基于巖體宏細(xì)觀特征的大型帷幕注漿保水開采技術(shù)及應(yīng)用

董書寧，柳昭星,3，鄭士田，王 皓，石志遠(yuǎn)，尚宏波，趙春虎，鄭立才

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077; 3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 4.天津三英精密儀器股份有限公司，天津 300399)

礦山帷幕注漿是在地下水徑流通道處通過注漿形成一定尺寸和范圍的帷幕墻體，人為改變水文地質(zhì)條件和進(jìn)水邊界，實現(xiàn)對地下水的攔截或封堵，從而達(dá)到礦產(chǎn)資源安全回采和含水層水資源保護(hù)的雙重目的[1-3]。在我國，自20世紀(jì)60年代青山泉煤礦建造了第1條礦區(qū)截流帷幕，經(jīng)過多年發(fā)展，帷幕截流技術(shù)廣泛應(yīng)用于礦區(qū)水資源保護(hù)和礦產(chǎn)資源回采問題[4]，如在大紅山鐵礦、水口山鉛鋅礦、冬瓜山銅礦、吳莊鐵礦、萊新鐵礦、濟(jì)鋼張馬屯鐵礦、中關(guān)鐵礦等礦山中得到應(yīng)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[5]。

注漿帷幕墻體隱藏于地下，具有典型的隱蔽工程特點，致使帷幕墻體建造的位置選定，墻體尺寸、注漿材料、注漿參數(shù)選取，注漿效果檢驗等方面存在較大盲目性，現(xiàn)階段許多礦山帷幕墻體截流率普遍不高。國內(nèi)諸多學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)深入研究和探索。文獻(xiàn)[6]針對中關(guān)鐵礦帷幕注漿工程采用單位透水率變化曲線、離散性分析、檢查孔檢驗結(jié)果分析及觀測孔水位觀測資料等手段對單排孔帷幕注漿參數(shù)選取和注漿施工結(jié)果進(jìn)行分析和研究;文獻(xiàn)[7]分析了陜北張家峁井田所采用的雙位雙向引流注漿、燒變巖全斷面分區(qū)注漿、防滲截流效果即時檢驗等帷幕注漿技術(shù);文獻(xiàn)[8]提出一種基于帷幕區(qū)水文地質(zhì)分析、帷幕鉆孔資料分析、放水試驗、瞬變電磁探測和連通試驗等方法的帷幕薄弱區(qū)綜合分析方法;文獻(xiàn)[9-11]針對施工結(jié)束后采用注漿信息分析和地球物理探測等方法對帷幕墻體建造質(zhì)量進(jìn)行評價;文獻(xiàn)[12]分析了帷幕注漿技術(shù)的特點、分類、影響因素以及在大水礦山中的應(yīng)用現(xiàn)狀,介紹了近幾年帷幕注漿的成功案例、帷幕注漿監(jiān)測、檢驗技術(shù);文獻(xiàn)[13]針對云南某水患礦山分析了深埋井巷內(nèi)成功實施的“魚刺型”鉆孔改性黏土漿帷幕注漿試驗工程。

上述相關(guān)研究主要針對埋深較淺或者規(guī)模較小的帷幕墻體，缺少對受注地層細(xì)觀特征的深入分析和表征，而對于埋深較大的高水壓地層，巖層微小的孔隙、裂隙對巖層失穩(wěn)突水起到重要影響[14-15]。而在巖石力學(xué)領(lǐng)域，馮子軍[16]、康志勤[17]、楊仁樹[18]、宮偉力[19]等學(xué)者運用顯微CT掃描技術(shù)研究了煤巖微觀結(jié)構(gòu)特征以及煤巖裂隙發(fā)育幾何參數(shù)，因此利用顯微CT掃描技術(shù)分析受注層位巖石孔、裂隙發(fā)育特征、分布特征和幾何參數(shù)能夠從細(xì)觀角度為注漿材料選取和注漿參數(shù)設(shè)計提供依據(jù)。另外，已有帷幕墻體均采用傳統(tǒng)地面垂直鉆孔或井下傾斜鉆孔注漿工藝，鉆探進(jìn)尺大、成本高、揭露孔隙裂隙率低、有效注漿段小[20-21]。而隨著礦山開采深度和強(qiáng)度的不斷增加，帷幕墻體建造規(guī)模增大，墻體所承受的內(nèi)外水壓差增大，長距離帷幕導(dǎo)致傳統(tǒng)鉆探施工成本增加。因此，如何降低鉆探進(jìn)尺、提高帷幕注漿細(xì)微孔隙裂隙充填率、保證帷幕墻體最小安全厚度是大型帷幕墻體面臨的急需解決的關(guān)鍵問題。

筆者針對某礦采用垂直鉆孔和定向鉆孔相結(jié)合的注漿鉆孔布置方式建造大型帷幕截流工程，利用顯微CT掃描和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析的方法研究受注地層巖體宏細(xì)觀特征，分析帷幕墻體建造地層的受注條件;采用理論分析、數(shù)值計算和資料分析等手段，結(jié)合受注地層條件，系統(tǒng)研究帷幕墻體建造位置、墻體最小安全厚度、注漿壓力、垂直鉆孔和水平定向鉆孔相結(jié)合的注漿鉆孔布置方式、注漿材料及其適用性等內(nèi)容，并利用鉆孔取芯、放水試驗、鉆屑組分研判等方法對注漿效果進(jìn)行了檢驗。

