尚宏波，靳德武，柳昭星，王 皓，趙春虎，王曉東，石志遠(yuǎn)，王治宙

(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)

0 引 言

隨著煤炭開(kāi)采速率的不斷提升，礦井水害逐漸成為威脅煤炭安全開(kāi)采的主要因素之一。統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)受礦井水害威脅的煤炭資源儲(chǔ)量占探明總儲(chǔ)量的27%[1]。因此，如何有效治理礦井水害成為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。礦井水害的主要治理手段有疏干排水、疏堵結(jié)合、注漿堵水3種。注漿堵水技術(shù)在礦井水害防治工程中被大量運(yùn)用，該技術(shù)對(duì)保護(hù)水資源和保證礦區(qū)持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2-3]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬等方面對(duì)注漿堵水工程中漿液擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[4]中提到MAAG、RAFFLE等基于達(dá)西定律，首先提出了牛頓流體漿液的球形擴(kuò)散理論與柱形擴(kuò)散理論，得到了漿液擴(kuò)散半徑、注漿時(shí)間及注漿壓力之間的關(guān)系。隨后非牛頓流體的漿液擴(kuò)散理論得到發(fā)展，楊秀竹等[5-6]推導(dǎo)了賓漢體及冪律流體漿液在滲透注漿過(guò)程中的擴(kuò)散半徑公式。SAADA[7]、CHUPIN等[8]通過(guò)理論分析建立了考慮滲濾效應(yīng)的多孔介質(zhì)滲透擴(kuò)散模型，研究了滲濾效應(yīng)對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的影響。隋旺華[9-10]、俞文生等[11]通過(guò)理論推導(dǎo)建立了單裂隙動(dòng)水注漿漿液擴(kuò)散模型，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的方法研究了漿液在單裂隙中的擴(kuò)散規(guī)律。李術(shù)才[12-14]、張慶松等[15-17]基于漿液黏度的時(shí)變性，通過(guò)建立理論模型，并結(jié)合室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法研究了漿液在不同介質(zhì)中的擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)隧道開(kāi)挖工程中指導(dǎo)突涌水災(zāi)害治理有一定的實(shí)踐意義與參考價(jià)值。劉泉聲[18]、黃耀光等[19]采用注漿的方法對(duì)深部巷道圍巖進(jìn)行注漿加固，對(duì)漿液擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行了深入探討，并將注漿工藝應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)注漿工程。劉健等[20]采用數(shù)值模擬軟件，分別研究了水泥漿液在靜水條件和動(dòng)水條件下在平面裂隙中的擴(kuò)散規(guī)律。目前，對(duì)于地下工程中含水層帷幕注漿漿液擴(kuò)散規(guī)律的研究較少。

煤礦開(kāi)采過(guò)程中由于過(guò)度抽排地下水，導(dǎo)致地下水位嚴(yán)重下降，破壞生態(tài)環(huán)境。采用帷幕注漿在地下形成一道帷幕墻，將煤礦開(kāi)采區(qū)與地下水隔離，便可大幅度降低抽排水費(fèi)用，避免開(kāi)采區(qū)的地下水資源和水環(huán)境受到破壞[21]。在上述研究基礎(chǔ)上，針對(duì)地下含水層帷幕注漿過(guò)程中存在的問(wèn)題，室內(nèi)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)注漿材料的物理性能測(cè)試，建立含水層中漿液擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算與理論計(jì)算得到漿液的擴(kuò)散范圍，研究漿液在含水層中的擴(kuò)散規(guī)律，旨在為帷幕墻建造過(guò)程中注漿孔距及相關(guān)參數(shù)的選取提供參考和理論指導(dǎo)。

1 工程背景

朱仙莊煤礦井田北側(cè)分布一層由灰?guī)r礫石、角礫組成，鈣質(zhì)膠結(jié)的侏羅系底部地層，俗稱(chēng)“五含”?，F(xiàn)有的勘探表明，“五含”直接壓覆于煤系地層，在采掘活動(dòng)影響下，“五含”中的水及參與補(bǔ)給的太、奧灰水通過(guò)導(dǎo)水通道進(jìn)入礦井造成水害。朱仙莊礦曾發(fā)生過(guò)工作面頂板“五含”突水事故，這已嚴(yán)重威脅下伏8煤的安全開(kāi)采，成為制約礦井安全生產(chǎn)的主要障礙。

