復(fù)合強富水含水層帷幕薄弱帶識別方法與靶向加固技術(shù)

石志遠

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治重點實驗室，陜西 西安 710077)

煤礦水害是嚴重制約煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡的原因之一[1]。針對水害威脅傳統(tǒng)疏干開采方法不可避免會造成水資源的浪費與污染，目前帷幕注漿方法是治理頂?shù)装逅Φ挠行侄沃籟2，3]。我國帷幕技術(shù)起步于20世紀50年代，經(jīng)過60多年的工程實踐，礦山帷幕技術(shù)在帷幕建造[4-6]、漿液運移[7]以及帷幕效果檢驗與評價[8，9]等方面形成了一系列研究成果。但由于地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，帷幕在建設(shè)過程中極易產(chǎn)生薄弱帶[10]，薄弱帶的存在使帷幕外的水流通過其內(nèi)的過水通道持續(xù)流入帷幕內(nèi)，使帷幕內(nèi)外產(chǎn)生水力聯(lián)系，嚴重影響帷幕截流效果，為解決這一問題，必須對帷幕薄弱帶進行識別并加固。眾多學(xué)者對礦山帷幕薄弱帶形成因素及治理方法進行了研究。孫子正[11]從地質(zhì)角度分析了帷幕薄弱帶的發(fā)育模式和主控因素，指出地下水侵蝕與沖刷作用是帷幕薄弱帶形成的主要因素。韓偉偉等[12]結(jié)合張馬屯鐵礦帷幕井下堵漏工程，通過水文地質(zhì)分析、放水試驗、連通試驗等手段提出了一種帷幕薄弱帶綜合分析方法。鉆孔電磁波透視及高密度電法等物探手段也被越來越多的應(yīng)用在帷幕薄弱帶的監(jiān)測上[13，14]。但以上研究對于巨厚、復(fù)雜介質(zhì)、強富水含水層條件下的帷幕薄弱帶識別未進行深入研究。

在帷幕注漿治理方面，王碧清等[15]分析了張家峁煤礦4-2煤燒變巖水文地質(zhì)特征，得出了火燒區(qū)完整燒變巖斷面上帷幕注漿應(yīng)采用分區(qū)注漿技術(shù)。郭炎偉[16]認為在采取巖體劈裂注漿時，通過其擴散、擠密、充填等作用，增強被注介質(zhì)的整體強度和防滲能力。針對有老空水補給的頂板出水，張東營[17]通過水位、水質(zhì)、水溫等因素快速判別出水水源和導(dǎo)水通道，再利用帷幕注漿技術(shù)切斷頂板水補給通道。以上帷幕注漿研究，大部分采用井下注漿方法，鮮有研究利用帷幕薄弱帶徑流地面注漿靶向加固的技術(shù)方法。本文針對復(fù)合強富水含水層帷幕薄弱帶形成機理，提出準(zhǔn)確識別薄弱帶的方法并利用地下水徑流針對性地加固薄弱帶，在朱仙莊煤礦開展工程實踐，形成靶向快速加固治理技術(shù)，降低注漿盲目性，節(jié)約成本，進一步為礦山帷幕薄弱帶提供安全高效的治理技術(shù)。

1 帷幕薄弱帶發(fā)育分析與識別方法

1.1 薄弱帶發(fā)育原因分析

帷幕薄弱帶的存在受多重因素共同影響，分析不同因素對帷幕薄弱帶發(fā)育的影響是帷幕注漿工程成功的關(guān)鍵[10，18]?；谘芯繀^(qū)水文地質(zhì)條件，根據(jù)理論分析與工程實踐，帷幕薄弱帶產(chǎn)生的主要原因有以下幾點：

1)含水層介質(zhì)的各向異性。一般而言巖溶裂隙發(fā)育區(qū)帷幕注漿效果差，這是因為由于巖溶裂隙賦水具有不均一性及各向異性，巖體導(dǎo)水性主要由寬大裂隙控制，造成漿液擴散范圍不均一，無法確保鉆孔注漿范圍內(nèi)的巖溶通道被全面覆蓋。

2)高速動水條件。在帷幕合龍區(qū)或地下水強徑流帶上，隨著過水?dāng)嗝孀冃?，地下水流速逐漸變快，在高速水流作用下漿液沿徑流方向擴散較多，空隙填充加固不充分，易產(chǎn)生薄弱帶。

