黔南燈影組巨厚含水層立井井筒帷幕注漿參數(shù)研究

袁東鋒，高曉耕

（1.天地科技股份有限公司，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

0 引 言

我國黔南地區(qū)震旦系沉積磷礦床規(guī)模較大［1］，礦層埋藏在巨厚燈影組白云巖含水層之下。 燈影組白云巖含水層的特點為：①厚度大（厚300 m 以上）；②巖溶現(xiàn)象較為發(fā)育（溶孔及溶蝕裂隙）；③導(dǎo)水構(gòu)造分布復(fù)雜（斷層、破碎帶較多）。 燈影組白云巖地層地表裸露面積大，在受溶蝕作用，巖溶較為發(fā)育但隨埋深而逐步減弱，地下溶洞一般在淺部發(fā)育。

豎井是礦山建設(shè)的關(guān)鍵工程［2］，在富水性較強的大厚度含水層中井筒施工困難，涌水量過大或突水事故將嚴重延長建井周期［3-4］。 因此，礦井建設(shè)期間，井筒防治水工作是重中之重。 井筒預(yù)注漿堵水一般可分為地面預(yù)注漿、工作面預(yù)注漿等技術(shù)。工作面注漿一般適用于含水層薄，涌水量不大等情況，對于厚度大含水層，因每個注漿段高均需設(shè)置混凝土止?jié){墊，存在工序多、成本高、工期長的問題［5-7］。 當穿越含水層層數(shù)多、含水層厚度大時，地面預(yù)注漿技術(shù)是井筒基巖防治水的首選方法，黏土水泥漿綜合注漿法注漿壓力高、漿液容易注入1 mm左右的細小裂隙中，可形成完整的注漿帷幕，是實現(xiàn)“打干井”的有效手段［8-10］。 陳振國等［11］研究了地面預(yù)注漿防治水技術(shù)在我國寧夏紅墩子礦區(qū)紅二煤礦侏羅系弱膠結(jié)砂巖含水層施工工藝，各注漿段終壓超過2 倍靜水壓力，鑿井實測剩余涌水量降為2.3 m3／h，效果顯著。 邵晨霞等［12］介紹了地面預(yù)注漿技術(shù)在新疆漢水泉煤礦中生代侏羅系地層防治水的成功運用。

近年來，地面預(yù)注漿技術(shù)在非煤礦山井筒建設(shè)中得到了一定推廣，陳振國等［13］研究提出了鐵礦井筒地面預(yù)注漿設(shè)計及優(yōu)化方法，注漿基巖段為上太古界灤縣司家營組（Ar2s）花崗巖、黑云變粒巖、偉晶巖、黑云變粒巖。 基巖段含水層主要為構(gòu)造帶含水層，設(shè)計雙圈注漿鉆孔取得良好的注漿效果。 賀文等［14］研究了地面預(yù)注漿技術(shù)在鉛鋅礦盲豎井井筒防治水中的應(yīng)用，注漿段為泥盆系宰格組（D3zg）較厚的白云巖含水層，厚度大于100 m，微風化白云巖地層巖體結(jié)構(gòu)完整，僅包含溶蝕裂隙，但破碎帶巖體較破碎-極破碎；毛坪鉛鋅礦112 線盲豎井井筒預(yù)注漿后鑿井實測注漿堵水效果良好，井筒涌水量小于6 m3／h。 考慮黔南地區(qū)巨厚溶蝕型白云巖含水層尚無井筒地面預(yù)注漿先例，黏土水泥漿在白云巖地層溶蝕裂隙導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)中的可注性尚不確定，提出了以可注性分析與現(xiàn)場工業(yè)性試驗研究相結(jié)合的研究思路，對巨厚白云巖含水層地面預(yù)注漿注漿參數(shù)進行研究，進而確定立井井筒帷幕注漿設(shè)計方法，為本區(qū)后續(xù)井筒防治水提供參考。

1 工程概況

貴州省黔南布依族苗族自治州甕安縣老虎洞磷礦礦區(qū)面積約6.26 km2，可采儲量2.9×109t，服務(wù)年限58 a，產(chǎn)能44 Mt／a。 該礦采用豎井開拓，設(shè)計主井、副井、進風井、回風井4 個井筒，考慮井筒穿越震旦系白云巖含水層厚度大、富水性強、斷層破碎帶等導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育等特點，井筒開掘之前必須采用專門的井筒防治水措施。 通過對凍結(jié)法、地面預(yù)注漿和工作面注漿3 種井筒防治水技術(shù)［15］進行安全、技術(shù)、經(jīng)濟、工期等綜合比選，擬采用地面預(yù)注漿方案作為老虎洞磷礦豎井井筒防治水手段，但在大規(guī)模施工前，需先開展試驗研究工作，優(yōu)化防治水設(shè)計方案。 根據(jù)現(xiàn)場條件選取回風井場地開展燈影組白云巖含水層井筒地面預(yù)注漿工程工業(yè)性試驗。 回風井作為回風、安全出口位于礦區(qū)中部下盤，凈徑為8.5 m，井深為381 m，穿越震旦系白云巖含水層厚為278.8 m。

