深井巷道斷層涌水探查與封堵治理

張 立 惠 冰 張慶松 李海燕 陸秋生 江 海

(1.山東城市建設職業(yè)學院，山東 濟南 250014 ；2.山東正元建設工程有限責任公司，山東 濟南 250101；3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

深井巷道斷層涌水探查與封堵治理

張 立1惠 冰2張慶松3李海燕3陸秋生2江 海2

(1.山東城市建設職業(yè)學院，山東 濟南 250014 ；2.山東正元建設工程有限責任公司，山東 濟南 250101；3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

針對某礦-808 m膠帶巷變坡點以下15 m處集中出水點、涌水段落巖體破碎、圍巖穩(wěn)定性差、長年涌水嚴重影響膠帶運輸和巷道安全、增加了礦井的排水費用等情況，通過分析該礦的工程地質和水文地質條件，確定涌水水源為M5細砂巖含水層，巷道切割M5砂巖導致頂板涌水，涌水類型為斷層導通型；運用瞬變電磁法和高密度電法綜合物探與水力連通試驗，確定了涌水來源及主要通道分布情況；應用Visual MODFLOW(VMF)數(shù)值模擬方法對地下水流場及運移情況進行了分析，提出“深部截源、淺層加固”封堵治理思路；最終確定了包含注漿鉆孔設計、注漿參數(shù)選擇等治理方案，方案在現(xiàn)場得到實施；運用涌水量對比法進行注漿效果評價，注漿封堵治理取得顯著效果。該研究成果對類似工程具有一定的指導意義。

斷層導通型 水力連通試驗 數(shù)值模擬 注漿堵水

巖體地下水存在于巖體裂隙、溶隙或孔隙中，一般稱為裂隙水。依據(jù)地下水含水介質及類型，將地下水分為松散巖類孔隙潛水、斷層破碎帶孔隙裂隙水、巖溶裂隙水和裂隙水[1],地下水是礦井發(fā)生透水事故的主要原因。礦井水害是礦山建設與生產過程中的五大自然災害之一，隨著煤礦開采向深部的延伸，水害的問題已凸顯出來。礦井水主要來源于構造導通的下部灰?guī)r含水層、地表水和淺層地下水通過構造裂隙和礦井連通的煤層底板奧灰及三灰含水層[2-3]。而深井巷道條件下破碎斷層切割裂隙導通性涌水，導致礦井巷道頂板出水，更是擺在專家和學者面前的一項難題。近幾十年裂隙水害防治技術的研究已達到一定的理論和實踐水平，但對深井巷道破碎斷層涌水封堵治理，還需要近一步的完善和研究。

1 深井巷道涌水與工程條件分析

1.1 工程概況及涌水情況分析

某礦是山東省巨野煤田7對礦井中較大的一個，設計生產能力為240 萬t/a，服務年限為52.4 a，該礦煤層埋深850 m以上，水壓高達8 MPa，是巨野煤田的一對大涌水礦井。

井田位于巨野向斜西翼，為全隱蔽的華北型石炭二迭系煤田，井田內新生界厚度一般為530～ 650 m，平均590 m。井田內煤系中的直接充水含水層為3 煤頂、底板砂巖裂隙含水層和三灰含水層。3 煤層頂、底板砂巖含水層厚度30～60 m，為裂隙含水層；三灰含水層厚度比較穩(wěn)定，平均約5 m，為裂隙含水層。

礦井建設中，-808 m膠帶巷道掘揭露1條正斷層，斷層落差H=2.2 m，傾角為49°，斷層帶破碎嚴重，粉砂顆粒充填。斷層切割粉砂巖、細砂巖、泥巖多個地層，成為切割裂隙導通性斷層涌水。M5砂巖裂隙水豐富，為斷層導水提供水源補給，導致頂板出現(xiàn)多次塌方和出水，涌水量最大達到100 m3/h。后經(jīng)支護和注漿處理，涌水量穩(wěn)定在28 m3/h左右，水壓2.0 MPa，但持續(xù)涌水嚴重影響巷道運輸，降低產量。需要對-808 m膠帶巷道頂板集中涌水點進行封堵治理。

1.2 工程地質和水文地質分析

二疊系上石盒子組地層由泥巖、粉砂巖、細砂巖組成(見表1)。地下水主要儲存、運移在風化斷層裂隙、構造裂隙為主的裂隙網(wǎng)絡之中，富水性受構造裂隙控制，以動儲量為主。

表1 地層分布Table 1 The distribution of Strata

主要地層分布分布情況如下。

上層粉砂巖：深灰色，分選較好，裂隙發(fā)育，層理分明。厚度為7.8 m。

細砂巖(M5)：上部為淺灰色黑色條痕，中部為灰白色，鈣質膠結，以石英為主，質密較硬，厚層狀，節(jié)理發(fā)育，走向多為30°，厚度為6.5 m，為主要含水層(M5)。

