張翔，王向鵬，李小輝，何定橋，葉長(zhǎng)文

(1.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都理工博大工程科技有限公司，四川 成都 610059；3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)帶動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)礦石原料的需求，進(jìn)而帶動(dòng)深部采礦業(yè)的發(fā)展。深部礦體開(kāi)采將面臨更加復(fù)雜的構(gòu)造地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境，巷道掘進(jìn)、礦體鉆采施工過(guò)程突涌水事故頻發(fā)，已經(jīng)成為妨礙礦山安全生產(chǎn)的第一要害。2020 年11 月，湖南衡陽(yáng)和山西朔州煤礦分別發(fā)生重大透水事故，這兩起事故都造成了人員傷亡，導(dǎo)致了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。如何進(jìn)行突涌水事故的前期預(yù)報(bào)和災(zāi)害治理成為研究熱點(diǎn)。在水害治理中，最主要的應(yīng)用方法就是注漿堵水。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的突涌水治理，需要從注漿工藝、注漿材料、水體超前預(yù)報(bào)等多個(gè)角度加以研究[1]。

目前，治理礦山巷道內(nèi)涌水事故的方法和文獻(xiàn)資料較多，李海燕等系統(tǒng)研究巨野礦區(qū)某深井礦山膠帶巷斷層高壓涌水特征，進(jìn)行疏水降壓，使巷道周?chē)畬铀畨航抵梁侠矸秶鶾2]；陶澤源針對(duì)地下水流動(dòng)及含水層分析，采用“錨注法”對(duì)圍巖、壁后進(jìn)行注漿堵水，形成一個(gè)小范圍堵水帷幕，治理效果良好[3]；李利平等基于大量煤礦斷層突水案例，采用系統(tǒng)調(diào)查分析和歸類統(tǒng)計(jì)的方法，研究充填型斷層滯后突水的災(zāi)變演化機(jī)制，分析采動(dòng)條件下斷層形態(tài)、產(chǎn)狀、充填性、導(dǎo)水性的變化及其對(duì)斷層活化突水通道形成過(guò)程的影響[4]；薛國(guó)強(qiáng)等為解決巷道掌子面含水帶病害快速有效探測(cè)問(wèn)題，嘗試把對(duì)含水帶結(jié)構(gòu)反應(yīng)敏感的瞬變電磁法引入到巷道掌子面進(jìn)行超前預(yù)報(bào)[5]；張慶松等針對(duì)巷道角礫巖破碎帶，進(jìn)行圍巖變形和涌水量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，較好地解決了注漿過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性控制難題[6]。此次研究區(qū)位于龍門(mén)山構(gòu)造帶東北緣，板塊運(yùn)動(dòng)劇烈，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，施工條件簡(jiǎn)陋，需要綜合考慮多方面因素進(jìn)行治理，注漿堵水技術(shù)難度大[7]。

本文結(jié)合昊華磷礦燕子巖井底涌水治理工程，在地質(zhì)和水文分析的基礎(chǔ)上，對(duì)礦段含水區(qū)域進(jìn)行了瞬變電磁法探測(cè)。綜合瞬變電磁法探測(cè)、礦山地質(zhì)、水文地質(zhì)等分析了巷道內(nèi)涌水的來(lái)源及通道，明確了治理過(guò)程的控制因素，并在注漿過(guò)程中輔以數(shù)值模擬分析，確保了涌水治理過(guò)程的安全和最終治理的效果。通過(guò)物探手段+定點(diǎn)注漿+徑向注漿+局部防滲注漿等手段進(jìn)行綜合堵水治理，為未來(lái)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境和強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下的礦山類似水害治理工程提供了技術(shù)參考[8]。

1 涌水災(zāi)害分析及地球物理探測(cè)

昊華磷礦1 號(hào)膠帶斜井施工至掌子面K1+573 m 位置時(shí)，一直沒(méi)有涌水的掌子面頂拱有兩處（標(biāo)高為814.11 m）出現(xiàn)大量涌水，突水量約450 m3/h，2 臺(tái)排水量為100 m3/h 水泵一用一備運(yùn)行作為其施工階段的臨時(shí)排水水泵。由于汛期連續(xù)降大暴雨，井底涌水量從初期400 m3/h 漲到最高1200 m3/h，雖經(jīng)全力搶救，但燕子巖礦段還是發(fā)生了淹井，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目施工進(jìn)度造成極大影響，故需進(jìn)行堵水治理。