3)地下水沖擊或侵蝕作用。帷幕建成后對地下水徑流通道封堵作用顯著，但位于地下水徑流帶上的帷幕段不斷受水流的沖刷，對混凝土的侵蝕作用不斷增強，易形成薄弱帶，隨著帷幕內(nèi)空隙的聯(lián)通薄弱帶不斷擴大。

4)構(gòu)造條件。大型帷幕跨度較大，建造過程中不可避免會遇到斷層、褶皺等構(gòu)造，部分區(qū)域巖性及富水性較設(shè)計有較大差距，此時若沒有采取對應(yīng)的措施，注漿效果將受到嚴重的影響，帷幕會在構(gòu)造發(fā)育區(qū)產(chǎn)生薄弱帶。但構(gòu)造位置可以通過前期鉆探物探手段進行圈定，在帷幕建造過程中有針對性的進行治理。

1.2 薄弱帶識別方法

按照帷幕建造階段劃分，帷幕薄弱帶的識別方法可分為設(shè)計階段識別、建造階段識別及建成階段識別。

1)設(shè)計階段識別。通過分析帷幕建造前礦井物探、鉆探資料，通過物探異常區(qū)分布圖和初始流場分析富水區(qū)和強徑流帶位置。鉆探取心通過對比帷幕各部位巖心孔隙發(fā)育情況，是最直接判斷帷幕薄弱帶的方法，但大型帷幕規(guī)模較大，各部位進行取心工程量較大，成本高而且會影響帷幕的截流質(zhì)量。地球物理探查方法受限于精度以及其多解性，不能識別出帷幕薄弱帶的精確位置，對指導(dǎo)薄弱帶加固治理具有一定的局限。設(shè)計階段一般難以準(zhǔn)確圈定薄弱帶范圍，主要通過建造階段和建成階段進行識別。

2)建造階段識別。帷幕建造過程中不同區(qū)域鉆孔的鉆井液消耗及注漿量情況具有明顯的差異性。鉆井液漏失嚴重、注漿量大的區(qū)段可能存在治理薄弱區(qū)。根據(jù)鉆孔取心、壓水試驗情況，分析空隙充填率，帷幕透水率。空隙充填率低、透水率大的區(qū)段也可能存在薄弱區(qū)。

3)建成階段識別。帷幕建成后可在帷幕內(nèi)進行抽(放)水試驗，是水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域帷幕建成后檢驗帷幕截水效果的直接手段。根據(jù)帷幕外水位變化，繪制抽水試驗地下水流場圖，通過分析觀測孔與抽(放)水孔之間的區(qū)域水力連通狀態(tài)，能夠充分揭示帷幕區(qū)域地下水流場對抽放水試驗的響應(yīng)規(guī)律[19]，進而識別帷幕薄弱帶的分布。帷幕內(nèi)抽(放)水試驗開始后帷幕外水位響應(yīng)時間短的觀測孔同帷幕內(nèi)存在更為緊密的水力聯(lián)系。抽(放)水試驗流場中帷幕上等水位線稀疏，導(dǎo)水系數(shù)高的區(qū)段或主徑流方向與帷幕相交處為薄弱帶，放水試驗如圖1所示。通過帷幕外壓水試驗，觀察帷幕內(nèi)觀測孔水位動態(tài)，水位變化大的區(qū)域為薄弱帶。

圖1 放水試驗判斷帷幕薄弱帶

2 帷幕薄弱帶靶向治理技術(shù)體系

靶向注漿加固技術(shù)是指通過帷幕內(nèi)疏降排水，在薄弱帶上形成人為動水條件，在此基礎(chǔ)上在帷幕外進行注漿，漿液在地下水流的攜帶下滯留在薄弱帶裂隙中，對過水通道上的空隙進行再加固，進一步減少過水量，達到更好的截流效果，同時節(jié)約注漿材料和時間。

2.1 鉆孔布設(shè)原則

1)布置在帷幕墻體外。在帷幕墻上施工鉆孔會影響已建墻體的穩(wěn)定性，所以加固鉆孔應(yīng)在帷幕墻體外側(cè)。

2)布置在主徑流方向的上游。靶向加固技術(shù)利用薄弱帶的地下水徑流帶動水泥漿液，達到加固帷幕、提高截流率的效果，鉆孔應(yīng)布置在主徑流方向上游。

3)距帷幕0.5～1倍擴散半徑：加固孔采用充填注漿方式對帷幕墻進行補強，結(jié)合建造過程中鉆孔的注漿效果，加固鉆孔距帷幕墻外側(cè)0.5～1倍擴散半徑，既能保證充填注漿效果，也不會造成注漿材料的浪費。

