劉孟輝 羅舸旋子 張康財 滕 龍

（1.中電建安徽長九新材料股份有限公司；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司；3.金屬礦山安全技術(shù)國家重點實驗室；4.湖南省礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境再造工程技術(shù)研究中心）

地形復(fù)雜、礦床地面高差大的山坡露天礦常通過開拓溜井與平硐來建立露天采礦場與地面之間的運輸通道［1-2］。溜井-平硐開拓系統(tǒng)在安全生產(chǎn)、降本增效、環(huán)保保護、低碳運行等方面都能得到較大提升，近年來在灰?guī)r礦山成為一種熱門開采方式［3］。

由于灰?guī)r易溶蝕的地質(zhì)特征，露天灰?guī)r礦山多有巖溶洞穴或溶蝕裂隙發(fā)育，巖石層間一般充填泥炭等軟物質(zhì)，易發(fā)生構(gòu)造滑動，生成地下水流通道［4-6］。采用溜井-平硐開拓的灰?guī)r礦山，受地形和地層條件影響，地下水易經(jīng)過巖溶、裂隙通道匯流至溜井。使得井筒井壁長期淋水，破碎硐室積水停產(chǎn)，礦巖泥化黏粘堵塞運輸通道［7-8］，還可能發(fā)生井下泥石流等災(zāi)害事故。隨著礦山逐漸開采降段，灰?guī)r巖溶地層直接接受降雨補給的面積加大，礦區(qū)溜井井筒成為大氣降雨排泄的主要通道。同時在礦山爆破影響下，礦區(qū)內(nèi)地層層理、裂隙進一步發(fā)育，地下水儲存空間增大，流速變快，溜井-平硐系統(tǒng)受到地下水匯流影響加劇。因此，針對采用溜井-平硐開拓生產(chǎn)系統(tǒng)的灰?guī)r礦礦山，需分析礦山水文地質(zhì)條件，對受到地下水影響的溜井系統(tǒng)開展防治水研究，采取必要的工程手段保證礦山生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率。

長九（神山）灰?guī)r礦是全球最大的砂石骨料開采礦山，灰?guī)r礦儲量19 億t，礦區(qū)面積約4.7 km2。規(guī)劃生產(chǎn)目標7 000 萬t/a，運營年限30 a。礦區(qū)采用4 套溜井-平硐開拓系統(tǒng)，極大簡化礦山提升運輸系統(tǒng)，有利于礦山生產(chǎn)效率提高和生產(chǎn)成本節(jié)省［9］。礦山1#和2#溜井系統(tǒng)區(qū)域的開采平面降段至標高265 m時，汛期地下水受降雨補給向2 條溜井大量匯流，井內(nèi)滲水涌水多，井下溜破系統(tǒng)生產(chǎn)受到嚴重影響，存在生產(chǎn)安全風(fēng)險。本文對礦山進行了水文地質(zhì)條件研究，設(shè)計并實施1#溜井和2#溜井的滲涌水治理方案，對其工程效果做出評價。

1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析

1.1 主要水文地質(zhì)條件

礦區(qū)屬丘陵地貌，礦山為獨立山體，呈北東—南西向展布，中部高，其他地勢低，地勢高差大。礦區(qū)下伏基巖地層主要為三疊系下統(tǒng)（T）、二疊系上統(tǒng)大隆組（P2d）、燕山回旋早期（Qδ52-2）；第四系地層為中更新統(tǒng)（Q2）殘坡積碎石夾黏土。三疊系下統(tǒng)南陵湖組（T1n）在礦區(qū)內(nèi)大面積出露，為礦區(qū)主要賦礦層位，該段巖性變化較大。

礦區(qū)為裸露型以溶蝕裂隙和溶洞為主的巖溶充水礦床，碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組為主要含水層，富水性弱—中等。地表水徑流條件較好，礦區(qū)共出露4 處天然地下水，屬碳酸鹽巖巖溶裂隙水，常年水流流量0.165～0.25 L/s。地下水徑流條件較好，基巖裂隙水和裂隙巖溶水較為發(fā)育，受大氣降水和含水層補給，沿構(gòu)造通道向低地排泄，少部分蒸發(fā)。

