礦山垮落大體積松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注原理及其應(yīng)用*

于世波 王志修 原 野 王 賀

(①礦冶科技集團(tuán)有限公司， 北京 102628， 中國(guó)) (②北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083， 中國(guó)) (③國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心， 北京 102628， 中國(guó)) (④金屬礦山智能開(kāi)采技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 102628， 中國(guó))

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，受到地質(zhì)條件或基建要求的限制，鐵路路基、隧道洞口加固、垮塌巖體中巷道二次掘進(jìn)、排土場(chǎng)邊坡加固、井筒垮塌事故搶險(xiǎn)救援等重要應(yīng)急工程等必須在復(fù)雜的松散體地層中進(jìn)行(Chen et al.，2011； 周興旺等， 2014； 周振方等， 2018； 周家文等， 2019； 高相波等， 2020)。特別是2015年“12·25”山東石膏礦垮塌事故中，對(duì)于垮塌區(qū)應(yīng)急救援教訓(xùn)極為深刻，在大孔徑救生孔穿過(guò)垮塌松散體過(guò)程中，大量注入了水泥-水玻璃漿液有效提高了救援速度。由于松散體大多數(shù)屬于非理想散體(吳愛(ài)祥等， 2002； 沈月強(qiáng)等， 2019； 劉樟榮等， 2020)，具有空隙率大、非均質(zhì)、各向異性、非飽和等特點(diǎn)，且與松散體有關(guān)的工程一般對(duì)漿液擴(kuò)散范圍控制要求較為精確，因此，對(duì)于松散體尤其是大體積松散體注漿提出更高、更嚴(yán)格的要求。雖然水泥-水玻璃漿液作為一種特殊的流體介質(zhì)，對(duì)漿液本身的擴(kuò)散范圍有一定的控制，但水泥-水玻璃漿液在大體積松散體中受到大空隙、漿液重力等復(fù)雜作用的影響，注漿方式、漿液擴(kuò)散過(guò)程和擴(kuò)散機(jī)制尚不明確。因此，大體積松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注原理成為相關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，對(duì)礦山大體積垮落巖體救災(zāi)和治理等安全地質(zhì)問(wèn)題的解決具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水泥-水玻璃漿液的研究主要集中在漿液在裂隙巖體中的滲透擴(kuò)散機(jī)制(Wang et al.，2013； Sui et al.，2015； Zhang et al.，2017； Li et al.，2020)。Wang et al. (2013)通過(guò)單一裂隙中漿液擴(kuò)散的模擬試驗(yàn)，建立了注漿量、壓力、黏度之間的關(guān)系方程。Sui et al. (2015)、Zhang et al. (2017)通過(guò)人工單裂隙的注漿模擬試驗(yàn)，分別研究了無(wú)水、靜水條件下漿液的滲流擴(kuò)散規(guī)律。Li et al. (2020)提出了考慮漿液黏度時(shí)空演化特征的SDS數(shù)值模擬方法，通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)研究了不同動(dòng)水條件下漿液在裂隙中的擴(kuò)散規(guī)律，為裂隙動(dòng)水滲透注漿研究提供了有效的模擬方法。Mu et al. (2019)基于Navier-Stokes方程建立了考慮漿液與裂隙耦合作用的漿液擴(kuò)散模型，揭示了粗糙度對(duì)漿液流動(dòng)的影響規(guī)律。孔隙注漿最常見(jiàn)的是砂土層注漿，通常注漿壓力小于4MPa(張慶松等， 2018)。李術(shù)才等(2017)結(jié)合平板裂隙注漿擴(kuò)散模型，推導(dǎo)得到劈裂注漿擴(kuò)散控制方程，開(kāi)展了沙層劈裂注漿擴(kuò)散現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。Boschi et al. (2020)采用離散元方法從細(xì)觀力學(xué)角度研究土體注漿過(guò)程中土顆粒和漿液之間的相互作用。張聰?shù)?2018)以小粒徑砂礫石灌注為研究對(duì)象，研究了漿液在脈動(dòng)壓力下的滲透擴(kuò)散機(jī)制，分析了脈動(dòng)注漿參數(shù)對(duì)漿液擴(kuò)散距離的影響，并通過(guò)室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證?？梢?jiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)礦山采掘垮塌造成的大體積松散體中漿液灌注的相關(guān)研究不多。為此，本文針對(duì)大體積松散體中水泥-水玻璃漿液的可控灌注問(wèn)題，基于似均質(zhì)松散體中水泥-水玻璃漿液堆體灌注試驗(yàn)，研究堆體中水泥-水玻璃漿液的灌注發(fā)展過(guò)程，揭示松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注原理?；谝痪S豎向優(yōu)勢(shì)滲流的擴(kuò)散距離與凝結(jié)時(shí)間的關(guān)聯(lián)性，以及漿液結(jié)石體的短期強(qiáng)度增長(zhǎng)特性，提出松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注理念，并將該理念應(yīng)用于河北杏山鐵礦大垮塌主溜井滿井狀態(tài)下的封堵工程中，為類(lèi)似條件下工程災(zāi)害問(wèn)題的解決提供典型案例參考。

