復(fù)雜煤礦區(qū)帷幕注漿漿液及其隔水機(jī)理

王作成，李?yuàn)^強(qiáng)

(1 湖南楚湘公司，湖南 長沙，410014；2 湖南省煤炭地質(zhì)勘查院，湖南 長沙，410014)

在通常情況下，注漿方法可分為靜壓注漿法和高壓噴射注漿法兩大類。靜壓注漿法加固地基的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：漿液擴(kuò)散范圍大，注漿固結(jié)體強(qiáng)度較高，注漿漿液能充分地進(jìn)入地層中，漿液利用率高；而其缺點(diǎn)主要有：注漿漿液可控性較差，易出現(xiàn)串漿及跑漿現(xiàn)象等。為使靜壓注漿能有效控制加固范圍，又開發(fā)了袖閥管靜壓注漿法，但在深度上的可控性仍沒有得到有效解決，其漿液注入主要靠擠密和劈裂作用；加固后注漿固結(jié)體強(qiáng)度較低且漿液擴(kuò)散的均勻性較差，難以形成有效樁體狀。這種工藝方法比較適用于中粗砂及砂礫石、破碎巖石與卵礫石、軟黏土和濕陷性黃土等地層施工作業(yè)。高壓噴射注漿法加固地基優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：漿液在噴切割土體極限范圍之內(nèi)固結(jié)，漿液可控性好，不易流失到遠(yuǎn)距離的加固區(qū)域外，以置換土體方式固結(jié)，固結(jié)體強(qiáng)度高；而其缺點(diǎn)主要有：漿液擴(kuò)散范圍較小，對(duì)有結(jié)石物或硬物阻礙時(shí)無法達(dá)到所需加固范圍，漿液受噴射流動(dòng)性制約導(dǎo)致水灰比較大，固結(jié)體收縮也較大，對(duì)卵礫石地基及含有大纖維質(zhì)的腐植土注漿效果較差。該工藝方法較適用于土質(zhì)范圍為砂類土、黏性土、濕陷性黃土和淤泥地層施工作業(yè)[1-4]。在此，本文作者結(jié)合某煤礦區(qū)40多年難于治理的水害隱患及其復(fù)雜的地質(zhì)條件，采用靜壓注漿和高壓旋噴注漿時(shí)序結(jié)合的新型復(fù)合注漿技術(shù)，探討帷幕注漿阻水機(jī)理。

1 配方選型與注漿機(jī)理

1.1 注漿配方室內(nèi)試驗(yàn)研究

礦區(qū)注漿擬采用的漿液主要有單液水泥漿液、水泥水玻璃漿液和水泥粉煤灰漿液等。漿液的基料有P.0.325普通硅酸鹽水泥作和粉煤灰，外加劑有速凝劑(如三乙醇銨、水玻璃等)、早強(qiáng)劑、塑化劑、懸浮劑等，試驗(yàn)中各種測定值均采取平均值[5-11]。

1.1.1 水泥漿液的基本性能

水泥漿性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。從圖1可以看出：隨著水灰比的增大，水泥漿的黏度(曲線1)、密度（曲線2）、結(jié)石率（曲線5）和抗壓強(qiáng)度（曲線6）的性能指標(biāo)呈現(xiàn)明顯的降低態(tài)勢，而初凝和終凝時(shí)間（曲線3、曲線4）則呈現(xiàn)遞增態(tài)勢。受噴射流動(dòng)性的制約，旋噴采用的水灰比為1∶1，靜壓注漿采用水灰比為 0.7∶1～1∶1。

圖1 水泥漿性能指標(biāo)Fig.1 Performance of cement slurry

1.1.2 速凝早強(qiáng)劑對(duì)水泥漿液的影響

選取水灰比為1∶1水泥漿，分別選取未添加外加劑、3%(體積分?jǐn)?shù)，下同)水玻璃、2%三乙醇銨和5%三乙醇銨4種條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。從表1可推斷出較合適的速凝早強(qiáng)劑添加量分別是體積分?jǐn)?shù)為5%三乙醇銨和體積分?jǐn)?shù)為3%水玻璃。

