礦山采掘巖體滲透變形災(zāi)變機理及防控Ⅲ：防水閘墻圍巖

隋 旺 華

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116；2.礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究實驗室, 江蘇 徐州 221116）

0 引 言

國內(nèi)外防水閘墻的設(shè)計和建設(shè)已經(jīng)歷了一個多世紀(jì)的實踐和研究[1]，涉及結(jié)構(gòu)形式[2-6]、強度設(shè)計[7-10]、滲流穩(wěn)定性[8]、選址選型、安全系數(shù)選取、規(guī)范化施工、監(jiān)測等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題[11-14]。我國煤炭行業(yè)現(xiàn)行的防水閘墻設(shè)計規(guī)范，把水壓作為施加在防水閘墻迎水面上的外力，根據(jù)水壓以及防水閘墻、圍巖的抗壓強度、抗剪強度選擇防水閘墻的結(jié)構(gòu)形態(tài)，計算防水閘墻的墻體厚度和嵌入圍巖的深度[4]。但在實際生產(chǎn)中，有許多據(jù)此設(shè)計的防水閘墻發(fā)生了擋水失效。這些失效案例表明，在墻體結(jié)構(gòu)強度大多完好的情況下，首先發(fā)生在墻體與圍巖交界面或圍巖的薄弱地帶中的滲漏，會引發(fā)圍巖的破壞甚至整體失穩(wěn)。事實上，高壓水體除對防水閘墻形成靜水壓力之外，更重要的是通過裂隙和破碎帶滲流進入圍巖，形成流場。在水體浸泡下，圍巖的強度和結(jié)構(gòu)也會發(fā)生弱化和損傷，最終導(dǎo)致防水閘墻擋水失效甚至失穩(wěn)。因此要重視從力學(xué)強度和抗?jié)B性能兩方面進行防水閘墻的設(shè)計與施工[15]。

南非在金屬礦中試驗的防水閘墻，給出了3 種基本類型，即平板嵌入式、平行非嵌入式和楔形嵌入式，并根據(jù)高達(dá)46.9 MPa 水壓的試驗結(jié)果給出了防水閘墻的簡單曲線[5]。之后，雖然研究者們強調(diào)應(yīng)把防水閘墻的滲漏作為高水壓條件下防水閘墻穩(wěn)定性和適應(yīng)性設(shè)計的主要因素來考慮[9-11]，但是并未給出防水閘墻與圍巖的滲流評價更詳細(xì)的計算方法。

筆者團隊通過流網(wǎng)分析、物理模擬和工程案例研究，從滲流動力學(xué)角度，提出了防水閘墻的安全系數(shù)概念，并給出了滲流失穩(wěn)的臨界水力坡度表達(dá)式，表達(dá)式考慮了圍巖導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)、巖石滲透率和巖體完整性系數(shù)。通過分析防水閘墻擋水失效的實例，給出了安全系數(shù)的經(jīng)驗統(tǒng)計值[16-18]。該方法對江蘇三河尖煤礦211102 工作面防水閘墻在7.0、8.4 MPa 下的水壓力分布的模擬，表明墻內(nèi)水壓力分布與物理模擬試驗獲得的規(guī)律類似[19]。

由此可見，同時考慮力學(xué)強度和抗?jié)B性能兩方面進行防水閘墻的設(shè)計和施工雖然有了一定進展，但總體上還很不完善。因此，筆者從我國某些防水閘墻滲透失穩(wěn)的案例研究出發(fā)，分析歸納滲透失穩(wěn)的主要類型和機理，初步建立基于抗?jié)B穩(wěn)定性的計算原理，并在分析目前存在的主要問題基礎(chǔ)上，提出要進一步解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題和研究內(nèi)容，作為后續(xù)研究的參考。

1 防水閘墻滲透破壞失穩(wěn)類型

表1 為我國礦山部分煤礦地下防水閘墻（門）發(fā)生滲透和失穩(wěn)的典型案例?，F(xiàn)選擇3 種代表性的類型進行分析。

表1 我國部分煤礦地下防水閘墻滲透及失穩(wěn)實例Table 1 Cases of seepage and failure of underground water retention bulkhead in coal mines