1 松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注原理

由于松散體的大空隙、漿液重力作用等因素對(duì)水泥-水玻璃漿液灌注影響顯著，開(kāi)展似均質(zhì)松散體中水泥-水玻璃漿液灌注試驗(yàn)，分析松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注機(jī)制，依此提出松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)有關(guān)工藝。

1.1 松散體中水泥-水玻璃漿液灌注試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置：雙液注漿泵、攪拌機(jī)、不同長(zhǎng)度跟管、注漿芯管、注水封孔器。

試驗(yàn)材料：P.O 52.5R普通硅酸鹽水泥、濃度40°Bé和模數(shù)3.0的水玻璃、緩凝劑Na2HPO4、粒徑4～6cm礦用道砟碎石、級(jí)配良好的廢石堆體。

試驗(yàn)樣本：粒徑4～6cm道砟碎石采用鏟運(yùn)機(jī)堆高而成的似均質(zhì)松散體堆積體，狀態(tài)干燥，巖性與后續(xù)溜井置換所用松散體一致(圖 1)。

圖 1 現(xiàn)場(chǎng)松散堆體灌注試驗(yàn)Fig. 1 Grouting test for loose rock mass in the field a. 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)全貌； b. 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)方案：根據(jù)跟管埋設(shè)段數(shù)、角度及深度不同，共設(shè)計(jì)4組試驗(yàn)方案，其中方案2和方案3均需要采用注水封孔器在跟管內(nèi)部實(shí)現(xiàn)分段注漿，如表 1所示。

表 1 灌注試驗(yàn)方案Table 1 Scheme of grouting test

1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖 2給出了4種試驗(yàn)方案得到的結(jié)石體形態(tài)。

方案1中，跟管呈小角度埋置到堆體的淺表面，漿液在自重作用下，沿著豎直方向的大空隙發(fā)生自流，豎直方向成為大空隙松散體介質(zhì)中水泥-水玻璃漿液灌注的優(yōu)勢(shì)滲流方向，豎向優(yōu)勢(shì)滲流擴(kuò)散距離為0.43m，結(jié)石形態(tài)如圖 2a所示。

圖 2 4種方案的松散堆體灌注結(jié)石形態(tài)Fig. 2 Stone forms of grouting test for loose rock mass body in the four schemes a. 方案1(無(wú)壓力)； b. 方案2(0.2MPa)； c. 方案3(0.2MPa)； d. 方案4(0.2MPa)

方案2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了水泥-水玻璃漿液在大空隙介質(zhì)中的豎向優(yōu)勢(shì)滲流特征，豎向優(yōu)勢(shì)滲流的距離為0.95m。該方案中，當(dāng)漿液發(fā)生豎向優(yōu)勢(shì)滲流后，在其他周邊方向發(fā)生均勻擴(kuò)散現(xiàn)象。當(dāng)漿液擴(kuò)散到一定范圍并結(jié)石后，為了突破已形成的結(jié)石體，需要克服結(jié)石體的阻力及外圍松散體的側(cè)向壓力之和Pi才能發(fā)生自劈裂現(xiàn)象，即漿液需劈裂漿液結(jié)石體后再開(kāi)始第一個(gè)階段的滲透過(guò)程，此時(shí)的注漿壓力又恢復(fù)到0，隨后在結(jié)石體外圍一定距離重新結(jié)石。對(duì)比方案1可以看出，隨著結(jié)石厚度的增加、結(jié)石短期強(qiáng)度的增加和注漿壓力的增加，自劈裂現(xiàn)象和滲透現(xiàn)象不斷發(fā)生，直到第n個(gè)注漿循環(huán)的劈裂壓力Pn。在注入1.5t水泥后，漿液周向擴(kuò)散距離為0.72m，此時(shí)注漿最大壓力為0.2MPa，單段灌注的漿液結(jié)石立體形態(tài)為一近似圓柱型，豎向方向結(jié)石體稍長(zhǎng)，結(jié)石形態(tài)如圖 2b所示。

圖 3 松散堆體中水泥-水玻璃漿液擴(kuò)散及壓力發(fā)展過(guò)程Fig. 3 Propagation and pressure development of cement-sodium silicate slurry in the loose rock mass

