貴州甕安生物群化石核心保護區(qū)地下采空治理研究

徐一帆 何濤 賀安慧

(1 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊，貴州貴陽550081；2 貴州地質(zhì)工程勘察設計研究院，貴州貴陽550081）

貴州省甕安生物群被認為是繼澳大利亞埃迪卡拉動物群和中國云南澄江動物群之后古生物學界的又一重大發(fā)現(xiàn)，甕安生物群的發(fā)現(xiàn)和研究，對生物圈形成和發(fā)展、生物結(jié)構(gòu)及其功能的進化、物種分異與生存環(huán)境的關系等有重要意義，已成為當代生命理論自然科學研究的熱點之一［1-4]。甕安生物群化石庫展示了寒武紀后生生物大爆發(fā)和埃迪卡拉生物群出現(xiàn)以前早期多細胞生物的生命景觀，為研究早期生命從簡單到復雜進化過程提供了重要化石記錄，成為了解地球早期真核生物多細胞化、組織分化、兩性分化和形態(tài)多樣性的見證與研究早期后生動物起源與演化的重要窗口之一。甕安生物群化石的重要性主要體現(xiàn)在兩個方面，一是這里保存了迄今全球最古老的動物化石；二是甕安獨特的磷酸鹽礦，使化石三維立體結(jié)構(gòu)得以保存，其精細程度遠超常規(guī)化石。因其屬于微體古生物化石，不像宏體生物化石憑肉眼可以觀察與鑒賞，在社會與廣大民眾間，未及時進行廣泛的成果科普與重大意義的宣傳報道；科學界、地方政府、礦山企業(yè)對甕安生物群化石具體保護及保護措施等溝通交流的非常態(tài)化與欠缺，未及時劃定專門的甕安生物群古生物化石產(chǎn)出的有效保護地層剖面與具體的保護范圍。產(chǎn)出甕安生物群的北斗山地區(qū)，為貴州省三大磷礦產(chǎn)出基地之一，目前甕安縣主要財政收入來自磷礦及其附屬產(chǎn)業(yè)，近年隨著磷礦開采規(guī)模與強度的加大，使產(chǎn)出甕安生物群的地表地層剖面遭到嚴重的毀損性破壞。因此，研究磷礦采空區(qū)治理特別是注漿布置、孔徑、擴散半徑、注漿順序、漿液材料配比及注漿工藝，對貴州甕安生物群化石保護具有一定的意義［5-8]。

1 概況

貴州甕安生物群產(chǎn)出于黔南甕安縣城西南的白巖—大塘—北斗山一帶的磷礦產(chǎn)出區(qū)內(nèi)，地理坐標：北緯27°00′ 40″ ～27°04′ 11″ ，東經(jīng)107°22′ 42″ ～107°04′ 11″ 。甕安生物群化石保護區(qū)位于西緩東陡的歪斜棱形褶曲的白云背斜東翼，軸向NE 20°~30°，西翼巖層產(chǎn)狀一般25°~35°，近肘部地段寬緩，略具有波狀起伏，越背斜軸向東巖層產(chǎn)狀急劇變陡，尤其在磷礦層附近巖層產(chǎn)狀變化較大，產(chǎn)狀從100°∠8°急劇變化到116°~138°∠43°~50°，隨著深度的增加傾角變得更陡，局部近于直立。保護區(qū)發(fā)育兩條斷層，斷層傾向南東，傾角40°~73°，斷面光滑，沿走向傾向均呈舒緩波狀。破碎帶寬0.8 m，由斷層角礫及斷層泥組成，局部具糜棱化現(xiàn)象。斷層兩側(cè)伴生牽引構(gòu)造，斷距10 m，均為逆斷層性質(zhì)。受斷層影響，巖體內(nèi)節(jié)理發(fā)育。保護區(qū)出露地層為青白口系板溪群鵝家坳組(Qbe)變余砂巖、南華系上統(tǒng)南沱組(N2hn)礫巖、震旦系下統(tǒng)陡山沱組(Z1ds)及震旦系上統(tǒng)燈影組(Z2dy)。

