富水溶蝕白云巖地層井筒地面預注漿技術研究

周禹良 李 斌 楊 雪

(1.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013;2.礦山深井建設技術國家工程研究中心,北京 100013;3.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京 100083)

我國西南地區富水溶蝕白云巖含水層分布廣泛, 礦井水害防治難度極大[1-2]。井筒作為地下開采的咽喉,是礦山建設的關鍵工程[3-4]。若鑿井期間井筒涌水量過大或發生突水淹井,將造成巨大的經濟損失,并嚴重影響建井周期[5-7]。因此,有效封堵基巖含水層對保證井筒安全快速掘砌十分重要。注漿技術是地下工程水害防治的主要方法之一,不僅能夠封堵地層導水通道,而且能夠實現對破碎圍巖的永久加固。井筒注漿技術可分為地面預注漿和工作面注漿[8]。工作面注漿受井下作業空間限制,且與掘砌交替施工,注漿效率低;地面預注漿可與井筒掘砌同時作業,具有工藝成熟、鉆注效率高等優點,是封堵井筒基巖大厚度含水層或多層含水層的首選方法[9-10]。近年來,地面預注漿技術在礦山井筒水害防治中應用廣泛。安許良等[11]分析了新疆漢水泉礦區侏羅系地層可注性并進行了井筒地面預注漿設計。陳振國[12]介紹了鐵礦溜破硐室地面預注漿鉆孔結構優化技術,在保證堵水效果基礎上降低施工成本。賀文等[13]研究提出了千米盲豎井穿越富水地層的分段預注漿工藝,堵水應用效果良好。王志曉等[14]進行了霍爾辛赫煤礦立井井筒地面預注漿技術研究,確保進風立井井筒工程安全快速施工。陳龍等[15]介紹了麻家梁煤礦2號進、回風立井地面預注漿施工技術,縮短了建井工期。

目前,我國西南地區磷礦資源已進入大規模開發階段[16-17],高水壓強富水白云巖地層給許多在建或待建的豎井井筒或其他地下工程造成嚴重的水害威脅[18-19]。因此,開展特厚富水溶蝕白云巖地層井筒地面預注漿技術研究十分必要。本文針對溶蝕白云巖含水層水文地質特征,結合現場注漿試驗和數值模擬研究,分析了白云巖含水層可注性,獲得了合理孔間距、注漿壓力等地面預注漿工藝參數,為類似條件井筒防治水提供參考。

1 工程背景

1.1 礦井概況

老虎洞磷礦位于貴州省黔南自治州甕安縣銀盞鎮。井田面積約6.26 km2,產能44 Mt/a。該礦采用豎井開拓,布置主井、副井、1#進風井、回風井4 個井筒。由于礦層埋藏在震旦系高水壓強富水溶蝕白云巖含水層之下,井筒水害防治形勢嚴峻。2007 年,該礦擬建主斜井在開掘至斜長97 m 時,溶蝕白云巖中的承壓水噴涌流量為140 m3/ h,造成突水淹井。因此,老虎洞磷礦井筒穿越的白云巖地層水防治難度大、危險性高,井筒開掘之前必須采用專門的防治水技術,保證安全快速建井。

1.2 地質條件

礦區地層由淺至深依次為第四系(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)。礦井典型水文地質剖面如圖1所示,井田位于白巖背斜西翼,屬于單斜構造,區內斷裂構造較發育,以北北東向為主,分布于白巖背斜軸部附近,規模較大。場區含水層與隔水層在構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造控水、封閉式泉排泄型巖溶地下水系統。牛蹄塘組炭質泥巖與下伏的震旦系白云巖含水層呈平行不整合接觸,是區內良好的隔水層。震旦系白云巖地層為溶蝕型含水層,厚270 ～330 m,水壓高、富水性強,是影響井筒安全掘砌的主要威脅。