4)孔間距及鉆孔個數(shù)。鉆孔間距為注漿擴散半徑r的2倍，鉆孔個數(shù)n由式(1)確定。其中，第一個鉆孔與第n個鉆孔與薄弱帶邊界垂直距離為注漿擴散半徑r。

n=L/l+2

(1)

式中，L為薄弱帶長度，m；l為鉆孔間距，m。

2.2 靶向注漿加固技術(shù)

1)水壓差控制。控制井下放水量，使得帷幕內(nèi)外水頭壓力差在合適范圍內(nèi)，水壓差太小達不到靶向引流的效果，水壓差太大漿液被高速水流攜帶太遠，裂隙中滯留固結(jié)效果差，治理時間長，材料用量大。

2)注漿段長。鉆孔每延伸10m進行一次注漿，若含水層厚度不足10m則直接鉆進至含水層底板進行注漿。

3)漿液類型和配比。采用高濃度的純水泥漿，漿液比重1.5～1.7，水灰比0.6～1.0。

4)注漿方式。前期采用低流量低比重注漿的方式，注漿過程中密切觀測帷幕薄弱帶兩側(cè)水位和井下放水流量，若帷幕外側(cè)水位回升，內(nèi)側(cè)長觀孔水位下降，井下放水流量減少，說明薄弱帶裂隙被逐步封堵，此時適當(dāng)提高注漿壓力，進一步加固薄弱帶。

5)注漿終壓。根據(jù)設(shè)計疏干后帷幕承受的水壓力確定注漿終壓，終壓為水壓力的1.5～2倍，并持續(xù)15～30min即認為注漿結(jié)束。

3 工程實例

3.1 礦井概況

朱仙莊煤礦位于安徽省宿州市，位于華北板塊東南緣，地勢平坦，北高南低。由于多期構(gòu)造運動疊加的結(jié)果，區(qū)內(nèi)東西向大斷裂和北北東向大斷裂縱橫交錯，形成了許多近網(wǎng)狀的斷塊構(gòu)造。

礦井北翼分布一層侏羅系灰?guī)r角礫巖，為地表以下第五個含水層(俗稱“五含”)，其產(chǎn)狀與煤層大體相同，與太灰、奧灰地層呈不整合接觸。頂?shù)装逍螒B(tài)基本一致，總體上西高東低，南高北低，平均厚度60～80m。該侏羅系灰?guī)r巖溶發(fā)育，靜儲量大(約1400萬m3)，徑流條件好，水壓高(煤層承壓3.5MPa)，動態(tài)補給強且其與上覆四含、下伏煤系地層及太奧灰呈角度不整合接觸關(guān)系，受奧灰含水層補給強度大(補給量2000m3/h)。由于巖溶發(fā)育極不均勻，因此不同區(qū)段的富水性強弱不等，q=0.29315～4.3777 L/(s·m)，K=0.326～6.842m/d，水化學(xué)類型為SO4·Cl-Na·Ca型。

綜上所述，在采掘擾動影響下，導(dǎo)水裂隙帶一旦波及到侏羅系灰?guī)r含水層，極易形成嚴重的頂板水害事故。常規(guī)治理方法難度極大且極易誘發(fā)隱蔽性強的次生水災(zāi)事故，因此必須采用帷幕截流方法根治頂板水害[20]。

3.2 注漿帷幕施工

針對研究區(qū)侏羅系灰?guī)r含水層深埋大、巨厚和富水性強的特點，根據(jù)“頂?shù)子懈簟啥朔膺?、全線截流、繞避構(gòu)造、安全經(jīng)濟”的方針原則，進行帷幕設(shè)計與施工。帷幕可分為北線和東線兩部分。

鉆孔共有4種類型，分別為北線直孔、北線順層孔、東線淺部順層孔和東線水平孔。注漿帷幕鉆孔布置如圖2所示。帷幕自8煤露頭以外向北不小于100m，太原組灰?guī)r露頭線以內(nèi)向南不小于40m，長度3.19km；帷幕剖面形狀為矩形布設(shè)，有效寬度為40m，平均高度約為60～80m。