貴州甕安生物群化石保護區(qū)包括3個核心保護區(qū)，1號核心保護區(qū)東西長120 m，南北寬45 m，面積5 470 m2；2號核心保護區(qū)長270 m，南北寬150 m，面積37 762 m2；3號核心保護區(qū)東西長155 m，南北寬75 m，面積11 370 m2。保護區(qū)內(nèi)以及周邊分布甕安磷礦大塘礦段、甕安磷礦礦段、磷化工公司玉華磷礦及甕福磷礦大信北斗山礦段。在甕安生物群主要產(chǎn)出的大塘礦段至石人坳至北斗山一線，地表采礦活動劇烈，地表磷礦幾乎已采空，特別是在甕安生物群發(fā)育最好的石人坳至北斗山一帶，近年地表采礦活動極為劇烈，除2號核心保護區(qū)產(chǎn)出甕安生物群的陡山沱組地層剖面被地表開采揭露二出露完整外，1號核心保護區(qū)已出露不完整，3 號核心保護區(qū)僅殘存陡山沱組下部，產(chǎn)出甕安生物群的中上部磷礦層地表已基本采空。

2 地下采空區(qū)治理

采空區(qū)崩頂帶尚未完成變形或冒落過程，對生物群化石的保護存在威脅。因此，采取鉆孔注漿加固，防止繼續(xù)崩頂破壞化石面。巖體注漿加固工程為隱蔽工程，未知影響因素較多，一次性投資巨大。根據(jù)地層巖性、斷裂構(gòu)造、節(jié)理裂隙、空腔發(fā)育特征及試驗注漿出現(xiàn)的問題等情況及時調(diào)整，動態(tài)施工不斷優(yōu)化方案設計以保證工程注漿加固質(zhì)量。工程治理區(qū)域為2、3號化石核心保護區(qū)，1號核心保護區(qū)下方無采空區(qū)分布暫時不考慮注漿加固。2 號核心保護區(qū)注漿加固區(qū)長度152 m，寬度48 m，面積7 296 m2；3 號核心保護區(qū)注漿加固區(qū)長度約52 m，寬度75 m，面積3 900 m2。

2.1 注漿漿液

注漿工程的目的是加固生物群保護區(qū)內(nèi)采空崩頂帶，屬永久性加固工程。因此，要求注漿漿液結(jié)石體具有較高的強度和抗侵蝕能力。工程預計注漿量大耗材多，考慮到材料采購及成本問題，注漿原料必須來源廣泛且價格適中；另外，注漿對環(huán)境會造成一定污染，應盡量選取對環(huán)境污染較小的注漿材料。根據(jù)類似注漿經(jīng)驗，水泥漿及水泥基混合漿結(jié)石體強度高、耐久性好、性質(zhì)穩(wěn)定且污染小，對環(huán)境影響較小，另外，其還具有黏度、凝結(jié)時間等主要參數(shù)可調(diào)節(jié)性強的特點，能滿足工程需要。固結(jié)灌漿采用水泥強度等級不低于P.032.5 號，摻合料使用注漿常用的砂及粉煤灰，制成不同配比的水泥漿、水泥砂漿及水泥粉煤灰漿做漿液可注性的對比試驗，從中選出適合本區(qū)地層的漿液，作為大規(guī)模注漿漿液使用（見表1）。

表1 漿液物理力學參數(shù)

采用水泥基漿液注漿成本適中，水泥基漿液具有結(jié)石強度高、耐久性好、可注性較好的特點。因此，采用純水泥漿及水泥基混合漿注漿；實際注漿時按試驗區(qū)注漿結(jié)果根據(jù)地層特點選用合適的漿液及配比。擬定注漿參數(shù)為：水泥漿水灰摻合料比1∶1∶0.5，段次注入量大于鉆孔設計吸漿量50%仍不升壓時，采用間歇式注漿，繼續(xù)注漿考慮漿液加濃一級，間歇時間2 h，間次漿量50 m3。濃漿及混合漿主要用于特殊情況處理，如封堵鉆孔揭露的空腔、大裂隙時可根據(jù)鉆孔實際情況提高漿液濃度或更換混合漿，實施低壓慢注、間歇式注漿等處理措施，必要時調(diào)整漿液凝結(jié)時間。C10細石混凝土主要用于邊界鉆孔封堵大的裂隙或空腔時使用。

