董書(shū)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(guó)，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(guò)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(wèn)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(huì)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(diǎn)，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(yàn)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(guó)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(duì)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(yàn)結(jié)果分析及觀測(cè)孔水位觀測(cè)資料等手段對(duì)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(shí)檢驗(yàn)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(yàn)、瞬變電磁探測(cè)和連通試驗(yàn)等方法的帷幕薄弱區(qū)綜合分析方法;文獻(xiàn)[9-11]針對(duì)施工結(jié)束后采用注漿信息分析和地球物理探測(cè)等方法對(duì)帷幕墻體建造質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià);文獻(xiàn)[12]分析了帷幕注漿技術(shù)的特點(diǎn)、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(cè)、檢驗(yàn)技術(shù);文獻(xiàn)[13]針對(duì)云南某水患礦山分析了深埋井巷內(nèi)成功實(shí)施的“魚(yú)刺型”鉆孔改性黏土漿帷幕注漿試驗(yàn)工程。

上述相關(guān)研究主要針對(duì)埋深較淺或者規(guī)模較小的帷幕墻體，缺少對(duì)受注地層細(xì)觀特征的深入分析和表征，而對(duì)于埋深較大的高水壓地層，巖層微小的孔隙、裂隙對(duì)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(shù)[18]、宮偉力[19]等學(xué)者運(yùn)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(jì)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(kāi)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(zhǎng)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(wèn)題。

筆者針對(duì)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(jì)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(yàn)、鉆屑組分研判等方法對(duì)注漿效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。

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(pán)“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(jì)，“五含”下伏8煤層煤炭資源總儲(chǔ)量約1 800萬(wàn)t，探明可采儲(chǔ)量約1 000萬(wàn)t，煤層開(kāi)采過(guò)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(guò)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(kāi)采該部分煤炭勢(shì)必造成大量水資源浪費(fèi)。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(jì)采用“五含”帷幕注漿、局部疏干開(kāi)采的方式進(jìn)行，以保證在煤炭資源安全回采的同時(shí)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(guò)一定厚度的材料時(shí)其強(qiáng)度會(huì)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(duì)原子質(zhì)量等因素有關(guān)。當(dāng)X射線穿透巖芯后，探測(cè)器接收透過(guò)該材料的X射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光后，由光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，輸入計(jì)算機(jī)處理。本實(shí)驗(yàn)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(cè)器設(shè)計(jì)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(yàn)材料及試驗(yàn)方法

利用顯微CT技術(shù)對(duì)注漿地層巖芯進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果

2.3.1巖體孔隙率、裂隙率

通過(guò)對(duì)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(duì)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(jì)分析切片圖中孔隙、裂隙、礦物等不同物質(zhì)的灰度值，通過(guò)設(shè)定試樣孔隙、裂隙屬性灰度閾值對(duì)切片圖進(jìn)行孔隙、裂隙篩分，從而獲得單張切片圖及被測(cè)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(guò)統(tǒng)計(jì)角礫巖切片圖的灰度值，可對(duì)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(duì)裂隙孔隙提取后得到孔隙、裂縫體積占單個(gè)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(jì)算每個(gè)切面裂縫所占像素個(gè)數(shù)，同時(shí)計(jì)算出每個(gè)切片樣品像素個(gè)數(shù)，兩者比值即為該切片的裂隙率，從而可以統(tǒng)計(jì)出Z方向逐層切片裂隙率，觀察裂隙率的變化特點(diǎn)。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(duì)提取的孔隙、裂隙進(jìn)行球形度計(jì)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(duì)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(duì)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(duì)于不規(guī)則的孔隙可采用等效直徑對(duì)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(gè)規(guī)則的球體[23]，計(jì)算公式為

(2)