1.1 水壓致防水閘墻圍巖裂隙和界面滲透

防水閘墻建成后，升壓過程中或結(jié)束后，圍巖中的裂隙、墻體和圍巖界面發(fā)生滲透或滲漏，此為表1中的類型1。表1 中的大部分防水閘墻滲透變形屬于此類。例如，江蘇三河尖煤礦為了封堵21102 工作面突水，在運輸巷和軌道巷修建了承壓8.32 MPa的防水閘墻，圍巖為半煤巖，有石灰?guī)r、泥巖、細(xì)砂巖和煤，軟弱至堅硬，底板泥巖遇水易泥化；洞室頂板為“十二灰”石灰?guī)r，底板為細(xì)砂巖，兩側(cè)為泥巖和煤層。該防水閘墻的主體墻24 m，分為3 個倒截錐段和2 個平直段。施工條件艱苦，施工環(huán)境惡劣。雖然在施工中進行了壁后注漿、煤體長短管結(jié)合注漿，但是，當(dāng)升壓至5 MPa 時，沿著墻體和圍巖的界面、巖體和煤體中的裂隙發(fā)生了滲漏，達(dá)到20 m3/h。后經(jīng)過泄壓、補注化學(xué)漿液和水泥漿液封堵了墻體與圍巖接觸界面和圍巖中的裂隙?？⒐ず?，當(dāng)水壓升至最大值7.6 MPa 時，滲透量一般保持在5 m3/h 以下。

1.2 水壓致防水閘墻圍巖變形破壞后滲透失穩(wěn)

防水閘墻擋水升壓后，由于靜水壓力過大，會造成防水閘墻及其圍巖發(fā)生變形破壞，之后造成滲透失穩(wěn)，此為表1 中的類型2。例如，表1 中河南朝川三里寨1 號井和山東宏陽煤礦防水閘墻失效的情況。山東宏陽煤礦東翼運輸巷距離 “十下灰”石灰?guī)r約10 m，承受4 MPa 水壓，在施工掘進工作面發(fā)生涌水量大于700 m3/h 底板突水后，在運輸巷和軌道巷構(gòu)建了3 道防水閘墻，其圍巖為石灰?guī)r、煤層、砂巖、砂質(zhì)泥巖等，抗壓強度較低，有不規(guī)則裂隙發(fā)育。石灰?guī)r為富水性中等的巖溶裂隙承壓水含水層。地質(zhì)構(gòu)造中等至復(fù)雜，受斷層及次一級小斷層的影響。3 道防水閘墻在進行耐壓試驗和注漿加固的過程中，多次引起頂?shù)装搴蛢蓭偷膰?yán)重變形、底鼓和開裂，底鼓長度高達(dá)17～22 m，頂板滲水和淋水，滲漏水量較大，不得不放水泄壓。經(jīng)多次加固堵漏、施工反底拱后，仍存在漏水現(xiàn)象。這種類型的破壞機理為水壓過大，造成頂?shù)装鍑鷰r變形破壞，接著在滲透壓力作用下造成防水閘墻圍巖發(fā)生滲透變形和破壞。在巷道與“十下灰”存在密切水力聯(lián)系的情況下，必須首先解決“十下灰”含水層的威脅，才能解決運輸巷和軌道巷的防水閘墻圍巖滲漏問題。

1.3 水浸泡致防水閘墻圍巖劣化損傷后滲透失穩(wěn)