2 工程與水文地質(zhì)特征

2.1 工程地質(zhì)特征

回風井井筒穿越地層從上至下依次為：第四系（Q）、寒武系明心寺組（∈1m）與牛蹄塘組（∈1n）、震旦系燈影組（Z2dn）與陡山沱組（Z1d）、南華系（Nh），巖性及厚度情況詳見表1。 回風井工業(yè)場地位于白巖背斜西翼，屬于單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，以北北東向為主，北北東向斷層分布于白巖背斜軸部附近，規(guī)模較大。 回風井北側(cè)發(fā)育域性大斷層F42，井檢孔SJ-H 在孔深157.00～160.47 m，揭露一擠壓斷層，推測為F42 次生斷層，斷層破碎帶主要由壓碎巖組成，壓碎巖母巖以白云巖為主，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度一般，穩(wěn)定性較差。

2.2 水文地質(zhì)特征

場區(qū)含水層與隔水層在構(gòu)造背景下以白巖背斜為核心，形成以燈影組為主要含水體的一構(gòu)造控水、封閉式泉排泄型巖溶地下水系統(tǒng)。 含水層包括第四系松散空隙含水層、明心寺組基巖裂隙含水層和震旦系白云巖溶蝕裂隙含水層。 震旦系白云巖含水層厚278.79 m，溶蝕裂隙發(fā)育，富水性強，是影響井筒安全掘砌的主要威脅。 牛蹄塘組炭質(zhì)泥巖與下伏的震旦系燈影組含水層呈平行不整合接觸，是區(qū)內(nèi)良好的隔水層。

表1 回風井井筒穿越地層情況Table 1 Stratum condition of ventilation shaft

3 燈影組含水層黏土水泥漿可注性分析

3.1 影響水泥漿可注性的相關(guān)因素分析

巖體滲透系數(shù)不僅取決于巖石的性質(zhì)（裂隙性質(zhì)及其發(fā)育程度），而且與滲透液體的物理性質(zhì)（容重、粘滯性）有關(guān)，一般引入滲透率來表征巖層滲透性能。 因此，漿液的可注性評價必須將巖體的水文地質(zhì)特征（裂隙發(fā)育程度及連通性）與注漿材料的物理力學性能和流變性能（細度及其黏度變化規(guī)律）結(jié)合起來。 同時選取的注漿工藝（注漿壓力）也對巖層可注性有至關(guān)重要的影響。

3.2 導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)特征與黏土水泥漿高壓擴散性能

燈影組（Z2dn）白云巖主要由含藻類白云巖及條帶狀、團塊狀硅質(zhì)白云巖組成，據(jù)巖石組合特征可分為Z2dn1、Z2dn2兩個巖性段。 鉆孔巖心上溶孔、溶蝕裂隙、晶洞發(fā)育如圖1 所示。

圖1 燈影組白云巖溶蝕孔（晶）洞發(fā)育形態(tài)Fig.1 Corrosion hole of dolomite in Dengying Formation

溶孔直徑一般為1 ～5 mm，大者為10 ～20 mm，孔隙率為2.10%～6.23%。 根據(jù)勘探孔取心和壓水試驗成果分析，燈影組含水層以溶孔、晶洞、細小溶隙構(gòu)成儲水空間，相互之間連通性存在差異致使其滲透性很不均勻，其中構(gòu)造是加強燈影組白云巖局部地段的富水性和導(dǎo)水性的主要因素［16］。 因此，燈影組白云巖中廣泛分布的細小溶蝕裂隙與溶孔，導(dǎo)水性差而總的容積大，是主要的儲水空間；構(gòu)造作用形成的大的巖溶通道與溶蝕裂隙構(gòu)成主要的導(dǎo)水通道，當鑿井工作面揭露主要導(dǎo)水通道時，廣大貯水空間的水通過貯水-導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)逐級匯集，水量大，極易造成淹井事故。