圖1 老虎洞磷礦水文地質剖面Fig.1 Hydrogeology profile of Laohudong Phosphorite Mine

2 井筒地面預注漿試驗

2.1 地面預注漿試驗方案

考慮井筒穿越巨厚富水白云巖含水層的實際情況,老虎洞磷礦擬采用地面預注漿技術作為井筒堵水方案。為了分析溶蝕白云巖地層可注性,獲取地面預注漿工藝參數并優化井筒注漿帷幕設計,選取回風井場地開展溶蝕白云巖含水層地面預注漿試驗?；仫L井井筒凈徑?8.5 m,深381 m,穿越白云巖含水層厚301.26 m。井筒地面預注漿試驗鉆孔布置如圖2(a)所示,在與回風井井筒同心的圓周上布置3 個注漿試驗孔(T1～T3)和一個檢查孔C1鉆孔。試驗鉆孔布孔圈徑?12 m,T1與T2鉆孔間距為6.0 m,T3鉆孔位于T1和T2孔中間,孔間距3.11 m;C1鉆孔位于T1和T3孔中間,孔間距1.57 m。試驗孔鉆孔結構如圖2(b),套管段85 m,孔徑?219 mm,注漿段300 m,孔徑?133 mm,試驗孔孔深385 m。首先進行T1、T2孔注漿試驗,注漿結束后,T3孔作為檢查孔,開展鉆孔取芯和壓水試驗,若注漿堵水效果滿足要求,則取消C1孔,并據此優化井筒地面預注漿工程設計;若T3孔不能明確地層可注性和合理孔間距,則進行T3孔地面預注漿試驗,并繼續以C1孔檢查注漿效果。

圖2 現場注漿試驗鉆孔布置及鉆孔結構Fig.2 Layout and structure of the borehole in the field SPG test

2.2 現場注漿試驗

回風井井筒地面預注漿試驗完成壓水試驗45次,注漿量為5 687 m3。試驗孔各注漿段的注漿量及注漿終壓如圖3所示。T1孔和T2孔前3 注漿段的注漿量明顯大于深部后3 段注漿量。以T1孔為例,前三段注漿量為1 404 m3,占該孔總注漿量的79.5%,深部的后3 段注漿量為362 m3,占該孔總注漿量的20.5%。注漿壓力隨深度加深而增大,各段注漿終壓均達到2.5 倍靜水壓力。T1孔和T2孔深部白云巖含水層上段地層注漿量較小,如T1孔第6 段,該段段高55 m,注漿量僅72 m3,每米鉆孔平均注漿量1.3 m3,而此時注漿壓力已接近3 倍靜水壓力。注漿量太小,明顯不能滿足井筒堵水需要。因此可以判斷下部地層導水通道連通性相對較小,應該繼續提高注漿壓力增加漿液注入量,保證堵水效果。T3孔注漿試驗中,下段白云巖含水層注漿終壓在3 倍靜水壓力基礎上,再增加3～5 MPa。增加注漿壓力后,與T1孔和T2孔比較,T3孔后3 段注漿量明顯增大,T1孔和T2孔后三段注漿量平均值為149.3 m3,T3孔后三段注漿量平均值為312 m3,增幅達108.9%。因此,增加注漿壓力可明顯改善地層可注性。

圖3 試驗孔各段注漿量及注漿終壓Fig.3 Grout takes and final pressure of each stage of the testing borehole

2.3 壓水試驗成果分析

壓水試驗是評估地層透水性和檢驗注漿效果的重要手段,壓水試驗過程如圖4(a)所示。地面記錄壓水流量Q和泵壓Pm,試驗段段長L,其有效壓力Pt根據公式(1)換算。各段鉆孔完成后,沖洗鉆孔,進行第一次壓水試驗,揭示地層初始滲透性,壓水結束后直接進行注漿。后續每次注漿前均進行一次壓水試驗,了解地層透水率變化情況。鉆孔透水率q通過公式(2)計算。

式中,Pt為試驗段實際壓力,MPa;Pm為地面泵壓,MPa;Ph為液柱壓力,MPa;Pw為地下水水壓,MPa;Pr為管路摩擦水頭損失,MPa。

注漿前,T1孔與T2孔各段地層透水率變化情況如圖4(b)所示,T1孔最大透水率為12.7 Lu,最小值為0.9 Lu,均值 5.81 Lu;T2孔透水率最大值為22.2 Lu,最小值為0.8 Lu,均值為7.8 Lu。從圖中可以看出前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。據此,可判斷白云巖含水層上部地層可注性好;下部地層存在可注性,但可注性小于上部地層,需采取高壓注漿等控制措施增加漿液注入量來保證堵水效果。

圖4 壓水試驗示意圖及鉆孔各段透水率Fig.4 Schematic diagram of water pressure test and permeability of each section of borehole

3 地面預注漿工藝參數研究

3.1 合理孔間距

3.1.1 注漿試驗結果分析

從圖4(b)可以看出,T1孔注漿結束后,T2孔注前壓水試驗得到地層透水率并沒有明顯減小,T1孔與T2孔間距6.0 m,這表明孔間距取6.0 m 太大,不滿足堵水需要。因此,T2鉆孔注漿后,進行T3鉆孔鉆注試驗。而T3孔注前壓水試驗得到各段地層透水率q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T3鉆孔進行了取芯試驗,獲得了包含漿液結石體巖芯(見圖5),漿液結石體對裂隙和溶蝕孔隙充填飽滿。壓水試驗及取芯結果表明,孔間距3.11 m(T1孔與T3孔距離)完全滿足堵水要求且存在一定富裕,合理孔間距應該大于3.11 m,小于6.0 m。