1.2 巖溶發(fā)育規(guī)律

礦區(qū)巖溶主要以溶蝕裂隙和溶洞形式為主，發(fā)育不均。地勢較高部位的溶洞呈空洞狀，山麓揭露的溶洞呈半填充—填充狀，部分溶洞聯(lián)通性較好，為天然的泄水通道。豎井、平硐施工過程中曾遇到涌水量大，或規(guī)模較大的軟黏土充填溶洞。

采場平臺至地下儲礦倉頂板深度較小，采用天然電場選頻法來探測溜井設(shè)計帷幕線上巖溶發(fā)育情況［10-11］，根據(jù)探測結(jié)果，1#溜井垂直方位存在7個低阻異常區(qū)域，2#溜井垂直方位存在3 個低阻異常區(qū)域，推測異常性質(zhì)是區(qū)域有含水溶洞、裂隙發(fā)育帶。

根據(jù)工程鉆孔揭露結(jié)果，1#溜井主要為溶蝕裂隙，沒有揭露溶洞。2#溜井注漿孔和檢查加密孔共計施工51 個，累計進尺9 052.55 m，見大小溶洞10 個，溶洞累計高度為21.10 m，平均巖溶率為0.23%，溶洞發(fā)育標高主要在192.70 m標高以上。

2 基于溜井涌水情況的治水方案

2.1 溜井滲涌水情況分析

神山石灰石礦共4 個開拓系統(tǒng)，1#和2#系統(tǒng)為一期工程，分別于2019 年6 月和11 月投產(chǎn)運行，2 處系統(tǒng)溜井存在不同程度涌水、滲水情況。

1#溜井以裂隙滲水為主，無涌水點。2#溜井存在滲水以及巖溶通道涌水，有2 處主要涌水點。2 條溜井都有放礦困難、篩透率低、處理難度增大等問題。隨礦山爆破和平臺降段，汛期井下生產(chǎn)受淋水影響加劇，破碎系統(tǒng)停機時間長，井下物料含水率高，生產(chǎn)線常淤積堵塞［12］。

2.2 溜井涌水治水方案

井筒涌水治理一般有疏排水和注漿堵水2 種治理方式。長九神山礦原采用疏干措施有較好的排水效果，但受開采影響地下巖溶水系發(fā)展變化快，對過水通道準確判斷和精準處理難度大，僅采用疏干工程無法全面覆蓋滲涌水問題。

根據(jù)對井筒滲涌水情況和工程區(qū)域水文地質(zhì)特征分析，考慮礦山不停產(chǎn)的治水作業(yè)要求，采用地面井筒帷幕注漿作為治水方案［13］，即在井筒周邊地面鉆孔注漿，使?jié){液擴散形成一道連續(xù)堵水墻，達到封堵地下水的目的。

3 注漿參數(shù)設(shè)計

3.1 注漿材料及配比

1#溜井區(qū)域巖層多為溶蝕網(wǎng)狀裂隙，2#溜井揭露溶洞數(shù)量多，巖溶發(fā)育，注漿需要對不同發(fā)育程度的溶蝕過水通道進行封堵。溜井井筒內(nèi)無護壁措施，為保證不發(fā)生跑漿，在井筒帷幕線上形成有效擴散，注漿材料采用改性泥餅雙液漿［14］。大量礦山尾礦泥餅作為主要漿材，節(jié)約工程成本，實現(xiàn)了礦山固廢產(chǎn)物再利用。漿液可調(diào)節(jié)性強，采用不同配比漿液可以滿足礦區(qū)溶蝕程度不同地層的漿液可注性要求，各項漿液性能滿足井筒防滲要求。注漿材料配比如表1 所示，根據(jù)實際取樣進行室內(nèi)材料試驗后，再進行優(yōu)化確定。

3.2 注漿孔布置及鉆孔結(jié)構(gòu)

