大型灰岩矿溜井渗涌水防治及效果评价

刘孟辉 罗舸旋子 张康财 滕 龙

（1.中电建安徽长九新材料股份有限公司；2.长沙矿山研究院有限责任公司；3.金属矿山安全技术国家重点实验室；4.湖南省矿山地质灾害防治与环境再造工程技术研究中心）

地形复杂、矿床地面高差大的山坡露天矿常通过开拓溜井与平硐来建立露天采矿场与地面之间的运输通道［1-2］。溜井-平硐开拓系统在安全生产、降本增效、环保保护、低碳运行等方面都能得到较大提升，近年来在灰岩矿山成为一种热门开采方式［3］。

由于灰岩易溶蚀的地质特征，露天灰岩矿山多有岩溶洞穴或溶蚀裂隙发育，岩石层间一般充填泥炭等软物质，易发生构造滑动，生成地下水流通道［4-6］。采用溜井-平硐开拓的灰岩矿山，受地形和地层条件影响，地下水易经过岩溶、裂隙通道汇流至溜井。使得井筒井壁长期淋水，破碎硐室积水停产，矿岩泥化黏粘堵塞运输通道［7-8］，还可能发生井下泥石流等灾害事故。随着矿山逐渐开采降段，灰岩岩溶地层直接接受降雨补给的面积加大，矿区溜井井筒成为大气降雨排泄的主要通道。同时在矿山爆破影响下，矿区内地层层理、裂隙进一步发育，地下水储存空间增大，流速变快，溜井-平硐系统受到地下水汇流影响加剧。因此，针对采用溜井-平硐开拓生产系统的灰岩矿矿山，需分析矿山水文地质条件，对受到地下水影响的溜井系统开展防治水研究，采取必要的工程手段保证矿山生产安全，提高生产效率。

长九（神山）灰岩矿是全球最大的砂石骨料开采矿山，灰岩矿储量19 亿t，矿区面积约4.7 km2。规划生产目标7 000 万t/a，运营年限30 a。矿区采用4 套溜井-平硐开拓系统，极大简化矿山提升运输系统，有利于矿山生产效率提高和生产成本节省［9］。矿山1#和2#溜井系统区域的开采平面降段至标高265 m时，汛期地下水受降雨补给向2 条溜井大量汇流，井内渗水涌水多，井下溜破系统生产受到严重影响，存在生产安全风险。本文对矿山进行了水文地质条件研究，设计并实施1#溜井和2#溜井的渗涌水治理方案，对其工程效果做出评价。

1 矿区水文地质条件分析

1.1 主要水文地质条件

矿区属丘陵地貌，矿山为独立山体，呈北东—南西向展布，中部高，其他地势低，地势高差大。矿区下伏基岩地层主要为三叠系下统（T）、二叠系上统大隆组（P2d）、燕山回旋早期（Qδ52-2）；第四系地层为中更新统（Q2）残坡积碎石夹黏土。三叠系下统南陵湖组（T1n）在矿区内大面积出露，为矿区主要赋矿层位，该段岩性变化较大。

矿区为裸露型以溶蚀裂隙和溶洞为主的岩溶充水矿床，碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组为主要含水层，富水性弱—中等。地表水径流条件较好，矿区共出露4 处天然地下水，属碳酸盐岩岩溶裂隙水，常年水流流量0.165～0.25 L/s。地下水径流条件较好，基岩裂隙水和裂隙岩溶水较为发育，受大气降水和含水层补给，沿构造通道向低地排泄，少部分蒸发。

1.2 岩溶发育规律

矿区岩溶主要以溶蚀裂隙和溶洞形式为主，发育不均。地势较高部位的溶洞呈空洞状，山麓揭露的溶洞呈半填充—填充状，部分溶洞联通性较好，为天然的泄水通道。竖井、平硐施工过程中曾遇到涌水量大，或规模较大的软黏土充填溶洞。

采场平台至地下储矿仓顶板深度较小，采用天然电场选频法来探测溜井设计帷幕线上岩溶发育情况［10-11］，根据探测结果，1#溜井垂直方位存在7个低阻异常区域，2#溜井垂直方位存在3 个低阻异常区域，推测异常性质是区域有含水溶洞、裂隙发育带。