圖5 T3 孔包含漿液結石體巖芯照片Fig.5 Pictures of clay-cement grout stone in cores of borehole T3

3.1.2 數值模擬分析

為了進一步確定合理孔間距,采用COMSOL Multiphysics 模塊對漿液擴散范圍進行模擬研究。因為淺部上段地層透水率大于下段,滿足下段地層漿液擴散范圍的孔間距自然滿足上段地層要求,因此采用深部注漿段進行模擬研究。如圖6(a)所示,將地層簡化為等效連續介質,建立二維平面分析模型,注漿孔位于模型的中部,施加流速與壓力邊界條件,模型四周邊界為給定壓力邊界條件。模型孔間距d在3.11～6.0 m 之間調整,通過模擬不同孔間距形成的注漿帷幕厚度,獲得滿足要求的最優孔間距。對于漿水兩相流,其控制方程為

式中,θ為地層等效孔隙率;k為滲透系數,m/d;μ為流體動力黏度,Pa·s;P為壓力,Pa;ρ為兩相平均密度,g/cm3。

式中,ρg和ρw分別為漿液和水的密度,kg/m3;Sg和Sw分別為漿相和水相飽和度,且Sg+Sw=1。

對于導水通道完全被漿液充填的注漿區域,漿相飽和度Sg為1,漿液擴散區域外,地層空隙中全是地下水,漿相飽和度Sg為0。漿水混合區,漿相飽和度Sg在0～1 區間變化。由于有效堵水帷幕厚度需扣除井筒內注漿帷幕厚度和鑿井開挖破壞深度。取有效堵水帷幕厚度6.0 m,可以計算得到交圈注漿帷幕厚度不小于14.3 m。圖6 給出了漿液驅替地下水的模擬結果。當孔間距3.11 m 時,2 個鉆孔的注漿范圍交圈重疊,有效注漿帷幕厚度18.7 m,如圖6(b)所示?？组g距為6.0 時,鉆孔圓形注漿范圍交圈不充分,有效帷幕厚度不足,如圖6(d)所示。通過不斷調整模型孔間距,最終得到有效堵水帷幕厚度為14.3 m 時的最優孔間距為4.5 m,詳見圖6(c)。

圖6 數值模型及模擬結果Fig.6 The numerical model and results of the simulation

3.2 注漿壓力

注漿壓力是漿液滲入導水通道并擴散的驅動力,一般認為注漿壓力與埋深和裂隙開度相關?；诿旱V砂巖地層注漿經驗,Yang和Wang[7]提出當裂隙開度大于10 mm 時,注漿終壓為靜水壓力的1.6 ～2.0倍。裂隙開度小于10 mm 時,注漿終壓為靜水壓力的2.0～2.5 倍?；仫L井淺部地層存在斷層和破碎帶,導水通道極為發育,漿液超擴散現象嚴重,注漿壓力升壓緩慢,難達到2.5 倍注漿壓力。圖7(a)為T1孔第3 段(185～235 m)注漿壓力變化情況。前2 次注漿壓力均較小,第3 次注漿壓力存在降低現象,而此時該段注漿量已為400 m3。T2孔第2 段(135 ～185 m)也類似出現了注漿壓力升壓緩慢(見圖7(b)),注漿量超出預期?？紤]白云巖地層富水性強于砂巖,且為承壓含水層,若降低注漿終壓,則存在堵水有效性降低的風險,因此仍采用2.5 倍靜水壓力結束標準,但需要采取控制措施,提高壓力,減少漿液浪費。對于深部地層,從圖3 可以看出,試驗前期T1孔和T2孔在白云巖含水層下段注漿量均較小,平均每米鉆孔注漿量僅1.3 m3。后續T3孔在下段注漿試驗中,將注漿終壓在3 倍靜水壓力基礎之上再增加3～5 MPa,結果平均每米鉆孔注漿量提高到6.2 m3。因此為保證堵水效果,白云巖含水層下段注漿應提高注漿壓力以增加漿液充足注入量,注漿終壓應在3 倍靜水壓力基礎之上再增加3～5 MPa。