方案3的結(jié)石體由3個(gè)分段構(gòu)成，在3個(gè)分段中，都存在漿液蔓延過(guò)注水封孔器位置到達(dá)注水封孔器后方的現(xiàn)象。當(dāng)注漿壓力足夠大時(shí)，在松散體中結(jié)石的范圍將足以到達(dá)注水封孔器后端，從而導(dǎo)致封孔器抱死在孔內(nèi)無(wú)法取出，在杏山鐵礦主溜井封堵工程中第1、2個(gè)跟管注漿孔即發(fā)生了此種現(xiàn)象。因此，大體積松散體中的分段灌注漿采用分段注漿方式是不可取的。方案3中3個(gè)分段的漿液滲透擴(kuò)散距離和注漿最大壓力均與方案2基本相同。由于注漿段間距離較大，漿液擴(kuò)散與結(jié)石體形態(tài)為單個(gè)橢球體，在優(yōu)勢(shì)滲流方向結(jié)石長(zhǎng)度稍大，如圖 2c所示。

方案4中，漿脈充分填充到級(jí)配良好的廢石堆體的空隙中，結(jié)石率高、結(jié)石情況良好。

根據(jù)漿液運(yùn)動(dòng)特征，可將松散體中水泥-水玻璃漿液灌注發(fā)展歷程分為5個(gè)階段：大空隙豎向優(yōu)勢(shì)滲流階段、大空隙周邊滲流階段、上向滲流結(jié)石階段、第1層劈裂與滲流階段和第n層劈裂與滲流階段，如圖 3所示。由于漿液運(yùn)動(dòng)初期孔隙連通性好，前兩個(gè)階段漿液運(yùn)動(dòng)呈無(wú)壓滲透。灌漿后期，隨著漿液逐漸凝結(jié)，漿液需穿透封閉的結(jié)石體才可繼續(xù)滲透，因此壓力逐漸顯現(xiàn)，且壓力的大小隨著結(jié)石厚度的增加和結(jié)石體短期強(qiáng)度的增長(zhǎng)而增大。

1.2 松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注機(jī)制分析

通過(guò)以上似均質(zhì)松散體中水泥-水玻璃漿液堆體灌注試驗(yàn)可以看出，在松散體中灌注水泥-水玻璃漿液是一個(gè)黏度時(shí)變性漿液與松散體大空隙介質(zhì)耦合作用的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，可抽象為兩個(gè)科學(xué)問(wèn)題的求解，即：非定常流體的一維滲流模型(范椿， 1994； 王培光等， 1995)和分層劈裂與滲流力學(xué)模型，前者為流體力學(xué)問(wèn)題，后者可歸結(jié)為固體力學(xué)問(wèn)題。松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注機(jī)制的闡釋即為對(duì)這兩種模型的理論解答。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)大體積松散體灌注漿的實(shí)現(xiàn)途徑，可將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為兩個(gè)平面問(wèn)題： ①非定常流體的一維滲流模型主要是研究非定常流體斜面上流動(dòng)的問(wèn)題。其對(duì)可控灌注的影響在大空隙豎向優(yōu)勢(shì)滲流階段、大空隙豎向周邊滲流階段、上向滲流結(jié)石階段，且在整個(gè)松散體可控灌注過(guò)程中占用時(shí)間較短，對(duì)整體結(jié)石形態(tài)和擴(kuò)散距離影響較小，僅對(duì)初始階段的下向結(jié)石體輪廓有一定影響。此段時(shí)間統(tǒng)一用時(shí)間t0表示。該階段中，對(duì)松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注和漿液擴(kuò)散起控制作用的為一維豎向優(yōu)勢(shì)滲流過(guò)程。②分層劈裂與滲流力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為固體力學(xué)的同心圓環(huán)問(wèn)題進(jìn)行分析，即對(duì)單段灌注漿的周向時(shí)空擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行研究。

1.2.1 一維豎向優(yōu)勢(shì)滲流機(jī)制

水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變性是影響松散體灌漿質(zhì)量的重要因素之一。研究表明水泥-水玻璃漿液的黏度隨時(shí)間呈現(xiàn)冪函數(shù)變化(劉人太， 2012)，借助Brookfield新型R/S+流變儀開(kāi)展了兩種配比漿液的黏度時(shí)變性試驗(yàn)，結(jié)果與已有研究基本一致，如圖 4所示。

圖 4 水泥-水玻璃漿液黏度測(cè)定及其黏度特征Fig. 4 Determination and viscosity characteristics of cement-sodium silicate slurry

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，兩種配比漿液黏度可統(tǒng)一表示為：

μ(t)=AtY

(1)

式中：μ(t)為漿液黏度(Pa·s)；t為水泥與水玻璃混合后的時(shí)間(s)；A、Y均為與水泥-水玻璃漿液黏度有關(guān)的常數(shù)，可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出。