地面注漿法是以黏土水泥漿液為主要材料，通過對地層空隙的高壓充填實現(xiàn)止水和加固，其堵水機理主要是利用漿液結(jié)石體的抗剪切塑性強度［17-18］。 黏土水泥漿主要成分黏性土粒徑極小，一般小于2 μm 黏粒級顆粒占比在50%，首先從顆粒級配來看，黏土漿比平均粒徑5 μm 以下的超細水泥可注性還好；其次黏土水泥漿為穩(wěn)定型漿液，2 h析水率低于5%，漿液黏度低，常規(guī)漿液配比表觀黏土在20 ～30 mPa·s 范圍，黏土水泥漿在裂隙中是沿整個裂隙斷面推進擴散充填裂隙，不會產(chǎn)生水泥漿液顆粒在裂隙通道上沉淀淤積，逐漸堵塞通道使得細顆粒也難以通過的現(xiàn)象，低黏度和良好的懸浮穩(wěn)定性保證了其良好的擴散性能。 由于地面預(yù)注漿可實現(xiàn)高壓持續(xù)注漿［19］，高壓持續(xù)注漿可實現(xiàn)黏土水泥漿穿透巖層中潛在不聯(lián)通導(dǎo)水通道并對其充填，鑿井實測表明，黏土水泥漿在巖層裂隙中的充填率可以達到95%以上，注漿后巖層高壓壓水試驗滲透系數(shù)為10-6～10-5cm／s 量級，巖層水文地質(zhì)條件可改善為微透水巖體。 注漿后鑿井實測結(jié)石體如圖2 所示。

圖2 黏土水泥漿結(jié)石體對裂隙充填照片F(xiàn)ig.2 Picture of clay-cement grout filling the rock fracture

3.3 水泥漿可注性研究初步結(jié)論

地面預(yù)注漿可以實現(xiàn)高壓持續(xù)注漿，而且黏土水泥漿顆粒細度小，良好的懸浮穩(wěn)定性和流動性能保證了黏土水泥漿具有更好的可注性，可充填燈影組含水層構(gòu)造作用形成的主導(dǎo)水通道和細小溶蝕裂隙與溶孔組成的二級導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)，保證井筒注漿帷幕的形成。 通過以上初步分析，采用基于黏土水泥漿的地面預(yù)注漿工藝防治水方案是可行的，開展工業(yè)性試驗研究具有可行性。

4 注漿工業(yè)性試驗

4.1 鉆孔布置

采用現(xiàn)場注漿試驗驗證燈影組含水層的可注性及合理孔間距。 如圖3 所示，布置3 個注漿試驗孔（S1～S3）和1 個檢查孔J1鉆孔，圈徑為12 m。 試驗孔孔深為385 m，套管段為85 m，注漿試驗段高45～50 m，共分為6 個注漿段。 試驗方案為：①先依次進行S1、S2 鉆孔施工（孔間距6 m），S3作為其檢查孔，若地層可注性良好、孔間距滿足要求，則取消J1孔，優(yōu)化井筒地面預(yù)注漿工程設(shè)計；②若S3孔仍不能明確地層可注性和合理孔間距，則繼續(xù)進行J1孔試驗（孔間距1.5 m）。

圖3 注漿試驗孔布置機鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.3 Arrangement of grouting borehole and its stucture

4.2 S1、S2 鉆孔壓水試驗結(jié)果

壓水試驗是評估地層透水性檢驗注漿效果的重要手段，試驗孔壓水試驗段高控制在45 ～50 m。 反應(yīng)地層透水率情況的透水率q 計算公式為

式中：Q 為壓水泵量，L／min；P 為水頭壓力，MPa；H為壓水段高，m。

注漿前，S1孔與S2孔各段地層透水率變化情況如圖4 所示，S1孔最大12.7 Lu，最小值0.9 Lu，均值5.81 Lu；S2孔最大22.2 Lu，最小值0.8 Lu，均值7.8 Lu。 第2 注漿段與第3 注漿段透水率較大的原因為斷層破碎帶地層導(dǎo)水裂隙發(fā)育。 從圖4 中看出，前3 段地層透水率明顯大于后3 段地層透水率，表明地層透水性存在明顯的“上強下弱” 特征，上部地層透水率相對較大，為中等至強透水層；下部地層透水率相對較小，為弱透水層。 據(jù)此可判斷燈影組白云巖含水層上部地層（Z2dn2）導(dǎo)水通道發(fā)育，可注性好；下部地層（Z2dn1）完整性好，導(dǎo)水通道以溶隙裂隙網(wǎng)路為主，需采取優(yōu)化黏土水泥漿配比、高壓注漿等控制措施確保充足注入量保證注漿堵水效果。

圖4 S1、S2 鉆孔各注漿段透水率Fig.4 Lugeon value for each grouting section of grouting borehole of S1 and S2

