权利要求
1.一种
磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S2、通过注浆钻孔柱状图获得磷矿顶板距离低渗含水层底板的距离Y;
步骤S3、实施截流孔对磷矿顶板取样;
步骤S4、确定安全距离N;
步骤S5、若X+N
步骤S6、确定注浆钻孔间距D;
步骤S7、按照步骤S6确定的注浆钻孔间距D，实施注浆钻孔，注浆钻孔从井下实施，钻孔实施方向垂直向上，深度达到X+N停止;
步骤S8、在注浆钻孔中注入密封材料，然后再实施钻探二次透孔;
步骤S9、进行电牵引排水;
步骤S10、NaCl高浓度盐水结晶破坏微裂隙;
当阴极排出的水TDS值增加10～50%时关闭直流电场，并打开布置阳极的注浆钻孔和布置阴极的注浆钻孔，并布置负压抽水装置，负压抽水大于10小时;
步骤S11、在相邻的注浆孔注入防渗浆液。
2.根据权利要求1所述的一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，其特征在于，步骤S1具体为：采用传统的数值模拟方法，依据钻孔柱状图和室内岩石力学指标建立磷矿开采数值模型，结合磷矿开采的采矿方式模拟矿体开挖对岩体损伤，得到裂隙损伤范围X;
其中，传统的数值模拟方法包括但不限于有限元法、离散元法。
3.根据权利要求1所述的一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，其特征在于，步骤S3具体为：实施探查注浆钻孔1个，探查注浆钻孔从井下实施，注浆钻孔实施方向垂直向上，深度达到磷矿采矿扰动范围X停止，然后测定低渗含水层的水压力P，并获取低渗含水层岩石样品。
4.根据权利要求1所述的一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，其特征在于：步骤S4中，采用以下公式确定安全距离N：
N=P/T;
式中，P为低渗含水层的水压力;T为突水系数，取0.06～0.1MPa/m。
5.根据权利要求1所述的一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，其特征在于：步骤S6中，采用以下公式确定注浆钻孔间距D：
式中，t为注浆时间;N为安全距离;μ为后续注入浆液的黏度，通过测试获得;σcosθ为后续注入浆液的亲和力，通过测试获得;
式中，t为注浆时间;K为结晶撑裂后的渗透系数，通过抽水实验获得;H为注浆压力水头;h为低渗含水层水头，r0为注浆钻孔半径;β为后续注入浆液的黏度与水黏度比;n为低渗含水层孔隙率，通过步骤S3获取的样品，加入盐分结晶撑裂测试获得。
6.根据权利要求1所述的一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，其特征在于：步骤S8中，密封材料为纳米二氧化硅溶胶，纳米二氧化硅溶胶中纳米二氧化硅和水的质量配比为1:2～1:3;二次透孔在大于12小时进行，每个注浆钻孔的注入量为1～5方。
7.根据权利要求1所述的一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，其特征在于，步骤S9具体为：在相邻的两个注浆钻孔中进行布置阴阳两种电极产生直流电场，并在布置阳极的注浆钻孔中加入NaCl高浓度盐水并封闭，另一布置阴极的注浆钻孔打开进行排水;
其中，直流电场的电流为50～150mA;NaCl高浓度盐水的质量分数为20%～25%。
8.根据权利要求1所述的一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，其特征在于：步骤S11中，防渗浆液成分和质量配比为超细水泥：环氧树脂：水=70～80：10～20：80～150;
其中，注浆压力为1.2P～1.5P，注浆时间为t。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于水文地质领域与采矿工程领域的交叉技术领域，具体涉及一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法。
背景技术
[0002]磷矿开采面临诸多挑战。磷矿多赋存于碳酸盐岩系统，在一定深度范围内，磷矿体常被低渗的白云岩所包围。白云岩作为低渗透含水层，虽水量有限，但持续向采掘作业空间渗水，致使作业工况恶劣，同时给排水系统带来沉重负担。