1 工程概況

某礦區(qū)位于宿東向斜的北段，四周多為石炭系、奧陶系灰?guī)r，井田東北部分布有侏羅系礫巖含水層，是該礦區(qū)的第5含水層(組)(俗稱五含)，該層礫石主要成分為石灰?guī)r及少量的砂巖和變質(zhì)巖，鈣質(zhì)膠結(jié)為主，次為泥質(zhì)、砂質(zhì)膠結(jié)，巖溶發(fā)育?！拔搴迸c第4含水層(組)及煤系地層均為不整合接觸，屬山麓洪積相沉積，礫石成分以灰?guī)r較多，主要為灰?guī)r碎塊，礫徑0.2～7.0 cm，分選差，膠結(jié)物為紫紅色泥巖。井田北部受塔橋斷層影響，使下盤“五含”成為孤立塊段，覆蓋面積約9 km2，其中井田范圍內(nèi)為2.8 km2(圖1)。

“五含”地層大面積壓覆于煤系地層、太灰及奧灰含水層之上，呈角度不整合接觸關(guān)系，巖溶發(fā)育，與太灰、奧灰等含水層具有較強(qiáng)水力聯(lián)系(圖2)。據(jù)統(tǒng)計，“五含”下伏8煤層煤炭資源總儲量約1 800萬t，探明可采儲量約1 000萬t，煤層開采過程中，“五含”地下水和參與補(bǔ)給的太灰和奧灰含水層地下水可通過各類導(dǎo)水通道進(jìn)入礦井造成水害，致使該區(qū)域壓滯大量煤炭資源。而該區(qū)域太灰和奧灰含水層是當(dāng)?shù)刂匾纳詈凸I(yè)用水水源，采用常規(guī)含水層疏水降壓開采該部分煤炭勢必造成大量水資源浪費。因此，基于施工難度和成本、水資源保護(hù)、煤炭資源安全回采等方面考慮，設(shè)計采用“五含”帷幕注漿、局部疏干開采的方式進(jìn)行，以保證在煤炭資源安全回采的同時最大限度的保護(hù)含水層水資源。

圖1 “五含”地層分布示意Fig.1 Schematic diagram of the “five-inclusive” stratigraphic relationship and hydraulic linkage

圖2 各含水層結(jié)構(gòu)關(guān)系剖面示意Fig.2 Structural relationship profile of each aquifer

2 受注地層細(xì)觀特征

2.1 顯微CT技術(shù)原理及設(shè)備

CT技術(shù)的成像原理[22]為利用X射線穿過一定厚度的材料時其強(qiáng)度會產(chǎn)生一定程度的衰減(圖3)，衰減規(guī)律可表示為

I=I0e-μL

(1)

其中,I0為入射X射線強(qiáng)度;I為出射X射線強(qiáng)度;L為材料厚度;μ為材料的線性衰減系數(shù)，其大小與材料密度和組成元素相對原子質(zhì)量等因素有關(guān)。當(dāng)X射線穿透巖芯后，探測器接收透過該材料的X射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂?，由光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，輸入計算機(jī)處理。本實驗采用nanoVoxel-4000系列X射線三維顯微鏡，最高精度可到500 nm，采用雙探測器設(shè)計方案，可以顯著提高成像的放大倍率及精度。

圖3 nanoVoxel-4000型CT機(jī)原理示意Fig.3 Schematic diagram of nanoVoxel-4000 CT

2.2 試驗材料及試驗方法

利用顯微CT技術(shù)對注漿地層巖芯進(jìn)行掃描實驗，試驗樣品均取自注漿區(qū)域巖層，巖性為角礫巖，高度16 cm，直徑5.3 cm，CT掃描分辨率為30 μm左右。

2.3 試驗結(jié)果

2.3.1巖體孔隙率、裂隙率

通過對巖樣進(jìn)行顯微CT掃描，獲得其物質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用可視化軟件AVIZO對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)分析，獲得XY,YZ,XZ方向切片圖，統(tǒng)計分析切片圖中孔隙、裂隙、礦物等不同物質(zhì)的灰度值，通過設(shè)定試樣孔隙、裂隙屬性灰度閾值對切片圖進(jìn)行孔隙、裂隙篩分，從而獲得單張切片圖及被測巖體試樣整體的裂隙、孔隙占比。圖4為角礫巖試樣的三維重構(gòu)圖和XY,YZ,XZ方向切片圖。

