大型灰巖礦溜井滲涌水防治及效果評價

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任公司；3.金屬礦山安全技術國家重點實驗室；4.湖南省礦山地質災害防治與環境再造工程技術研究中心）

地形復雜、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-平硐開拓系統在安全生產、降本增效、環保保護、低碳運行等方面都能得到較大提升，近年來在灰巖礦山成為一種熱門開采方式［3］。

由于灰巖易溶蝕的地質特征，露天灰巖礦山多有巖溶洞穴或溶蝕裂隙發育，巖石層間一般充填泥炭等軟物質，易發生構造滑動，生成地下水流通道［4-6］。采用溜井-平硐開拓的灰巖礦山，受地形和地層條件影響，地下水易經過巖溶、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，礦巖泥化黏粘堵塞運輸通道［7-8］，還可能發生井下泥石流等災害事故。隨著礦山逐漸開采降段，灰巖巖溶地層直接接受降雨補給的面積加大，礦區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，礦區內地層層理、裂隙進一步發育，地下水儲存空間增大，流速變快，溜井-平硐系統受到地下水匯流影響加劇。因此，針對采用溜井-平硐開拓生產系統的灰巖礦礦山，需分析礦山水文地質條件，對受到地下水影響的溜井系統開展防治水研究，采取必要的工程手段保證礦山生產安全，提高生產效率。

長九（神山）灰巖礦是全球最大的砂石骨料開采礦山，灰巖礦儲量19 億t，礦區面積約4.7 km2。規劃生產目標7 000 萬t/a，運營年限30 a。礦區采用4 套溜井-平硐開拓系統，極大簡化礦山提升運輸系統，有利于礦山生產效率提高和生產成本節省［9］。礦山1#和2#溜井系統區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，井內滲水涌水多，井下溜破系統生產受到嚴重影響，存在生產安全風險。本文對礦山進行了水文地質條件研究，設計并實施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 礦區水文地質條件分析

1.1 主要水文地質條件

礦區屬丘陵地貌，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。礦區下伏基巖地層主要為三疊系下統（T）、二疊系上統大隆組（P2d）、燕山回旋早期（Qδ52-2）；第四系地層為中更新統（Q2）殘坡積碎石夾黏土。三疊系下統南陵湖組（T1n）在礦區內大面積出露，為礦區主要賦礦層位，該段巖性變化較大。

礦區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育，受大氣降水和含水層補給，沿構造通道向低地排泄，少部分蒸發。

1.2 巖溶發育規律

礦區巖溶主要以溶蝕裂隙和溶洞形式為主，發育不均。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計帷幕線上巖溶發育情況［10-11］，根據探測結果，1#溜井垂直方位存在7個低阻異常區域，2#溜井垂直方位存在3 個低阻異常區域，推測異常性質是區域有含水溶洞、裂隙發育帶。

根據工程鉆孔揭露結果，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，1#和2#系統為一期工程，分別于2019 年6 月和11 月投產運行，2 處系統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，汛期井下生產受淋水影響加劇，破碎系統停機時間長，井下物料含水率高，生產線常淤積堵塞［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。

根據對井筒滲涌水情況和工程區域水文地質特征分析，考慮礦山不停產的治水作業要求，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，使漿液擴散形成一道連續堵水墻，達到封堵地下水的目的。

3 注漿參數設計

3.1 注漿材料及配比

1#溜井區域巖層多為溶蝕網狀裂隙，2#溜井揭露溶洞數量多，巖溶發育，注漿需要對不同發育程度的溶蝕過水通道進行封堵。溜井井筒內無護壁措施，為保證不發生跑漿，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，節約工程成本，實現了礦山固廢產物再利用。漿液可調節性強，采用不同配比漿液可以滿足礦區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，根據實際取樣進行室內材料試驗后，再進行優化確定。

3.2 注漿孔布置及鉆孔結構

注：添加劑摻量表示占漿液體積比例。

注漿孔數目和布置對注漿效果有很大影響。井筒地層主要以灰巖、煌斑巖及小裂隙為主，參考改性黏土漿帷幕工程經驗，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，先施工內排孔，后施工外排孔。每排孔分步施工，單數孔位為Ⅰ序孔，共12 個，雙數孔位為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規范》（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，進一步掌握石灰巖地層含水性能，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，以止漿塞封閉式注漿為主，裂隙發育或巖層破碎段采用孔內循環或孔口循環的全孔注漿方式。

2 處溜井區域地層垂向上裂隙發育具有不均一性，對注漿段高分段考慮，在接觸破碎帶、斷裂構造帶以及嚴重風化帶時，減小段高長度。根據注漿區域地層條件，對內排帷幕注漿段高取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，若鉆進區域巖石完整，可適當增加段高。

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。工程根據現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，應根據具體情況采取低壓、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達到的注漿結束標準，基于設計壓力、鉆孔吸漿（水）率和穩定時間3 個指標確定。注漿壓力均勻持續上升到設計終壓，同時鉆孔吸漿量＜20 L/min，穩定壓力持續20～30 min，段次注漿完成后，再次進行壓水試驗，壓水結果的單位吸水率需＜2 Lu。段內注漿沒達到結束標準時，掃孔再注。注漿孔最后一段達注漿結束標準后，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#溜井注漿區域巖層溶蝕形態、大小、走向及構造充填程度變化不同，隨著礦區爆破和注漿帷幕作業，地下巖層構造形態和地下水位、流向、流速不斷發生變化，注漿工藝需根據實際情況靈活調整，施工情況復雜。為評判注漿堵水效果，現從注漿量定量分析、檢查孔驗證、漿液結石體檢測、滲涌水監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#溜井帷幕內排孔線上不同次序施工孔的注漿量（表3），1#溜井內排帷幕線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 處溜井注漿規律基本一致，后施工鉆孔注漿量呈現明顯遞減趨勢，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

根據注漿前的壓水試驗成果，如圖3 所示，1#溜井和2#溜井內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都小于2 Lu。注漿前外排注漿孔透水率基本低于內排孔，說明內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育和可能存在問題區域，共布置個11 個檢查兼加密孔檢查施工質量（圖1），同時加固補強薄弱帷幕位置，提高帷幕質量。

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揭露新的向外發展裂隙外，透水率大于2 Lu 區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《礦山帷幕注漿規范》（DZ T0285—2015）［16］，試驗結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量合格。

5.4 漿液結石體檢測

鉆孔抽取了大量改性泥餅漿結石體，如圖4 所示，針對大裂隙及溶洞充填所形成結石體中的谷殼料分布致密均勻（圖4（a）），結石效果好。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。結果表明，受到壓實擠密作用后，漿液結石體抗壓強度大于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消失，低阻異常區域視電阻率形態變平緩，說明巖溶裂隙受漿液填充壓密效果好，結石體與灰巖緊密膠結。

5.6 滲涌水監測分析

為有效觀測井下滲涌水變化，在溜井下平硐排水口處埋設三角堰，觀測涌水水位高度，根據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生跑漿，井內無板結事故，適用于灰巖溶洞裂隙區域帷幕注漿。

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

（3）從注漿量分析、檢查孔驗證、漿液結石體檢測、物探檢驗和滲涌水監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技術標準要求，工程質量優良。

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