0 引 言
我国黔南地区震旦系沉积磷矿床规模较大［1］，矿层埋藏在巨厚灯影组白云岩含水层之下。 灯影组白云岩含水层的特点为：①厚度大（厚300 m 以上）；②岩溶现象较为发育（溶孔及溶蚀裂隙）；③导水构造分布复杂（断层、破碎带较多）。 灯影组白云岩地层地表裸露面积大，在受溶蚀作用，岩溶较为发育但随埋深而逐步减弱，地下溶洞一般在浅部发育。
竖井是矿山建设的关键工程［2］，在富水性较强的大厚度含水层中井筒施工困难，涌水量过大或突水事故将严重延长建井周期［3-4］。 因此，矿井建设期间，井筒防治水工作是重中之重。 井筒预注浆堵水一般可分为地面预注浆、工作面预注浆等技术。工作面注浆一般适用于含水层薄，涌水量不大等情况，对于厚度大含水层，因每个注浆段高均需设置混凝土止浆垫，存在工序多、成本高、工期长的问题［5-7］。 当穿越含水层层数多、含水层厚度大时，地面预注浆技术是井筒基岩防治水的首选方法，黏土水泥浆综合注浆法注浆压力高、浆液容易注入1 mm左右的细小裂隙中，可形成完整的注浆帷幕，是实现“打干井”的有效手段［8-10］。 陈振国等［11］研究了地面预注浆防治水技术在我国宁夏红墩子矿区红二煤矿侏罗系弱胶结砂岩含水层施工工艺，各注浆段终压超过2 倍静水压力，凿井实测剩余涌水量降为2.3 m3／h，效果显著。 邵晨霞等［12］介绍了地面预注浆技术在新疆汉水泉煤矿中生代侏罗系地层防治水的成功运用。
近年来，地面预注浆技术在非煤矿山井筒建设中得到了一定推广，陈振国等［13］研究提出了铁矿井筒地面预注浆设计及优化方法，注浆基岩段为上太古界滦县司家营组（Ar2s）花岗岩、黑云变粒岩、伟晶岩、黑云变粒岩。 基岩段含水层主要为构造带含水层，设计双圈注浆钻孔取得良好的注浆效果。 贺文等［14］研究了地面预注浆技术在铅锌矿盲竖井井筒防治水中的应用，注浆段为泥盆系宰格组（D3zg）较厚的白云岩含水层，厚度大于100 m，微风化白云岩地层岩体结构完整，仅包含溶蚀裂隙，但破碎带岩体较破碎-极破碎；毛坪铅锌矿112 线盲竖井井筒预注浆后凿井实测注浆堵水效果良好，井筒涌水量小于6 m3／h。 考虑黔南地区巨厚溶蚀型白云岩含水层尚无井筒地面预注浆先例，黏土水泥浆在白云岩地层溶蚀裂隙导水网络中的可注性尚不确定，提出了以可注性分析与现场工业性试验研究相结合的研究思路，对巨厚白云岩含水层地面预注浆注浆参数进行研究，进而确定立井井筒帷幕注浆设计方法，为本区后续井筒防治水提供参考。
1 工程概况
贵州省黔南布依族苗族自治州瓮安县老虎洞磷矿矿区面积约6.26 km2，可采储量2.9×109 t，服务年限58 a，产能44 Mt／a。 该矿采用竖井开拓，设计主井、副井、进风井、回风井4 个井筒，考虑井筒穿越震旦系白云岩含水层厚度大、富水性强、断层破碎带等导水构造发育等特点，井筒开掘之前必须采用专门的井筒防治水措施。 通过对冻结法、地面预注浆和工作面注浆3 种井筒防治水技术［15］进行安全、技术、经济、工期等综合比选，拟采用地面预注浆方案作为老虎洞磷矿竖井井筒防治水手段，但在大规模施工前，需先开展试验研究工作，优化防治水设计方案。 根据现场条件选取回风井场地开展灯影组白云岩含水层井筒地面预注浆工程工业性试验。 回风井作为回风、安全出口位于矿区中部下盘，净径为8.5 m，井深为381 m，穿越震旦系白云岩含水层厚为278.8 m。
2 工程与水文地质特征
2.1 工程地质特征
回风井井筒穿越地层从上至下依次为：第四系（Q）、寒武系明心寺组（∈1m）与牛蹄塘组（∈1n）、震旦系灯影组（Z2 dn）与陡山沱组（Z1 d）、南华系（Nh），岩性及厚度情况详见表1。 回风井工业场地位于白岩背斜西翼，属于单斜构造，区内断裂构造较发育，以北北东向为主，北北东向断层分布于白岩背斜轴部附近，规模较大。 回风井北侧发育域性大断层F42，井检孔SJ-H 在孔深157.00～160.47 m，揭露一挤压断层，推测为F42 次生断层，断层破碎带主要由压碎岩组成，压碎岩母岩以白云岩为主，钙泥质胶结，胶结程度一般，稳定性较差。