圖7 注漿壓力變化情況Fig.7 Changes of the grouting pressure

3.3 注漿控制技術

為避免淺部地層中漿液超距擴散造成漿液浪費,試驗了注稠漿、添加速凝劑和增加注漿間歇時間等技術措施。注稠漿和添加速凝劑效果均不明顯,延長凝結時間(48～72 h)對壓力升壓影響明顯,但注漿效率明顯下降。為了避免延長凝結時間造成注漿效率降低,現場試驗提出采用混合式注漿方式來保證鉆注效率?；旌鲜阶{示意圖如圖8所示,也就是在上一段注漿未達到終壓結束時,開始下一注漿段鉆探,完成下一段第一次注漿后再提高注漿塞進行上一注漿段注漿?，F場試驗表明采用混合式注漿方式的缺點是增加了掃孔鉆進長度,但該注漿方式可提高注漿壓力,通過縮短總體注漿時間提高鉆注效率約20%左右。

圖8 注漿方式示意Fig.8 Schematic diagram the grouting mode

4 井筒地面預注漿堵水效果

4.1 回風井地面預注漿效果

根據現場注漿試驗和數值模擬試驗結果,老虎洞磷礦富水白云巖地層井筒地面預注漿最優孔間距為4.5m?？紤]布孔圈徑和注漿“分序對稱”施工工藝,回風井后續注漿孔間距取4.38m,孔間距越小將形成更厚的有效堵水帷幕。除試驗孔3 個鉆孔外,后續地面預注漿鉆孔6 個。如圖9所示,數值模擬得到回風井交圈帷幕厚度14.7 m,滿足堵水要求。注漿結束后采用壓水試驗檢驗注漿效果。根據壓水試驗結果,計算各段滲透系數及涌水量列于表1。以第2 壓水段(137～287m)為例,地層滲透系數k為1.286 41×10-3m/d,井筒涌水量Qin為2.91 m3/h。對比不進行注漿時井筒涌水量365 m3/h,堵水率為98.04%。

圖9 回風井有效注漿堵水帷幕厚度模擬結果Fig.9 Simulation of the effective thickness of the grouting curtain for the ventilation shaft

表1 回風井井筒預測涌水量Table 1 Water inflow prediction by WPT for air return shaft

4.2 1#進風井地面預注漿效果

1#進風井筒地面預注漿鉆孔落點圈徑為?11 m,設計孔間距為4.21 m,共布置8 個注漿孔,注漿段埋深280 ～608 m,注漿總段高328 m。注漿過程中,地層透水率變化情況如圖10所示。注漿前,地層初始透水率介于0.94 ～3.63 Lu,屬于中等—強透水性地層。一序孔注漿結束后,地層透水率降為0.62～1.25 Lu,完成對地層中的主要導水通的封堵。二序孔注漿繼續封堵地層中剩余的細小導水通道,注漿結束后,地層透水率介于0.22～0.48 Lu,各段地層透水率降低至0.5 Lu 以下。與地層初始透水率比較,注漿結束后地層透水率大幅降低,地層由弱—中等透水性轉變為微透水地層。1#進風井井筒涌水量估計為121 m3/h。地面預注漿完成后,壓水試驗結果表明:280 ～480 m段井筒涌水量預計為1.62 m3/h;480 ～608 m 段井筒涌水量預計為3.55 m3/h,注漿堵水率95.7%。

圖10 1#進風井各注漿段透水率變化情況Fig.10 Lugeon value of each grouting section of air intake shaft No.1

5 結 論

井筒水害防治對保證豎井安全快速施工極為重要,通過井筒地面預注漿試驗結合數值模擬分析,研究了富水溶蝕白云巖中漿液擴散特征,確定了注漿工藝參數,得到如下結論:

(1)采用壓水試驗、鉆孔取芯和COMSOL Multiphysics 模擬技術研究了漿液擴散范圍,確定富水溶蝕白云巖含水層井筒預注漿合理孔間距為4.5 m。老虎洞磷礦巨厚白云巖含水層整體可注,且上段地層可注性好于下段。下段地層可注性相對較弱,需采用高壓注漿等方式保證充足注漿量。

(2)老虎洞磷礦白云巖含水層上段受斷層破碎帶影響,導水通道發育,漿液嚴重超距擴散,需采取控制措施防止浪費。延長凝結時間對提高注漿壓力作用明顯,但需采取混合式注漿方式保證鉆注效率。

(3)注漿過程中地層透水率降幅明顯,與注漿前相比,各注漿段地層的透水率均降低至0.5 Lu 以下,地層由中等透水性地層轉變為微透水地層。壓水試驗檢驗得到回風井和1#進風井井筒地面預注漿堵水率分別為98.04%和95.7%。