构建奠定基础。

3 受限空间钻孔施工工艺及自动化注浆系统

随着矿山资源开采强度的进一步加大，开采难度逐步提高，出现了深埋矿体、地层高角度裂隙发育、井巷工程内施工等特殊工况条件，同时受绿色发展理念影响，越来越多的非工业注浆材料受到人们的关注。基于上述行业共性问题，受限空间内注浆工艺及非工业材料的自动化注浆系统的研发对于注浆工程的产业化、智能化具有重要意义。

3.1 小曲率半径钻孔结构分析

针对深埋矿体地下水治理面临的受限空间内无法开展大规模钻探布孔难题，研究团队发明了小曲率半径“鱼刺型”钻孔结构（赵晓明等，2023；图6）。“鱼刺型”钻孔从结构方面解析，可分为垂直方向的主孔和区别于垂直方向的分支孔，因此施工 “鱼刺型”钻孔的器具亦分为两大类别。在主孔施工方面，由于与传统帷幕注浆或不取心钻进从施工性质、器具、工艺等方面均无区别，因此不再阐述。

a—试验平台实景照片；b—试验平台结构示意图

a—试验平台实景照片；b—浆液固结体形态

分支孔施工器具由于造斜段造斜强度过大，造斜、稳斜等相关特殊要求，传统的钻柱组成部分如钻铤、钻杆、钻头等器具不能通过造斜孔段或不能保证分支孔角度符合设计要求。针对分支孔施工，研发团队设计了专门的施工器具，包括柔性钻杆、螺杆钻具、导向套及内含柔性钻杆、造斜钻头与稳斜钻头、测斜仪器及导斜器 6 个部分，在中关铁矿、彝良铅锌矿两地进行了现场试验，试验表明定型设备设计合理、性能可靠。

a—“鱼刺型”钻孔结构；b—柔性钻探设备

“鱼刺型”钻孔结构突破了传统分支孔造斜段大于50 m、顶角小于10°钻具弯曲性能极限，实现了巷道内钻探分支孔造斜段小于 5 m、分支顶角大于 37°的“鱼刺型”柔性钻孔成套装备与工艺，将帷幕注浆钻孔孔距由地表布孔12 m增大到巷道内36 m，在大幅提高高角度揭露率的同时，有效消除了传统小间距布孔带来的巷道钻窝数量大、围岩不稳定等重大安全隐患，奠定了深埋矿体受限空间防治水技术基础，对于推动大水矿山深部资源开发具有重大意义。其中钻探工艺参数对比如图7所示。

3.2 “制-注-控”一体化智能注浆系统

针对非工业注浆材料依靠人工控制注浆参数，容易出现操作或记录失误，造成质量控制偏差等问题，研发“制-注-控”一体化智能注浆系统，极大地推动注浆产业自动化、智能化（刘殿凤等，2009）。非工业材料综合利用是矿山防治水绿色生态理念的重要体现，针对湖泥、黏土等非工业化注浆材料无法规模化、智能化加工的技术瓶颈，研发团队研制了非工业混合浆液“制-注-控”一体化智能系统。该智能注浆系统通过电阻应变式称重传感器对各类注浆材料进行准确计量，以螺旋式输送机进行粒径细小物料输送，以皮带输送机进行粒径大、湿度大的物料输送，以电磁流量传感器进行注浆流量数据监测，以压阻式压力传感器进行注浆压力的全过程监控，实现制浆、注浆全流程自动化控制，工艺流程见图8。

“制-注-控”一体化智能注浆系统，涵盖基浆除砂净化，浆液多配比自动调节，浆液特性多参数自动记录和计量功能，精度达到 0.1%Fs；采用无级变速注浆系统，浆液计量范围涵盖 0~250 L/min，有效解决了低量注浆循环、弱透水地层压水难题；创新数据集成，建立“1 站 4 机 16 台套”多通道联动协同运转控制系统，实现了帷幕注浆工艺规模化、智能化。该系统在影响施工质量环节均采用计算机控制，电子计量避免了人为因素导致的误差，使得浆液配置和注浆施工得到了全程记录和精准控制，减少劳动强度的同时，有效保障了注浆工程施工质量。