2.2 水文地质特征
场区含水层与隔水层在构造背景下以白岩背斜为核心，形成以灯影组为主要含水体的一构造控水、封闭式泉排泄型岩溶地下水系统。 含水层包括第四系松散空隙含水层、明心寺组基岩裂隙含水层和震旦系白云岩溶蚀裂隙含水层。 震旦系白云岩含水层厚278.79 m，溶蚀裂隙发育，富水性强，是影响井筒安全掘砌的主要威胁。 牛蹄塘组炭质泥岩与下伏的震旦系灯影组含水层呈平行不整合接触，是区内良好的隔水层。
表1 回风井井筒穿越地层情况
Table 1 Stratum condition of ventilation shaft
地层代号 岩性 厚度／m Q 土黄色含碎石黏土 5.20∈ ∈1m 灰色薄层黏土岩夹泥质粉砂岩 61.62∈1n 黑色炭质页岩 14.93 Z Z2dn2 浅灰色粉晶白云岩、硅化粉晶白云岩 205.64 Z2p 浅灰色硅质白云岩 5.85 Z2dn1 浅灰色粉晶白云岩 67.30 Z1d 黑、灰黑色致密状白云质磷块岩 22.47 N Nh2n 灰绿、紫红色冰碛砾岩夹黏土岩 5.77
3 灯影组含水层黏土水泥浆可注性分析
3.1 影响水泥浆可注性的相关因素分析
岩体渗透系数不仅取决于岩石的性质（裂隙性质及其发育程度），而且与渗透液体的物理性质（容重、粘滞性）有关，一般引入渗透率来表征岩层渗透性能。 因此，浆液的可注性评价必须将岩体的水文地质特征（裂隙发育程度及连通性）与注浆材料的物理力学性能和流变性能（细度及其黏度变化规律）结合起来。 同时选取的注浆工艺（注浆压力）也对岩层可注性有至关重要的影响。
3.2 导水网络特征与黏土水泥浆高压扩散性能
灯影组（Z2dn）白云岩主要由含藻类白云岩及条带状、团块状硅质白云岩组成，据岩石组合特征可分为Z2dn1、Z2dn2两个岩性段。 钻孔岩心上溶孔、溶蚀裂隙、晶洞发育如图1 所示。
图1 灯影组白云岩溶蚀孔（晶）洞发育形态
Fig.1 Corrosion hole of dolomite in Dengying Formation
溶孔直径一般为1 ～5 mm，大者为10 ～20 mm，孔隙率为2.10%～6.23%。 根据勘探孔取心和压水试验成果分析，灯影组含水层以溶孔、晶洞、细小溶隙构成储水空间，相互之间连通性存在差异致使其渗透性很不均匀，其中构造是加强灯影组白云岩局部地段的富水性和导水性的主要因素［16］。 因此，灯影组白云岩中广泛分布的细小溶蚀裂隙与溶孔，导水性差而总的容积大，是主要的储水空间；构造作用形成的大的岩溶通道与溶蚀裂隙构成主要的导水通道，当凿井工作面揭露主要导水通道时，广大贮水空间的水通过贮水-导水网络逐级汇集，水量大，极易造成淹井事故。
地面注浆法是以黏土水泥浆液为主要材料，通过对地层空隙的高压充填实现止水和加固，其堵水机理主要是利用浆液结石体的抗剪切塑性强度［17-18］。 黏土水泥浆主要成分黏性土粒径极小，一般小于2 μm 黏粒级颗粒占比在50%，首先从颗粒级配来看，黏土浆比平均粒径5 μm 以下的超细水泥可注性还好；其次黏土水泥浆为稳定型浆液，2 h析水率低于5%，浆液黏度低，常规浆液配比表观黏土在20 ～30 mPa·s 范围，黏土水泥浆在裂隙中是沿整个裂隙断面推进扩散充填裂隙，不会产生水泥浆液颗粒在裂隙通道上沉淀淤积，逐渐堵塞通道使得细颗粒也难以通过的现象，低黏度和良好的悬浮稳定性保证了其良好的扩散性能。 由于地面预注浆可实现高压持续注浆［19］，高压持续注浆可实现黏土水泥浆穿透岩层中潜在不联通导水通道并对其充填，凿井实测表明，黏土水泥浆在岩层裂隙中的充填率可以达到95%以上，注浆后岩层高压压水试验渗透系数为10-6 ～10-5cm／s 量级，岩层水文地质条件可改善为微透水岩体。 注浆后凿井实测结石体如图2 所示。