式(1)表明對(duì)于特定配比的水泥-水玻璃漿液，黏度時(shí)變性僅是時(shí)間t的函數(shù)，可劃分為黏度接近零和黏度短時(shí)間內(nèi)迅速爬升兩個(gè)階段，服從以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)分布。由于在自重作用下，水泥-水玻璃漿液在均質(zhì)松散體中豎向滲流主要涵蓋了水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變特性和均質(zhì)松散體介質(zhì)兩種問(wèn)題，做出假設(shè)，即在試驗(yàn)松散體介質(zhì)中水泥-水玻璃漿液灌注的豎向擴(kuò)散距離是一個(gè)與時(shí)間t相關(guān)的以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)：

s(t)=aebt

(2)

式中：s(t)為豎向擴(kuò)散距離(m)；t為凝結(jié)時(shí)間(s)；a、b均為與水泥-水玻璃漿液黏度有關(guān)的常數(shù)，可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出。

根據(jù)上述試驗(yàn)中18s和60s對(duì)應(yīng)的豎向擴(kuò)散距離，式(2)函數(shù)變?yōu)椋?/p>

s(t)=0.2875e0.02236t

(3)

由于在露天條件下，很難開(kāi)展長(zhǎng)灌注時(shí)間下的豎向擴(kuò)散距離研究，因此，為了驗(yàn)證這一公式是否可行，將堆體灌注試驗(yàn)的假設(shè)公式計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)主溜井封堵工程應(yīng)用中(松散體為堆體試驗(yàn)中的道砟碎石)的一維豎向擴(kuò)散的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖 5所示。

圖 5 松散體中水泥-水玻璃漿液灌注的 豎向擴(kuò)散距離對(duì)比分析Fig. 5 Comparative analysis for vertical diffusion distance of cement-sodium silicate slurry in the loose rock mass

可以看出，采用與時(shí)間t相關(guān)的以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)在漿液凝結(jié)時(shí)間小于140s時(shí)具有很好的一致性，相關(guān)性好； 當(dāng)凝結(jié)時(shí)間逐漸加大時(shí)，假設(shè)函數(shù)與工程實(shí)測(cè)結(jié)果差別加大，但假設(shè)函數(shù)仍然具有一定的導(dǎo)向作用(也應(yīng)考慮工程實(shí)踐中松散體不均質(zhì)等其他因素)。因此，對(duì)于特定的松散體介質(zhì)，通過(guò)多個(gè)堆體的灌注試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密擬合，可以對(duì)大體積松散體中水泥-水玻璃漿液灌注的豎向擴(kuò)散距離進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而確定工程中需要的漿液凝結(jié)時(shí)間和漿液配比。該方法為恒流量灌漿試驗(yàn)，適用于均勻分布的松散體介質(zhì)，且跟管需水平或傾斜埋置于松散體中。

1.2.2 單段灌注漿的周向時(shí)空擴(kuò)散機(jī)制

將分層劈裂與滲流力學(xué)模型簡(jiǎn)化為固體力學(xué)的同心圓環(huán)問(wèn)題，其力學(xué)模型如圖 6所示。

圖 6 松散體中漿液分層劈裂與滲流過(guò)程的力學(xué)模型及特征Fig. 6 Mechanical model and characteristics of layered splitting and seepage process in the loose rock mass a. 松散體中灌注漿分層劈裂與滲流過(guò)程的力學(xué)模型； b. 分層劈裂與滲流特征

此類(lèi)問(wèn)題的環(huán)向應(yīng)力解析解為(陳子蔭， 1994)：

(4)

式中：σθ為環(huán)向應(yīng)力(MPa)；R為第i層結(jié)石體的擴(kuò)散半徑(m)；r0為跟管的半徑(m)；Pi為大體積松散體對(duì)結(jié)石體區(qū)域產(chǎn)生的徑向壓力(MPa)，對(duì)于側(cè)限條件下特定埋置注漿管的有效深度H，Pi為常量；Pμ為漿液在跟管內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力(MPa)；ρ為漿液密度(kg·m-3)。

假定在劈裂路徑上強(qiáng)度由結(jié)石體強(qiáng)度控制，且符合最大拉應(yīng)力強(qiáng)度準(zhǔn)則，則水泥-水玻璃漿液劈裂結(jié)石體臨界條件為：

σθ=σt(t)

(5)

一般地，σt(t)與σc(t)有如下關(guān)系：

(6)

式中：σt(t)為結(jié)石塊體的短期抗拉強(qiáng)度(MPa)；σc(t)為結(jié)石塊體的短期抗壓強(qiáng)度(MPa)；N為比例系數(shù)。

