贵州瓮安生物群化石核心保护区地下采空治理研究

徐一帆 何涛 贺安慧

(1 贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队，贵州贵阳550081；2 贵州地质工程勘察设计研究院，贵州贵阳550081）

贵州省瓮安生物群被认为是继澳大利亚埃迪卡拉动物群和中国云南澄江动物群之后古生物学界的又一重大发现，瓮安生物群的发现和研究，对生物圈形成和发展、生物结构及其功能的进化、物种分异与生存环境的关系等有重要意义，已成为当代生命理论自然科学研究的热点之一［1-4]。瓮安生物群化石库展示了寒武纪后生生物大爆发和埃迪卡拉生物群出现以前早期多细胞生物的生命景观，为研究早期生命从简单到复杂进化过程提供了重要化石记录，成为了解地球早期真核生物多细胞化、组织分化、两性分化和形态多样性的见证与研究早期后生动物起源与演化的重要窗口之一。瓮安生物群化石的重要性主要体现在两个方面，一是这里保存了迄今全球最古老的动物化石；二是瓮安独特的磷酸盐矿，使化石三维立体结构得以保存，其精细程度远超常规化石。因其属于微体古生物化石，不像宏体生物化石凭肉眼可以观察与鉴赏，在社会与广大民众间，未及时进行广泛的成果科普与重大意义的宣传报道；科学界、地方政府、矿山企业对瓮安生物群化石具体保护及保护措施等沟通交流的非常态化与欠缺，未及时划定专门的瓮安生物群古生物化石产出的有效保护地层剖面与具体的保护范围。产出瓮安生物群的北斗山地区，为贵州省三大磷矿产出基地之一，目前瓮安县主要财政收入来自磷矿及其附属产业，近年随着磷矿开采规模与强度的加大，使产出瓮安生物群的地表地层剖面遭到严重的毁损性破坏。因此，研究磷矿采空区治理特别是注浆布置、孔径、扩散半径、注浆顺序、浆液材料配比及注浆工艺，对贵州瓮安生物群化石保护具有一定的意义［5-8]。

1 概况

贵州瓮安生物群产出于黔南瓮安县城西南的白岩—大塘—北斗山一带的磷矿产出区内，地理坐标：北纬27°00′ 40″ ～27°04′ 11″ ，东经107°22′ 42″ ～107°04′ 11″ 。瓮安生物群化石保护区位于西缓东陡的歪斜棱形褶曲的白云背斜东翼，轴向NE 20°~30°，西翼岩层产状一般25°~35°，近肘部地段宽缓，略具有波状起伏，越背斜轴向东岩层产状急剧变陡，尤其在磷矿层附近岩层产状变化较大，产状从100°∠8°急剧变化到116°~138°∠43°~50°，随着深度的增加倾角变得更陡，局部近于直立。保护区发育两条断层，断层倾向南东，倾角40°~73°，断面光滑，沿走向倾向均呈舒缓波状。破碎带宽0.8 m，由断层角砾及断层泥组成，局部具糜棱化现象。断层两侧伴生牵引构造，断距10 m，均为逆断层性质。受断层影响，岩体内节理发育。保护区出露地层为青白口系板溪群鹅家坳组(Qbe)变余砂岩、南华系上统南沱组(N2hn)砾岩、震旦系下统陡山沱组(Z1ds)及震旦系上统灯影组(Z2dy)。

贵州瓮安生物群化石保护区包括3个核心保护区，1号核心保护区东西长120 m，南北宽45 m，面积5 470 m2；2号核心保护区长270 m，南北宽150 m，面积37 762 m2；3号核心保护区东西长155 m，南北宽75 m，面积11 370 m2。保护区内以及周边分布瓮安磷矿大塘矿段、瓮安磷矿矿段、磷化工公司玉华磷矿及瓮福磷矿大信北斗山矿段。在瓮安生物群主要产出的大塘矿段至石人坳至北斗山一线，地表采矿活动剧烈，地表磷矿几乎已采空，特别是在瓮安生物群发育最好的石人坳至北斗山一带，近年地表采矿活动极为剧烈，除2号核心保护区产出瓮安生物群的陡山沱组地层剖面被地表开采揭露二出露完整外，1号核心保护区已出露不完整，3 号核心保护区仅残存陡山沱组下部，产出瓮安生物群的中上部磷矿层地表已基本采空。

2 地下采空区治理

采空区崩顶带尚未完成变形或冒落过程，对生物群化石的保护存在威胁。因此，采取钻孔注浆加固，防止继续崩顶破坏化石面。岩体注浆加固工程为隐蔽工程，未知影响因素较多，一次性投资巨大。根据地层岩性、断裂构造、节理裂隙、空腔发育特征及试验注浆出现的问题等情况及时调整，动态施工不断优化方案设计以保证工程注浆加固质量。工程治理区域为2、3号化石核心保护区，1号核心保护区下方无采空区分布暂时不考虑注浆加固。2 号核心保护区注浆加固区长度152 m，宽度48 m，面积7 296 m2；3 号核心保护区注浆加固区长度约52 m，宽度75 m，面积3 900 m2。