注：添加劑摻量表示占漿液體積比例。

注漿孔數(shù)目和布置對注漿效果有很大影響。井筒地層主要以灰?guī)r、煌斑巖及小裂隙為主，參考改性黏土漿帷幕工程經(jīng)驗，漿液有效擴散半徑大致為5 m。為保證相鄰兩孔間能形成一定厚度的注漿體，1#溜井注漿孔距取值為3.8 m，2#溜井注漿孔距定為4.2 m。

地面井筒帷幕注漿鉆孔布置平面及剖面如圖1所示。1#溜井和2#溜井井口直徑為8 m。2#溜井內(nèi)排孔布置于距井口11.54 m 處，外排注漿孔布置于距井口13.04 處，雙排孔排距為1.5 m。1#溜井井口因卸礦磨損呈橢圓形，故鉆孔布置基于布孔原則進行修正，內(nèi)排注漿孔長軸和短軸半徑分別為14.58 m 和13.26 m；外排注漿孔的長軸和短柱半徑分別為16.08 m 和14.5 m。帷幕深度為地面開采標高（265 m）至井下儲礦倉上方，1#溜井和2#溜井帷幕深度為179 m。

注漿孔繞井筒2 排呈梅花形分布，先施工內(nèi)排孔，后施工外排孔。每排孔分步施工，單數(shù)孔位為Ⅰ序孔，共12 個，雙數(shù)孔位為Ⅱ序孔，共11 個。注漿孔完成后，布置5個檢查兼加密補強孔在主要強涌水通道上。鉆孔的開孔孔徑≥130 mm，終孔孔徑為91 mm。鉆孔偏斜率不大于孔深的5%。

4 井筒地面帷幕注漿的實施

4.1 壓水試驗

注漿前對注漿段進行壓水試驗，壓水試驗采用單點壓水法，參考《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（DL/T5148—2001），試驗壓力取灌漿壓力的80%［15］，每間隔5～10 min觀測一次流量和壓力值。確定巖層單位吸水量，進一步掌握石灰?guī)r地層含水性能，制定該注漿段的初始漿液種類、配比，估算該段吸漿量（表2）。

4.2 注漿工藝

注漿方式采用全孔自上而下分段注漿，以止?jié){塞封閉式注漿為主，裂隙發(fā)育或巖層破碎段采用孔內(nèi)循環(huán)或孔口循環(huán)的全孔注漿方式。

2 處溜井區(qū)域地層垂向上裂隙發(fā)育具有不均一性，對注漿段高分段考慮，在接觸破碎帶、斷裂構(gòu)造帶以及嚴重風(fēng)化帶時，減小段高長度。根據(jù)注漿區(qū)域地層條件，對內(nèi)排帷幕注漿段高取10～20 m，鉆進過程中遭遇溶洞需停鉆注漿；外排帷幕注漿段高取30～50 m，若鉆進區(qū)域巖石完整，可適當(dāng)增加段高。

注漿壓力是漿液擴散的動力，作為判別漿液在巖石裂隙中充填擴散擠密過程是否正常的主要依據(jù)。工程根據(jù)現(xiàn)場試驗確定注漿終壓采用靜水壓力的2.5～3.0 倍。有細小裂隙或巖石完整的孔段，適當(dāng)加大注漿壓力。

為保證漿液的有效擴散，使各鉆孔的注漿體連接起來，應(yīng)根據(jù)具體情況采取低壓、濃漿、限流、限量、間歇注漿、變換漿液類型等措施。采用先稀漿后濃漿逐級加濃的原則進行漿液濃度的變換，遇到空洞、大裂隙的注漿段，采用間歇注漿灌注高濃度漿液，間歇時間為4～8 h。多次間歇起壓仍不明顯時，可增加助凝劑摻加量至5%～10%。