從圖4 可知， S1孔注漿結(jié)束后，S2孔注前壓水試驗得到地層透水率沒有明顯改善，S1孔與S2孔間距6.0 m，這表明孔間距取6.0 m 太大，有效堵水帷幕厚度不夠。 因此，S2鉆孔進行注漿施工，注漿結(jié)束后，再進行S3鉆孔施工。

4.3 S1、S2 鉆孔注漿試驗

4.3.1 漿液配比

針對燈影組含水層（Z2dn1、Z2dn2）2 個巖性段水文地質(zhì)條件的差異，需研究不同配合比的黏土水泥漿，滿足注漿工程需要。 漿液室內(nèi)配比試驗依據(jù)正交 試 驗 設(shè) 計 方 法［20］進 行，取 原 漿 密 度（T1，g／cm3）、水泥用量（T2，kg）、結(jié)構(gòu)添加劑量（T3，L）為控制因素，進行3 因素3 水平試驗，測試漿液塑性強度隨齡期增長規(guī)律，得出適合溶蝕白云巖地層注漿的最優(yōu)漿液配比組合（T1-T2-T3）。 試驗黏土取自工業(yè)廣場第四系黏土，塑性指數(shù)為42.3，小于2 μm黏粒含量占比41.7%。

試驗得到黏土水泥漿漿體塑性強度增長趨勢如圖5 所示，從中可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)添加劑對漿體塑性強度的影響最大，水泥的影響次之，而原漿密度的影響最小，注漿過程中主要通過調(diào)整結(jié)構(gòu)添加劑和水泥的用量來滿足施工對漿液黏度和塑性強度的要求。

在注漿過程中，原漿密度宜在1.15 ～1.22 g／cm3，燈影組第2 段注漿壓力低時，每方漿液中水泥加入量宜為200～250 kg，結(jié)構(gòu)添加劑的加入量宜為20～30 L。 燈影組第1 段注漿壓力高，漿液難以注入時，水泥加入量宜為100 ～150 kg，結(jié)構(gòu)添加劑的加入量宜為15～20 L。

圖5 漿體塑性強度增長趨勢Fig.5 Plastic strength of clay-cement grout with different mix ratios

4.3.2 注漿過程

S1孔分7 個注漿段，共進行注漿施工27 次，合計注漿2 192 m3； S2孔分8 個注漿段，共進行注漿施工31 次，合計注入1997 m3；S1孔前3 段注漿量為1 430 m3，占該孔總注漿量的65.2%；后3 段注漿量為762 m3，占該孔總注漿量的34.8%。S2孔巖帽段至第3 段注漿量為1 463 m3，占該孔總注漿量的73.2%，第4 段以下注漿量為534 m3，占該孔總注漿量的26.8%。 每米鉆孔注入量隨埋深大致呈減小趨勢，表明地層透水性“上強下弱”特性。

燈影組第2 段（Z2dn2）部分注漿層位受構(gòu)造作用影響明顯、溶蝕裂隙發(fā)育，地層透水率較大，注漿過程中存在壓力升壓緩慢，漿液超擴散現(xiàn)象，部分注漿段水泥基注漿材料亦具有可注性，黏土水泥漿可注性良好。 為避免漿液浪費，注漿過程中采取使用高黏度漿液多次復(fù)注、控制單次注漿量［21］、采用混合式注漿工藝，增加注漿間歇時間等技術(shù)措施。 以S1孔第3 段注漿為例，第3 段（185 ～225 m）遇破碎帶，前3 次注漿壓力均較小，且存在第3 次注漿壓力甚至小于第2 次注漿壓力的異?，F(xiàn)象，而此時該段注漿量已達到400 m3。 該段后續(xù)注漿試驗控制單次注漿量，每次注入量控制在50 m3左右。 為了延長凝結(jié)時間（48～72 h），先進行第4 段施工，再返回來進行第3 段注漿施工。 第3 段后續(xù)第6 次、第7次注漿時壓力得到明顯上升，繼續(xù)注入172 m3后結(jié)束該段注漿，見表2。

第1 段（Z2dn1）透水率較小，水泥基注漿材料在地層不具備可注性，黏土水泥漿可注性較好，個別注漿段存在注水壓力低、注漿壓力高現(xiàn)象，通過巖層預(yù)處理手段、注入低黏度黏土水泥漿、高壓預(yù)壓裂等注漿工藝，保證了黏土水泥漿可注性。