據(jù)探查統(tǒng)計(jì)，“五含”下伏8煤包括6采區(qū)、8采區(qū)、10采區(qū)和12采區(qū)，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。8煤是朱仙莊煤礦開(kāi)采的主采煤層，關(guān)系到礦井的總體布局和經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)研究討論，認(rèn)為利用現(xiàn)有技術(shù)手段對(duì)“五含”進(jìn)行大面積注漿治理或井下直接疏干等措施，施工難度大，成本高，且會(huì)產(chǎn)生新的安全威脅，無(wú)法徹底根治水害?；诙喾揭蛩乜紤]，最終確定對(duì)朱仙莊礦“五含”水害采用帷幕截流治理方案。朱仙莊礦“五含”帷幕截流治理工程帷幕墻展布，如圖1所示。工程設(shè)計(jì)在地表下建造一條防滲帷幕墻，帷幕墻建成后既能較好的保護(hù)地下水資源，又能大幅度的降低“五含”水害治理的工程造價(jià)，使8煤能安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采。

圖1 朱仙莊礦“五含”帷幕截流治理工程帷幕墻展布示意Fig.1 Drawing of curtain wall distribution of ‘fifth aquifer’curtain closure control project in Zhuxianzhuang Coal Mine

但建造帷幕墻需要考慮漿液在含水層中的擴(kuò)散機(jī)制，注漿壓力及漿液在含水層中的擴(kuò)散范圍決定著帷幕墻建造的質(zhì)量。因此，研究含水層中漿液的擴(kuò)散范圍及注漿壓力對(duì)建造帷幕墻顯得尤為重要。

2 漿液擴(kuò)散機(jī)制

2.1 漿液性能試驗(yàn)

漿液的流動(dòng)性、結(jié)石率、凝結(jié)時(shí)間及抗壓強(qiáng)度等性能需滿(mǎn)足朱仙莊煤礦“五含”帷幕墻建設(shè)要求。單液水泥漿因具有成本低、結(jié)石率高、抗?jié)B性強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在解決各種不同水文地質(zhì)條件下的堵水加固和防滲問(wèn)題等方面得到較為廣泛的應(yīng)用。

試驗(yàn)材料為現(xiàn)場(chǎng)注漿使用的32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)注漿的要求，試驗(yàn)中單液水泥漿的水灰比設(shè)置為0.6、0.8、1.0、2.0、3.0五種，研究不同水灰比條件下的漿液性能。漿液的凝結(jié)時(shí)間采用標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀測(cè)定；采用RST流變儀測(cè)試不同水灰比條件下漿液黏度；使用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)?zāi)＞咧苽涑叽鐬?60 mm×40 mm×40 mm試樣，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671—1999測(cè)試試樣不同齡期抗壓強(qiáng)度；漿液結(jié)石率按照標(biāo)準(zhǔn)JC 313—2009進(jìn)行，試驗(yàn)儀器如圖2所示，部分試驗(yàn)照片如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)測(cè)試儀器Fig.2 Testing instrument

圖3 漿液性能試驗(yàn)測(cè)試Fig.3 Testing of slurry performance

采用上述試驗(yàn)儀器完成現(xiàn)場(chǎng)注漿材料的性能測(cè)試，具體的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。表1給出了不同水灰比下單液水泥漿物理參數(shù)，凝結(jié)時(shí)間、黏度及密度等因素決定著漿液的可注性，抗壓強(qiáng)度與結(jié)石率表征漿液的強(qiáng)度特征?，F(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程中，可根據(jù)表1中水泥漿液性能參數(shù)，并按照地層類(lèi)型的不同選取相應(yīng)水灰比的漿液以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)注漿要求。水灰比1∶1的漿液在現(xiàn)場(chǎng)帷幕注漿工程中經(jīng)常被采用，文中研究帷幕墻建造過(guò)程中漿液在含水層中的擴(kuò)散范圍，數(shù)值計(jì)算選取水灰比1∶1的漿液進(jìn)行相關(guān)分析。