2.2 注漿深度

從放坡地面起至垮落帶高度范圍，垮落帶高度可由《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范規(guī)范》［9]推薦裂縫帶高度計算公式：

式中，

Hm：垮落帶高度，m；

Hli：導水裂縫帶的最大高度，m。

2.3 漿液擴散半徑

水泥漿是具有固相顆粒的非均質(zhì)流體，近似服從賓漢流體漿液擴散模型，漿液擴散半徑R 可按下式計算；

式中，

P：注漿壓力，MPa；

δ：縫隙寬度，m；

τ：漿液屈服強度，Pa；

2.4 注漿孔布置、間距及順序

注漿鉆孔采用方形布置，則鉆孔間距可按下式計算；

式中，

a：注漿孔間距，m；

R：漿液擴散半徑，m；

計算得出注漿孔間距為15 m。因此，一般注漿孔采用15×15 m孔距，邊界處注漿孔加密間距為7.5 m。注漿加固區(qū)工程地質(zhì)條件復雜，為了最大限度地摸清塌腔范圍、裂隙發(fā)育特征，所有注漿鉆孔均作為勘、注一體鉆孔施工。注漿2區(qū)設計一般注漿孔數(shù)量30 個，設計進尺1 935 m，孔間距15×15 m，邊界注漿孔10個，設計進尺704 m，估算注漿量81 943 m3，估算注C10細石砼量1 363 m3；注漿3區(qū)設計一般注漿孔24 個，設計進尺1 104 m，孔間距15×15 m，邊界注漿孔11個，設計進尺535 m，估算注漿量19 431 m3，估算注C10 細石砼量1 110 m3。檢查孔待注漿基本完成后根據(jù)注漿情況布設，補強加密孔根據(jù)注漿檢查結(jié)果在注漿薄弱部位布設。

根據(jù)相關規(guī)范及經(jīng)驗，采取先周邊后中間、分序跳孔注漿的措施，實施順序是先實施采空區(qū)兩側(cè)邊界注漿孔注漿，形成帷幕阻斷后續(xù)注漿漿液可能的外泄通道；然后內(nèi)部注漿鉆孔再分兩序?qū)嵤┳{（即跳孔注漿），先實施Ⅰ序孔注漿，再實施Ⅱ序孔注漿，分序原則為裂隙發(fā)育區(qū)為Ⅰ序注漿孔，緊鄰Ⅰ序注漿孔周邊為Ⅱ序孔。

2.5 注漿量概算及技術(shù)要求

注漿量依據(jù)注漿量公式計算：

式中，

Q總：采空區(qū)總注漿量，m3；

S：為采空區(qū)治理面積，m2；

m：采空礦層厚度，m；

ΔV：采空區(qū)剩余孔隙率，%；

K：回采率，%；

A：注漿總量漿液損耗系數(shù)，取值在1.0~1.5之間；

η：注漿充填系數(shù)，取值在0.75~0.95之間；

C：漿液結(jié)石率，取值在0.7~0.95之間。

漿液配制濃度誤差≤5%，鉆孔偏斜率≤1.5%，安裝深度距設計孔底≤3m，必須加壓注漿，注漿壓力控制在設計壓力±30%以內(nèi)（特殊情況也不得超過50%），裂隙、空腔充填率≥80%，結(jié)石體強度≥1Mpa。

2.6 注漿工藝

注漿方式：根據(jù)注漿相關科學研究，離射漿口距離增加注漿壓力逐漸損失，注漿段越長壓力損失越明顯。因此，建議本工程采用自上而下分段注漿，采用止?jié){塞封閉加壓注漿為主，淺部裂隙發(fā)育或破碎段也可采用孔內(nèi)循環(huán)或孔口循環(huán)的全孔注漿方式。建議注漿段高10 m，具體分段長度可由現(xiàn)場試驗確定，裂隙、空腔發(fā)育部位可適當縮小分段長度，巖體較完整部位分段長度可適當增加。邊界孔注漿采用自上而下分段注漿，遇到空腔或大裂隙時采用C10 細石混凝土封堵，封堵完后待凝10 h后掃孔繼續(xù)鉆進注漿。