實(shí)際漿液劈裂結(jié)石體軌跡如圖 7所示，將其簡(jiǎn)化為直線破裂面，聯(lián)立式(4)、式(5)和式(6)，得到：

圖 7 水泥-水玻璃漿液劈裂結(jié)石體的簡(jiǎn)化力學(xué)模型Fig. 7 Simplified mechanical model of cement-sodium silicate slurry to split grouted mass

(7)

其中：結(jié)石塊體的短期抗壓強(qiáng)度σc(t)的增長(zhǎng)與漿液的配比、水泥型號(hào)和凝結(jié)時(shí)間有關(guān)。進(jìn)一步開(kāi)展了兩組不同配比的水泥-水玻璃漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖 8所示。擬合得出結(jié)石體短期抗壓強(qiáng)度表達(dá)式為：

圖 8 水泥-水玻璃漿液結(jié)石體的短期抗壓強(qiáng)度特征Fig. 8 Rc characteristics in the short term of the grouted mass of cement-sodium silicate slurry a. 漿液結(jié)石體短期抗壓強(qiáng)度破壞后試件； b. 漿液結(jié)石體短期抗壓強(qiáng)度曲線

σc(t)=ct+d

(8)

式中：c、d為不同漿液結(jié)石體的強(qiáng)度發(fā)展特征參數(shù)。

聯(lián)立式(7)、式(8)，可得特定配比的漿液可控灌注的時(shí)空關(guān)系：

(9)

由式(9)可以看出，對(duì)于給定漿液的擴(kuò)散半徑R，在短期劈裂注漿過(guò)程中，注漿壓力Pμ僅與時(shí)間t有關(guān)； 當(dāng)R進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，Pμ將繼續(xù)跟隨t線性增加，與圖 3實(shí)際注漿壓力變化趨勢(shì)基本吻合。

另外，根據(jù)文獻(xiàn)(楊坪， 2005)，結(jié)石體發(fā)生劈裂的極限壓力可表示為：

Pμ=σc(t)+2K0γH(1-υ)

(10)

式中：K0為靜止側(cè)壓力系數(shù)；H為注漿孔有效深度(m)，可參考文獻(xiàn)(Chen et al.，2018)確定，對(duì)于特定的深度，H為定值； γ為結(jié)石體重度(N·m-3)；υ為巖土體泊松比，本次即為松散體泊松比。

式(8)代入式(10)，Pμ可表示為：

Pμ=ct+C

(11)

式中：C=2K0γH(1-υ)+d為常量。

聯(lián)立式(9)、式(11)，可得特定配比的漿液可控灌注擴(kuò)散范圍與時(shí)間t的關(guān)系：

(12)

由式(12)可知，水泥-水玻璃漿液擴(kuò)散及其形成的結(jié)石體半徑與漿液的強(qiáng)度發(fā)展特征參數(shù)和灌注時(shí)間密切相關(guān)，在大體積松散體漿液進(jìn)行擴(kuò)散及結(jié)石體范圍和匹配終壓預(yù)估時(shí)，可以通過(guò)測(cè)定漿液結(jié)石體短期強(qiáng)度的增長(zhǎng)特性進(jìn)行分析。該方法同樣適用于均勻分布的松散體介質(zhì)，且松散體范圍足夠大，能夠?yàn)楣酀{區(qū)提供足夠圍壓，同時(shí)，最大灌漿壓力需介于漿液結(jié)石體的抗拉強(qiáng)度與圍壓之間。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程背景與工程地質(zhì)條件

河北杏山鐵礦是一座年產(chǎn)3.2×106t礦石的地下大型礦山，作為礦山唯一的主溜井，擔(dān)負(fù)著整個(gè)礦山礦石轉(zhuǎn)運(yùn)的重任，成為礦山的咽喉通道工程。主溜井距離主井45m、距離副井50m(圖 9a)。

圖 9 主溜井的現(xiàn)狀Fig. 9 The status of main ore pass a. 主溜井附近井巷工程布置； b. -330m水平主溜井垮塌情況

自2010年12月起，主溜井在不同水平相繼出現(xiàn)井壁錳鋼板磨透、滑落及井壁圍巖大范圍垮塌現(xiàn)象，如圖 9b所示，在-330～-180m區(qū)段發(fā)生大規(guī)模垮塌多達(dá)12處，最大垮塌跨度達(dá)到20m。主溜井的大范圍多區(qū)段垮塌嚴(yán)重影響自身的使用，對(duì)附近井底車(chē)場(chǎng)設(shè)施及主井、副井等永久工程構(gòu)成了極大威脅。