表1 注漿材料性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of grouting materials

2.2 漿液擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

含水層中的注漿實(shí)質(zhì)上是漿液驅(qū)替地下水的過(guò)程。含水層中含有大量的孔裂隙，可將其視為多孔介質(zhì)，在外力的作用下漿液注入含水層，實(shí)際上是漿液與地下水在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，且該流動(dòng)屬于兩相流的范疇。選取水灰比1∶1的漿液與地下水都屬于牛頓流體。因此，漿液和地下水在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)滿(mǎn)足連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程[22]。

漿液在多孔介質(zhì)中的連續(xù)性方程為

?·(ρsvs)+?(φρsss)/?t=0

(1)

水在多孔介質(zhì)中的質(zhì)量守恒方程為

?·(ρwvw)+?(φρwsw)/?t=0

(2)

漿液在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)方程為

vs=-kksr?p/μs

(3)

水在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)方程為

vw=-kkwr?p/μw

(4)

式中：?為哈密頓算子；ρs、ρw分別為漿液和地下水的密度；vs、vw分別為漿液和地下水的滲流速度；ss、sw分別為漿液和地下水的體積分?jǐn)?shù)；μs、μw分別為漿液和地下水動(dòng)力黏度；φ為注漿層位的孔隙率；t為注漿時(shí)間；ksr、kwr分別為漿液和地下水的相對(duì)滲透率，為體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)；ks、kw分別為漿液和地下水的有效滲透率或相對(duì)滲透率；k為介質(zhì)滲透率。

漿液和地下水中的每種運(yùn)動(dòng)用Darcy定律來(lái)表示，當(dāng)其中任意一種的體積分?jǐn)?shù)為100%時(shí)，介質(zhì)本身所固有的滲透率就取決于其對(duì)2種流體的滲透率，即

ksr=ks/k，kwr=kw/k

(5)

由漿液、地下水的連續(xù)性方程與運(yùn)動(dòng)方程，可得漿液與地下水兩相流的控制方程為

?(φρ)/?t+?·(-ρ?pk/μ)=0

(6)

ρ=swρw+ssρs

(7)

1/μ=swkwr/μw+ssksr/μs

(8)

s=sw+ss=1

(9)

式中：ρ、μ為漿液和地下水混合密度、黏度；s為漿液和地下水的總體積分?jǐn)?shù)；漿液密度和動(dòng)力黏度均由前述的漿液性能測(cè)試試驗(yàn)得到。

3 漿液擴(kuò)散數(shù)值模擬

3.1 注漿擴(kuò)散數(shù)值模型

采用COMSOL Multiphysics 有限元軟件中的流體力學(xué)模塊模擬漿液在含水層中的擴(kuò)散過(guò)程，數(shù)值計(jì)算采用二維模型，將含水層視作多孔介質(zhì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)帷幕墻建設(shè)的需要，建立30 m×30 m的多孔介質(zhì)數(shù)值模型，布置1個(gè)注漿孔位于模型的中心，注漿孔直徑為152 mm。模型上下邊界為無(wú)流動(dòng)邊界，左右邊界為定壓力邊界。初始時(shí)刻數(shù)值模型多孔介質(zhì)中內(nèi)充滿(mǎn)水，注漿開(kāi)始后，漿液以一定注漿壓力由注漿孔進(jìn)入多孔介質(zhì)。數(shù)值模型網(wǎng)格剖分及邊界條件如圖4所示。

為研究注漿壓力對(duì)擴(kuò)散規(guī)律的影響，分別對(duì)不同注漿壓力的工況進(jìn)行分析。其中，根據(jù)“五含”特征水文參數(shù)滲透系數(shù)K=0.326～6.840 m/d，取其平均值，定義多孔介質(zhì)滲透率為k=4.071×10-12m2。按照現(xiàn)場(chǎng)注漿壓力的范圍，模型中的注漿壓力p分別取4、5、6 MPa，根據(jù)“五含”的埋深情況，模型的靜水壓力p0取1.5、2.0、2.5、3.0 MPa。數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況見(jiàn)表2、表3。