通過統(tǒng)計角礫巖切片圖的灰度值，可對巖體CT掃描切片上的孔隙、裂縫以及礦物等發(fā)育特征進(jìn)行表征。如圖4所示，可清晰觀察到巖體中尺度較大的裂隙及孔隙，但灰度圖像中較小裂隙難以直接觀察出，需選擇合理方法進(jìn)行分割，由于試樣中孔隙、裂隙與巖體灰度值相差較大，因此采用閾值分割法進(jìn)行處理。提取角礫巖切片，根據(jù)灰度差異，設(shè)定分割閾值提取出樣品中的孔隙、裂縫(圖5)。經(jīng)對裂隙孔隙提取后得到孔隙、裂縫體積占單個切面樣品總體積的0.62%。

圖4 角礫巖切面Fig.4 Cutaway of breccia

圖5 角礫巖切片原生裂縫渲染Fig.5 Breccia slice native crack rendering

利用可視化軟件可計算每個切面裂縫所占像素個數(shù)，同時計算出每個切片樣品像素個數(shù)，兩者比值即為該切片的裂隙率，從而可以統(tǒng)計出Z方向逐層切片裂隙率，觀察裂隙率的變化特點。由圖6可知，裂隙率主要在0.25%～2.80%內(nèi)變化，大部分切片裂隙率主要分布在0.25%～0.50%，約占73.8%，其余部分集中在0.5%～2.8%，約占26.2%。

圖6 角礫巖逐層切片裂隙率變化曲線Fig.6 Breccia rock layer-by-layer fracture rate curve

圖7 角礫巖孔隙、裂隙三維展示Fig.7 Three-dimensional display of breccia pores and fissures

2.3.2巖體裂隙、孔隙幾何參數(shù)

對提取的孔隙、裂隙進(jìn)行球形度計算，一般定義球形度<0.3的為裂縫、>0.3的為孔隙，利用該定義對孔隙和裂縫進(jìn)行篩分，如圖7所示，其中裂縫為紅色，孔隙為藍(lán)色，并且得到裂隙體積占樣品體積的0.24%，孔隙體積占樣品體積的0.38%。

為分別獲得孔隙、裂隙的幾何參數(shù)，對提取出的角礫巖孔隙和裂隙進(jìn)行進(jìn)一步標(biāo)記篩分。對于不規(guī)則的孔隙可采用等效直徑對其尺寸進(jìn)行描述，等效直徑(Deq)是將不規(guī)則的孔隙等效為一個規(guī)則的球體[23]，計算公式為

(2)

單個孔隙體積(V)可利用圖像后處理軟件基于像素個數(shù)及分辨率計算得出(圖8)，從而對角礫巖三維展示圖進(jìn)行篩分得到不同等效直徑區(qū)間的孔隙占比(表1)，通過孔隙等效直徑數(shù)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，孔隙以等效直徑≤200 μm為主;但從體積分?jǐn)?shù)來看，等效直徑主要以200 μm

圖8 角礫巖孔隙、裂隙標(biāo)記三維展示Fig.8 Three-dimensional display of breccia pores and fissures

表1 角礫巖不同等效直徑區(qū)間的孔隙個數(shù)及體積分?jǐn)?shù)Table 1 Number of pores and volume fraction of different equivalent diameter intervals of breccia

巖體裂隙的提取、篩分是通過對標(biāo)記裂隙進(jìn)行定量統(tǒng)計，計算裂隙的體積、面積、長度、寬度。體積和面積是根據(jù)像素個數(shù)及分辨率計算，長度和寬度分別為弗雷特直徑的最大值和最小值,費雷特直徑[24]為描述不規(guī)則顆粒大小的常用參數(shù)，其定義為經(jīng)過該顆粒中心任意方向的直徑。裂隙按照寬度分類可分為閉合裂隙(<0.2 mm)、微張裂隙(0.2～1.0 mm)、中張裂隙(1.0～5.0 mm;)寬張裂隙(5.0～10.0 mm);特寬張裂隙(>10 mm)[25]，而角礫巖裂隙中體積占比最大為中張裂隙，其均值為2 009.61 μm，其次為寬張裂隙，均值為7 601.96 μm。

2.3.3滲流模擬

考慮重力的影響，展開了微觀巖體孔隙結(jié)構(gòu)單向及多向情況下的低壓水滲流數(shù)值模擬，得到了微觀尺度下巖體孔隙滲流的壓力、速度、滲透率等重要參數(shù)的演化規(guī)律，為注漿參數(shù)選擇和數(shù)值分析提供依據(jù)。利用AVIZO FIRE軟件中的滲流模擬模塊，依據(jù)達(dá)西定律，模擬計算流體在樣品中的流動情況，通過設(shè)置邊界條件，輸入輸出壓強(qiáng)以及流體黏度等，模擬計算樣品的滲透率，具體計算原理[26]為

Q=KΔPA/(μL)

(3)

式中，Q為單位時間內(nèi)流體通過巖石的流量，m3/s;A為液體通過巖石的截面積，m2;μ為液體的黏度，Pa·s;L為巖石的長度，m;ΔP為液體通過巖石前后的壓差，Pa;K為絕對滲透率，m2。