1.1.3 水泥-水玻璃漿液的基本性能

(1) 凝膠時(shí)間。研究表明：在地下水流動(dòng)速度過快或出現(xiàn)溶蝕裂隙的地層進(jìn)行復(fù)合注漿加固時(shí)，需采用水泥水玻璃漿液雙液混合的方式進(jìn)行注入以使?jié){液在很短的時(shí)間內(nèi)凝固。為此，在室濕 23 ℃實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)水泥漿與水玻璃體積比為 1∶1時(shí)，研究不同的水灰比對(duì)復(fù)合漿液性能的影響，結(jié)果見圖 2；在水灰比為0.6∶1的條件下，不同的水泥漿與水玻璃的體積比對(duì)復(fù)合漿液性能的影響見圖3。

凝膠時(shí)間是指水泥漿與水玻璃相混合時(shí)起至漿液不能流動(dòng)為止的這段時(shí)間，實(shí)驗(yàn)表明：水泥水玻璃類漿液的凝固時(shí)間可以從幾秒鐘到幾十分鐘內(nèi)準(zhǔn)確控制，影響其凝膠時(shí)間的因素主要有水泥漿濃度、水玻璃濃度、水泥漿與水玻璃體積比等。

表1 速凝劑對(duì)水泥漿液性能的影響Table 1 Effect of accelerating agent on cement slurry performance

圖2 水泥漿與水玻璃體積比為1∶1時(shí)不同水灰比對(duì)復(fù)合漿液性能的影響Fig.2 Effects of ratio of water and cement on composite slurry when volume ratio of cement and water glass volume is 1∶1

圖3 水灰比為0.6∶1時(shí)不同水泥漿與水玻璃體積比對(duì)復(fù)合漿液性能的影響Fig.3 Effects of volume ratio of cement and water glass on composite slurry when ratio of water and cement is 0.6∶1

(2) 抗壓強(qiáng)度。在水玻璃濃度為40°Be′、水泥漿與水玻璃體積比為 1∶1的條件下，分析不同水灰比對(duì)漿液不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖4。從圖4可見：水泥水玻璃漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度較高，特別是早期強(qiáng)度較高，并且增長速度很快。

1.1.4 水泥-粉煤灰漿液基本性能

考慮到周邊小煤礦的采空區(qū)與湖南寧鄉(xiāng)沈家灣煤礦11采空區(qū)相通，地表水通過廢棄井口、塌陷區(qū)、裂縫帶倒灌進(jìn)入沈家灣煤礦；在漿液選型時(shí)，考慮采用水泥粉煤灰漿液與細(xì)河砂相混合的辦法以防止?jié){液流失并節(jié)約注漿成本。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，在水灰比為 1∶1的基漿中，加入不同體積分?jǐn)?shù)的粉煤灰，粉煤灰對(duì)水灰比1∶1漿液性能的影響結(jié)果見圖5。從圖5可見：考慮到漿液的滲透性能和抗壓強(qiáng)度等因素，野外施工采用水泥與粉煤灰比為1∶2時(shí)較合適。

圖4 水泥漿與水玻璃體積比為1∶1時(shí)齡期對(duì)復(fù)合漿液的抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effects of time on compressive strength when volume ratio of cement and water glass volume is 1∶1

圖5 水灰比為1∶1時(shí)水泥漿與粉煤灰體積比對(duì)復(fù)合漿液性能的影響Fig.5 Effects of volume of cement and pulverized coal ash on composite slurry when ratio of water and cement is 1∶1

1.2 漿液滲透模型及其作用機(jī)理

1.2.1 注漿液滲透模型

漿液在多孔介質(zhì)中流動(dòng)的滲流問題可以用達(dá)西定律來求解。設(shè)漿液流速為u，壓力為p。當(dāng)流動(dòng)雷諾數(shù)Re不太大時(shí)(1＜Re＜10)，根據(jù)達(dá)西定律有[12-16]：

式中：k為滲透系數(shù)?？紤]到多孔介質(zhì)的孔隙率n(即孔隙體積與總體積之比)，連續(xù)性方程為

式中：ρ為漿液密度。當(dāng)漿液壓力增高時(shí)，土的孔隙率要增大，在最簡單的情況下，有

式中：Kp為土介質(zhì)的體積模量，即產(chǎn)生單位孔隙率變化所需要的壓力變化；n0為壓力p=p0時(shí)的孔隙率。假定Kp為常數(shù)，而漿液的k與ρ在一段時(shí)間范圍內(nèi)不變，則將式(1)代入式(3)得：