每個注漿段和每個注漿孔應(yīng)達到的注漿結(jié)束標準，基于設(shè)計壓力、鉆孔吸漿（水）率和穩(wěn)定時間3 個指標確定。注漿壓力均勻持續(xù)上升到設(shè)計終壓，同時鉆孔吸漿量＜20 L/min，穩(wěn)定壓力持續(xù)20～30 min，段次注漿完成后，再次進行壓水試驗，壓水結(jié)果的單位吸水率需＜2 Lu。段內(nèi)注漿沒達到結(jié)束標準時，掃孔再注。注漿孔最后一段達注漿結(jié)束標準后，采用全孔灌漿封閉法進行封孔。

4.3 巖溶溶洞注漿措施

鉆進過程中遇較大溶洞或巖溶裂隙發(fā)育地段，以溶洞底板作為注漿段的下限，壓縮注漿段段長。采取主要注漿措施有降低注漿壓力、孔口自流注漿、投放粗骨料、限制進漿量、延長注漿間歇時間、增加漿液添加劑摻量和加注水玻璃雙液漿等方法。工程投放粗骨料包括谷殼、黃豆、海帶、水洗砂和粒徑5～16 mm碎石。

5 帷幕注漿效果綜合評價

長九神山礦1#溜井和2#溜井注漿區(qū)域巖層溶蝕形態(tài)、大小、走向及構(gòu)造充填程度變化不同，隨著礦區(qū)爆破和注漿帷幕作業(yè)，地下巖層構(gòu)造形態(tài)和地下水位、流向、流速不斷發(fā)生變化，注漿工藝需根據(jù)實際情況靈活調(diào)整，施工情況復(fù)雜。為評判注漿堵水效果，現(xiàn)從注漿量定量分析、檢查孔驗證、漿液結(jié)石體檢測、滲涌水監(jiān)測和物探檢驗等方面對井筒堵水帷幕進行綜合效果評價。

5.1 各序次鉆孔注漿量分析

對比1#溜井和2#溜井帷幕內(nèi)排孔線上不同次序施工孔的注漿量（表3），1#溜井內(nèi)排帷幕線Ⅰ序注漿孔、Ⅱ序注漿孔和檢查孔單位平均注漿量減小幅度分別為62%和80%。2#溜井內(nèi)排帷幕線Ⅰ序注漿孔、Ⅱ序注漿孔和檢查孔單位平均注漿量減小幅度分別為73%和70%。

如圖2 所示，溜井2 排注漿孔的Ⅰ序和Ⅱ序孔交叉排列，2 排注漿孔線上的單位注漿量呈折線狀，注漿量規(guī)律基本一致，Ⅱ序孔注漿量基本小于Ⅰ序孔注漿量，隨灌漿次序增加，注漿孔加密，單位注漿量明顯減小。

2 處溜井注漿規(guī)律基本一致，后施工鉆孔注漿量呈現(xiàn)明顯遞減趨勢，少量外排注漿孔注漿量偏大，說明漿液沿帷幕線方向擴散，對井筒周圍巖溶裂隙進行了有效填充，帷幕2排布孔設(shè)計和分步施工逐漸加密的注漿工藝合理有效。

5.2 各序次鉆孔透水率分析

根據(jù)注漿前的壓水試驗成果，如圖3 所示，1#溜井和2#溜井內(nèi)排注漿孔施工完成后外排注漿孔的平均透水率分別下降58%和54%。

如圖3 所示，2 條溜井外排孔注漿段透水率多數(shù)都小于2 Lu。注漿前外排注漿孔透水率基本低于內(nèi)排孔，說明內(nèi)排注漿孔施工完成后，漿液擴散良好，大部分巖溶裂隙被填充，已顯現(xiàn)堵水效果。

5.3 檢查孔透水率分析

檢查孔透水率分析是檢驗注漿帷幕效果直觀有效的方式之一。分析前期壓水結(jié)果、注漿情況及雙液漿處理情況，在1#溜井和2#溜井帷幕線上的溶洞裂隙發(fā)育和可能存在問題區(qū)域，共布置個11 個檢查兼加密孔檢查施工質(zhì)量（圖1），同時加固補強薄弱帷幕位置，提高帷幕質(zhì)量。