以角礫巖為例，設(shè)定輸入壓力0.13 MPa，輸出壓力0.1 MPa，黏度為0.001 Pa·s。由于整個樣品裂縫并不連通，通過對原生裂縫的局部截取部分的連通性進(jìn)行判斷，它在Z方向是連通的，利用AVIZO FIRE軟件對它做滲流模擬分析，并測得滲透率為4.071×10-12m2。圖9為角礫巖Z方向滲流模擬示意。

圖9 角礫巖Z軸方向滲流模擬Fig.9 Seepage simulation of breccia in the Z-axis direction

3 受注地層宏觀特征

分析受注地層的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征及其補(bǔ)、徑、排特征是進(jìn)行帷幕墻體設(shè)計的基礎(chǔ)，也是確保帷幕墻體能夠?qū)Φ叵滤纬捎行r截的關(guān)鍵。筆者針對帷幕墻體建造所在的“五含”地層，從宏觀角度進(jìn)行分析其發(fā)育特征及水文地質(zhì)條件，為帷幕墻體設(shè)計提供支撐和依據(jù)。

3.1 受注地層“五含”厚度變化特征

經(jīng)本礦井鉆孔資料揭露，“五含”厚度上的變化，在井田范圍主要受古基巖面形態(tài)及后期剝蝕影響，淺部和西部四含五含直覆區(qū)，厚度自0 m逐漸增加直至五含頂板界線，此后厚度基本穩(wěn)定，延展至深部和東部邊界逐漸變薄和尖滅，南部厚度明顯變薄，約為15～35 m。剝蝕面大致與8煤層平行，傾向東北，傾角15～25°，厚度0～102 m，平均55 m，底板標(biāo)高-212.85～-345.39 m，平均-242.96 m。據(jù)“五含”地層等厚線圖(圖10):在“四含”與“五含”直接覆蓋區(qū)邊界線以西，“五含”上覆砂巖北剝蝕，形成“五含”和“四含”直接接觸，在此地帶，“五含”厚度為0～60 m，是“四含”、“五含”互相聯(lián)系最密切的地帶。

圖10 “五含”地層等厚線Fig.10 Thickness contour of “five bearing”strata

3.2 受注地層“五含”巖溶發(fā)育特征

“五含”中礫石以灰?guī)r為主，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)，巖溶較為發(fā)育，但不均勻，發(fā)育程度主要與巖性、斷裂構(gòu)造及埋藏深度有密切關(guān)系。從巖性上看，地層中下部主要為灰色礫巖，礫巖成分以灰?guī)r為主且膠結(jié)物相應(yīng)減少，灰?guī)r礫石塊度大，密度增加，巖溶發(fā)育;其次是“四含”、“五含”直接接觸帶，由于風(fēng)化溶蝕作用，形成風(fēng)化溶隙和溶洞;同時在斷裂構(gòu)造附近巖性破碎，如在F25斷層兩側(cè)巖溶較發(fā)育，鉆進(jìn)中斷層附近的鉆孔漏失嚴(yán)重。

根據(jù)“五含”覆蓋區(qū)32個鉆孔資料統(tǒng)計分析，發(fā)育巖溶類型包括溶洞、溶孔和裂隙，鉆孔(I-I3孔)揭露最大溶洞直徑達(dá)16 m，一般以0.2～1.0 m的溶洞最為常見。在-350 m以淺巖溶發(fā)育率為8.82%～13.12%，在-350 m以深巖溶發(fā)育明顯減少，巖溶發(fā)育率只有0.83%～4.50%(表2);表3為鉆孔巖溶能見率統(tǒng)計，巖溶能見率隨深度增加而逐漸減小;根據(jù)鉆孔巖洞統(tǒng)計(表4)，-350 m標(biāo)高以淺地層巖溶發(fā)育尺寸較大，直徑分布在1～16 m，-350 m標(biāo)高以深地層巖溶發(fā)育尺寸在1 m以下，從側(cè)面反映出巖溶發(fā)育的垂向不均一性特征。根據(jù)鉆孔“五含”礫巖層漏水資料統(tǒng)計(表5)，鉆孔漏失點大部分在-350 m以淺，表明-350 m以淺的“五含”地層滲透性相對-350 m以深較好。

表2 “五含”地層線巖溶率統(tǒng)計
Table 2 Statistical table of karst rate of “five inclusions”stratigraphic line

標(biāo)高/m累計礫巖厚度/m累計溶洞長度/m平均線巖溶率/%-300以上 801.8570.768.82-300～-350168.9122.1613.12-350～-400121.761.010.83-400以下 136.026.224.57

表3 “五含”地層鉆孔巖溶能見率統(tǒng)計
Table 3 Statistical table of karst drilling rate in“five inclusions” formation is presented

標(biāo)高/m穿過鉆孔/個見巖溶孔/個巖溶能見率/%-270以上241771-270～-3509667-350～-4005360-400以下5240

表4 “五含”地層鉆孔巖洞直徑統(tǒng)計
Table 4 Statistical table of hole diameter in “fivecontained” strata

溶洞直徑/m穿過鉆孔/個直徑范圍/m溶洞底板標(biāo)高/m≥10316～10-235.0～-310.610～1.0145.7～1.0-233.3～-446.41.0～0.2230.9～0.2-221.0～-384.7