根据工程钻孔揭露结果，1#溜井主要为溶蚀裂隙，没有揭露溶洞。2#溜井注浆孔和检查加密孔共计施工51 个，累计进尺9 052.55 m，见大小溶洞10 个，溶洞累计高度为21.10 m，平均岩溶率为0.23%，溶洞发育标高主要在192.70 m标高以上。

2 基于溜井涌水情况的治水方案

2.1 溜井渗涌水情况分析

神山石灰石矿共4 个开拓系统，1#和2#系统为一期工程，分别于2019 年6 月和11 月投产运行，2 处系统溜井存在不同程度涌水、渗水情况。

1#溜井以裂隙渗水为主，无涌水点。2#溜井存在渗水以及岩溶通道涌水，有2 处主要涌水点。2 条溜井都有放矿困难、筛透率低、处理难度增大等问题。随矿山爆破和平台降段，汛期井下生产受淋水影响加剧，破碎系统停机时间长，井下物料含水率高，生产线常淤积堵塞［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浆堵水2 种治理方式。长九神山矿原采用疏干措施有较好的排水效果，但受开采影响地下岩溶水系发展变化快，对过水通道准确判断和精准处理难度大，仅采用疏干工程无法全面覆盖渗涌水问题。

根据对井筒渗涌水情况和工程区域水文地质特征分析，考虑矿山不停产的治水作业要求，采用地面井筒帷幕注浆作为治水方案［13］，即在井筒周边地面钻孔注浆，使浆液扩散形成一道连续堵水墙，达到封堵地下水的目的。

3 注浆参数设计

3.1 注浆材料及配比

1#溜井区域岩层多为溶蚀网状裂隙，2#溜井揭露溶洞数量多，岩溶发育，注浆需要对不同发育程度的溶蚀过水通道进行封堵。溜井井筒内无护壁措施，为保证不发生跑浆，在井筒帷幕线上形成有效扩散，注浆材料采用改性泥饼双液浆［14］。大量矿山尾矿泥饼作为主要浆材，节约工程成本，实现了矿山固废产物再利用。浆液可调节性强，采用不同配比浆液可以满足矿区溶蚀程度不同地层的浆液可注性要求，各项浆液性能满足井筒防渗要求。注浆材料配比如表1 所示，根据实际取样进行室内材料试验后，再进行优化确定。

3.2 注浆孔布置及钻孔结构

注：添加剂掺量表示占浆液体积比例。

注浆孔数目和布置对注浆效果有很大影响。井筒地层主要以灰岩、煌斑岩及小裂隙为主，参考改性黏土浆帷幕工程经验，浆液有效扩散半径大致为5 m。为保证相邻两孔间能形成一定厚度的注浆体，1#溜井注浆孔距取值为3.8 m，2#溜井注浆孔距定为4.2 m。

地面井筒帷幕注浆钻孔布置平面及剖面如图1所示。1#溜井和2#溜井井口直径为8 m。2#溜井内排孔布置于距井口11.54 m 处，外排注浆孔布置于距井口13.04 处，双排孔排距为1.5 m。1#溜井井口因卸矿磨损呈椭圆形，故钻孔布置基于布孔原则进行修正，内排注浆孔长轴和短轴半径分别为14.58 m 和13.26 m；外排注浆孔的长轴和短柱半径分别为16.08 m 和14.5 m。帷幕深度为地面开采标高（265 m）至井下储矿仓上方，1#溜井和2#溜井帷幕深度为179 m。

注浆孔绕井筒2 排呈梅花形分布，先施工内排孔，后施工外排孔。每排孔分步施工，单数孔位为Ⅰ序孔，共12 个，双数孔位为Ⅱ序孔，共11 个。注浆孔完成后，布置5个检查兼加密补强孔在主要强涌水通道上。钻孔的开孔孔径≥130 mm，终孔孔径为91 mm。钻孔偏斜率不大于孔深的5%。

4 井筒地面帷幕注浆的实施

4.1 压水试验

注浆前对注浆段进行压水试验，压水试验采用单点压水法，参考《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》（DL/T5148—2001），试验压力取灌浆压力的80%［15］，每间隔5～10 min观测一次流量和压力值。确定岩层单位吸水量，进一步掌握石灰岩地层含水性能，制定该注浆段的初始浆液种类、配比，估算该段吸浆量（表2）。