表2 計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculating parameters

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

漿水混合區(qū)的計(jì)算形態(tài)采用體積分?jǐn)?shù)的方式表示。根據(jù)表3模擬了不同注漿壓力及靜水壓力下共計(jì)12種工況下漿液的擴(kuò)散形態(tài)，不同注漿壓力及靜水壓力下，漿液擴(kuò)散形態(tài)具有相似性，選取工況為注漿壓力4 MPa、靜水壓力2 MPa的漿液擴(kuò)散形態(tài)進(jìn)行分析，如圖5所示，t為注漿時(shí)間，r為漿液的擴(kuò)散半徑。在數(shù)值軟件中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)不同時(shí)間段下漿液與地下水的混合區(qū)，此時(shí)監(jiān)測(cè)得到的混合區(qū)距離注漿孔之間的長(zhǎng)度就是漿液的擴(kuò)散半徑，如圖5中，當(dāng)t=60 h時(shí)，數(shù)值軟件中監(jiān)測(cè)得到漿水混合區(qū)距離注漿孔的長(zhǎng)度為6.78 m，也即得到漿液擴(kuò)散半徑r為6.78 m。

表3 計(jì)算工況參數(shù)Table 3 Calculating working condition parameters

從圖5中可看出，漿液擴(kuò)散形式是以注漿孔為中心的圓形擴(kuò)散，圖中的紅色部分表示漿液濃度，體積分?jǐn)?shù)接近100%，藍(lán)色部分表示地下水，漿液體積分?jǐn)?shù)接近0，即地下水的體積分?jǐn)?shù)接近100%。漿液在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散范圍隨著注漿時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸擴(kuò)大，但隨著注漿時(shí)間的繼續(xù)推移，相同間隔時(shí)間段下漿液擴(kuò)散距離的增大幅度逐漸減小，這是因?yàn)樵谧{后期，漿液逐漸進(jìn)入多孔介質(zhì)中，其擴(kuò)散的阻力逐漸增大，最終當(dāng)注漿時(shí)間達(dá)到一定時(shí)，漿液的擴(kuò)散范圍逐漸趨于穩(wěn)定。此外，在靜水條件下的漿水混合區(qū)較為明顯，且寬度基本保持不變，表明靜水條件下地下水對(duì)漿液的沖刷與分散作用并不十分強(qiáng)烈。

圖5 漿液擴(kuò)散形態(tài)Fig.5 Grout diffusion behavior

為進(jìn)一步分析注漿壓力及靜水壓力對(duì)漿液擴(kuò)散范圍的影響，根據(jù)不同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果，建立不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散半徑隨時(shí)間的變化曲線，如圖6所示。

圖6 漿液擴(kuò)散半徑隨注漿時(shí)間變化曲線Fig.6 Curves of grout diffusion radius versus grouting time