下層粉砂巖：灰色，鈣泥質膠結，以石英為主，含云母碎片，質密較硬，裂隙發(fā)育，厚度為13.5 m。

泥巖：灰、深灰色，泥巖中局部紅褐色，灰褐色，含粉砂質不均，較破碎。厚度為11.6 m。為弱含水層，經(jīng)改造后為隔水層。

工程地質條件見圖1。

圖1 工程地質條件Fig.1 The conditions of the engineering geological

1.3 涌水點治理難點

(1)施工現(xiàn)場空間有限。膠帶運輸占據(jù)近一半空間(見圖2)。

圖2 施工現(xiàn)場Fig.2 Construction site

(2)溫度高。井下深度的地熱梯度導致涌水點溫度高達39.6 ℃，巷道通風溫度為29 ℃。

(3)地應力高。垂直主應力大于側向應力，易引起底鼓和頂板開裂。

(4)裂隙發(fā)育豐富。裂隙具有縱橫向發(fā)育特點，且細砂巖(M5)含水層水壓高，水力聯(lián)系豐富。

2 涌水通道的綜合探查

2.1 綜合探查必要性和可行性分析

采用2種物探方法，用多種參數(shù)從不同的物性角度進行觀測分析、相互驗證，才能獲得最佳的探測效果。瞬變電磁法和高密度電法探查涌水通道，可以互相補充和驗證，提高涌水通道探查準確性和可靠性。

瞬變電磁法(TEM)是利用不接地回線向工作面前方發(fā)射一次脈沖磁場，當發(fā)射回線中電流突然斷開后，介質中將激勵起二次渦流場以維持在斷開電流以前產生的磁場(即一次場)，二次渦流場的大小及衰減特性與周圍介質的電性分布有關，在一次場間歇觀測二次場隨時間的變化特征，從而達到探測目標體的目的[4]。優(yōu)點：抗干擾能力強、分辨力高、施工效率高,對良導體反映能力較強。對低阻體反應靈敏，具有無損性、成本低、工作效率高。缺點：對巖體強度、巖體破碎程度、干溶洞等不易判斷。其基本原理見圖3所示。

圖3 瞬變電磁超前地質預報基本原理Fig.3 Basic principle of TEM geological forecast

高密度電阻率法是以巖土體導電性差異為物理基礎的一種勘探方法[5]。優(yōu)點：探測較深部位大的地質構造較為準確。以多種電極排列方式掃描測量，數(shù)據(jù)采集自動化，信息量豐富。施工快捷、數(shù)據(jù)量大、分辨率高、可靠性好、圖像直觀。由于探測目標比較單一，效果顯著。缺點：對小的構造探測效果差，也受場地和接地條件等制約。其基本原理見圖4所示。

圖4 高密度電法探測原理Fig.4 Detection principle of high-density electrical method

2.2 綜合探查測線布置及結果分析

瞬變電磁探測在膠帶巷道右側幫及頂板布置測線，點距10 m。探測區(qū)域為-808 m膠帶巷道，樁號控2～皮2，長度為400 m。測線布置示意圖如圖5。

圖5 瞬變電磁探測測線布置Fig.5 The layout of TEM measuring line

高密度電法探測采用溫納裝置，在膠帶巷道右側幫布置測線，64個電極排列，點距4 m。區(qū)域為-808 m膠帶巷道，樁號控2～皮2，長度為400 m。測線布置示意圖如圖6。

瞬變電磁法的結果分析：首先對采集到的數(shù)據(jù)進行去噪處理，根據(jù)晚期場或全期場公式計算視電阻率曲線，然后進行時深轉換處理，得到各測線視電阻率斷面圖。最后根據(jù)探測區(qū)的地球物理特征、TEM響應的時間特性和空間分布特征并結合礦井地質資料進行綜合解釋，劃分巖層富水區(qū)分布范圍。見圖7所示。

圖6 高密度電法測線布置Fig.6 The layout of high-density electrical method measuring line

圖7 瞬變電磁探測結果Fig.7 The results of transient electromagnetic detection

高密度電法的結果分析：由原始數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)編輯(包括突變點的剔除，數(shù)據(jù)的光滑平均等)，然后建立反演模型(把地下空間分成許多模型子塊)，最后真電阻率反演(主要采用圓滑約束最小二乘法)，得到電阻率等值線成圖。見圖8所示。

圖8 高密度電法探測結果Fig.8 The result of High-density electrical method

對瞬變電磁法和高密度電法綜合探測結果進行分析(見圖7、圖8)，得到裂隙富水區(qū)域集中在2處：距離40～55 m,深度16～80 m，主要以裂隙縱橫發(fā)育豐富，儲導水裂隙；距離210～230 m，深度26～50 m，為斷層切割M5砂巖含水層，頂板集中涌水為主要導水通道及水源補給。