單個(gè)孔隙體積(V)可利用圖像后處理軟件基于像素個(gè)數(shù)及分辨率計(jì)算得出(圖8)，從而對(duì)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(guò)孔隙等效直徑數(shù)量統(tǒng)計(jì)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(lái)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(gè)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(guò)對(duì)標(biāo)記裂隙進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，計(jì)算裂隙的體積、面積、長(zhǎng)度、寬度。體積和面積是根據(jù)像素個(gè)數(shù)及分辨率計(jì)算，長(zhǎng)度和寬度分別為弗雷特直徑的最大值和最小值,費(fèi)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(guò)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(kāi)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(jì)算流體在樣品中的流動(dòng)情況，通過(guò)設(shè)置邊界條件，輸入輸出壓強(qiáng)以及流體黏度等，模擬計(jì)算樣品的滲透率，具體計(jì)算原理[26]為

Q=KΔPA/(μL)

(3)

式中，Q為單位時(shí)間內(nèi)流體通過(guò)巖石的流量，m3/s;A為液體通過(guò)巖石的截面積，m2;μ為液體的黏度，Pa·s;L為巖石的長(zhǎng)度，m;ΔP為液體通過(guò)巖石前后的壓差，Pa;K為絕對(duì)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(gè)樣品裂縫并不連通，通過(guò)對(duì)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(duì)它做滲流模擬分析，并測(cè)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(jì)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(duì)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(jì)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(shí)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(gè)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)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(jiàn)。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(jiàn)率統(tǒng)計(jì)，巖溶能見(jiàn)率隨深度增加而逐漸減小;根據(jù)鉆孔巖洞統(tǒng)計(jì)(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(jì)(表5)，鉆孔漏失點(diǎn)大部分在-350 m以淺，表明-350 m以淺的“五含”地層滲透性相對(duì)-350 m以深較好。

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

標(biāo)高/m累計(jì)礫巖厚度/m累計(jì)溶洞長(zhǎng)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(jiàn)率統(tǒng)計(jì)
Table 3 Statistical table of karst drilling rate in“five inclusions” formation is presented

標(biāo)高/m穿過(guò)鉆孔/個(gè)見(jiàn)巖溶孔/個(gè)巖溶能見(jiàn)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(jì)
Table 4 Statistical table of hole diameter in “fivecontained” strata

溶洞直徑/m穿過(guò)鉆孔/個(gè)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(jì)
Table 5 Statistical table for leakage of “fivecontaining” conglomerate

孔號(hào)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(dòng)水補(bǔ)給條件的位置建造，以增加動(dòng)水滲流路徑、降低水力坡度，從而降低大規(guī)模動(dòng)水對(duì)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(dòng)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(shí)，為降低成本，縮短帷幕墻長(zhǎng)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(kāi)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(kāi)采擾動(dòng)，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(shí)現(xiàn)截流功能，要從墻體上下左右等各個(gè)方位對(duì)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(duì)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(duì)隔水段，底部位于煤系地層砂泥巖互層中的相對(duì)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(kāi)斷層布置，尤其將“五含”切割的大斷層，如果無(wú)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(duì)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(jì)展布長(zhǎng)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(guò)程中“二開(kāi)”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(diǎn)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(jì)建造剖面如圖12所示。

圖12 帷幕墻體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)地下水徑流通道的封堵，從而攔截來(lái)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(zhǎng)期有效，需對(duì)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(duì)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)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(guò)大，容易造成鉆孔間地層中不聯(lián)通的孔隙、裂隙、溶洞等無(wú)法充填漿液，致使墻體產(chǎn)生缺口;鉆孔間距過(guò)小，施工成本過(guò)高、周期過(guò)長(zhǎng)。相關(guān)文獻(xiàn)采用漿液擴(kuò)散距離對(duì)鉆孔間距進(jìn)行計(jì)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(yùn)移距離，在孔隙、裂隙連通性較好時(shí)，漿液擴(kuò)散可沿聯(lián)通裂隙一直運(yùn)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(zhǎng)度決定。