式中：G=k·Kp＞0。將漿液出口取作坐標(biāo)原點(diǎn)，在球?qū)ΨQ情況下，式(4)可簡化為

但漿液壓力和速度在r=0時(shí)均為無窮大，故不宜作為未知函數(shù)求解。而流量在整個(gè)流場中都具有有限值，因此，下面以流量Q作為未知函數(shù)。因?yàn)閺较蛩僖虼?，將?5)對(duì)r求偏導(dǎo)數(shù)得：

邊界條件為：Q(0，t)=Q0(常數(shù))；Q(∞，t)=0。初始條件為：Q(r，0)=0。則可從式(6)求得任一時(shí)刻t在任一位置r的流量Q。

利用單參數(shù)數(shù)群理論和Baltzmann變換，將上述偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程，求得其相似解(即可將式(6)簡化)為

式中：η=r/；Q=Q(η)。設(shè)從0到T的平均灌漿流量為，則

對(duì)式(7)的二階常微分方程，可得：

假設(shè)當(dāng)某點(diǎn)的流量與平均流量之比Q/＜0.05時(shí)，該處無漿液，則對(duì)式(8)求解得：x0=1.55，此時(shí)，漿球半徑為

1.2.2 作用機(jī)理

復(fù)合注漿法是將靜壓注漿法和高壓旋噴注漿法進(jìn)行時(shí)序結(jié)合，首先采用高壓旋噴注漿形成樁體，再應(yīng)用靜壓注漿增強(qiáng)旋噴效果，擴(kuò)散加固漿液，防止固結(jié)收縮，消除注漿盲區(qū)。其作用機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1) 漿液對(duì)原狀土體的噴射切割作用。高壓噴射流破壞原狀土體的主要作用是噴射流的破壞應(yīng)力，當(dāng)噴嘴出口噴射流破壞應(yīng)力大于土體強(qiáng)度時(shí)，噴射流能破壞土體，其破壞力隨著距噴嘴出口距離的增加而逐漸減?。划?dāng)破壞應(yīng)力等于或小于土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，其破壞土體的深度不再增加，即達(dá)到極限破壞深度，其破壞應(yīng)力強(qiáng)度取決于噴嘴入口處的噴射壓力即泵壓。

(2) 漿液與原狀土體的攪拌置換固結(jié)作用。鉆桿在旋轉(zhuǎn)提升過程中，噴射流對(duì)土體進(jìn)行沖切破壞，在噴射流后部形成空隙，在噴射壓力作用下，迫使土粒向著與噴嘴移動(dòng)相反的方向移動(dòng)，從而與噴射流漿液攪拌混合，一部分細(xì)小的土粒被噴射漿液轉(zhuǎn)換，隨漿液帶到地面，其余的土粒與漿液攪拌混合。漿液與土混合后，經(jīng)一系列水化作用后形成具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體。

(3) 漿液對(duì)原狀土體的滲透作用。滲透注漿作用是指在壓力作用下使?jié){液充填土的孔隙和巖石的裂隙排擠出孔隙中存在的自由水和氣體，而基本上不改變?cè)瓲钔恋慕Y(jié)構(gòu)和體積。對(duì)中粗砂、卵礫石及破碎巖石等地層進(jìn)行復(fù)合注漿時(shí)，其擴(kuò)散的主要方式是漿液的滲透作用。

(4) 漿液對(duì)原狀土體的劈裂作用。劈裂注漿作用是在壓力作用下，漿液能量大于土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度而產(chǎn)生的剪切力劈入土層，在土層中形成許多似樹枝狀的漿脈。漿脈在土體中水化固結(jié)后，提高了混合土體的強(qiáng)度。對(duì)黏性土、淤泥類土和粉細(xì)砂土進(jìn)行復(fù)合注漿時(shí)，其擴(kuò)散的主要方式是劈裂作用，擴(kuò)散范圍與注漿的壓力和注漿時(shí)間成正比。