图2 黏土水泥浆结石体对裂隙充填照片
Fig.2 Picture of clay-cement grout filling the rock fracture
3.3 水泥浆可注性研究初步结论
地面预注浆可以实现高压持续注浆，而且黏土水泥浆颗粒细度小，良好的悬浮稳定性和流动性能保证了黏土水泥浆具有更好的可注性，可充填灯影组含水层构造作用形成的主导水通道和细小溶蚀裂隙与溶孔组成的二级导水网络，保证井筒注浆帷幕的形成。 通过以上初步分析，采用基于黏土水泥浆的地面预注浆工艺防治水方案是可行的，开展工业性试验研究具有可行性。
4 注浆工业性试验
4.1 钻孔布置
采用现场注浆试验验证灯影组含水层的可注性及合理孔间距。 如图3 所示，布置3 个注浆试验孔（S1 ～S3）和1 个检查孔J1钻孔，圈径为12 m。 试验孔孔深为385 m，套管段为85 m，注浆试验段高45～50 m，共分为6 个注浆段。 试验方案为：①先依次进行S1、S2 钻孔施工（孔间距6 m），S3作为其检查孔，若地层可注性良好、孔间距满足要求，则取消J1孔，优化井筒地面预注浆工程设计；②若S3孔仍不能明确地层可注性和合理孔间距，则继续进行J1孔试验（孔间距1.5 m）。
图3 注浆试验孔布置机钻孔结构
Fig.3 Arrangement of grouting borehole and its stucture
4.2 S1、S2 钻孔压水试验结果
压水试验是评估地层透水性检验注浆效果的重要手段，试验孔压水试验段高控制在45 ～50 m。 反应地层透水率情况的透水率q 计算公式为
式中：Q 为压水泵量，L／min；P 为水头压力，MPa；H为压水段高，m。
注浆前，S1 孔与S2 孔各段地层透水率变化情况如图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 注浆段与第3 注浆段透水率较大的原因为断层破碎带地层导水裂隙发育。 从图4 中看出，前3 段地层透水率明显大于后3 段地层透水率，表明地层透水性存在明显的“上强下弱” 特征，上部地层透水率相对较大，为中等至强透水层；下部地层透水率相对较小，为弱透水层。 据此可判断灯影组白云岩含水层上部地层（Z2 dn2）导水通道发育，可注性好；下部地层（Z2dn1）完整性好，导水通道以溶隙裂隙网路为主，需采取优化黏土水泥浆配比、高压注浆等控制措施确保充足注入量保证注浆堵水效果。
图4 S1、S2 钻孔各注浆段透水率
Fig.4 Lugeon value for each grouting section of grouting borehole of S1 and S2
从图4 可知， S1 孔注浆结束后，S2 孔注前压水试验得到地层透水率没有明显改善，S1 孔与S2 孔间距6.0 m，这表明孔间距取6.0 m 太大，有效堵水帷幕厚度不够。 因此，S2 钻孔进行注浆施工，注浆结束后，再进行S3 钻孔施工。
4.3 S1、S2 钻孔注浆试验
4.3.1 浆液配比
针对灯影组含水层（Z2 dn1、Z2 dn2）2 个岩性段水文地质条件的差异，需研究不同配合比的黏土水泥浆，满足注浆工程需要。 浆液室内配比试验依据正交 试 验 设 计 方 法［20］ 进 行，取 原 浆 密 度（T1，g／cm3）、水泥用量（T2，kg）、结构添加剂量（T3，L）为控制因素，进行3 因素3 水平试验，测试浆液塑性强度随龄期增长规律，得出适合溶蚀白云岩地层注浆的最优浆液配比组合（T1-T2-T3）。 试验黏土取自工业广场第四系黏土，塑性指数为42.3，小于2 μm黏粒含量占比41.7%。