2.1 注浆浆液

注浆工程的目的是加固生物群保护区内采空崩顶带，属永久性加固工程。因此，要求注浆浆液结石体具有较高的强度和抗侵蚀能力。工程预计注浆量大耗材多，考虑到材料采购及成本问题，注浆原料必须来源广泛且价格适中；另外，注浆对环境会造成一定污染，应尽量选取对环境污染较小的注浆材料。根据类似注浆经验，水泥浆及水泥基混合浆结石体强度高、耐久性好、性质稳定且污染小，对环境影响较小，另外，其还具有黏度、凝结时间等主要参数可调节性强的特点，能满足工程需要。固结灌浆采用水泥强度等级不低于P.032.5 号，掺合料使用注浆常用的砂及粉煤灰，制成不同配比的水泥浆、水泥砂浆及水泥粉煤灰浆做浆液可注性的对比试验，从中选出适合本区地层的浆液，作为大规模注浆浆液使用（见表1）。

表1 浆液物理力学参数

采用水泥基浆液注浆成本适中，水泥基浆液具有结石强度高、耐久性好、可注性较好的特点。因此，采用纯水泥浆及水泥基混合浆注浆；实际注浆时按试验区注浆结果根据地层特点选用合适的浆液及配比。拟定注浆参数为：水泥浆水灰掺合料比1∶1∶0.5，段次注入量大于钻孔设计吸浆量50%仍不升压时，采用间歇式注浆，继续注浆考虑浆液加浓一级，间歇时间2 h，间次浆量50 m3。浓浆及混合浆主要用于特殊情况处理，如封堵钻孔揭露的空腔、大裂隙时可根据钻孔实际情况提高浆液浓度或更换混合浆，实施低压慢注、间歇式注浆等处理措施，必要时调整浆液凝结时间。C10细石混凝土主要用于边界钻孔封堵大的裂隙或空腔时使用。

2.2 注浆深度

从放坡地面起至垮落带高度范围，垮落带高度可由《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范规范》［9]推荐裂缝带高度计算公式：

式中，

Hm：垮落带高度，m；

Hli：导水裂缝带的最大高度，m。

2.3 浆液扩散半径

水泥浆是具有固相颗粒的非均质流体，近似服从宾汉流体浆液扩散模型，浆液扩散半径R 可按下式计算；

式中，

P：注浆压力，MPa；

δ：缝隙宽度，m；

τ：浆液屈服强度，Pa；

2.4 注浆孔布置、间距及顺序

注浆钻孔采用方形布置，则钻孔间距可按下式计算；

式中，

a：注浆孔间距，m；

R：浆液扩散半径，m；

计算得出注浆孔间距为15 m。因此，一般注浆孔采用15×15 m孔距，边界处注浆孔加密间距为7.5 m。注浆加固区工程地质条件复杂，为了最大限度地摸清塌腔范围、裂隙发育特征，所有注浆钻孔均作为勘、注一体钻孔施工。注浆2区设计一般注浆孔数量30 个，设计进尺1 935 m，孔间距15×15 m，边界注浆孔10个，设计进尺704 m，估算注浆量81 943 m3，估算注C10细石砼量1 363 m3；注浆3区设计一般注浆孔24 个，设计进尺1 104 m，孔间距15×15 m，边界注浆孔11个，设计进尺535 m，估算注浆量19 431 m3，估算注C10 细石砼量1 110 m3。检查孔待注浆基本完成后根据注浆情况布设，补强加密孔根据注浆检查结果在注浆薄弱部位布设。

根据相关规范及经验，采取先周边后中间、分序跳孔注浆的措施，实施顺序是先实施采空区两侧边界注浆孔注浆，形成帷幕阻断后续注浆浆液可能的外泄通道；然后内部注浆钻孔再分两序实施注浆（即跳孔注浆），先实施Ⅰ序孔注浆，再实施Ⅱ序孔注浆，分序原则为裂隙发育区为Ⅰ序注浆孔，紧邻Ⅰ序注浆孔周边为Ⅱ序孔。