(5) 漿液對(duì)原狀土體的擠密作用。在漿液滲透注入地層或劈裂注入地層的過程中，同時(shí)還存在擠密作用。擠密作用是漿液在壓力作用下向土體中擴(kuò)張，對(duì)漿液四周土體產(chǎn)生一種擠壓力，迫使土體被擠密，從而使土體密度增加。

2 工程應(yīng)用

2.1 施工作業(yè)方案

作業(yè)方案包括：(1) 采用下行式分段注漿，遇到漏失段就注漿充填；(2) 自流式靜壓注漿，即注漿管下入到采空區(qū)，將漿液輸送到采空區(qū)，當(dāng)孔口冒漿時(shí)終止靜壓注漿；(3) 加壓注漿，即在終止靜壓注漿后，對(duì)鉆孔進(jìn)行加壓注漿，當(dāng)壓力＞3 MPa并穩(wěn)定15 min左右終止注漿；(4) 開孔孔徑為 146 mm，進(jìn)入基巖0.5～1.0 m，下孔口管終孔孔徑為91 mm；(5) 當(dāng)注漿量較大時(shí)，投入骨料(河砂)、間歇式注漿和添加速凝劑。施工工藝流程見圖6。

2.2 注漿效果分析

2.2.1 施工注漿量概述

設(shè)計(jì)注漿孔31個(gè)，6號(hào)、7號(hào)和9號(hào)注漿孔被阻撓提前終孔，終孔深度分別在2煤層底板和6煤層頂板。全區(qū)煤系地層有1號(hào)煤層、2號(hào)煤層、5號(hào)煤層和6號(hào)煤層。其中，2號(hào)煤層開采范圍廣，占總注漿量30.3%，主要注漿段在 15～28號(hào)注漿孔。各孔的施工注漿量見表2。

(1) 煤層注漿孔的注漿量與導(dǎo)水裂縫帶高度有關(guān)，與注漿孔位于采空區(qū)內(nèi)的位置有關(guān)；也與注漿序列有關(guān)，第一序列注漿量大于第二序列注漿量。

(2) 1號(hào)煤層：該采空區(qū)與沈家灣煤礦11采空區(qū)無水力聯(lián)系，但與地表小溪漏失量有關(guān)且與大隆組裂隙水有水力聯(lián)系。

(3) 2號(hào)煤層：注25～28孔段均為小煤礦的采空區(qū)，與沈家灣煤礦第11采區(qū)的2號(hào)煤層采空區(qū)連通。

(4) 5號(hào)煤層：25個(gè)注漿孔均見5號(hào)煤層，其中5號(hào)煤層采空區(qū)有7個(gè)孔，孔深在110 m以上，標(biāo)高在-15 m以上。

(5) 6號(hào)煤層：25個(gè)注漿孔均見6號(hào)煤層，其中見6號(hào)煤層采空區(qū)22個(gè)孔，孔深在170 m以上，標(biāo)高在-70 m以上。注26～30孔段是小煤礦的采空區(qū)與沈家灣煤礦11采區(qū)的6號(hào)煤層采空區(qū)連通；注9～11孔段是帷幕南段6號(hào)煤層的采空區(qū)；注6～8孔段為6號(hào)煤層不可采段；注 11～15孔段是探煤巷；注 15孔段是61號(hào)煤層。

2.2.2 注漿量與垮落帶高度影響分析

假設(shè)垮落帶高度為10 m，注漿孔走向注漿的有效半徑為10 m，地層傾角為25°，帷幕體上方的墻厚10 m，孔隙率為0.2，在無壓力自然堆積狀況下計(jì)算的注漿量約840 m3。注漿時(shí)漿液有壓力，流動(dòng)性較好，故在上述假設(shè)條件下，注漿量必定大于840 m3，垮落帶高度越大注漿量也將隨之增加，因此，表現(xiàn)出各注漿孔注漿量的差異性。

