張　鑫　譚卓英　賈　驊　管學(xué)銘

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

?

地下透滲結(jié)構(gòu)頂板注漿堵水能力分析

張?chǎng)巫T卓英賈驊管學(xué)銘

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

摘要地下導(dǎo)水通道、溶洞破碎帶等結(jié)構(gòu)稱為地下透滲結(jié)構(gòu)。隨著地下工程項(xiàng)目的增多，地下工程災(zāi)害的防治變得尤為重要。巖溶地區(qū)地下導(dǎo)水通道復(fù)雜、溶洞發(fā)育，加之受不規(guī)范開(kāi)采影響，圍巖裂隙多，嚴(yán)重影響礦山的正常開(kāi)采。以廣西省環(huán)江縣北山鉛鋅硫鐵礦為工程背景，對(duì)溶礦區(qū)地下透滲結(jié)構(gòu)頂板注漿加固堵水能力進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞巖溶礦區(qū)數(shù)值模擬滲透結(jié)構(gòu)注漿堵水

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和施工技術(shù)的提高，我國(guó)地下工程項(xiàng)目越來(lái)越多[1-2]。礦山、隧道、地鐵等大型地下工程項(xiàng)目的不斷發(fā)展，給社會(huì)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也誘發(fā)了各類地質(zhì)災(zāi)害，其中地下水問(wèn)題尤為突出。近年來(lái)礦山開(kāi)采深度逐年增加，地下水壓力[3]不斷加大，對(duì)礦山深部工程環(huán)境和安全施工造成了極大的威脅。

1工程背景

1.1工程概況

礦區(qū)位于水文地質(zhì)單元南部，處于單元地下水的徑流排泄區(qū)。Ⅱ#礦體賦存于礁灰?guī)r頂部白云巖帶中，大部分礦體埋藏在最低排泄基準(zhǔn)面以下，礁灰?guī)r含水體巖溶發(fā)育，礦坑充水的主要來(lái)源有礁灰?guī)r巖溶裂隙水、地下采空區(qū)積水或降雨的自然垂直滲入及地表水的回灌。平水期(9月至次年3月)礦坑涌水量12 000 m3/d，洪水期最大礦坑涌水量140 000 m3/d。Ⅱ#礦帶以溶洞充水為主，頂?shù)装逯苯舆M(jìn)水，以地下河道充水為主,水文地質(zhì)條件復(fù)雜，屬于巖溶充水礦床。

北山礦區(qū)采用房柱法采礦，Ⅱ#礦體北部采區(qū)位于-250～-230 m中段，采區(qū)上部25 m高區(qū)域大型溶洞發(fā)育，溶洞長(zhǎng)30 m，寬20 m，高8 m，設(shè)計(jì)注漿區(qū)域?yàn)椴蓞^(qū)的頂板。

1.2注漿堵水施工技術(shù)

根據(jù)廣西北山礦區(qū)熔巖發(fā)育溶洞積水在巷道開(kāi)挖過(guò)程中直接灌入的情況，對(duì)巷道上部導(dǎo)水的透滲結(jié)構(gòu)注漿堵水，在溶洞下方采區(qū)頂板采用群孔自下向上注漿[3-4]，范圍為60 m×42 m。以普通單液水泥漿為主、水泥水玻璃雙液漿為輔的注漿材料，普通單液水泥按照水灰比0.6:1，1:1，1.5:1濃度配比，水玻璃泥漿按水玻璃與水泥1:1 配比。注漿初始?jí)毫?.0 MPa、過(guò)程壓力4.5 MPa、最終壓力7.5 MPa。通過(guò)理論計(jì)算，厚度h=10 m,有效注漿半徑R=5 m，注漿管內(nèi)徑取80 mm，水與漿液的粘滯系數(shù)為0.17，85 h完成注漿，總注漿量5 040 m3。

2數(shù)值分析方法

通過(guò)FLAC3D軟件[5]，對(duì)開(kāi)采過(guò)程中頂?shù)装鍛?yīng)力、位移以及破壞區(qū)域的變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直觀地模擬出巷道在通過(guò)大型溶洞時(shí)圍巖應(yīng)力應(yīng)變的變化，并采用近礦體注漿技術(shù),達(dá)到加固和堵水的效果。

2.1幾何模型與網(wǎng)格劃分

在北山礦區(qū)Ⅱ#礦體北部埋深-350～-100 m的400 m×250 m×240 m區(qū)域，-250～-230 m中段，采用房柱法開(kāi)挖。在采區(qū)上盤(pán)頂板處探測(cè)出有大型溶洞發(fā)育，溶洞積水直接從頂板灌入礦坑，巷道在此中段的開(kāi)挖和采掘受到嚴(yán)重影響。

該區(qū)域地層自上而下為灰?guī)r、白云巖、生物礁破碎帶、泥質(zhì)灰?guī)r、礦層、白云巖、灰?guī)r，傾角為30°。針對(duì)該工程地質(zhì)問(wèn)題，用FLAC3D軟件建模，模型風(fēng)格劃分如1所示。

圖1　模型網(wǎng)格劃分

2.2力學(xué)模型與參數(shù)選取

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得巖體力學(xué)參數(shù)，在真實(shí)條件下，采區(qū)圍巖賦存大量節(jié)理裂隙，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室得到的參數(shù)進(jìn)行折減。根據(jù)FLAC有限差分軟件中的折減方式及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖狀況，對(duì)地層力學(xué)參數(shù)作出以下折減：彈性模量為原先的60%，粘聚力為10%，內(nèi)摩擦角為85%。