因此，為保證實(shí)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(cuò)布孔，每80 m設(shè)置一個(gè)檢查孔;水平鉆孔并排布置，水平段交錯(cuò)布置，每個(gè)水平孔的分支孔上下間距為20 m，每組孔各布置1個(gè)延伸到對(duì)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(guò)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(guò)程中兩者需要相互選擇、匹配，實(shí)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(duì)其進(jìn)行適用性分析對(duì)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(duì)試驗(yàn)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(guò)程中，巖層裂隙開(kāi)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(kāi)度應(yīng)大于96 μm、滿足粉煤灰顆粒灌注的裂隙開(kāi)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(duì)較大，能夠滿足部分孔隙、裂隙充填，但無(wú)法對(duì)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(duì)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(kāi)度要求時(shí)，對(duì)于裂隙開(kāi)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(duì)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(wú)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(duì)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(yàn)。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(jiàn)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(dòng)漿液擴(kuò)散、克服流動(dòng)阻力、驅(qū)替地下水的動(dòng)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(duì)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(duì)帷幕墻體建造中的注漿壓力進(jìn)行分析計(jì)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(jì)算模型，計(jì)算參數(shù)和工況見(jiàn)表7,8。通過(guò)對(duì)不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散距離模擬計(jì)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(shí)間變化特征曲線(圖15)。

表7 數(shù)值計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)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(zhǎng)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(shí)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(guò)程可采用多孔跳注和間歇注漿等工藝。

5 帷幕注漿效果評(píng)價(jià)

注漿效果檢驗(yàn)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(yàn)過(guò)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(píng)價(jià)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(1)漿液擴(kuò)散范圍檢驗(yàn)

每組水平鉆孔各布置1個(gè)延伸到對(duì)側(cè)孔組末端的檢查加固分支孔，通過(guò)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(jì)中，垂直鉆孔段每隔80 m施工一個(gè)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(yàn)和補(bǔ)強(qiáng)加固作用。因此通過(guò)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(guò)對(duì)結(jié)石體進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，可分析判斷注漿效果。試驗(yàn)結(jié)果表明:結(jié)石體干燥狀態(tài)下無(wú)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(wú)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(shuō)明水對(duì)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(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)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(duì)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(wú)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(yàn)力學(xué)試驗(yàn)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(yàn)

帷幕墻體建造的最終目的是要對(duì)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(yàn)帷幕墻體建造成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)，而抽、放水試驗(yàn)是檢驗(yàn)截流效果最為直接有效的方法[21]。

放水試驗(yàn)采用井下放水、井上鉆孔水位觀測(cè)的方法，監(jiān)測(cè)記錄放水期間帷幕墻體內(nèi)外“五含”觀測(cè)孔水位標(biāo)高，通過(guò)對(duì)比墻體內(nèi)外觀測(cè)孔“五含”水位變化情況，可以對(duì)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(cè)孔放水期間變化曲線，可看出在放水期間墻內(nèi)外觀測(cè)孔“五含”水位出現(xiàn)明顯差別，墻內(nèi)觀測(cè)孔水位降落明顯，墻外觀測(cè)孔水位基本穩(wěn)定，且墻內(nèi)觀測(cè)孔在放水結(jié)束后水位維持降落位置，沒(méi)有恢復(fù)，說(shuō)明帷幕墻切斷了“五含”及其他含水層對(duì)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(cè)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(jì)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(yàn)階段“五含”水位降至-230 m時(shí)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(yàn)成果:降深約100 m時(shí)，“五含”放水量約為700 m3/h，水位降至-230 m時(shí)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(shí)實(shí)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(duì)“五含”水位降至-350 m時(shí)的水量和截流率預(yù)測(cè)計(jì)算，可得當(dāng)“五含”水位降至-350 m時(shí)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(duì)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(duì)于開(kāi)度較小的裂隙，須采用純水泥漿液，對(duì)于巖溶發(fā)育的孔洞，可摻入粉煤灰進(jìn)行無(wú)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(duì)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(jì)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(jì)，并且直孔采用兩排交錯(cuò)布孔，每80 m設(shè)置一個(gè)檢查孔;水平鉆孔并排布置，水平段交錯(cuò)布置，每個(gè)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(yàn)對(duì)帷幕墻體建造質(zhì)量進(jìn)行分析檢驗(yàn)。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(jì)目標(biāo)和要求。