注漿工藝流程：測量放孔—鉆機定位—成孔—制漿—灌漿—待凝14天—注漿質(zhì)量檢測。

注漿壓力：注漿壓力是給予漿液擴散、壓實的能量。在保證注漿質(zhì)量的前提下，壓力大擴散的距離大，也有助于提高結(jié)實體強度。為保證漿液在裂隙中的擴散距離并壓密固結(jié)，采用加壓注漿方式，初步設計注漿終壓為0.3 MPa～1.0 MPa，由于注漿壓力受地層的結(jié)構(gòu)、初始注漿的位置和注漿序次、注漿方式等因素影響，注漿時通過現(xiàn)場試驗確定不同深度段次的合理壓力區(qū)間。根據(jù)類似項目注漿經(jīng)驗，巖體裂隙發(fā)育時，在鉆孔較淺處加壓注漿容易產(chǎn)生冒漿現(xiàn)象，為防止鉆孔冒漿，建議施工時淺部采用較小的注漿壓力；另外，為保證漿液達到設計擴散半徑，建議采用隨深度增加注漿壓力也逐漸增大的措施加壓注漿?？紤]到邊界處裂隙、空腔開放，邊界孔首先采用自流試注漿，待鉆孔注滿后可適當加壓，壓力不超過0.3 Mpa。

注漿結(jié)束標準：在注漿正常進行的前提下，可依據(jù)以下標準結(jié)束注漿，段次注漿壓力均勻持續(xù)上升達到設計終壓，同時鉆孔吸漿量小于20 L/min時，穩(wěn)壓20～30 min之后可以結(jié)束本段注漿。

注漿結(jié)束標準控制：注漿結(jié)束標準是在注漿過程中每個注漿段和每個注漿孔應達到的標準。用設計壓力、鉆孔吸漿率和穩(wěn)定時間三個指標同時滿足來確定。在各注漿段和各注漿孔均達到注漿結(jié)束標準的前提下，才能有較好的加固效果。注漿工程屬隱蔽性工程，部分關鍵設計參數(shù)如空腔、裂隙發(fā)育特征，裂隙率等很難準確采集，為保證注漿效果，注漿孔布置、孔距、注漿方式、注漿壓力、漿液擴散半徑、單位注入量、段長、結(jié)束標準等參數(shù)，需在注漿過程中根據(jù)實際情況優(yōu)化調(diào)整，補充優(yōu)化設計方案，實踐證明唯有如此才能保證注漿加固效果，有效控制工程投資，最大限度地降低對環(huán)境的污染。

空腔處理措施：根據(jù)相關資料，本區(qū)溶洞弱發(fā)育，空腔以采空區(qū)巖體垮塌形成的塌腔為主，因此，注漿孔遇到空腔時優(yōu)先實施采空區(qū)邊界鉆孔注漿，邊界鉆孔注漿達標后在內(nèi)部鉆孔注漿。有空腔鉆孔注漿根據(jù)空腔發(fā)育特征，合理采用低壓慢注、限壓限流、限量、濃漿混合漿、間歇注漿等技術(shù)措施。

冒漿、裂隙發(fā)育帶漏漿處理措施：冒漿、裂隙發(fā)育帶漏漿均是大裂隙形成漿液滲漏通道所引起，對此類鉆孔應合理采用限壓、限流、限量、低壓慢注、濃漿混合漿、間歇注漿等措施。

漏漿處理措施：造成鉆孔漏漿的原因有很多，如遇到塌腔、裂隙發(fā)育帶、冒漿等都表現(xiàn)為流量大、不起壓現(xiàn)象，如遇到鉆孔漏漿時，首先停注分析查明漏漿原因，采取調(diào)整漿液配合比，加稠漿液等措施進行處理，并在資料中做好相應記錄。

3 結(jié)語

貴州省甕安磷礦開采歷史悠久，因多年的采礦工程活動，在其北斗山磷礦區(qū)形成了大面積的地下采空區(qū)，因采空區(qū)覆巖變形造成地面開裂變形，地質(zhì)環(huán)境遭到了破壞，處于磷礦采空區(qū)及其覆巖影響范圍內(nèi)的貴州甕安生物群化石核心保護區(qū)特別是化石特征剖面遭受威脅。因此，研究磷礦采空區(qū)治理特別是注漿布置、孔徑、擴散半徑、注漿順序、漿液材料配比及注漿工藝，對貴州甕安生物群化石保護具有一定的意義。