由于礦山生產(chǎn)需要，生產(chǎn)水平需由-180m水平轉(zhuǎn)至-330m水平，即主溜井-330m以下部分仍需繼續(xù)使用。-330m以上區(qū)段垮塌極為嚴(yán)重，需對(duì)主溜井-330m以上部分進(jìn)行封堵。綜合安全、施工難度、施工速度、工程效果等各種因素，最終選擇在廢石等松散體滿井狀態(tài)下、人員不進(jìn)入溜井中作業(yè)的條件下實(shí)現(xiàn)-330m附近區(qū)段主溜井的快速封堵方案，但面臨的最主要技術(shù)難題是主溜井中松散體中以注漿的方式構(gòu)建封堵結(jié)構(gòu)，漿液不能堵塞-330m卸礦站的斜溜道，即漿液擴(kuò)散必須做到可控灌注，這是本次工程的核心問(wèn)題和工程成敗的關(guān)鍵； 另外一個(gè)技術(shù)難題是松散體中以注漿方式構(gòu)建封堵結(jié)構(gòu)，漿液不能保證也無(wú)法保證封堵區(qū)域所有松散體固結(jié)在一起，即如何保證封堵結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性問(wèn)題。

2.2 技術(shù)思想

基于我國(guó)部分溜井在正常放礦過(guò)程中，粉礦在水、顆粒咬合等作用下，形成的像“狗皮膏藥”一樣的團(tuán)聚體，團(tuán)聚體雖然強(qiáng)度不高但整體性好，能夠自動(dòng)膨井，從而堵塞溜井而無(wú)法繼續(xù)下放礦石(路增祥等， 2017)，源于這一實(shí)際現(xiàn)象，提出在大體積松散體中采用漿液的可控灌注、人為制造多個(gè)團(tuán)聚體組成膨井塞體，實(shí)現(xiàn)大垮塌溜井封堵的設(shè)計(jì)思想。

松散體滿井狀態(tài)下大垮塌主溜井的封堵工程設(shè)計(jì)思想主要包括塞體效應(yīng)→團(tuán)聚效應(yīng)→懸索效應(yīng)→成拱效應(yīng)→減跨效應(yīng)，核心是構(gòu)建多個(gè)有效的團(tuán)聚體，具體設(shè)計(jì)構(gòu)想如圖 10所示。

圖 10 主溜井封堵工程的設(shè)計(jì)思想Fig. 10 Design idea of the plugging project of the main ore pass

2.3 封堵位置工程地質(zhì)條件分析

采用上述可控灌注漿方式制造塞體方式對(duì)主溜井進(jìn)行封堵，最重要的前提是封堵位置穩(wěn)定可靠，封堵結(jié)構(gòu)能夠“塞得緊、穩(wěn)得住、靠得牢”。為此，在設(shè)計(jì)封堵位置附近從不同方位向主溜井井筒方向施工了6個(gè)探測(cè)孔，取得了100m的巖芯進(jìn)行工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)，如圖 11所示。通過(guò)分析看出，主溜井圍巖主要包括黑云混合片麻巖和角閃巖，前者RQD平均值在35.4%，后者RQD平均值在25.1%。兩種巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，隙寬較大，整體較為破碎，但非斷層破碎帶。黑云混合片麻巖和角閃巖巖石強(qiáng)度大，巖石力學(xué)特性較為相近，兩種巖體的工程巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的GSI值分別為51和48。綜合評(píng)估認(rèn)為，該設(shè)計(jì)位置的巖體質(zhì)量相對(duì)較好，在封堵結(jié)構(gòu)擠壓應(yīng)力作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)巖體自穩(wěn)和支撐封堵體能力。

圖 11 主溜井探測(cè)孔所取巖芯樣品Fig. 11 Core samples taken from the exploration hole of the main ore pass

2.4 設(shè)計(jì)方案

2.4.1 松散體置換

從-180m水平隨著下部溜井內(nèi)礦石的下放，逐步倒入地表堆體灌注試驗(yàn)用的粒徑4～6cm碎石2800m3以置換封堵區(qū)域礦石，以保證后續(xù)跟管鉆進(jìn)施工效率和灌注漿效果，同時(shí)與地表堆體灌注試驗(yàn)形成對(duì)比和關(guān)聯(lián)研究。

2.4.2 跟管-預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合筋

(1)跟管鉆進(jìn)：基于可控灌注漿的豎向和水平方向上的灌注效果，在措施硐室一側(cè)布置6排跟管，其中下部2排間距0.5m，上部4排間距1.0m； 在主井聯(lián)絡(luò)道一側(cè)布置3排跟管，其中下部1排間距0.5m，上部3排間距1.0m(圖 12)。跟管布置原則是在封堵結(jié)構(gòu)底部外圍跟管要緊挨垮塌邊界、豎向方向下密上疏、水平方向間距要大于所選漿液擴(kuò)散半徑2倍以上。共施工跟管81根，設(shè)計(jì)形成81個(gè)漿液團(tuán)聚體擠在一起構(gòu)成封堵的結(jié)石結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計(jì)過(guò)程中適當(dāng)增加了跟管密度、提高了漿液的凝結(jié)時(shí)間，因此，實(shí)際團(tuán)聚體的個(gè)數(shù)推測(cè)約為27個(gè)。