4.4 S3 鉆孔壓水及取心結(jié)果

S1孔與S2孔注漿結(jié)束后，S3注前壓水試驗得到各段地層透水率分別為：0.77、0.68、0.65、0.58、0.58、0.28 Lu，地層透水率大幅降低。 同時S3鉆孔進行了取心試驗，且?guī)r心取到了漿液結(jié)石體。 孔深92.3 ～93.8 m 段取得一塊包含漿脈的巖心圖6 所示，該塊巖芯長約12 cm，存在2 條被漿液充填的微小裂隙，裂隙寬度為1 mm 左右，漿液充填飽滿。 孔深110.2～111.9 m 取得巖心總長71 cm，其中一塊長約40 cm 的完整巖芯的溶蝕裂隙中存在漿液結(jié)石體，如圖7 所示。

圖6 S3 孔92.3—93.8 m 包含漿脈巖心照片F(xiàn)ig.6 Pictures of core contain grout consolidation in borehole S3 in depth from 92.3 to 93.8 m

圖7 S3 孔100.2—111.9 m 包含漿脈巖心照片F(xiàn)ig.7 Picture of core contain grout consolidation in borehole S3 in depth from 100.2 to 111.9 m

4.5 注漿參數(shù)確定

4.5.1 漿液擴散半徑及孔間距

由于燈影組含水層巖溶裂隙發(fā)育不均勻，漿液在巖層中的擴散是不規(guī)則的，擴散距離一般隨巖層透水性、裂隙開度、注漿壓力、注漿時間的延長而增大，至今尚無實用的計算方法，生產(chǎn)實踐中根據(jù)鑿井實測和工業(yè)性試驗研究確定。 根據(jù)回風井地面預(yù)注漿試驗，S1孔與S2孔間距6.0 m，S1孔施工結(jié)束后，S2孔注前壓水試驗得到地層透水率沒有明顯改善，同時注漿施工第1 至第3 段注漿量仍較大，這表明孔間距取6.0 m 太大，帷幕厚度不夠。 由S3孔注前壓水試驗表明，第1 至第6 段地層透水率分別為：0.77、0.68、0.65、0.58、0.58、0.28 Lu，地層透水率大幅降低，同時S3巖芯取到了漿液結(jié)石體；這表明黏土水泥漿在燈影組白云巖有效擴散距離大于3 m，小于6 m。 參考類似帷幕注漿工程案例，取有效擴散半徑4 m，孔間距根據(jù)井筒荒徑和有效擴散半徑取值4.0～4.5 m。

4.5.2 注漿段高與注漿終止標準

黔南地區(qū)燈影組白云巖厚度達300 m，在以細小裂隙為主的穩(wěn)定地層注漿段高為70～100 m，破碎地層注漿段高為30～50 m。 各注漿段注漿終止標準需滿足注漿量和注漿終壓2 個參數(shù)均滿足要求，每米注漿量約40 m3井筒（井筒凈徑6m），注漿終壓達到2.5～3.0 倍靜水壓力。 S3注漿結(jié)束后，各注漿段壓水試驗地層透水率均小于0.3 Lu，根據(jù)《立井井筒地面預(yù)注黏土水泥漿技術(shù)規(guī)范》，井筒剩余涌水量滿足不大于10 m3／h 要求，達到注漿終止標準。

5 結(jié) 論

1）燈影組白云巖含水層黏土水泥漿具有可注性燈影組第2 段Z2dn2部分巖層受構(gòu)造影響，可注性好，且需要采用高黏度漿液多次復(fù)注、控制單次注漿量、增加注漿間歇時間等技術(shù)措施控制注漿量。 燈影組第1 段Z2dn1存在空隙連通性差，注漿壓力明顯高于壓水壓力的情況，通過調(diào)整漿液配比，低黏度黏土水泥漿具有可注性，必要時配合“巖層預(yù)處理”手段后，并提高注漿壓力，增強了黏土水泥漿的可注性，可確保燈影組下部巖層的注漿質(zhì)量。

2）確定了布孔圈徑及注漿工藝參數(shù)。 通過S3鉆孔取心及壓水成果分析，得到合理孔間距范圍為4.0～4.5 m；通過3 個鉆孔注漿研究，黏土水泥漿可作為燈影組白云巖含水層的注漿材料，并研究出原漿密度和成品漿液密度的推薦值、漿液有效擴散半徑范圍、注漿段高等井筒帷幕注漿參數(shù)。

3） 鉆孔壓水試驗是定量評價注漿效果的可靠方法，明確了黔南地區(qū)燈影組含水層地面預(yù)注漿效果檢查的判斷準則，即最后一個注漿孔壓水試驗對應(yīng)的透水率q≤0.3 Lu 可達到井筒帷幕注漿堵水要求。