防水閘墻修建后，在礦井水長期浸泡下，圍巖性質(zhì)發(fā)生劣化、產(chǎn)生崩解膨脹，圍巖性質(zhì)嚴(yán)重?fù)p傷，加上水壓作用，一旦形成集中潛蝕通道，地下水會不斷沖蝕圍巖，造成通道擴張，最后防水閘墻失去圍巖支撐，整體失穩(wěn)，此為表1 中的類型3。例如，江蘇韓橋煤礦?200 m 運輸石門防水閘墻為重構(gòu)徐州東部礦區(qū)隔水邊界而建，圍巖以砂巖為主，結(jié)構(gòu)較致密，抗壓強度20.3 MPa。當(dāng)防水閘墻承受的水壓上升到2.2 MPa，經(jīng)過較長時間的浸泡，砂巖強度降低、滲透性能顯著增強，另外，附近還存在隱伏構(gòu)造破碎帶或次生斷裂，最終導(dǎo)致該防水閘墻圍巖滲透失穩(wěn)，短時間內(nèi)潰水達(dá)10 萬m3，造成水災(zāi)。后續(xù)搶險救災(zāi)中，通過骨料和注漿封堵該條巷道后，堵水成功，也佐證了該防水閘墻圍巖的失效原因。

2 防水閘墻圍巖滲透失穩(wěn)判據(jù)及敏感性分析

2.1 等效流場及抗?jié)B安全系數(shù)

防水閘墻圍巖和界面如果形成貫穿性滲流，其剖面等效流網(wǎng)如圖1 所示。

圖1 防水閘墻圍巖剖面流網(wǎng)示意Fig.1 Schematic profile flow net around a water retention bulkhead

當(dāng)圍巖中滲流穩(wěn)定時，其水力坡度可表示為

式中：L為沿防水閘墻與圍巖界面滲透路徑長度，可以取界面輪廓線的長度；H為作用在迎水側(cè)的水頭高度，亦即發(fā)生滲漏時迎水面和背水面的水頭差。

防水閘墻發(fā)生滲透可用式（2）判斷：

其中：Fs為防水閘墻圍巖抗?jié)B安全系數(shù)；is為防水閘墻圍巖形成穩(wěn)定滲流時的水力坡度；icr為圍巖抗?jié)B臨界水力坡度；Fsc為防水閘墻圍巖抗?jié)B臨界安全系數(shù)，是采用臨界水力坡度方法判別是否發(fā)生圍巖滲透的指標(biāo)。經(jīng)過對發(fā)生和未發(fā)生滲透破壞的防水閘墻的統(tǒng)計[17]，獲得了Fsc約為0.6。當(dāng)Fs大于0.6時，防水閘墻圍巖將發(fā)生滲漏；在工程設(shè)計上使用時，還應(yīng)留有一定的富余，同時，抗?jié)B臨界安全系數(shù)還應(yīng)根據(jù)更多的防水閘墻運行資料進行不斷修正。

2.2 參數(shù)敏感性分析

綜合考慮影響防水閘墻圍巖滲流失穩(wěn)的主要因素，圍巖抗?jié)B安全系數(shù)可以表達(dá)[17]為

其中：m為圍巖導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)；k為圍巖巖石滲透率，μm2；Kv為圍巖巖體的完整性系數(shù)。針對目標(biāo)函數(shù)Fs中所含參數(shù)，進行敏感性分析。根據(jù)現(xiàn)場情況確定各研究計算參數(shù)的取值范圍并設(shè)定基準(zhǔn)值（表2）。

表2 圍巖抗?jié)B安全系數(shù)計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of seepage-resistant safety factor of water ratention bulkhead

由防水閘墻圍巖抗?jié)B安全系數(shù)的單因素敏感性分析（圖2），可以發(fā)現(xiàn)圍巖導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)m、圍巖巖石滲透率k越大，圍巖抗?jié)B安全系數(shù)Fs變化越大，越容易發(fā)生滲透變形；而圍巖巖體完整性系數(shù)Kv和滲透路徑長度L越大，F(xiàn)s越小，越難發(fā)生滲透變形。圍巖巖石滲透率對比其他3 個參數(shù)來說對Fs的影響相對較弱。

圖2 防水閘墻圍巖抗?jié)B安全系數(shù)的單因素敏感性分析Fig.2 Univariate sensitivity analysis for safety factor against seepage through surrounding rock of water retention bulkhead