由圖6可知，在不同注漿壓力條件下，漿液擴(kuò)散半徑隨注漿時(shí)間的增加而增大，但這種增長(zhǎng)的速度逐漸下降，即漿液擴(kuò)散半徑的變化率越來(lái)越小。當(dāng)注漿時(shí)間達(dá)到一定時(shí)，漿液擴(kuò)散半徑會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定值，此時(shí)若繼續(xù)注漿，漿液擴(kuò)散范圍有限，注漿難度越來(lái)越大。不同注漿壓力及靜水壓力下，漿液擴(kuò)散半徑最終趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)楫?dāng)注漿壓力較小時(shí)，漿液擴(kuò)散需要的時(shí)間較長(zhǎng)，但隨著注漿時(shí)間增長(zhǎng)，漿液會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)特性，故而漿液擴(kuò)散距離會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而趨于穩(wěn)定；當(dāng)注漿壓力較大時(shí)，相比注漿壓力較小的情況漿液擴(kuò)散趨于穩(wěn)定的時(shí)間較短，原因在于高壓狀態(tài)下漿液出現(xiàn)凝結(jié)特性的時(shí)間較早。對(duì)數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)，最終穩(wěn)定后的漿液擴(kuò)散半徑的平均值為10.22 m，由于漿液的擴(kuò)散呈明顯的軸對(duì)稱(chēng)規(guī)律，因此不同工況下漿液擴(kuò)散的范圍可達(dá)到20.44 m。靜水壓力對(duì)漿液擴(kuò)散半徑有較大的影響，同一注漿壓力下，隨著靜水壓力的增大漿液擴(kuò)散相同范圍所需的時(shí)間增加，如圖6a中，當(dāng)靜水壓為1.5 MPa時(shí)，漿液擴(kuò)散至10 m處所需時(shí)間為120 h，當(dāng)靜水壓為2.0 MPa時(shí)，漿液擴(kuò)散至10 m處所需時(shí)間為150 h。另外，從圖6中可看出，隨著注漿壓力的增大，靜水壓力的變化對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響逐漸減小，這是因?yàn)樽{壓力越大，漿液驅(qū)替水的能力越強(qiáng)，在擴(kuò)散至相同范圍時(shí)所需的時(shí)間越短，從而靜水壓力的變化對(duì)漿液擴(kuò)散半徑的影響逐漸減弱。

4 理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果分析對(duì)比

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性，通過(guò)理論計(jì)算給出漿液擴(kuò)散半徑的理論值，對(duì)理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。水泥漿液經(jīng)注漿孔進(jìn)入地下含水層，在數(shù)值模擬計(jì)算中將含水層視為多孔介質(zhì)，因此漿液在注漿孔中以滲透的方式注入地下含水層中。在滲透注漿理論中，漿液在多孔介質(zhì)中的擴(kuò)散理論公式[23]為

(10)

式中：K為多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)，m/s，可由文中多孔介質(zhì)的滲透率k計(jì)算得到；h為注漿壓力水頭，m；φ為孔隙率；λ為漿液黏度與水的黏度的比值；r0為注漿孔的半徑，m。

將理論公式(10)中的各參數(shù)賦值后，采用MatLab計(jì)算得到漿液滲透擴(kuò)散半徑r，選取部分?jǐn)?shù)值與上述數(shù)值模擬所得到的漿液擴(kuò)散半徑進(jìn)行比較，以靜水壓力2 MPa為例，建立擴(kuò)散半徑理論計(jì)算與數(shù)值模擬對(duì)比分析曲線，如圖7所示。

由圖7可知，3種注漿壓力下，漿液擴(kuò)散半徑的理論計(jì)算值與數(shù)值模擬結(jié)果差別不大，兩者的誤差控制小于5%。由此說(shuō)明所建立的數(shù)值模型研究含水層中漿液擴(kuò)散范圍具有一定可靠性。

圖7 擴(kuò)散半徑理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of theoretical calculation and numerical simulation results of diffusion radius

5 工程應(yīng)用

為確保朱仙莊礦含水層下伏8煤的安全開(kāi)采，防止井田外“五含”水和奧灰水向井田內(nèi)補(bǔ)給，在井田北側(cè)和東側(cè)合適區(qū)段建立一條帷幕墻，阻隔來(lái)自墻外“五含”水向井田內(nèi)的補(bǔ)給，間接的阻斷奧灰水向井田內(nèi)“五含”的補(bǔ)給。帷幕墻的建造是通過(guò)地面打鉆鉆進(jìn)至“五含”目標(biāo)層內(nèi)，鉆孔揭露“五含”儲(chǔ)水空間或孔裂隙通道，隨后利用地面注漿系統(tǒng)通過(guò)鉆孔對(duì)目標(biāo)層位進(jìn)行注漿充填加固，最終形成阻隔地下水進(jìn)入采煤工作面的帷幕墻體。但在建造帷幕墻的過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，例如注漿過(guò)程中材料性能、注漿孔間距的選取等。因此，利用本文研究的注漿材料性能及漿液擴(kuò)散范圍，可為現(xiàn)場(chǎng)帷幕注漿工程中注漿材料的選取及注漿孔距的布置提供科學(xué)依據(jù)。