表5 “五含”礫巖漏失情況統(tǒng)計
Table 5 Statistical table for leakage of “fivecontaining” conglomerate

孔號漏失量/(m3·h-1)水位埋深/m漏失孔深/m漏失標(biāo)高/mDZ11547.40295.70-270.20DZ30.1～0.642.63476.87-451.37 416.80-391.30DZ4930.55430.76-405.26 451.52-426.02DZ51548.48372.00-346.60J11141.82246.40-220.70

4 基于巖層宏細(xì)觀特征的帷幕保水方案

4.1 帷幕墻體建造位置

為保證帷幕墻體建造效率和可靠性，墻體應(yīng)該避免在具有大規(guī)模動水補(bǔ)給條件的位置建造，以增加動水滲流路徑、降低水力坡度，從而降低大規(guī)模動水對帷幕墻體的影響。奧灰含水層為強(qiáng)含水層，富水性極好，具有充足動水補(bǔ)給，因此帷幕墻體平面展布位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離奧灰含水層露頭線。同時，為降低成本，縮短帷幕墻長度，帷幕墻體應(yīng)該盡可能靠近10煤露頭線但不影響8煤正常開采，縮小帷幕墻體疏降側(cè)“五含”地層面積。因此，選取在10煤露頭線與太灰頂界面或者8煤露頭線之間，并且為避免墻體受8煤層開采擾動，保證距離8煤露頭線平均間距為不小于150 m。

帷幕墻體要實現(xiàn)截流功能，要從墻體上下左右等各個方位對地下水進(jìn)行攔截，即要封堵主要徑流通道，又要防止繞流補(bǔ)給。因此，帷幕剖面位置應(yīng)選擇在“五含”層位連續(xù)、厚度穩(wěn)定的地段，以滿足墻體頂、底處于穩(wěn)定的相對隔水層中。根據(jù)地層結(jié)構(gòu)，帷幕墻體頂部位于“五含”頂砂巖相對隔水段，底部位于煤系地層砂泥巖互層中的相對隔水段，從而形成“頂?shù)子薪纭狈乐箟w頂、底繞流的封閉的阻水墻體。另外，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造條件，帷幕墻應(yīng)盡量避開斷層布置，尤其將“五含”切割的大斷層，如果無法避免，在斷層處應(yīng)該加密鉆孔、增加注漿量，切斷斷層與“五含”之間的水力聯(lián)系，確保墻體穩(wěn)定。

因此，為防止地下水繞流現(xiàn)象，帷幕墻體上、下外擴(kuò)進(jìn)入相對隔水層15 m，平均為60 m;帷幕墻體左右切斷“五含”地層邊界，設(shè)計展布長度約為3.13 km(圖11)。

圖11 帷幕墻體位置平面展布示意Fig.11 Plane layout of curtain wall position

4.2 帷幕墻體建造的鉆孔工藝

根據(jù)“五含”地層賦存的高度及厚度，靈活選用鉆孔施工工藝。由于定向鉆孔過程中“二開”定向造斜段要求地層具有較大埋深，因此“五含”地層發(fā)育在-300 m以淺位置采用常規(guī)垂直鉆孔;“五含”地層發(fā)育在-300～-400 m位置采用普通定向鉆孔;-400 m以深采用水平孔。

根據(jù)施工工藝和平面展布位置，將帷幕墻體分為北線墻體和東線墻體兩部分。其中北線墻體均位于“五含”淺部段(“五含”底板基本上位于-350 m以淺)，該區(qū)域鉆孔施工工藝可分為常規(guī)直孔和淺部順層孔。直孔段位于“四含”、“五含”直接接觸帶及“五含”底板約-340 m標(biāo)高以淺;淺部順層孔段位于北線終點附近，“四含”、“五含”之間存在隔水層，“五含”頂、底板位于-350～-380 m。東線墻體可分為淺部段和深部段，淺部段(埋深-380 m以淺)位于東線南側(cè)，采用淺部順層孔;深部段(埋深-380 m以深)采用水平孔。因此，帷幕墻體設(shè)計建造剖面如圖12所示。

圖12 帷幕墻體設(shè)計建造剖面Fig.12 Design and construction section of curtain wall

4.3 帷幕墻體厚度和鉆孔間距

建造帷幕墻體的目的是實現(xiàn)對地下水徑流通道的封堵，從而攔截來自墻體一側(cè)各方向的地下水。而由于懸掛式帷幕墻體具有一定埋深，致使在墻體一側(cè)，尤其帷幕墻體底部，承受了一定的水頭壓力，因此，為保證帷幕墻體長期有效，需對帷幕墻體厚度進(jìn)行確定和分析。根據(jù)《礦山帷幕注漿規(guī)范》，對于可溶巖地層中帷幕墻體厚度不宜小于10 m，但并未給出帷幕墻體厚度的計算表達(dá)式。根據(jù)文獻(xiàn)[27]，帷幕墻體厚度可用式(4)估算:

(4)