圖 12 封堵工程可控灌注漿鉆孔的三維空間布置Fig. 12 Three dimensional layout of controllable grouting borehole in the plugging project

(2)預(yù)應(yīng)力錨索：每根跟管內(nèi)穿插6根φ15.24mm錨索制作錨索束，最終在主溜井兩側(cè)形成交叉斜拉結(jié)構(gòu)。

2.4.3 水泥-水玻璃漿液可控灌注漿

(1)溢漿孔布置：跟管管身間距30cm布置溢漿孔1個(gè)，孔徑14mm，通長(zhǎng)方向呈梅花形布置。

(2)注漿管設(shè)置：基于現(xiàn)場(chǎng)堆體試驗(yàn)結(jié)果，在注漿施工時(shí)采用注漿管插入跟管孔底后多次壓力自劈裂后的自動(dòng)抱團(tuán)結(jié)石灌注的特殊工藝技術(shù)。

(3)漿液特性：為了保證對(duì)整個(gè)封堵區(qū)域有效加固，又不至于堵塞卸礦站下部的斜溜道口，保證灌注漿后主溜井下部順利放空后的繼續(xù)使用，采用水泥-水玻璃漿液進(jìn)行松散體內(nèi)的可控灌注，這也是本次工程的關(guān)鍵和難點(diǎn)，具體工藝見(jiàn)2.5節(jié)。

使用的水泥-水玻璃漿液凝結(jié)時(shí)間分別為140s和200s，最大灌注壓力達(dá)到1.5MPa，兩種漿液豎向最大擴(kuò)散長(zhǎng)度分別為7.2m和15.7m，通過(guò)圖 14d可以看出，灌注漿液豎向滲流到斜溜道下口后自動(dòng)停止流動(dòng)，漿液擴(kuò)散范圍恰好滿足工程設(shè)計(jì)的要求。

2.5 松散體中可控灌注技術(shù)的工藝實(shí)現(xiàn)

水泥-水玻璃漿液在松散體中灌注由于受到不均質(zhì)、大空隙、大塊溝流的客觀條件影響以及漿液本身黏度時(shí)變特性的限制，對(duì)于大體積不均質(zhì)松散體灌注漿控制難度大，主要表現(xiàn)在漿液灌注時(shí)擴(kuò)散不充分、不均衡以及由此引起漿液后竄將整個(gè)止?jié){裝置抱住，從而導(dǎo)致整套鉆具報(bào)廢等孔內(nèi)事故。為此，采用一種孔底設(shè)置注漿芯管管口一次實(shí)現(xiàn)對(duì)管長(zhǎng)方向范圍內(nèi)松散體實(shí)現(xiàn)水泥-水玻璃漿液灌注漿的新工藝(曹輝等， 2016)。該種工藝實(shí)現(xiàn)基于松散體中精準(zhǔn)跟管鉆進(jìn)的控制，注漿的實(shí)現(xiàn)方式如圖 13所示。

圖 13 大體積松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注方式Fig. 13 Controllable grouting method about cement-sodium silicate grout in the large loose rock mass

圖 14 主溜井可控灌注漿及封堵效果Fig. 14 Effect of controllable grouting and plugging for the main ore pass a. 觀察通道注漿結(jié)石體； b. 結(jié)石體近景情況； c. 封堵全貌； d. 斜溜道口下放前后

利用水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變性與松散體本身大空隙的特點(diǎn)，隨著水泥-水玻璃漿液不斷凝結(jié)，在跟管內(nèi)部漿液自動(dòng)形成止?jié){塞結(jié)構(gòu)、在松散體中通過(guò)注漿壓力克服松散體中漿液凝固形成的結(jié)石殼體強(qiáng)度，從而劈裂再造裂紋過(guò)程完成單個(gè)注漿循環(huán)的灌注漿，通過(guò)不斷克服沿跟管長(zhǎng)方向上的若干個(gè)自形成止?jié){塞結(jié)構(gòu)，最終完成沿管長(zhǎng)方向的松散體可控灌注漿。

2.6 可控灌注及封堵效果評(píng)價(jià)

杏山鐵礦主溜井工程施工時(shí)間2015年12月1日～2016年1月13日， 1月14日主溜井恢復(fù)使用，工期共計(jì)43d，比原計(jì)劃提前7d竣工。主溜井封堵工程可控灌注漿及封堵效果評(píng)價(jià)包括以下方面：