圖2 注漿帷幕鉆孔布置

3.3 薄弱帶識別與加固

以朱仙莊煤礦侏羅系灰?guī)r含水層帷幕為研究對象，由于該含水層具有天然的各向異性，在帷幕設(shè)計階段，通過物探、鉆探與放水試驗資料，難以準(zhǔn)確圈定帷幕薄弱帶的位置。在帷幕建造階段，北線直孔段發(fā)生漏失的次數(shù)占工程總漏失次數(shù)的34%且漏失量大于20m3/h的次數(shù)約占50%。帷幕建成后進行大型放水試驗，累計總放水量391萬m3，試放水試驗第四含水層、第五含水層最大降深等值線如圖3所示。由圖3可以看出，墻內(nèi)侏羅系灰?guī)r含水層水位降深明顯，等值線最大處和放水后穩(wěn)定降落漏斗中心基本一致，說明帷幕墻整體截水效果較好，但帷幕北段外仍存在地下水降落漏斗，墻外水位降深等值線與流場漏斗中心基本重合，確定了帷幕北線存在薄弱帶，薄弱帶長度約80m，造成滲流過水，需要進行補強加固。

圖3 試放水試驗第四含水層、第五含水層最大降深等值線

為此利用地面直孔對帷幕薄弱帶進行注漿加固，工程實踐與數(shù)值模擬，結(jié)果表明帷幕建造過程中漿液在不同壓力下穩(wěn)定后擴散半徑平均值10.22m[21]，根據(jù)鉆孔布設(shè)原則在帷幕外側(cè)5～10m布置注漿加固孔，孔間距為20m，由式(1)可得布置鉆孔6個(JG1—JG6)。加固鉆孔平面位置如圖4所示。

圖4 靶向加固鉆孔布置

鉆孔采用三開結(jié)構(gòu)，二開套管底口位于侏羅系灰?guī)r含水層頂界面，注漿裸孔段鉆進至侏羅系灰?guī)r含水層底界面以下5～10m，設(shè)計注漿終壓8MPa。鉆孔完成后在井下進行放水疏降，水量設(shè)置為350m3/h，使帷幕內(nèi)外基本保持30m水頭差形成動水條件，漿液在水流的帶動下有針對性地對薄弱帶進行了加固，開始采用比重1.5的純水泥進行注漿，注漿流量500L/min，當(dāng)帷幕薄弱段外觀測孔水位回升，帷幕墻內(nèi)測觀孔水位下降時，井下放水流量減少至250m3/h，說明薄弱段裂隙逐步被封堵，這時采用比重1.7的純水泥進行注漿，減少注漿流量至52L/min，進一步加固薄弱段鉆孔，直至達到設(shè)計終壓8MPa，持續(xù)30min。各鉆孔共注漿14段，27回次，共注水泥5811t，終壓均達到8MPa。

隨著薄弱帶注漿的進行，帷幕外水位逐漸回升3m，帷幕內(nèi)水位持續(xù)下降2.5m，且降速增加，帷幕薄弱帶內(nèi)外侏羅系灰?guī)r含水層水位差達到350m，說明靶向注漿加固效果明顯，帷幕截流率提高，驗證了薄弱帶綜合分析的可靠性與靶向加固技術(shù)的高效性。目前帷幕內(nèi)2個8煤工作面已安全回采。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件與帷幕建造情況，提出了含水層介質(zhì)的各向異性，高速動水條件，地下水沖擊或侵蝕作用和地質(zhì)構(gòu)造是帷幕薄弱帶形成的主要原因，在此基礎(chǔ)上形成了以帷幕設(shè)計階段資料分析，帷幕建造階段注漿效果分析，帷幕建成階段放水試驗分析等為手段的帷幕薄弱帶識別方法。

2)利用疏降時帷幕內(nèi)外水壓差形成的動水條件，有針對性地加固帷幕薄弱區(qū)上的過水通道，結(jié)合鉆孔布設(shè)原則與靶向注漿加固技術(shù)提出帷幕薄弱帶靶向治理技術(shù)體系，將傳統(tǒng)加固方式創(chuàng)造性地轉(zhuǎn)為靶向注漿加固，在達到相同效果的條件下顯著減少注漿用量，達到經(jīng)濟高效的目的，實現(xiàn)帷幕薄弱帶快速加固的目標(biāo)。

3)以朱仙莊侏羅系灰?guī)r含水層帷幕為研究對象，對巨厚、復(fù)雜介質(zhì)、強富水含水層條件下的帷幕薄弱帶進行識別并加固，驗證了薄弱帶綜合分析的可靠性與靶向加固技術(shù)的高效性，為以后礦山大型帷幕的建造提供了科學(xué)指導(dǎo)。