式中，δ為帷幕墻體厚度，m;H為帷幕墻體上游承受水頭，m;h為帷幕墻體下游承受水頭，m;Jφ為帷幕墻體允許滲流梯度;Kφ為帷幕墻體滲透系數(shù)，m/s;K0為帷幕地層滲透系數(shù)。

帷幕墻體建造目標(biāo)是實現(xiàn)帷幕墻體85%的截流效果，可認(rèn)為降低85%的帷幕地層的滲透性，因此可知Kφ/K0為0.15;帷幕注漿是在巖層空隙中充填漿液，形成結(jié)石體，因此根據(jù)文獻(xiàn)[28]，Jφ選取為60;另外，根據(jù)帷幕墻體建造的深度可知其墻體內(nèi)外水位最大高差為400 m。將上述參數(shù)代入式(4)計算可得帷幕墻體厚度最小值為7.84 m。

合理的鉆孔間距是保證帷幕墻體最小厚度，實現(xiàn)帷幕墻體建造目的的關(guān)鍵。由于受注地層中孔隙、裂隙、溶洞等發(fā)育不均一，鉆孔間距過大，容易造成鉆孔間地層中不聯(lián)通的孔隙、裂隙、溶洞等無法充填漿液，致使墻體產(chǎn)生缺口;鉆孔間距過小，施工成本過高、周期過長。相關(guān)文獻(xiàn)采用漿液擴(kuò)散距離對鉆孔間距進(jìn)行計算，筆者認(rèn)為鉆孔間距主要應(yīng)該考慮注漿層位的裂隙連通性情況，漿液擴(kuò)散距離是漿液在注漿泵的高壓推送下的運移距離，在孔隙、裂隙連通性較好時，漿液擴(kuò)散可沿聯(lián)通裂隙一直運移，直到推送壓力小于靜水壓力與管壁摩阻之和，因此在注漿泵額定工作能力一定的情況下，漿液擴(kuò)散距離是由裂隙延展長度決定。

因此，為保證實現(xiàn)帷幕墻體最小安全厚度，結(jié)合施工成本和效率考慮，設(shè)置鉆孔間距為帷幕墻體最小安全厚度的2倍。直孔的孔間距為20 m，兩排交錯布孔，每80 m設(shè)置一個檢查孔;水平鉆孔并排布置，水平段交錯布置，每個水平孔的分支孔上下間距為20 m，每組孔各布置1個延伸到對側(cè)末端的檢查加固孔(圖13)。

圖13 垂直鉆孔和定向鉆孔間距平面布置Fig.13 Plane layout of vertical and directional borehole spacing

4.4 注漿材料及漿液配比適用性

注漿材料和漿液配比是保證帷幕墻體建造質(zhì)量、控制注漿過程的關(guān)鍵參數(shù)。不同受注地層孔隙、裂隙發(fā)育的幾何參數(shù)不同，而注漿材料粒徑分布不同，因此，在注漿過程中兩者需要相互選擇、匹配，實現(xiàn)最大空隙充填率;不同配比漿液物理力學(xué)性質(zhì)不同，對其進(jìn)行適用性分析對保證帷幕墻體強(qiáng)度具有重要意義。由于該帷幕墻體建造規(guī)模大，注漿量大，基于環(huán)保和成本考慮，注漿材料主要采用水泥和粉煤灰。

(1)注漿材料可注性

采用激光粒度分析儀對試驗用硅酸鹽水泥和粉煤灰進(jìn)行顆粒粒度分析，可得2種材料粒徑分布特征(圖14)。

圖14 原材料粒徑分布Fig.14 Material particle size distribution

由圖14可以看出，復(fù)合硅酸鹽水泥中3～32 μm顆粒含量約占62.55%;粉煤灰的顆粒粒徑主要集中在10～250 μm，約占88%。一般裂隙巖體注漿過程中，巖層裂隙開度應(yīng)大于注漿材料最大顆粒直徑的3倍以上，即b≥3D，即滿足水泥顆粒灌注的裂隙開度應(yīng)大于96 μm、滿足粉煤灰顆粒灌注的裂隙開度應(yīng)大于750 μm。結(jié)合孔隙等效直徑區(qū)間以及裂隙發(fā)育情況(表1)，水泥顆粒較小，能夠充填微小尺寸孔隙、裂隙，因此，可滿足體積占比為86.77%的微小尺寸孔隙充填以及微張、中張、寬張等裂隙充填;粉煤灰顆粒相對較大，能夠滿足部分孔隙、裂隙充填，但無法對微小尺寸孔隙、裂隙進(jìn)行充填，孔隙可充填體積約為23.56%，裂隙可對中張和寬張裂隙以及少部分微張裂隙充填。因此，在滿足裂隙開度要求時，對于裂隙開度較小巖層的升壓注漿階段，須采用純水泥漿液，充填微小裂隙。對于巖溶發(fā)育的孔洞，注漿可摻入顆粒較大的粉煤灰進(jìn)行無壓充填灌注，減少水泥量，降低注漿成本。