昊華磷礦處于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)（I）龍門(mén)山-大巴山臺(tái)緣坳陷（Ⅱ）龍門(mén)山陷褶斷束（Ⅲ）漩口坳褶束（Ⅳ）北東段次級(jí)構(gòu)造——大水閘復(fù)式背斜南東翼[9]。以大水閘復(fù)式背斜為主的基底構(gòu)造和F1、F2區(qū)域性斷裂控制了龍門(mén)山陷褶斷束不同地質(zhì)歷史時(shí)期的沉積構(gòu)造、地層厚度和巖相變化及分布。

深部接替工程1 號(hào)膠帶斜井設(shè)計(jì)施工位于礦層頂板方向，透水位置處于二疊系灰?guī)r地層內(nèi)，在施工中發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)入泥夾石內(nèi)無(wú)法進(jìn)行鉆進(jìn)，經(jīng)初步判斷為侵蝕面上部的充填溶洞，充填體干燥呈膠狀，規(guī)模未知且周?chē)袠?gòu)造面。

1.1 斜井涌突水機(jī)理分析

從開(kāi)始發(fā)生涌水以前，1 號(hào)膠帶斜井未有嚴(yán)重的透水現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的水文地質(zhì)調(diào)查，排除地下暗河、承壓水因素。幾天后突發(fā)透水，主要由于此前幾天地表降水劇增，經(jīng)山體滲透，導(dǎo)水?dāng)鄬?、裂隙進(jìn)入沖刷溶洞充填體，待沖開(kāi)堵塞的泥巴后，地表水、裂隙水隨之到來(lái)[10]。

綜上，1 號(hào)膠帶斜井涌突水形成機(jī)理如下：1號(hào)膠帶斜井從K1+573 m 開(kāi)始往前為一構(gòu)造破碎帶，富水性好，天然條件下賦存了大量地下水，形成了一大型靜儲(chǔ)量含水構(gòu)造。在巖溶水和水壓的持續(xù)作用下，破碎帶內(nèi)的充填物質(zhì)不斷發(fā)生松散軟化[11]。在暴雨后雨水由導(dǎo)水?dāng)鄬?、裂隙進(jìn)入沖刷溶洞充填體，導(dǎo)致地下水位升高、水壓增大，同時(shí)斜井開(kāi)挖為破碎帶水體下覆松散體創(chuàng)造了滑移空間，高水壓擊穿堵塞的泥巴后形成涌水。涌水發(fā)生后，由于破碎帶導(dǎo)水性好，地下水快速涌向斜井，造成地下水位降低。斜井涌突水形成，見(jiàn)圖1。

圖1 斜井涌突水形成示意

1.2 地球物理探測(cè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證涌水災(zāi)害分析結(jié)果，掌握工作面前方地下水、巖溶分布等工程地質(zhì)情況，對(duì)燕子巖礦段1 號(hào)膠帶斜井及2 號(hào)膠帶斜井進(jìn)行了瞬變電磁法探測(cè)[12]。

1.2.1 預(yù)報(bào)方法及原理特點(diǎn)

瞬變電磁法是通過(guò)發(fā)射線圈或直線供脈沖電流，在法線方向產(chǎn)生一次磁場(chǎng)，一次磁場(chǎng)的傳遞經(jīng)地質(zhì)體產(chǎn)生渦流，渦流衰減過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)，通過(guò)接收回線采集二次場(chǎng)，通過(guò)二次場(chǎng)可以反映地質(zhì)體內(nèi)部電性分布特征[13]。當(dāng)按照不同的延遲采集二次場(chǎng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V（t），就可以獲得二次場(chǎng)隨時(shí)間變化的特征曲線，通過(guò)改變曲線體現(xiàn)地質(zhì)體的特性。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體為良導(dǎo)體時(shí)，電流關(guān)斷時(shí)，渦流衰減維持一定時(shí)間，當(dāng)?shù)刭|(zhì)體為非良導(dǎo)體時(shí)，電源關(guān)斷渦流無(wú)法維持，這也就是瞬變電磁法對(duì)低阻體敏感的原因。瞬變電磁法典型超前預(yù)報(bào)成果如圖2、圖3 所示。