[0003]目前，常采用注浆方法对白云岩含水层进行注浆加固以防止渗水。然而，传统在低渗含水层中注浆存在一系列问题：(1)由于含水层渗透性低，导致浆液材料可注性差，难以有效注入含水层;(2)注浆后易受采矿作业影响，防渗性能恶化，无法长期稳定发挥防水作用;(3)浆液扩散范围有限，为达到防水效果需增加钻孔数量，致使工程复杂度大幅提升，尤其是底部防漏预注浆工程需避免高压力注浆，进一步增加了施工难度;(4)高压注浆能耗巨大，远距离注浆时压力损耗严重，球状扩散压裂范围大，对环境造成较大破坏;(5)采矿作业对低渗含水层影响范围有限，强行压裂注浆会在短时间内大幅增加涌水量，加重井下排水负担，存在严重安全隐患。
[0004]因此，本领域有待开发出一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，能够有效的解决上述问题。
发明内容
[0005]本发明的目的在于提供一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，该方法突破了低渗含水层注浆的技术瓶颈，在防渗效果、成本控制、安全性和环境友好性等方面实现了显著提升，为磷矿开采中的水文地质问题提供了高效解决方案。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1、确定磷矿采矿扰动范围X;
[0008]步骤S2、通过注浆钻孔柱状图获得磷矿顶板距离低渗含水层底板的距离Y;
[0009]步骤S3、实施截流孔对磷矿顶板取样;
[0010]步骤S4、确定安全距离N;
[0011]确定安全距离N运用了突水系数原理，即完成岩层对水压力的抵抗作用。
[0012]步骤S5、若X+N
[0013]步骤S6、确定注浆钻孔间距D;
[0014]确定注浆钻孔间距D应用了浆液扩散理论，其中浆液扩散与时间t关系密切，而t受安全距离N范围内低渗含水层自吸水作用控制，这一作用受低渗含水层毛细亲和力有关。
[0015]步骤S7、按照步骤S6确定的注浆钻孔间距D，实施注浆钻孔，注浆钻孔从井下实施，钻孔实施方向垂直向上，深度达到X+N停止;
[0016]步骤S8、在注浆钻孔中注入密封材料，然后再实施钻探二次透孔;
[0017]注入密封材料的原理是为了隔离周边含水层的补给，由于低渗含水层吃浆性差，因此以纳米二氧化硅溶胶为主形成一个隔离，由于本次注浆压力较小，因此可以12小时后的强度就可以达到。
[0018]步骤S9、进行电牵引排水;
[0019]步骤S9主要应用了电渗排水的原理，并加入了高膨胀力的盐分，盐分结晶力可达到几十兆帕，可以对微小孔隙破碎，为后续注浆介入提供了通道。
[0020]步骤S10、NaCl高浓度盐水结晶破坏微裂隙;
[0021]当阴极排出的水TDS值增加10～50%时关闭直流电场，并打开布置阳极的注浆钻孔和布置阴极的注浆钻孔，并布置负压抽水装置，负压抽水大于10小时;
[0022]步骤S11、在相邻的注浆孔注入防渗浆液。
[0023]优选的，步骤S1具体为：采用传统的数值模拟方法，依据钻孔柱状图和室内岩石力学指标建立磷矿开采数值模型，结合磷矿开采的采矿方式模拟矿体开挖对岩体损伤，得到裂隙损伤范围X;
[0024]其中，传统的数值模拟方法包括但不限于有限元法、离散元法。
[0025]优选的，步骤S3具体为：实施探查注浆钻孔1个，探查注浆钻孔从井下实施，注浆钻孔实施方向垂直向上，深度达到磷矿采矿扰动范围X停止，然后测定低渗含水层的水压力P，并获取低渗含水层岩石样品。
[0026]优选的，步骤S4中，采用以下公式确定安全距离N：
[0027]N=P/T;
[0028]式中，P为低渗含水层的水压力;T为突水系数，取0.06～0.1MPa/m。
[0029]优选的，步骤S6中，采用以下公式确定注浆钻孔间距D：
[0030]
[0031]式中，t为注浆时间;N为安全距离;μ为后续注入浆液的黏度，通过测试获得;σcosθ为后续注入浆液的亲和力，通过测试获得;
[0032]
[0033]式中，t为注浆时间;K为结晶撑裂后的渗透系数，通过抽水实验获得;H为注浆压力水头;h为低渗含水层水头，r0为注浆钻孔半径;β为后续注入浆液的黏度与水黏度比;n为低渗含水层孔隙率，通过步骤S3获取的样品，加入盐分结晶撑裂测试获得。
[0034]优选的，步骤S8中，密封材料为纳米二氧化硅溶胶，纳米二氧化硅溶胶中纳米二氧化硅和水的质量配比为1:2～1:3;二次透孔在大于12小时进行，每个注浆钻孔的注入量为1～5方。