2.6.1 工程實(shí)施效果

水泥-水玻璃漿液在壓力劈裂作用下實(shí)現(xiàn)了對(duì)大體積松散體的有效灌注，松散體中空隙結(jié)石填充密實(shí)、飽滿，如圖 14a、圖14b所示，說(shuō)明設(shè)計(jì)的漿液參數(shù)、跟管間距和孔眼參數(shù)以及注漿管設(shè)置方式能夠?qū)崿F(xiàn)漿液在水平方向的有效覆蓋和可控?cái)U(kuò)散。

待礦石下放后，斜溜道下口立即露出，如圖 14d所示，說(shuō)明整個(gè)設(shè)計(jì)施工完全滿足使用要求，并且達(dá)到了一次下放且不堵塞下部結(jié)構(gòu)目的，說(shuō)明整體設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了漿液在豎直方向的可控灌注。

2.6.2 漿液灌注填充率

基于慣常的松散體空隙率范圍(王運(yùn)敏， 2012)，估算了封堵區(qū)域漿液的填充率，如圖 15所示。封堵區(qū)域填充率基本在60%以上，根據(jù)灌注設(shè)計(jì)參數(shù)，在懸索和跟管附近推算可以形成多個(gè)漿液結(jié)石的團(tuán)聚體，團(tuán)聚體采用錨索雙向穿插，擠壓在塞體最小截面以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖 15 封堵區(qū)域空隙漿液填充率Fig. 15 Filling rate of grout in the void of loose rock mass in the plugging area

2.6.3 封堵結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

通過(guò)安裝在錨索束上的錨索荷載傳感器進(jìn)行不間斷持續(xù)監(jiān)測(cè)，前3個(gè)月內(nèi)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖 16所示，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示整個(gè)封堵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，也側(cè)面反映了松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注形成的團(tuán)聚體構(gòu)型合理、結(jié)構(gòu)可靠。

圖 16 監(jiān)測(cè)錨索拉力變化曲線Fig. 16 Tension curves of monitoring cables

迄今為止，杏山鐵礦主溜井封堵工程使用已有近5a，封堵工程完好，充分說(shuō)明了水泥-水玻璃漿液可控灌注漿理論及技術(shù)在此特定環(huán)境中應(yīng)用的科學(xué)性和合理性。

需要注意的是水泥-水玻璃漿液具有凝結(jié)時(shí)間短、可注性和可控性較好等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)石體存在長(zhǎng)期暴露于空氣中易崩解、長(zhǎng)期強(qiáng)度有所降低等問(wèn)題，因此，在承載型的永久工程中需要更加詳細(xì)的論證； 另外，水泥-水玻璃漿液在劈裂已結(jié)石的區(qū)域過(guò)程中，對(duì)于臨近區(qū)域漿液已結(jié)石強(qiáng)度的短期影響和長(zhǎng)期影響程度、以及一般雙液注漿泵的脈動(dòng)壓力注漿作用都需要進(jìn)一步評(píng)估和研究。

3 結(jié) 論

提出了大體積松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注的理念和特殊工藝技術(shù)，揭示了其可控灌注的發(fā)展機(jī)制。得出如下結(jié)論：

(1)基于堆體灌注漿試驗(yàn)，將水泥-水玻璃漿液在松散體中灌注發(fā)展歷程劃分為5個(gè)階段，即：大空隙豎向優(yōu)勢(shì)滲流階段、大空隙周邊滲流階段、上向滲流結(jié)石階段、第1層劈裂與滲流階段和第n層劈裂與滲流階段。

(2)將松散體中水泥-水玻璃漿液可控灌注歸結(jié)為單段灌注漿的一維豎向優(yōu)勢(shì)滲流和周向時(shí)空擴(kuò)散。松散體中水泥-水玻璃漿液一維豎向優(yōu)勢(shì)滲流的擴(kuò)散距離可采用僅與時(shí)間有關(guān)的以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)形式表達(dá)； 給出了大體積松散體中漿液周向擴(kuò)散的時(shí)空關(guān)系，揭示了其分層劈裂擴(kuò)散的力學(xué)機(jī)制。

(3)提出了在大體積松散體中，通過(guò)不斷克服沿跟管方向上的若干個(gè)自形成止?jié){塞結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)沿管長(zhǎng)方向可控灌注漿的特殊工藝技術(shù)。

(4)基于可控灌注技術(shù)，將在大體積松散體中建造多個(gè)團(tuán)聚體為核心的設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用于杏山鐵礦大垮塌主溜井滿井狀態(tài)下的封堵工程中，取得了良好的工程效果。