(2)漿液配合比適用性

為保證有效封堵及加固巖層，注漿結(jié)石體應(yīng)滿足帷幕墻體最大承受水壓要求。根據(jù)帷幕墻體內(nèi)外墻水壓差及其埋深，墻體最大承受水壓為4 MPa。筆者針對水固比為0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0的水泥漿液;水固比為0.6,0.8,1.0,2.0,3.0，粉煤灰摻量20%,30%,40%,50%,60%的水泥-粉煤灰漿液進(jìn)行了抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)試驗。因此，根據(jù)水泥漿液、水泥-粉煤灰漿液強(qiáng)度性能，綜合篩選出符合上述指標(biāo)要求的漿液配合比，具體見表6。

表6 適用性漿液配合比
Table 6 Applicable slurry mix ratio

漿液種類漿液配比參數(shù)水固比粉煤灰摻量/%水泥漿液0.6,0.7,0.8,0.902.020水泥-粉煤灰漿液1.0200.8200.620,30

4.5 注漿壓力

注漿壓力是推動漿液擴(kuò)散、克服流動阻力、驅(qū)替地下水的動力，是保證注漿效果的重要抓手和控制參數(shù)。因此，合理選擇注漿壓力對帷幕墻體建造質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。筆者基于帷幕墻體建造工況采用數(shù)值分析方法對帷幕墻體建造中的注漿壓力進(jìn)行分析計算，以得到保證帷幕墻體建造尺寸的合理注漿壓力。

利用COMSOL數(shù)值模擬軟件建立單一水平裂隙漿液擴(kuò)散數(shù)值計算模型，計算參數(shù)和工況見表7,8。通過對不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散距離模擬計算，得到不同注漿壓力下漿液沿裂隙方向(橫向)和垂直裂隙方向(縱向)擴(kuò)散距離隨時間變化特征曲線(圖15)。

表7 數(shù)值計算參數(shù)
Table 7 Numerical calculation parameter

水泥漿液水灰比漿液密度/(kg·m-3)漿液黏度/(Pa·s-1)水的密度/(kg·m-3)水的黏度/(Pa·s-1)巖體孔隙率/%1∶11 4600.097 21 0000.00120

表8 計算工況參數(shù)
Table 8 Calculated operating parameters

水泥漿液水灰比注漿壓力/MPa靜水壓力/MPa介質(zhì)滲透率/m20.8∶14,5,62,34.071×10-12

圖15 不同注漿壓力漿液縱橫向擴(kuò)散距離隨時間變化曲線[29]Fig.15 Time-dependent curves of grout longitudinal and transv- erse diffusion distance under different grouting pressure[29]

從圖15可以看出，漿液縱向和橫向的擴(kuò)散距離隨注漿時間的增加逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。其中，漿液縱向擴(kuò)散范圍達(dá)到約10 m處趨于穩(wěn)定，橫向方向約16 m處趨于穩(wěn)定，橫向和縱向擴(kuò)散范圍均可保證帷幕墻體建造的最小安全厚度，但橫縱向漿液擴(kuò)散距離的增長率隨著注漿壓力的增大而增大，因此，為了提高注漿效率，結(jié)合漿液凝結(jié)時間，可采用5～6 MPa的注漿終結(jié)壓力，期間根據(jù)壓力變化過程可采用多孔跳注和間歇注漿等工藝。

5 帷幕注漿效果評價

注漿效果檢驗是保證帷幕墻體建造質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。因此，筆者從分析檢查孔巖屑水泥含量、漿液結(jié)石體物理力學(xué)性質(zhì)和放水試驗過程中帷幕墻體內(nèi)外水位變化等方面得到漿液擴(kuò)散范圍、結(jié)石體強(qiáng)度和截流效果等信息，綜合評價帷幕墻體建造效果，從而保證帷幕墻體建造質(zhì)量滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

(1)漿液擴(kuò)散范圍檢驗

每組水平鉆孔各布置1個延伸到對側(cè)孔組末端的檢查加固分支孔，通過檢查加固分支孔中鉆取的巖屑成分和鉆井液漏失情況，分析水泥結(jié)石體占比和孔隙、裂隙充填率，進(jìn)而判斷水平分支孔間的20 m范圍的漿液擴(kuò)散情況和注漿效果，并根據(jù)情況進(jìn)行2次補(bǔ)強(qiáng)加固，以保證漿液擴(kuò)散范圍。

(2)結(jié)石體強(qiáng)度

帷幕墻體建造設(shè)計中，垂直鉆孔段每隔80 m施工一個檢查鉆孔，檢查鉆孔一般在前期注漿孔施工完畢后進(jìn)行施工，起到檢驗和補(bǔ)強(qiáng)加固作用。因此通過施工檢查鉆孔可以揭露部分前期注漿形成的漿液結(jié)石體，通過對結(jié)石體進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗，可分析判斷注漿效果。試驗結(jié)果表明:結(jié)石體干燥狀態(tài)下無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度為21.3 MPa，飽和狀態(tài)下為11.2 MPa，圖16為結(jié)石體試樣干燥和飽和狀態(tài)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度破壞狀態(tài)，飽和狀態(tài)下試樣較干燥狀態(tài)下表現(xiàn)出塑性變形，說明水對其物理力學(xué)性質(zhì)有明顯降低作用。