[0035]优选的，步骤S9具体为：在相邻的两个注浆钻孔中进行布置阴阳两种电极产生直流电场，并在布置阳极的注浆钻孔中加入NaCl高浓度盐水并封闭，另一布置阴极的注浆钻孔打开进行排水;
[0036]其中，直流电场的电流为50～150mA;NaCl高浓度盐水的质量分数为20%～25%。
[0037]优选的，步骤S11中，防渗浆液成分和质量配比为超细水泥：环氧树脂：水=70～80：10～20：80～150;
[0038]超细水泥、环氧树脂的注浆材料可以对毫米级和微米级孔隙有效加固，而纳米级孔隙被结晶力破碎为毫米级和微米级，因此注浆效率高效，不需要很大的注浆压力，就可以实现大范围的扩散，并取得较好的注浆防渗效果。
[0039]其中，注浆压力为1.2P～1.5P，注浆时间为t。
[0040]本发明采用上述一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，有益效果如下：
[0041]1)本发明提升了浆液扩散范围，减少了注浆钻孔的数量，简单易实施;
[0042]2)本发明中将低渗含水层有效扩张孔隙，注浆效果好;
[0043]3)本发明减少了钻孔数量和无效注浆量，成本更少;
[0044]4)本发明中没有高压强行注入，减少了能耗，对环境的破坏更少;
[0045]5)本发明减少了大型工程的实施，实施的周期更短;
[0046]6)本发明有效控制在注浆加固区间，减少了不必要的矿井涌水，更加安全。
[0047]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0048]图1为本发明一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法实施例的流程图。
具体实施方式
[0049]以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0050]除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
[0051]如图1所示，一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，包括以下步骤：
[0052]步骤S1、确定磷矿采矿扰动范围X。采用传统的数值模拟方法，依据钻孔柱状图和室内岩石力学指标建立磷矿开采数值模型，结合磷矿开采的采矿方式模拟矿体开挖对岩体损伤，得到裂隙损伤范围X。
[0053]其中，传统的数值模拟方法包括但不限于有限元法、离散元法。
[0054]步骤S2、通过注浆钻孔柱状图获得磷矿顶板距离低渗含水层底板的距离Y。
[0055]步骤S3、实施截流孔对磷矿顶板取样。实施探查注浆钻孔1个，探查注浆钻孔从井下实施，注浆钻孔实施方向垂直向上，深度达到磷矿采矿扰动范围X停止，然后测定低渗含水层的水压力P，并获取低渗含水层岩石样品。
[0056]步骤S4、确定安全距离N。采用以下公式确定安全距离N：
[0057]N=P/T。
[0058]式中，P为低渗含水层的水压力。T为突水系数，取0.06～0.1MPa/m。
[0059]步骤S5、若X+N
[0060]步骤S6、确定注浆钻孔间距D。采用以下公式确定注浆钻孔间距D：
[0061]
[0062]式中，t为注浆时间。N为安全距离。μ为后续注入浆液的黏度，通过测试获得。σcosθ为后续注入浆液的亲和力，通过测试获得。
[0063]
[0064]式中，t为注浆时间。K为结晶撑裂后的渗透系数，通过抽水实验获得。H为注浆压力水头。h为低渗含水层水头，r0为注浆钻孔半径。β为后续注入浆液的黏度与水黏度比。n为低渗含水层孔隙率，通过步骤S3获取的样品，加入盐分结晶撑裂测试获得。
[0065]步骤S7、按照步骤S6确定的注浆钻孔间距D，实施注浆钻孔，注浆钻孔从井下实施，钻孔实施方向垂直向上，深度达到X+N停止。
[0066]步骤S8、在注浆钻孔中注入密封材料，然后再实施钻探二次透孔。密封材料为纳米二氧化硅溶胶，纳米二氧化硅溶胶中纳米二氧化硅和水的质量配比为1:2～1:3。二次透孔在大于12小时进行，每个注浆钻孔的注入量为1～5方。
[0067]步骤S9、进行电牵引排水。在相邻的两个注浆钻孔中进行布置阴阳两种电极产生直流电场，并在布置阳极的注浆钻孔中加入NaCl高浓度盐水并封闭，另一布置阴极的注浆钻孔打开进行排水。