4 地下水防治与协同保护技术体系

注浆技术是矿山防治水常用技术手段之一，各水患矿山都在根据实际情况采取不同的治理措施，有井下注浆堵水措施，也有地表注浆措施，用于解决采矿生产中面临的安全问题。对矿山帷幕体内矿坑水实施抽排回灌，实现矿坑水地表零排放，能够有效保护区域地下水资源。注浆工程与矿坑水回灌工程在实施过程中相互衔接，在技术手段上相互贯穿，以注浆技术解决矿山井巷建设中的重大突水隐患，降低矿区地下水疏干和抽排量；通过矿坑水回灌工程对帷幕体内剩余地下水进行处理，实现地下水防治与协同保护。

4.1 矿山帷幕注浆技术体系

根据实际工程特点，通过对注浆全过程进行系统梳理，帷幕注浆设计分3阶段：注浆试验-勘探、协同初步设计、施工图设计，从而实现地层信息与帷幕构建动态互馈。通过建立“点线面”三维一体检测方法，以单个注浆段、单个注浆孔、多个注浆孔为检测单元，分级递进，形成集压水试验、岩心结石率、物探探测等多种技术手段，统筹单位注入量、离散系数、叠加效益等多因素的综合堵水效果评价体系（图9）。构建涵盖注浆材料、勘察、设计、工业试验、实施、运行与监测全流程技术标准，推动矿山帷幕注浆技术体系化。

4.2 帷幕堵水-基岩回灌交互作用机制

地下水回灌是地下水防治与协同保护的重要措施，根据矿区水文地质条件、工程地质条件和地表设施的建设情况，初步选择回灌区域的具体位置；通过钻探、压水试验、水位观测、物探测试等技术手段确定具体的回灌层位；通过回灌测试，对回灌层位的回灌能力和影响范围进行分析；同时对矿坑水进行取样化验，确定其主要污染物指标，针对主要污染物进行处理，使其达到回灌水质要求（于兴社等，2016）。

以邯邢资源基地某铁矿山为例，该矿山位于邢台百泉泉域强径流带，基岩含水岩组主要为石炭系、二叠系薄层灰岩和砂页岩裂隙含水岩组，寒武系、奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组，燕山期岩浆风化裂隙含水岩组；铁矿床为埋藏较深的隐伏矿体，赋存于闪长岩与中奥陶统石灰岩接触带；该矿山以“帷幕堵水+基岩回灌”成功实现地下水防治与区域地下水资源协同保护（韩贵雷和袁胜超， 2019）。基于帷幕堵水和回灌交互影响及回灌能力衰减研究，研发团队采用“回灌井+帷幕观测孔”联合回灌试验，确定主要回灌地层为石炭系、二叠系薄层灰岩及中奥陶统石灰岩层，揭示了群井回灌与堵水帷幕交互作用机制，相应数据见图10，图中蓝色曲线为回灌量200. 00 m³ /h下的水位线，黑色矩形部分为各钻孔水位变幅。观测孔 HG3、HG4、HG5、 GSl 与回灌井 G1、G2 呈东西向直线分布，最小的水力坡度为 70%；HG1、HG2 观测孔与 G1 回灌井呈南北向直线分布，最小水力坡度为 46%，证明了回灌试验区存在南北向的透水性强于东西向的趋势；从回灌影响范围看，单井小强度回灌与双井大强度回灌相比，单井小强度回灌对周边观测孔水位的影响大于双井大强度回灌的影响，反映了大回灌量可沟通岩溶裂隙的通道，增强透水性，显著提高回灌量。

5 结论

金属矿山地下水防治与协同保护研究取得了显著的技术成果，对于提升行业技术水平产生了重要影响。

（1）修正了深孔单级压水试验，优化了帷幕孔布孔设计理论和帷幕钻孔孔间距计算方法，注浆参数设置更加科学合理。

（2）针对高承压、强岩溶、低渗透等不同工况需要，研发了室内注浆试验平台，开展不同工况条件下注浆试验，揭示浆液高压固结、动水留存机理及浆液扩散过程。

（3）发明了“鱼刺型”钻孔结构、柔性钻探设备，实现了钻探分支孔造斜段小于 5 m、分支顶角大于 37°的技术突破，将井巷等受限空间内注浆布孔间距提高至 36 m，减少钻窝硐室掘进工作量，经济效益显著。

（4）研发了集“制浆-注浆-控制”于一体的智能化注浆系统，实现“1 站 4 机 16 台套”多通道联动协同，推动注浆技术自动化、智能化。

（5）建立了矿山帷幕注浆技术体系，揭示帷幕堵水-基岩回灌交互作用机制，以大流量回灌技术实现矿坑水地表零排放。

参考文献