试验得到黏土水泥浆浆体塑性强度增长趋势如图5 所示，从中可以发现结构添加剂对浆体塑性强度的影响最大，水泥的影响次之，而原浆密度的影响最小，注浆过程中主要通过调整结构添加剂和水泥的用量来满足施工对浆液黏度和塑性强度的要求。
在注浆过程中，原浆密度宜在1.15 ～1.22 g／cm3，灯影组第2 段注浆压力低时，每方浆液中水泥加入量宜为200～250 kg，结构添加剂的加入量宜为20～30 L。 灯影组第1 段注浆压力高，浆液难以注入时，水泥加入量宜为100 ～150 kg，结构添加剂的加入量宜为15～20 L。
图5 浆体塑性强度增长趋势
Fig.5 Plastic strength of clay-cement grout with different mix ratios
4.3.2 注浆过程
S1 孔分7 个注浆段，共进行注浆施工27 次，合计注浆2 192 m3； S2 孔分8 个注浆段，共进行注浆施工31 次，合计注入1997 m3；S1 孔前3 段注浆量为1 430 m3，占该孔总注浆量的65.2%；后3 段注浆量为762 m3，占该孔总注浆量的34.8%。S2 孔岩帽段至第3 段注浆量为1 463 m3，占该孔总注浆量的73.2%，第4 段以下注浆量为534 m3，占该孔总注浆量的26.8%。 每米钻孔注入量随埋深大致呈减小趋势，表明地层透水性“上强下弱”特性。
灯影组第2 段（Z2dn2）部分注浆层位受构造作用影响明显、溶蚀裂隙发育，地层透水率较大，注浆过程中存在压力升压缓慢，浆液超扩散现象，部分注浆段水泥基注浆材料亦具有可注性，黏土水泥浆可注性良好。 为避免浆液浪费，注浆过程中采取使用高黏度浆液多次复注、控制单次注浆量［21］、采用混合式注浆工艺，增加注浆间歇时间等技术措施。 以S1 孔第3 段注浆为例，第3 段（185 ～225 m）遇破碎带，前3 次注浆压力均较小，且存在第3 次注浆压力甚至小于第2 次注浆压力的异常现象，而此时该段注浆量已达到400 m3。 该段后续注浆试验控制单次注浆量，每次注入量控制在50 m3 左右。 为了延长凝结时间（48～72 h），先进行第4 段施工，再返回来进行第3 段注浆施工。 第3 段后续第6 次、第7次注浆时压力得到明显上升，继续注入172 m3后结束该段注浆，见表2。
表2 S1 第3 段注浆施工注入量统计
Table 2 Statistics of grout volume of section three for borehole S1
注浆次序注浆压力／MPa 注浆量／m3终止最高最低注浆量合计日期（月-日）1 1.4 1.5 0.8 150 02-06 2 1.7 1.7 1.0 150 3 1.2 1.4 0.8 100 4 1.3 1.3 0.7 50 5 1.2 1.4 1.0 42 6 2.6 2.8 1.4 72 7 3.0 3.8 2.0 100 664 02-07 02-20 02-21 02-22 02-24 02-27
第1 段（Z2dn1）透水率较小，水泥基注浆材料在地层不具备可注性，黏土水泥浆可注性较好，个别注浆段存在注水压力低、注浆压力高现象，通过岩层预处理手段、注入低黏度黏土水泥浆、高压预压裂等注浆工艺，保证了黏土水泥浆可注性。
4.4 S3 钻孔压水及取心结果