[0068]其中，直流电场的电流为50～150mA。NaCl高浓度盐水的质量分数为20%～25%。
[0069]步骤S10、NaCl高浓度盐水结晶破坏微裂隙。当阴极排出的水TDS值增加10～50%时关闭直流电场，并打开布置阳极的注浆钻孔和布置阴极的注浆钻孔，并布置负压抽水装置，负压抽水大于10小时。
[0070]步骤S11、在相邻的注浆孔注入防渗浆液。
[0071]防渗浆液成分和质量配比为超细水泥：环氧树脂：水=70～80：10～20：80～150。其中，注浆压力为1.2P～1.5P，注浆时间为t。
[0072]实施例
[0073]某磷矿开采磷矿时受到周边白云岩低渗含水层影响，矿井涌水量常年保持在1万方/天，造成井下排水系统压力很大。为了降低井下排水负担，采用了以下低渗含水层注浆防水方法，具体步骤如下：
[0074]步骤S1、确定磷矿采矿扰动范围X=20米。采用有限元法，依据钻孔柱状图和室内岩石力学指标建立磷矿开采数值模型，结合磷矿开采的采矿方式模拟矿体开挖对岩体损伤，得到裂隙损伤范围X=20米。
[0075]步骤S2、通过钻孔柱状图获得磷矿顶板距离低渗含水层底板的距离Y=5米。
[0076]步骤S3、实施探查钻孔1个，探查钻孔从井下实施，钻孔实施方向垂直向上，深度达到X停止，然后测定低渗含水层的水压力P=1MPa，并获取低渗含水层岩石样品。
[0077]步骤S4、确定安全距离N。采用以下公式确定安全距离N：
[0078]N=P/T=16.7m;
[0079]式中，P=1MPa为低渗含水层的水压力。T为突水系数，取0.06MPa/m。
[0080]步骤S5、由于X+N=36.7>Y=5，则需要进行注浆，继续步骤S6。
[0081]步骤S6、确定注浆钻孔间距D=4.98m。采用以下公式确定注浆钻孔间距D：
[0082]
[0083]式中，t为注浆时间。N为安全距离。μ=35mPa·s为后续注入浆液的黏度，通过测试获得。Σcosθ=10为后续注入浆液的亲和力，通过测试获得。
[0084]
[0085]式中，t=2.26天为注浆时间。K=1m/d为结晶撑裂后的渗透系数，通过抽水实验获得。H=150m为注浆压力水头。h=100m为低渗含水层水头，r0=0.54m为注浆钻孔半径。β=35为后续注入浆液的黏度与水黏度比。N=0为低渗含水层孔隙率，通过步骤S3获取的样品，加入盐分结晶撑裂测试获得。
[0086]步骤S7、按照步骤S6确定的注浆钻孔间距D=4.98米，实施注浆钻孔，注浆钻孔从井下实施，钻孔实施方向垂直向上，深度达到X+N=36.7米停止。
[0087]步骤S8、在注浆钻孔中注入密封材料，然后再实施钻探二次透孔。所述密封材料为纳米二氧化硅溶胶，即纳米二氧化硅和水为1：2的质量配比，二次透孔在12小时以后进行，每个钻孔注入量为5方。
[0088]步骤S9、在相邻的两个注浆钻孔中进行布置阴阳两种电极产生直流电场，并在布置阳极的注浆钻孔中加入NaCl高浓度盐水并封闭，另一布置阴极的注浆钻孔打开进行排水。
[0089]直流电场的电流为150mA，NaCl高浓度盐水的质量分数为25%。
[0090]步骤S10、当阴极排出的水TDS值增加30%时关闭直流电场，并打开布置阳极的注浆钻孔和布置阴极的注浆钻孔，并布置负压抽水装置，负压抽水12小时。
[0091]步骤S11、同时在相邻的注浆注浆孔注入防渗浆液，防渗浆液成分和质量配比为超细水泥：环氧树脂：水=80：20：100，注浆压力为1.5P=1.5MPa，注浆时间为t=2.26天。
[0092]本实施例通过82口钻孔的注浆防渗工程，新的采矿作业面涌水量较其他作业面减少82%，防渗效果显著，有效降低了井下排水负担。
[0093]因此，本发明采用上述一种磷矿开采低渗含水层注浆防水方法，该方法突破了低渗含水层注浆的技术瓶颈，在防渗效果、成本控制、安全性和环境友好性等方面实现了显著提升，为磷矿开采中的水文地质问题提供了高效解决方案。
[0094]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
说明书附图(1)
声明：
“磷矿开采低渗含水层注浆防水方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：北方有色网
来源：瓮福（集团）有限责任公司, 贵州大学
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