圖16 結(jié)石體干燥和飽和無側(cè)限壓縮強(qiáng)度試驗Fig.16 Drying and saturated unconstrained compressive strength test of stones

該帷幕建設(shè)要求墻體最小抵抗4 MPa水壓，而保水狀態(tài)下的結(jié)石體強(qiáng)度為11.2 MPa，完全滿足水壓差強(qiáng)度要求，而且該結(jié)石體試樣是在大空洞巖溶介質(zhì)中低壓灌注充填注漿形成的漿液結(jié)石體，而對于在尺度較小的裂隙和孔隙巖體介質(zhì)中注漿，漿液是在高壓條件下被擠入，水泥漿液分子顆粒在壓力作用下間距變小、水分子析出，從而提高了結(jié)石體強(qiáng)度。因此，在含有較小尺度的孔隙、裂隙巖體巖體中注漿形成的結(jié)石體強(qiáng)度比在空洞巖溶介質(zhì)中無壓條件下充填灌注形成的結(jié)石體強(qiáng)度更高，結(jié)合上述結(jié)石體試驗力學(xué)試驗結(jié)果可判斷帷幕墻體完全能夠抵抗墻體內(nèi)外側(cè)水壓差，帷幕注漿形成的墻體強(qiáng)度效果良好。

(3)截流效果檢驗

帷幕墻體建造的最終目的是要對含水層徑流通道進(jìn)行攔截和封堵，因此墻體截流效果是檢驗帷幕墻體建造成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)，而抽、放水試驗是檢驗截流效果最為直接有效的方法[21]。

放水試驗采用井下放水、井上鉆孔水位觀測的方法，監(jiān)測記錄放水期間帷幕墻體內(nèi)外“五含”觀測孔水位標(biāo)高，通過對比墻體內(nèi)外觀測孔“五含”水位變化情況，可以對比得到墻體的帷幕截流效果。圖17為帷幕墻體內(nèi)外“五含”水位觀測孔放水期間變化曲線，可看出在放水期間墻內(nèi)外觀測孔“五含”水位出現(xiàn)明顯差別，墻內(nèi)觀測孔水位降落明顯，墻外觀測孔水位基本穩(wěn)定，且墻內(nèi)觀測孔在放水結(jié)束后水位維持降落位置，沒有恢復(fù)，說明帷幕墻切斷了“五含”及其他含水層對墻內(nèi)部分的補(bǔ)給，起到了良好的帷幕截流效果。

圖17 放水期間“五含”觀測孔水位變化曲線Fig.17 Water level variation curves of “five contained” observation hole during discharge

另外，帷幕墻體設(shè)計截流率是85%，地下水由墻外到墻內(nèi)的殘余水量為300 m3/h，而放水試驗階段“五含”水位降至-230 m時帷幕墻殘余水量小于170 m3/h。根據(jù)該礦在1993年的放水試驗成果:降深約100 m時，“五含”放水量約為700 m3/h，水位降至-230 m時降深約為180 m。據(jù)此可推算該階段“五含”建墻之前的水量約為1 260 m3/h，從而得到“五含”水位降至-230 m時實際截流率不低于86.51%。根據(jù)文獻(xiàn)[30]中利用數(shù)值模擬對“五含”水位降至-350 m時的水量和截流率預(yù)測計算，可得當(dāng)“五含”水位降至-350 m時的截流率為95.26%。綜上，帷幕墻體截流率高，效果良好。

6 結(jié) 論

(1)利用顯微CT掃描對受注地層巖芯進(jìn)行掃描分析，提取孔隙、裂隙幾何參數(shù)，得到孔隙在數(shù)量上以等效直徑≤200 μm為主，在體積上等效直徑主要以200 μm

(2)結(jié)合注漿材料粒徑分布特征和受注介質(zhì)細(xì)觀特征，得到對于開度較小的裂隙，須采用純水泥漿液，對于巖溶發(fā)育的孔洞，可摻入粉煤灰進(jìn)行無壓充填灌注，配合比為0.6,0.7,0.8,0.9的水泥漿液、水固比分別為2.0,1.0,0.8,0.6和對應(yīng)粉煤灰摻量分別為20%,20%,20%,20%和30%的水泥-粉煤灰漿液均能夠滿足建造要求。

(3)根據(jù)理論計算和數(shù)值分析分別得到帷幕注漿最小安全厚度為7.84 m，因此采用鉆孔間距20 m設(shè)計，并且直孔采用兩排交錯布孔，每80 m設(shè)置一個檢查孔;水平鉆孔并排布置，水平段交錯布置，每個水平孔的分支孔上下間距為20 m。

(4)利用鉆取巖屑成分特征、鉆孔取芯和放水試驗對帷幕墻體建造質(zhì)量進(jìn)行分析檢驗。得到漿液擴(kuò)散范圍滿足安全厚度要求;漿液結(jié)石體飽和抗壓強(qiáng)度為11.2 MPa;墻體內(nèi)外水位差7 d達(dá)到140 m、截流率不低于86.51%，墻體截流效果顯著，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)和要求。