3 模擬地下水運移及流場分布

運用Visual MODFLOW(VMF)對-808 m膠帶巷頂板集中涌水點處進行數(shù)值模擬，研究地下水運移規(guī)律及涌水點處流場分布，為注漿堵水鉆孔設計和實施提供直觀、可靠的理論依據(jù)。

Visual MODFLOW是一個三維有限差分地下水流動模型，其基本方程[6-7]為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，Kxx，Kyy，Kzz分別為含水層沿x，y，z方向的滲透系數(shù)，m/d；h為含水層水頭，m；ω為源匯項，L/d；Ss為含水層單位儲水系數(shù)，1/m；Ω為滲流區(qū)；?h/?t為水頭隨時間變化率，m/d；H為水頭初值；φ1為第一類邊界Γ1上的已知函數(shù)；Kn,j為井的n方向滲透系數(shù)；q為第二類邊界Γ2上的單寬側向補給量；n為邊界的外法線方向；j為抽水井的個數(shù)；Γj為井的周邊；rwj為井的半徑，m；T為導水系數(shù)；Qj為涌水量，m3/h；v為井的個數(shù)。

3.1 三維模型

根據(jù)研究區(qū)域的地層分布，在垂向上將地層概化成4層，分別為砂質泥巖5.5 m，M5細砂巖含水層5.7 m，砂質泥巖6.8 m，泥巖37 m。對整個深度方向的準三維模型進行模擬，各參數(shù)沿深度方向取均值。見圖9所示。

圖9 三維模型Fig.9 3D model

3.2 地下水補給及排泄條件

膠帶巷涌水點位于垂深-740 m左右，其上有5.5 m的砂質泥巖，為不透水頂板，故可以忽略地表水的補給。膠帶巷涌水點的涌水源為M5細砂巖含水層，根據(jù)實測資料，此含水層屬于承壓含水層，水壓力為4 MPa。因此可將M5細砂巖含水層定為定水頭邊界，定水頭邊界為400 m。根據(jù)工程實際情況，巷道涌水通過水泵排出，因此，將巷道部分處理成具有較大滲透系數(shù)的單元體，M5細砂巖含水層中的承壓水通過斷層裂隙向巷道排泄。見圖10。

圖10 流場分布(單位：m)Fig.10 The distribution of flow

由模擬結果可知，施工巷道開挖貫通斷層破碎帶，打破了原有水力平衡體系，形成新的水力路徑通道，導致含水層滲水面不斷擴大，水不斷通過各個裂隙及斷層向巷道涌入，在排水帶附近形成降落漏洞，隨著巷道開挖長度擴大及時間的推移，降落漏斗會不斷增大，巷道涌水量加大，引起地下水位下降。

4 涌水點封堵治理

根據(jù)涌水點特征提出“深部截源，淺層加固”的治理思路。將M5砂巖水堵截在深部，淺層圍巖破碎帶進行加固?，F(xiàn)場實時監(jiān)測水量、水壓，進行信息化施工與動態(tài)設計調整結合，有效封堵涌水。

4.1 鉆孔設計

根據(jù)水文地質條件及綜合物探查明具體的富水區(qū)域，合理設計鉆孔方位角和傾角(見圖11)，為下一步注漿封堵涌水提供技術指導。

圖11 鉆孔施工設計Fig.11 Drilling design

鉆孔設計原則為：

(1)巷道含水層及異常區(qū)域進行注漿治理，治理區(qū)域為砂巖以上5～10 m，使隔水層厚度增；減弱頂部含水層富水性。

(2)M5細砂巖含水層具有裂隙發(fā)育、賦水性強、水壓高等特點，鉆孔設計應全面揭露含水層與裂隙帶，保證注漿效果。

(3)鉆孔設計方向要盡量和斷裂構造或裂隙的發(fā)育方向垂直或斜交，以盡可能多地穿過裂隙，盡可能大面積地揭露含水層。

4.2 水力連通試驗

根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，涌水水量Q>15 m3/h確定為關鍵孔[8]；5 m3/h

圖12 水力連通試驗Fig.12 Hydraulic connected test

選定1-1鉆孔壓入高錳酸鉀試劑。分別在1-2、1-3、2-1、2-2、2-3鉆孔涌水處觀察，并記錄各鉆孔水量、水壓、水力連通情況(見表2)。

表2 鉆孔連通性Table 2 Drilling connectivity

4.3 注漿參數(shù)

4.3.1 注漿壓力

注漿壓力必須保證巷道圍巖的穩(wěn)定和安全[9]，即

(6)

(7)

(8)