采用Sobol 分析方法進行參數(shù)總體敏感性分析，由各影響因素的總階敏感性指數(shù)（表3、圖3）可以發(fā)現(xiàn)，影響圍巖滲透安全系數(shù)指標(biāo)從強到弱依次為圍巖巖體完整性系數(shù)、圍巖導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)、滲透路徑長度和圍巖巖石滲透率。所以，圍巖巖體完整性以及圍巖導(dǎo)水通道貫穿性是影響圍巖滲透安全系數(shù)的關(guān)鍵。

圖3 圍巖滲透安全系數(shù)的Sobol 敏感性分析Fig.3 Sobol sensitivity analysis for anti-seepage safety factor

表3 Sobol 敏感性分析Table 3 Results of Sobol sensitivity analysis

3 討 論

3.1 關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題及解決思路

防水閘墻作為礦山水害防控的關(guān)鍵技術(shù)之一被廣泛應(yīng)用，但對防水閘墻的賦存地質(zhì)條件和地質(zhì)環(huán)境等缺乏定量表達(dá)，選址和設(shè)計的基礎(chǔ)還基本停留在定性層面。亟待解決的主要問題有：

1）定量表達(dá)與防水閘墻穩(wěn)定性有關(guān)的各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并建立防水閘墻?圍巖組合體的工程地質(zhì)模型，是科學(xué)設(shè)計防水閘墻亟待解決的問題之一。防水閘墻選址主要依據(jù)對地質(zhì)條件、巖性組合、水文地質(zhì)條件等資料的定性分析，防水閘墻的設(shè)計依據(jù)也以定性地質(zhì)條件描述為主，適當(dāng)考慮圍巖的力學(xué)強度。針對煤系巖石復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)、軟硬相間的巖性組合、發(fā)育在煤巖中的結(jié)構(gòu)面、卸荷裂隙、斷層影響、賦存的地應(yīng)力、地溫、地下水等環(huán)境條件，都缺乏定量的描述，導(dǎo)致在防水閘墻類型選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料使用等方面缺乏地質(zhì)依據(jù)，對防水閘墻穩(wěn)定性控制措施，諸如壁后注漿改造或錨固圍巖等也缺乏定量依據(jù)。

2）充分考慮高壓滲透條件下墻體和圍巖及其接觸面的抗?jié)B透性能、墻體和圍巖強度遇水軟化弱化的程度、發(fā)生滲漏的圍巖的臨界水力坡度等，建立考慮滲透變形的防水閘墻穩(wěn)定性計算方法，提高防水閘墻擋水的安全性能，是亟待解決的另一問題。防水閘墻設(shè)計原理仍停留在固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)上，雖然在滲透型變形方面取得了一定的進展，但是防水閘墻?圍巖組合體的滲透失穩(wěn)機理這一核心問題未得到重視。目前規(guī)范采用的防水閘墻計算公式，將水壓看作是一個施加在防水閘墻迎水面上的外力，進一步求解出防水閘墻的墻體厚度和嵌入圍巖深度。然而防水閘墻擋水失效的案例表明，墻體結(jié)構(gòu)大多完好，上文分析了主要的滲透破壞類型，這幾種破壞的機理在現(xiàn)有設(shè)計計算方法中都沒有體現(xiàn)。

針對上述問題，在今后的科研和開發(fā)中應(yīng)重點解決2 個關(guān)鍵科學(xué)問題：①防水閘墻?圍巖組合體多場耦合條件下滲流場演變機理；②圍巖結(jié)構(gòu)面、防水閘墻?圍巖交界面滲流失穩(wěn)機理及判據(jù)。第1 個問題通過揭示防水閘墻?圍巖組合體與高壓水之間相互作用的滲透機理，明確高水壓及繞流作用對防水閘墻?圍巖組合體穩(wěn)定性的控制作用，建立圍巖滲透失穩(wěn)的力學(xué)模型，對于預(yù)測和控制災(zāi)變的發(fā)生具有重要意義。第2 個問題針對防水閘墻?圍巖組合體滲透失穩(wěn)的主要通道，包括圍巖原生結(jié)構(gòu)面、卸荷結(jié)構(gòu)面、防水閘墻與圍巖交界面等，揭示其滲透失穩(wěn)的機理，建立失穩(wěn)判據(jù)，為建立以滲透穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的防水閘墻設(shè)計原理奠定基礎(chǔ)。