檢查孔各孔各段按注漿孔標準分段壓水，透水率小于2 Lu 即合格。共進行了64 段次壓水試驗，僅有3 個段次透水率大于2 Lu，其中除1#溜井檢查孔J4揭露新的向外發(fā)展裂隙外，透水率大于2 Lu 區(qū)段的單位注漿量也很低。檢查孔壓水其余段次透水率在0.25～1.5 Lu，不需要加固注漿，壓水試段合格率達95%。檢查孔透水率結(jié)果表明漿液對溶洞裂隙進行了有效填充，參考《礦山帷幕注漿規(guī)范》（DZ T0285—2015）［16］，試驗結(jié)果滿足壓水試段合格率大于90%，可溶巖地層帷幕透水率滿足3～5 Lu，可以認為帷幕灌漿質(zhì)量合格。

5.4 漿液結(jié)石體檢測

鉆孔抽取了大量改性泥餅漿結(jié)石體，如圖4 所示，針對大裂隙及溶洞充填所形成結(jié)石體中的谷殼料分布致密均勻（圖4（a）），結(jié)石效果好。針對小裂隙注漿的低濃度漿液流通性強，有效封堵了小裂隙過水通道（圖4（b））。

選擇滿足試樣制作要求結(jié)石體，采用MTS-815型液壓伺服試驗機進行單軸抗壓和巴西法抗拉實驗。結(jié)果表明，受到壓實擠密作用后，漿液結(jié)石體抗壓強度大于11.97 MPa，抗拉強度大于3.23 MPa，遠大于礦區(qū)最大地下水壓（2 MPa），能滿足溜井帷幕強度要求（表4、表5）。

5.5 注漿前后物探對比

采用天電場選頻法在注漿前后進行井筒物探檢測，探測溶洞位置，分析注漿效果。測線布置在1#溜井和2#溜井的帷幕內(nèi)排孔線上，測線點距與孔距相同，探測深度為300 m。

如圖5 和圖6 所示，注漿帷幕完成后，探測斷面圖中條帶狀低阻異常區(qū)消失，低阻異常區(qū)域視電阻率形態(tài)變平緩，說明巖溶裂隙受漿液填充壓密效果好，結(jié)石體與灰?guī)r緊密膠結(jié)。

5.6 滲涌水監(jiān)測分析

為有效觀測井下滲涌水變化，在溜井下平硐排水口處埋設(shè)三角堰，觀測涌水水位高度，根據(jù)涌水水位計算治理后平均涌水量。1#溜井和2#溜井治理后平均涌水量分別為0.014 m3/h、0.41 m3/h，堵水率分別達99.85%、99.86%，井筒帷幕攔截地下水徑流效果顯著（表6）。

6 結(jié)論

（1）溜井地面井筒帷幕采用改性泥餅雙液漿作為主要灌注材料，采用配套注漿工藝施工，有效控制了漿液不發(fā)生跑漿，井內(nèi)無板結(jié)事故，適用于灰?guī)r溶洞裂隙區(qū)域帷幕注漿。

（2）改性泥餅雙液漿采用了大量灰?guī)r礦尾礦泥作為主要漿材，降低了工程成本，減小了礦區(qū)尾礦堆積壓力，有利于綠色礦山的發(fā)展和建設(shè)。

（3）從注漿量分析、檢查孔驗證、漿液結(jié)石體檢測、物探檢驗和滲涌水監(jiān)測對井筒帷幕進行綜合評價，認為礦山1#溜井和2#溜井2 條井筒帷幕線上溶洞、裂隙基本被充填，帷幕施工工藝符合相關(guān)技術(shù)標準要求，工程質(zhì)量優(yōu)良。

（4）地面井筒帷幕完工后形成全封閉人工地下構(gòu)筑體，可發(fā)揮截流作用，有效解決溜井滲涌水問題，大幅降低礦區(qū)周圍地下水對溜井內(nèi)的補給量，提高礦山產(chǎn)能和經(jīng)濟效益。