2.2.3 災(zāi)害性涌水分析與帷幕的構(gòu)成分析

導(dǎo)水通道分析：(1) 帷幕區(qū)段內(nèi)1煤層導(dǎo)水通道，帷幕區(qū)的1煤層埋深13～30 m，1號(hào)煤層與2號(hào)煤層的層間距50～60 m，1號(hào)煤層與大隆組含水層的層間距約10 m，無導(dǎo)水通道；(2) 帷幕區(qū)段內(nèi)2號(hào)煤層導(dǎo)水形式為裂隙、孔隙和小空洞式；(3) 帷幕區(qū)段內(nèi) 5號(hào)煤層和6號(hào)煤層導(dǎo)水通道，大氣降水，洪水泛濫時(shí)地表水，通過廢棄老窯井口、塌陷區(qū)、裂縫帶進(jìn)入小煤礦采空區(qū)，然后經(jīng)過導(dǎo)水裂縫帶到沈家灣煤礦6號(hào)煤層11采空區(qū)。

帷幕的構(gòu)成分析：(1) 鄰近注漿孔的漿液有相互串通現(xiàn)象，且第二序列有些鉆孔見到第一序列鉆孔的注漿水泥芯；(2) 相鄰 2個(gè)注漿孔施工后，其后在中間施工的注漿孔，總體來說注漿量均減少，有些孔見采空區(qū)但不漏水。第二序列的注漿量比第一序列注漿量小，這說明未注時(shí)孔與孔之間有水力聯(lián)系通道。在第一序列注漿后，孔與孔之間水力聯(lián)系通道不暢通，故第二序列的注漿量減少，推斷帷幕已基本構(gòu)成。

沈家灣煤礦涌水水源是大氣降水，災(zāi)害性涌水水源是洪水泛濫的地表水。由于帷幕基本構(gòu)成，在一定程度上帷幕體上游的廢棄小煤礦水不會(huì)大量進(jìn)入到礦11采空區(qū)的東翼。暴雨時(shí)大氣降水通過帷幕體下游的廢棄小煤礦塌陷區(qū)，裂縫帶進(jìn)入到沈家灣礦11采空區(qū)的西翼，故礦井西南翼涌水量會(huì)上升?？辈楸砻魇┕^(qū)附近大隆組底部裂隙發(fā)育是弱含水層，帷幕基本形成時(shí)也對(duì)帷幕體內(nèi)大隆組底部注漿，使大隆組底部裂隙通道不暢通。暴雨時(shí)含水層水量增大，由于通道不暢通使部分地下水通過3個(gè)在大隆組地層中的廢棄小煤礦進(jìn)入第11采空區(qū)的西翼。

帷幕體主要是對(duì)帷幕體上游廢棄小煤礦采空區(qū)和第 11采空區(qū)的東翼導(dǎo)水通道進(jìn)行封堵。結(jié)合2010-04-21和2010-06-21特大暴雨條件下井下涌水量的記錄結(jié)果，表明帷幕墻體已構(gòu)成，并推斷礦井西南翼涌水量依舊與大氣降水有關(guān)，災(zāi)害性涌水狀況通

常情況下不會(huì)發(fā)生。

表2 注漿量類別Table 2 Grouting quantity

圖6 注漿施工工藝流程示意圖Fig.6 Flow diagram of grouting process

3 結(jié)論

(1) 在沈家灣礦西南翼的王家沖構(gòu)建帷幕是正確、有效的堵水工程，且通過科學(xué)施工，帷幕墻基本形成，可避免災(zāi)害性涌水發(fā)生。

(2) 基本查明沈家灣礦西南翼帷幕注漿工程的區(qū)段內(nèi)1煤層和5號(hào)煤層采空區(qū)范圍，進(jìn)一步查明2號(hào)煤層和6號(hào)煤層采空區(qū)范圍，為完善設(shè)計(jì)和施工提供了依據(jù)。

(3) 基本查明沈家灣煤礦西南翼災(zāi)害性涌水的水源、導(dǎo)水通道和導(dǎo)水形式。

(4) 針對(duì)各煤層采空區(qū)裂縫導(dǎo)水帶發(fā)育狀況進(jìn)行注漿，注漿量取決于采厚、注漿孔所處的位置和注漿序列。

(5) 漿液對(duì)土體的作業(yè)機(jī)理主要表現(xiàn)為噴射切割作用、攪拌置換固結(jié)作用、滲透作用、劈裂作用與擠密作用。

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