為了解決以上問題，可以從以下3 個方面開展研究：①防水閘墻?圍巖組合體地質(zhì)模型及其賦存的地質(zhì)環(huán)境演化。具體包括防水閘墻?圍巖組合體工程地質(zhì)模型概化；防水閘墻?圍巖組合體物質(zhì)?結(jié)構(gòu)地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)演化；防水閘墻?圍巖組合體賦存地質(zhì)環(huán)境的演化等。②防水閘墻?圍巖組合體滲透機理及失穩(wěn)判據(jù)。具體包括防水閘墻?圍巖組合體多場耦合演化；防水閘墻?圍巖組合體導(dǎo)水通道形成及貫穿機理；防水閘墻?圍巖接觸面、圍巖結(jié)構(gòu)面的抗?jié)B透穩(wěn)定性；防水閘墻?圍巖組合體滲透失穩(wěn)模式及主控因素等。③防水閘墻?圍巖組合體全壽命周期安全性及穩(wěn)定控制方法。具體包括防水閘墻?圍巖組合體全壽命周期安全性及耐久性指標(biāo)體系；防水閘墻運營和失效對礦區(qū)地下水環(huán)境影響過程與機理；防水閘墻?圍巖組合體穩(wěn)定性控制原理和方法；防水閘門的快速構(gòu)建技術(shù)；防水閘墻?圍巖組合體耦合建造技術(shù)；防水閘門的智能化控制技術(shù)等。

3.2 抗?jié)B臨界水力坡度

防水閘墻（門）擋水過程中可能產(chǎn)生滲漏的途徑有圍巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面、圍巖與防水閘墻的接觸界面、排水管與水閘墻體的接觸界面、水閘門和洞室混凝土及接觸界面等[5，9]。防水閘墻抗?jié)B臨界水力坡度可以通過以下3 個途徑確定：從已有防水閘墻滲透失穩(wěn)的統(tǒng)計值推得；通過防水閘墻升壓試驗獲得；根據(jù)防水閘墻和圍巖巖體結(jié)構(gòu)特征等進行估算得到。

防水閘墻圍巖抗?jié)B臨界水力坡度的影響因素包括圍巖巖體的完整性，圍巖與墻體之間的黏結(jié)強度，圍巖松動圈的大小，斷層破碎帶的影響，地應(yīng)力、水壓、圍巖的浸水劣化性能等。

考慮量綱統(tǒng)一，初步提出式（4）供進一步研究參考：

其中：GSI 為地質(zhì)強度指標(biāo)；Kv為圍巖巖體完整性系數(shù)；τ為圍巖與墻體之間的抗剪強度；m為圍巖導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)；D為巖體的遇水浸泡損傷因子；P為作用在防水閘墻上的水壓力；α為待定系數(shù)。其中，地質(zhì)強度指標(biāo)反映了巖體強度特點；巖體完整性系數(shù)反映了巖體結(jié)構(gòu)特征及完整程度；巖體導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)是反映斷裂帶發(fā)育、松動圈范圍的修正系數(shù)，可以根據(jù)統(tǒng)計綜合分析確定；巖體的遇水浸泡損傷因子可以通過循環(huán)崩解試驗獲得；圍巖與墻體之間的抗剪強度可以通過試驗獲得。參數(shù)敏感性分析（圖4）表明，各參數(shù)的敏感性指數(shù)均大于0.01，其中2 個最主要因素為巖體的遇水浸泡損傷因子D（代表圍巖的水穩(wěn)性）和導(dǎo)水通道貫穿系數(shù)m（代表圍巖裂隙、圍巖和防水閘墻界面導(dǎo)水性能），因此，選擇水穩(wěn)性好的巖體作為防水閘墻修建地段，通過注漿等措施封堵圍巖裂隙、圍巖和墻體之間裂隙等，是提高防水閘墻圍巖抗?jié)B能力的關(guān)鍵。在設(shè)計之前，需要查清圍巖巖體結(jié)構(gòu)、完整性、水理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面強度和水壓等重要基礎(chǔ)資料。