4.2 注浆工艺

注浆方式采用全孔自上而下分段注浆，以止浆塞封闭式注浆为主，裂隙发育或岩层破碎段采用孔内循环或孔口循环的全孔注浆方式。

2 处溜井区域地层垂向上裂隙发育具有不均一性，对注浆段高分段考虑，在接触破碎带、断裂构造带以及严重风化带时，减小段高长度。根据注浆区域地层条件，对内排帷幕注浆段高取10～20 m，钻进过程中遭遇溶洞需停钻注浆；外排帷幕注浆段高取30～50 m，若钻进区域岩石完整，可适当增加段高。

注浆压力是浆液扩散的动力，作为判别浆液在岩石裂隙中充填扩散挤密过程是否正常的主要依据。工程根据现场试验确定注浆终压采用静水压力的2.5～3.0 倍。有细小裂隙或岩石完整的孔段，适当加大注浆压力。

为保证浆液的有效扩散，使各钻孔的注浆体连接起来，应根据具体情况采取低压、浓浆、限流、限量、间歇注浆、变换浆液类型等措施。采用先稀浆后浓浆逐级加浓的原则进行浆液浓度的变换，遇到空洞、大裂隙的注浆段，采用间歇注浆灌注高浓度浆液，间歇时间为4～8 h。多次间歇起压仍不明显时，可增加助凝剂掺加量至5%～10%。

每个注浆段和每个注浆孔应达到的注浆结束标准，基于设计压力、钻孔吸浆（水）率和稳定时间3 个指标确定。注浆压力均匀持续上升到设计终压，同时钻孔吸浆量＜20 L/min，稳定压力持续20～30 min，段次注浆完成后，再次进行压水试验，压水结果的单位吸水率需＜2 Lu。段内注浆没达到结束标准时，扫孔再注。注浆孔最后一段达注浆结束标准后，采用全孔灌浆封闭法进行封孔。

4.3 岩溶溶洞注浆措施

钻进过程中遇较大溶洞或岩溶裂隙发育地段，以溶洞底板作为注浆段的下限，压缩注浆段段长。采取主要注浆措施有降低注浆压力、孔口自流注浆、投放粗骨料、限制进浆量、延长注浆间歇时间、增加浆液添加剂掺量和加注水玻璃双液浆等方法。工程投放粗骨料包括谷壳、黄豆、海带、水洗砂和粒径5～16 mm碎石。

5 帷幕注浆效果综合评价

长九神山矿1#溜井和2#溜井注浆区域岩层溶蚀形态、大小、走向及构造充填程度变化不同，随着矿区爆破和注浆帷幕作业，地下岩层构造形态和地下水位、流向、流速不断发生变化，注浆工艺需根据实际情况灵活调整，施工情况复杂。为评判注浆堵水效果，现从注浆量定量分析、检查孔验证、浆液结石体检测、渗涌水监测和物探检验等方面对井筒堵水帷幕进行综合效果评价。

5.1 各序次钻孔注浆量分析

对比1#溜井和2#溜井帷幕内排孔线上不同次序施工孔的注浆量（表3），1#溜井内排帷幕线Ⅰ序注浆孔、Ⅱ序注浆孔和检查孔单位平均注浆量减小幅度分别为62%和80%。2#溜井内排帷幕线Ⅰ序注浆孔、Ⅱ序注浆孔和检查孔单位平均注浆量减小幅度分别为73%和70%。

如图2 所示，溜井2 排注浆孔的Ⅰ序和Ⅱ序孔交叉排列，2 排注浆孔线上的单位注浆量呈折线状，注浆量规律基本一致，Ⅱ序孔注浆量基本小于Ⅰ序孔注浆量，随灌浆次序增加，注浆孔加密，单位注浆量明显减小。

2 处溜井注浆规律基本一致，后施工钻孔注浆量呈现明显递减趋势，少量外排注浆孔注浆量偏大，说明浆液沿帷幕线方向扩散，对井筒周围岩溶裂隙进行了有效填充，帷幕2排布孔设计和分步施工逐渐加密的注浆工艺合理有效。