式中，P1為靜水壓力，MPa；P為注漿壓力，MPa；P2為圍巖抗壓能力，MPa;K為阻水系數(shù)或突水系數(shù)，MPa/m;h′為隔水層厚度，m。

4.3.2 注漿材料

注漿材料主要以P.C 42.5R復合硅酸鹽水泥和C-S漿液為主，進行封堵水源。斷層內可以輔助選擇骨料(海帶、鋸末)阻水，使地下水流變慢，易于漿液沉淀和留存。

4.3.3 注漿量

由于注漿材料的復雜性、注漿工程的隱蔽性、水文地質條件的不確定性等原因，結合-808 m膠帶巷集中涌水點附近裂隙發(fā)育特點，采用裂隙注漿理論。

基本假設:

(1)裂隙為二維光滑裂隙，張開度一定。

(2)忽略注漿壓力引起的裂隙張開度變化。

(3)漿液按牛頓體或賓漢體考慮，在裂隙中呈圓盤狀擴散。

改進后的Baker公式[10]:

(9)

式中，Pc為注漿孔口動水壓力，MPa；ug為漿液黏滯系數(shù)，cm/s;Q為注漿量，m3；b為裂隙張開度；rw為水的重度；rg為漿液重度；R為注漿擴散半徑，m；rc為鉆孔半徑，m。

每個注漿孔注漿量計算結果見表3。

表3 注漿量計算結果Table 3 Grouting volume

對比分析可知，實際注漿量均大于理論注漿量。由于實際注漿過程中有跑漿、漏漿現(xiàn)場，并且理論計算值更趨于理想狀態(tài)，進而導致實際注漿量大于理論值。但在實際工程中具有指導意義。

4.4 注漿效果評價

注漿效果檢查方法有分析法、檢查孔法、開挖取樣法、變位推測法和涌水量對比法[11]，根據(jù)本次注漿工程的特點和具備的條件，最終優(yōu)選涌水量對比法評定注漿效果。實測時間2011-02-20—2011-06-20，涌水量由初始的27.86 m3/h降至1.2 m3/h，有效封堵涌水點。M5砂巖裂隙水由原來的強含水層逐步被改造為弱含水層甚至為隔水層，有效隔斷裂隙水的水力聯(lián)系，注漿封堵裂隙取到良好效果，完成礦方要求。實測涌水量變化見圖13。

圖13 實測涌水量變化曲線Fig.13 The curve of actual water yield

5 結 論

(1)分析工程地質和水文地質條件，運用瞬變電磁和高密度電法綜合物探進行涌水通道探查。建立三維水文地質模型，進行MODFLOW數(shù)值模擬，分析地下水運移及流場分布，為有效封堵巷道斷層處涌水通道提供理論依據(jù)。

(2)提出“深部截源、淺層加固”封堵治理思路，進一步指導鉆孔設計及實施，有效減少鉆孔數(shù)量，保證鉆孔質量，優(yōu)化設計方案，提升工程進度，取得顯著效果。

(3)針對深井巷道斷層涌水特點，合理選取注漿參數(shù)，進行現(xiàn)場試驗，優(yōu)化設計方案，有效封堵巷道斷層處涌水通道，采用涌水量對比法進行注漿效果評價。

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(責任編輯 徐志宏)

Fault Water Gushing Exploration and Plugging Management in Deep Mine Roadway

Zhang Li1Hui Bing2Zhang Qingsong3Li Haiyan3Lu Qiusheng2Jiang Hai2

(1.ShandongUrbanConstructionVocationalCollage，Jinan250014，China；2.ShandongZhengyuanConstructionEngineeringCo.，Ltd.,Jinan250101，China;3.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter，ShandongUniversity，Jinan250061，China)

Aim at the situation of the inflow point focuses at 15 m below the changing point of -808 m belt roadway in a mine.In the inflow area，rock mass is broken and the stability of surrounding rock is poor.The gush-out water endangers the underground safety and increases the cost of mine drainage.Through the analysis of engineering geology and geohydrologic conditions，the source of water is determined as sandstone M5 aquifer.This sandstone M5 had been cut by roadway，which results in the roof water gushing with fault conductivity type.The synthetic geophysical techniques and hydrological connected tests based on the transient electro-magnetic(TEM)method and the high-density electric method are made to find out the source of water gushing and the distribution of main channels.The Visual Modflow groundwater seepage simulation software is employed to analyze the underground water yield and its movement.And the plugging idea of the “deep cutting and shallow reinforcement” was proposed.Finally，the management schemes including grouting drilling design and parameter selection were determined and then implemented in the field.Grouting effect is evaluated with water inflow contrast method，obtaining that grouting has a remarkable performance.The research results have certain guiding significance for the similar engineering.

Fault conductivity type，Hydrological connected test，Numerical simulation，Grouting and blocking water

2014-02-25

國家自然科學基金項目(編號：41272385)，青年科學基金項目(編號：51209128)。

張 立(1986—)，女，助教，碩士。

TD743

A

1001-1250(2014)-05-015-06