圖4 臨界水力坡度的Sobol 敏感性分析Fig.4 Sobol sensitivity analysis for critical hydraulic gradient

需要指出的是，文章綜述和研究主要針對目前在防水閘墻設(shè)計中在滲透變形失穩(wěn)方面考慮不足提出的，建議在以往以固體力學(xué)為主的設(shè)計規(guī)范和方法基礎(chǔ)上，增加考慮滲透穩(wěn)定性方面的考慮，完善礦山防水閘墻設(shè)計和施工方法。

4 結(jié) 論

1）對我國礦山防水閘墻（門）發(fā)生的滲漏失穩(wěn)典型案例的分析表明，其滲透失穩(wěn)機理和模式可以分為3 類，即水壓致圍巖裂隙和界面滲透失穩(wěn)、水壓致圍巖和防水閘墻變形破壞失穩(wěn)和水浸泡致圍巖劣化失穩(wěn)。

2）在綜述了防水閘墻滲透失穩(wěn)判據(jù)研究進展的基礎(chǔ)上，針對考慮防水閘墻圍巖滲流失穩(wěn)的防水閘墻圍巖滲透安全系數(shù)進行了參數(shù)敏感性分析，結(jié)果表明，圍巖巖體完整性和導(dǎo)水通道貫穿性是主要因素，在設(shè)計和施工中通過注漿加固等手段增強圍巖完整性、封堵導(dǎo)水通道保障其抗?jié)B穩(wěn)定性。

3）初步建立了防水閘墻圍巖抗?jié)B臨界水力坡度的表達(dá)式，考慮了圍巖巖體的完整性、圍巖與墻體之間的黏結(jié)強度、圍巖松動圈和斷層破碎帶、地應(yīng)力、水壓、圍巖的浸水劣化性能等的影響。參數(shù)敏感性分析表明，在確定抗?jié)B臨界水力坡度時要著重查明圍巖的巖體結(jié)構(gòu)、完整性、水理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面強度和水壓等重要基礎(chǔ)資料。

4）分析了目前防水閘墻研究設(shè)計存在的主要問題，指出了關(guān)于防水閘墻需要研究的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題及主要內(nèi)容，包括：防水閘墻?圍巖組合體地質(zhì)模型及其賦存的地質(zhì)環(huán)境演化、防水閘墻?圍巖組合體滲透機理及失穩(wěn)判據(jù)、防水閘墻?圍巖組合體全壽命周期安全性及穩(wěn)定控制方法。

致謝：2016 年筆者曾在《煤炭科學(xué)技術(shù)》發(fā)表了關(guān)于煤礦防水閘墻的綜述文章[15]。本文從滲透變形的角度進一步綜述了防水閘墻滲漏失穩(wěn)的類型、機理，作為近期系列論述礦山采掘巖體滲透變形災(zāi)變機理及防控的系列論文之一[33-34]。祝愿《煤炭科學(xué)技術(shù)》越辦越好，在引領(lǐng)煤炭科技進步和宣傳我國科技工作者成果方面取得更大成就！感謝中國礦業(yè)大學(xué)杭遠(yuǎn)博士所作的工作，感謝梁晉熙博士研究生在敏感性分析方面提供的幫助，感謝姚鑫海、梁龍飛碩士研究生在論文編輯過程中給予的幫助。感謝審稿專家提出的寶貴修改意見！