注漿后圍巖的裂隙和破碎節(jié)理被注漿體填充，地層巖體強(qiáng)度得到了加固，本文中也進(jìn)行了修正：彈性模量比原來(lái)提高50%～100%，粘聚力提高200%～300%，內(nèi)摩擦角提高50%～70%，泊松比小于0．25。修正后的參數(shù)如表1所示。

表1　修正后的地層物理力學(xué)參數(shù)

考慮上部大型溶洞中的巖溶積水對(duì)泥質(zhì)灰?guī)r和注漿體形成的頂板影響，在模擬中考慮了地下水的作用。在FLAC3D軟件中，通過(guò)滲流模式的開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)地下水對(duì)封堵的作用。地層孔隙率和滲透系數(shù)如表2所示。

表2　地層滲透參數(shù)

2.3開(kāi)采過(guò)程的模擬

對(duì)采礦過(guò)程頂板上方大型溶洞注漿帷幕進(jìn)行了模擬。根據(jù)采礦活動(dòng)的進(jìn)程，每30 m為一步，總共開(kāi)挖15步，每一步都對(duì)最大主應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3頂板注漿堵水能力分析

3.1 頂板注漿的最大主應(yīng)力

注漿頂板最大應(yīng)力出現(xiàn)在溶洞正下方采區(qū)頂層左側(cè)水平巷道上部，監(jiān)測(cè)最大應(yīng)力沿走向變化如圖2所示。未注漿時(shí)最大應(yīng)力為27.8 MPa，注漿時(shí)最大應(yīng)力為26.9 MPa。由于礦柱承擔(dān)上部的壓力，礦房頂板出現(xiàn)了一定程度的應(yīng)力釋放，因此出現(xiàn)了應(yīng)力起伏分布的現(xiàn)象。由于注漿頂板整體承壓能力提高，整個(gè)注漿體均衡地承擔(dān)起了圍巖應(yīng)力，應(yīng)力變化比未注漿時(shí)更加平穩(wěn)，一定程度上減輕了由于溶洞引起的圍巖高應(yīng)力給采掘活動(dòng)帶來(lái)的影響。

圖2　注漿頂板最大主應(yīng)力沿走向變化

應(yīng)力沿傾向變化規(guī)律見(jiàn)圖3。以溶洞中心下方最大應(yīng)力出現(xiàn)的礦柱上頂板應(yīng)力為例，在傾向方向上，由于兩條水平運(yùn)輸巷道的存在，造成注漿體監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化出現(xiàn)了兩個(gè)起伏，最大應(yīng)力出現(xiàn)上1#巷道上部，未注漿時(shí)應(yīng)力值27.8 MPa，大于注漿時(shí)的應(yīng)力值26.9 MPa，注漿體應(yīng)力變化波動(dòng)小于未注漿的天然頂板。

圖3　注漿頂板最大主應(yīng)力沿傾向變化

3.2最大破壞深度

未注漿時(shí)，頂板的破壞區(qū)域與上部導(dǎo)水軟弱帶形成貫通，上部洞室積水直接灌入礦床。注漿后，一方面加強(qiáng)了頂板圍巖的強(qiáng)度，另一方面上部溶洞下方的導(dǎo)水透滲結(jié)構(gòu)裂隙被注漿液填充。隨著采礦過(guò)程的深入，頂板的破壞深度不超過(guò)注漿厚度，注漿體堵水能力可靠。在采礦過(guò)程中頂板破壞深度如圖4所示。

若不進(jìn)行注漿處理，隨著采礦進(jìn)行，頂板破壞深度達(dá)到10 m，與上層導(dǎo)水通道連接，上部溶洞積水直接灌入采區(qū)；注漿處理后，頂層采場(chǎng)開(kāi)挖破壞深度為6 m，小于注漿厚度10 m，因此10 m厚的注漿頂板是可靠的。

4結(jié)語(yǔ)

利用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件對(duì)巖溶礦區(qū)的采礦行為進(jìn)行模擬，得出了頂板存在大型溶洞條件下采礦活動(dòng)過(guò)程中圍巖應(yīng)力的變化情況，并與未受到溶洞影響的情況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)

圖4　頂板破壞深度變化

在采區(qū)頂板會(huì)形成高應(yīng)力區(qū)域；同時(shí)隨著采礦活動(dòng)的進(jìn)展，采區(qū)頂板由于采礦擾動(dòng)形成的松動(dòng)區(qū)域與溶洞周圍松散區(qū)域很大可能發(fā)生連通，溶洞積水有從頂板的裂隙中直接灌入礦床的危險(xiǎn)，證明了注漿的必要性；采取10 m 厚注漿，有效阻擋了溶洞積水灌入采區(qū)，保證了采礦的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]辛小毛,王亮.大水金屬礦山防治水綜合技術(shù)方法的研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā),2009(2):78-81.

[2]劉道仁,孫翠華.近礦體帷幕注漿在礦山防治水的應(yīng)用[J].中國(guó)礦山工程,2010(6):18-20.

[3]馬秀榮,郝哲.巖體注漿理論評(píng)述[J].有色礦冶,2001(1):3-6.

[4]趙林.裂隙巖體注漿擴(kuò)散理論探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2010(10):188～189.

[5]程正剛,武忠進(jìn),姜海軍.掘進(jìn)工作面預(yù)注漿堵水技術(shù)的數(shù)值模擬[J].煤炭科技,2013(1):49-51.

(收稿日期2015-10-15)

張?chǎng)?1990—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。

·實(shí)用技術(shù)·