S1 孔与S2 孔注浆结束后，S3 注前压水试验得到各段地层透水率分别为：0.77、0.68、0.65、0.58、0.58、0.28 Lu，地层透水率大幅降低。 同时S3 钻孔进行了取心试验，且岩心取到了浆液结石体。 孔深92.3 ～93.8 m 段取得一块包含浆脉的岩心图6 所示，该块岩芯长约12 cm，存在2 条被浆液充填的微小裂隙，裂隙宽度为1 mm 左右，浆液充填饱满。 孔深110.2～111.9 m 取得岩心总长71 cm，其中一块长约40 cm 的完整岩芯的溶蚀裂隙中存在浆液结石体，如图7 所示。
图6 S3 孔92.3—93.8 m 包含浆脉岩心照片
Fig.6 Pictures of core contain grout consolidation in borehole S3 in depth from 92.3 to 93.8 m
图7 S3 孔100.2—111.9 m 包含浆脉岩心照片
Fig.7 Picture of core contain grout consolidation in borehole S3 in depth from 100.2 to 111.9 m
4.5 注浆参数确定
4.5.1 浆液扩散半径及孔间距
由于灯影组含水层岩溶裂隙发育不均匀，浆液在岩层中的扩散是不规则的，扩散距离一般随岩层透水性、裂隙开度、注浆压力、注浆时间的延长而增大，至今尚无实用的计算方法，生产实践中根据凿井实测和工业性试验研究确定。 根据回风井地面预注浆试验，S1 孔与S2 孔间距6.0 m，S1 孔施工结束后，S2 孔注前压水试验得到地层透水率没有明显改善，同时注浆施工第1 至第3 段注浆量仍较大，这表明孔间距取6.0 m 太大，帷幕厚度不够。 由S3 孔注前压水试验表明，第1 至第6 段地层透水率分别为：0.77、0.68、0.65、0.58、0.58、0.28 Lu，地层透水率大幅降低，同时S3 岩芯取到了浆液结石体；这表明黏土水泥浆在灯影组白云岩有效扩散距离大于3 m，小于6 m。 参考类似帷幕注浆工程案例，取有效扩散半径4 m，孔间距根据井筒荒径和有效扩散半径取值4.0～4.5 m。
4.5.2 注浆段高与注浆终止标准
黔南地区灯影组白云岩厚度达300 m，在以细小裂隙为主的稳定地层注浆段高为70～100 m，破碎地层注浆段高为30～50 m。 各注浆段注浆终止标准需满足注浆量和注浆终压2 个参数均满足要求，每米注浆量约40 m3井筒（井筒净径6m），注浆终压达到2.5～3.0 倍静水压力。 S3 注浆结束后，各注浆段压水试验地层透水率均小于0.3 Lu，根据《立井井筒地面预注黏土水泥浆技术规范》，井筒剩余涌水量满足不大于10 m3／h 要求，达到注浆终止标准。
5 结 论
1）灯影组白云岩含水层黏土水泥浆具有可注性灯影组第2 段Z2dn2部分岩层受构造影响，可注性好，且需要采用高黏度浆液多次复注、控制单次注浆量、增加注浆间歇时间等技术措施控制注浆量。 灯影组第1 段Z2dn1存在空隙连通性差，注浆压力明显高于压水压力的情况，通过调整浆液配比，低黏度黏土水泥浆具有可注性，必要时配合“岩层预处理”手段后，并提高注浆压力，增强了黏土水泥浆的可注性，可确保灯影组下部岩层的注浆质量。
2）确定了布孔圈径及注浆工艺参数。 通过S3钻孔取心及压水成果分析，得到合理孔间距范围为4.0～4.5 m；通过3 个钻孔注浆研究，黏土水泥浆可作为灯影组白云岩含水层的注浆材料，并研究出原浆密度和成品浆液密度的推荐值、浆液有效扩散半径范围、注浆段高等井筒帷幕注浆参数。
3） 钻孔压水试验是定量评价注浆效果的可靠方法，明确了黔南地区灯影组含水层地面预注浆效果检查的判断准则，即最后一个注浆孔压水试验对应的透水率q≤0.3 Lu 可达到井筒帷幕注浆堵水要求。
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