圖2 2 號(hào)膠帶斜井橫剖面預(yù)報(bào)成果

圖3 2 號(hào)膠帶斜井左、右側(cè)墻預(yù)報(bào)成果

1.2.2 測(cè)量結(jié)果

測(cè)量數(shù)據(jù)的反演結(jié)果表明，掌子面斜下位置、1 號(hào)膠帶斜井左側(cè)、2 號(hào)膠帶斜井前方均存在不同范圍的低阻異常體。根據(jù)水文地質(zhì)和構(gòu)造地質(zhì)結(jié)果，分析其異常主要為巖溶充水異常和小裂隙水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及測(cè)線結(jié)果推測(cè)，1 號(hào)膠帶斜井掌子面前方及靠近掌子面區(qū)域拱頂?shù)?0 m 范圍內(nèi)含水較豐富；2 號(hào)膠帶斜井右側(cè)10～30 m 范圍內(nèi)含水，推測(cè)離測(cè)線起始位置4～5 m、10～30 m 處存在夾層含水情況。

2 涌水注漿治理

2.1 注漿設(shè)計(jì)方案

2.1.1 工程的主要施工方法

本次施工的流程為首先將表面散狀流量的出水點(diǎn)封堵，然后加固深層圍巖，使其形成一層防滲固結(jié)圈，最后對(duì)集中涌水點(diǎn)進(jìn)行堵水治理。本項(xiàng)目擬通過(guò)多種物探手段+定點(diǎn)注漿+徑向注漿+局部防滲注漿等手段進(jìn)行綜合堵水治理，并派遣注漿堵水經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)施工隊(duì)伍，結(jié)合堵水專用注漿材料，確保順利達(dá)成指定目標(biāo)[14]。

2.1.2 注漿方式的選擇

注漿采用純壓式注漿，埋管和孔口卡塞相結(jié)合的方式。若鉆孔遇到涌水時(shí)，立即停鉆注漿。針對(duì)吸漿量大、長(zhǎng)時(shí)間難以結(jié)束的注漿孔，采用間歇注漿，間歇24 h 后掃孔復(fù)注。

2.1.3 鉆孔布置及參數(shù)

（1）孔位布置。本次工程治理中，采用了多排注漿，按照環(huán)間環(huán)內(nèi)各分兩序布置。施工時(shí)單排按照次序施工序孔。若前序孔施工完后涌水現(xiàn)象消失，可考慮減少后面序孔的施工，當(dāng)兩序孔施工完后涌水現(xiàn)象沒(méi)有停止，則需要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)效果采用局部注漿法進(jìn)行局部治理[15]。

（2）鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)。鉆孔初步按照以下方式布置，注漿控制范圍整體按6.0 m考慮，孔距為1.0～2.0 m，排距為2.0 m，孔深為6 m，拱頂和邊墻孔徑為Φ50～90 mm，現(xiàn)涌水點(diǎn)部位按8 m 孔深考慮，實(shí)際施工過(guò)程中可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況及涌水量，對(duì)注漿控制范圍、布孔數(shù)量和孔深進(jìn)行調(diào)整。

2.2 注漿材料選擇

使用BD-NGC 水下不分散漿液（初終凝時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)）直接采用單液注漿，漿液水灰比0.6:1～1:1，施工工藝簡(jiǎn)單。主要參數(shù)如下。

該漿液具有在水下不分散的特點(diǎn)，抗分散能力強(qiáng)，不易被水沖刷而造成漿液流失。同時(shí)凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、初凝時(shí)間短、初終凝間隔短，早期強(qiáng)度上升快、后期強(qiáng)度高。材料價(jià)格雖高于水泥漿及水泥-水玻璃雙液漿，但漿液擴(kuò)散范圍可控，漿液不易流失，注漿效率高，能夠大幅減少材料用量，提高施工效率和堵水成功率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，掌子面漏水點(diǎn)20 m 范圍外或輕微滲水、涌水部位采用普通水泥漿液為主，掌子面漏水點(diǎn)20 m 范圍內(nèi)或較大涌水、破碎帶、斷層等情況采用BD-NGC 水下不分散漿液[16]。普通水泥漿液和水下不分散漿液分別如圖4、圖5 所示。