5.2 各序次钻孔透水率分析

根据注浆前的压水试验成果，如图3 所示，1#溜井和2#溜井内排注浆孔施工完成后外排注浆孔的平均透水率分别下降58%和54%。

如图3 所示，2 条溜井外排孔注浆段透水率多数都小于2 Lu。注浆前外排注浆孔透水率基本低于内排孔，说明内排注浆孔施工完成后，浆液扩散良好，大部分岩溶裂隙被填充，已显现堵水效果。

5.3 检查孔透水率分析

检查孔透水率分析是检验注浆帷幕效果直观有效的方式之一。分析前期压水结果、注浆情况及双液浆处理情况，在1#溜井和2#溜井帷幕线上的溶洞裂隙发育和可能存在问题区域，共布置个11 个检查兼加密孔检查施工质量（图1），同时加固补强薄弱帷幕位置，提高帷幕质量。

检查孔各孔各段按注浆孔标准分段压水，透水率小于2 Lu 即合格。共进行了64 段次压水试验，仅有3 个段次透水率大于2 Lu，其中除1#溜井检查孔J4揭露新的向外发展裂隙外，透水率大于2 Lu 区段的单位注浆量也很低。检查孔压水其余段次透水率在0.25～1.5 Lu，不需要加固注浆，压水试段合格率达95%。检查孔透水率结果表明浆液对溶洞裂隙进行了有效填充，参考《矿山帷幕注浆规范》（DZ T0285—2015）［16］，试验结果满足压水试段合格率大于90%，可溶岩地层帷幕透水率满足3～5 Lu，可以认为帷幕灌浆质量合格。

5.4 浆液结石体检测

钻孔抽取了大量改性泥饼浆结石体，如图4 所示，针对大裂隙及溶洞充填所形成结石体中的谷壳料分布致密均匀（图4（a）），结石效果好。针对小裂隙注浆的低浓度浆液流通性强，有效封堵了小裂隙过水通道（图4（b））。

选择满足试样制作要求结石体，采用MTS-815型液压伺服试验机进行单轴抗压和巴西法抗拉实验。结果表明，受到压实挤密作用后，浆液结石体抗压强度大于11.97 MPa，抗拉强度大于3.23 MPa，远大于矿区最大地下水压（2 MPa），能满足溜井帷幕强度要求（表4、表5）。

5.5 注浆前后物探对比

采用天电场选频法在注浆前后进行井筒物探检测，探测溶洞位置，分析注浆效果。测线布置在1#溜井和2#溜井的帷幕内排孔线上，测线点距与孔距相同，探测深度为300 m。

如图5 和图6 所示，注浆帷幕完成后，探测断面图中条带状低阻异常区消失，低阻异常区域视电阻率形态变平缓，说明岩溶裂隙受浆液填充压密效果好，结石体与灰岩紧密胶结。

5.6 渗涌水监测分析

为有效观测井下渗涌水变化，在溜井下平硐排水口处埋设三角堰，观测涌水水位高度，根据涌水水位计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别为0.014 m3/h、0.41 m3/h，堵水率分别达99.85%、99.86%，井筒帷幕拦截地下水径流效果显著（表6）。

6 结论

（1）溜井地面井筒帷幕采用改性泥饼双液浆作为主要灌注材料，采用配套注浆工艺施工，有效控制了浆液不发生跑浆，井内无板结事故，适用于灰岩溶洞裂隙区域帷幕注浆。

（2）改性泥饼双液浆采用了大量灰岩矿尾矿泥作为主要浆材，降低了工程成本，减小了矿区尾矿堆积压力，有利于绿色矿山的发展和建设。

（3）从注浆量分析、检查孔验证、浆液结石体检测、物探检验和渗涌水监测对井筒帷幕进行综合评价，认为矿山1#溜井和2#溜井2 条井筒帷幕线上溶洞、裂隙基本被充填，帷幕施工工艺符合相关技术标准要求，工程质量优良。

（4）地面井筒帷幕完工后形成全封闭人工地下构筑体，可发挥截流作用，有效解决溜井渗涌水问题，大幅降低矿区周围地下水对溜井内的补给量，提高矿山产能和经济效益。