2.5 注浆量概算及技术要求

注浆量依据注浆量公式计算：

式中，

Q总：采空区总注浆量，m3；

S：为采空区治理面积，m2；

m：采空矿层厚度，m；

ΔV：采空区剩余孔隙率，%；

K：回采率，%；

A：注浆总量浆液损耗系数，取值在1.0~1.5之间；

η：注浆充填系数，取值在0.75~0.95之间；

C：浆液结石率，取值在0.7~0.95之间。

浆液配制浓度误差≤5%，钻孔偏斜率≤1.5%，安装深度距设计孔底≤3m，必须加压注浆，注浆压力控制在设计压力±30%以内（特殊情况也不得超过50%），裂隙、空腔充填率≥80%，结石体强度≥1Mpa。

2.6 注浆工艺

注浆方式：根据注浆相关科学研究，离射浆口距离增加注浆压力逐渐损失，注浆段越长压力损失越明显。因此，建议本工程采用自上而下分段注浆，采用止浆塞封闭加压注浆为主，浅部裂隙发育或破碎段也可采用孔内循环或孔口循环的全孔注浆方式。建议注浆段高10 m，具体分段长度可由现场试验确定，裂隙、空腔发育部位可适当缩小分段长度，岩体较完整部位分段长度可适当增加。边界孔注浆采用自上而下分段注浆，遇到空腔或大裂隙时采用C10 细石混凝土封堵，封堵完后待凝10 h后扫孔继续钻进注浆。

注浆工艺流程：测量放孔—钻机定位—成孔—制浆—灌浆—待凝14天—注浆质量检测。

注浆压力：注浆压力是给予浆液扩散、压实的能量。在保证注浆质量的前提下，压力大扩散的距离大，也有助于提高结实体强度。为保证浆液在裂隙中的扩散距离并压密固结，采用加压注浆方式，初步设计注浆终压为0.3 MPa～1.0 MPa，由于注浆压力受地层的结构、初始注浆的位置和注浆序次、注浆方式等因素影响，注浆时通过现场试验确定不同深度段次的合理压力区间。根据类似项目注浆经验，岩体裂隙发育时，在钻孔较浅处加压注浆容易产生冒浆现象，为防止钻孔冒浆，建议施工时浅部采用较小的注浆压力；另外，为保证浆液达到设计扩散半径，建议采用随深度增加注浆压力也逐渐增大的措施加压注浆。考虑到边界处裂隙、空腔开放，边界孔首先采用自流试注浆，待钻孔注满后可适当加压，压力不超过0.3 Mpa。

注浆结束标准：在注浆正常进行的前提下，可依据以下标准结束注浆，段次注浆压力均匀持续上升达到设计终压，同时钻孔吸浆量小于20 L/min时，稳压20～30 min之后可以结束本段注浆。

注浆结束标准控制：注浆结束标准是在注浆过程中每个注浆段和每个注浆孔应达到的标准。用设计压力、钻孔吸浆率和稳定时间三个指标同时满足来确定。在各注浆段和各注浆孔均达到注浆结束标准的前提下，才能有较好的加固效果。注浆工程属隐蔽性工程，部分关键设计参数如空腔、裂隙发育特征，裂隙率等很难准确采集，为保证注浆效果，注浆孔布置、孔距、注浆方式、注浆压力、浆液扩散半径、单位注入量、段长、结束标准等参数，需在注浆过程中根据实际情况优化调整，补充优化设计方案，实践证明唯有如此才能保证注浆加固效果，有效控制工程投资，最大限度地降低对环境的污染。

空腔处理措施：根据相关资料，本区溶洞弱发育，空腔以采空区岩体垮塌形成的塌腔为主，因此，注浆孔遇到空腔时优先实施采空区边界钻孔注浆，边界钻孔注浆达标后在内部钻孔注浆。有空腔钻孔注浆根据空腔发育特征，合理采用低压慢注、限压限流、限量、浓浆混合浆、间歇注浆等技术措施。

冒浆、裂隙发育带漏浆处理措施：冒浆、裂隙发育带漏浆均是大裂隙形成浆液渗漏通道所引起，对此类钻孔应合理采用限压、限流、限量、低压慢注、浓浆混合浆、间歇注浆等措施。

漏浆处理措施：造成钻孔漏浆的原因有很多，如遇到塌腔、裂隙发育带、冒浆等都表现为流量大、不起压现象，如遇到钻孔漏浆时，首先停注分析查明漏浆原因，采取调整浆液配合比，加稠浆液等措施进行处理，并在资料中做好相应记录。

3 结语

贵州省瓮安磷矿开采历史悠久，因多年的采矿工程活动，在其北斗山磷矿区形成了大面积的地下采空区，因采空区覆岩变形造成地面开裂变形，地质环境遭到了破坏，处于磷矿采空区及其覆岩影响范围内的贵州瓮安生物群化石核心保护区特别是化石特征剖面遭受威胁。因此，研究磷矿采空区治理特别是注浆布置、孔径、扩散半径、注浆顺序、浆液材料配比及注浆工艺，对贵州瓮安生物群化石保护具有一定的意义。