圖4 普通水泥漿液

圖5 水下不分散漿液

表1 漿液性能對(duì)比

2.3 注漿數(shù)值模擬

結(jié)合治理現(xiàn)場(chǎng)情況，用計(jì)算流體力學(xué)中的兩相流理論對(duì)動(dòng)水條件下的漿液擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬，在數(shù)值模擬試驗(yàn)中做如下假定：

（1）假定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕橘|(zhì)為滲透系數(shù)固定的各向同性介質(zhì)；

（2）假定治理現(xiàn)場(chǎng)使用的注漿材料為賓漢姆流體，地下水為不可壓縮的各向同性流體；

（3）假定注漿材料和地下水混合的空間為Darcy 兩相滲流場(chǎng)，地下水的滲流方向統(tǒng)一，壓力恒定。

本次數(shù)值模擬使用Comsol 軟件，使用Comsol中自帶的多孔介質(zhì)和地下水模塊建立相關(guān)模型，并使用該模塊下的兩相Darcy 定律物理場(chǎng)及流-固耦稱合場(chǎng)進(jìn)行求解，模擬結(jié)果如圖6 所示[17]。

圖6 注漿數(shù)值模擬

通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，漿液在涌水滲流壓力下，以注漿孔為中心呈圓環(huán)狀由內(nèi)向外擴(kuò)散，擴(kuò)散半徑隨著時(shí)間的增加而增大，注漿孔中心濃度顏色較深，且四周濃度相對(duì)較淺，一段時(shí)間后，擴(kuò)散半徑趨于穩(wěn)定，此時(shí)漿液已經(jīng)凝固，注漿治理完成[18]。

2.4 施工及治理效果

根據(jù)數(shù)值模擬和地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)最大注漿壓力為1.5～2.0 MPa，單孔注漿量為1.5 m3，注入率少于1 L/min 時(shí)結(jié)束注漿。此次注漿設(shè)計(jì)消耗材料420 t，實(shí)際消耗水泥、BD-NGC 水下不分散材料402 t；設(shè)計(jì)注漿孔總長(zhǎng)4250 m，實(shí)際完成4320 m，可見(jiàn)通過(guò)數(shù)值模擬、材料優(yōu)選、優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合水文地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)，可以合理地指導(dǎo)注漿施工。

依據(jù)合同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，單孔出水量不大于6 m3/h 則為滿足要求，否則需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，本次注漿效果檢查采用鉆孔檢查法對(duì)涌水量和漿液的充填程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合工程水文地質(zhì)資料和圍巖情況，在薄弱環(huán)節(jié)布置檢查孔，施工前，出水量約400 m3/h，經(jīng)注漿堵水施工后，檢查孔出水量＜1.0 m3/h，遠(yuǎn)低于合同6 m3/h 的出水量標(biāo)準(zhǔn)，堵水率達(dá)到99%以上。如圖7 所示，右側(cè)為注漿前涌水水位，左側(cè)為根據(jù)方案注漿后水位，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)[19]。

圖7 注漿前后涌水量對(duì)比

4 結(jié)論

（1）復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下進(jìn)行構(gòu)造地質(zhì)分析和水文分析，明確涌水區(qū)域的充水水源和查明斜井的充水通道，對(duì)研究斜井涌水危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)有重要意義。

（2）巷道內(nèi)涌水區(qū)域瞬變電磁法探測(cè)結(jié)合地質(zhì)綜合分析，可為災(zāi)害區(qū)域超前預(yù)測(cè)和防止塌方、突水、掉塊等提供保障。

（3）巷道內(nèi)注漿涌水封堵的關(guān)鍵是選用優(yōu)質(zhì)合理的注漿材料，適宜的材料能為解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的破碎帶加固和動(dòng)水封堵等技術(shù)難題提供幫助。

（4）對(duì)注漿過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可對(duì)漿液凝固過(guò)程加以輔助控制，能夠?yàn)橄锏纼?nèi)涌水治理過(guò)程提供科學(xué)參考依據(jù)，從而有效解決治理過(guò)程中存在的安全控制問(wèn)題。