注漿材料的性能是影響帷幕墻建造的因素之一，其中注漿結(jié)石體的強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足帷幕墻體的強(qiáng)度要求。表1給出的5種水灰比下的水泥漿液在齡期28 d時(shí)的最小抗壓強(qiáng)度為5.18 MPa，因此，文中選取的漿液在齡期28 d后的結(jié)石體強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足帷幕墻的建設(shè)需求。在滿(mǎn)足帷幕墻建設(shè)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，需要考慮漿液的可注性、結(jié)石率等因素。根據(jù)注漿層位的特征，選取不同水灰比的漿液進(jìn)行注漿，以滿(mǎn)足帷幕墻建設(shè)的需求?，F(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程中，大都選取水灰比(質(zhì)量比)1∶1的漿液，這樣既能滿(mǎn)足漿液結(jié)石體的強(qiáng)度又能滿(mǎn)足漿液可注性的要求。

漿液擴(kuò)散范圍的研究是注漿工程中注漿孔間距布設(shè)的依據(jù)。文中數(shù)值模擬結(jié)果顯示，漿液擴(kuò)散最終穩(wěn)定后的擴(kuò)散半徑平均值為10.22 m。因此，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算與理論分析得到的漿液擴(kuò)散半徑，帷幕墻建造中注漿孔間距選為20 m，按照所得的注漿孔間距，設(shè)計(jì)給出帷幕墻部分鉆孔的平面分布示意如圖8所示，注漿孔間距和排距均設(shè)計(jì)為20 m，兩排交錯(cuò)布孔，且兩排孔的中間位置每80 m設(shè)計(jì)1個(gè)檢查孔，建立有效寬度約為40 m的帷幕墻，以阻隔來(lái)自帷幕墻外側(cè)“五含”及奧灰水對(duì)礦井的補(bǔ)給。

圖8 帷幕墻部分鉆孔平面分布示意Fig.8 Plane layout of drilling holes in part of curtain wall

為驗(yàn)證帷幕墻注漿孔距設(shè)計(jì)的合理性，通過(guò)檢查孔對(duì)受注地層進(jìn)行巖心采取，若能采集到帶有漿液結(jié)石體的巖心，則說(shuō)明漿液能夠擴(kuò)散至設(shè)計(jì)的距離，進(jìn)而證明文中設(shè)計(jì)的注漿孔孔間距合理?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)檢查孔對(duì)受注地層進(jìn)行取心并密封運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室(圖9)。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)取芯試樣Fig.9 Field coring sample

同時(shí)得到了含有漿液結(jié)石體的巖心，如圖10所示。帷幕墻體建設(shè)要求滿(mǎn)足抵抗4 MPa大小的水壓力，通過(guò)抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得到飽水狀態(tài)下該漿液結(jié)石體的強(qiáng)度為11.2 MPa，因此能夠滿(mǎn)足帷幕墻建設(shè)的強(qiáng)度要求。綜上所述，根據(jù)文中計(jì)算得到的注漿擴(kuò)散范圍，設(shè)計(jì)的帷幕注漿孔距20 m能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)帷幕墻建造的需要。

圖10 注漿層位漿液結(jié)石體Fig.10 Grout stone body

6 結(jié) 論

1)針對(duì)朱仙莊煤礦“五含”帷幕墻建設(shè)的注漿問(wèn)題，研究了不同水灰比下單液水泥漿的性能。單液水泥漿水灰比越大，漿液的凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)、黏度越大，而結(jié)石率與抗壓強(qiáng)度越小，根據(jù)漿液性能參數(shù)，并按照地層類(lèi)型的不同選取相應(yīng)水灰比的漿液以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)注漿要求。

2)建立含水層中漿液擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，并采用COMSOL Multiphysics軟件研究了漿液的擴(kuò)散規(guī)律，不同工況下漿液擴(kuò)散形式以注漿孔為中心的圓形擴(kuò)散。漿液的擴(kuò)散半徑隨注漿時(shí)間的增加而增大，但擴(kuò)散半徑最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的漿液擴(kuò)散半徑的平均值為10.22 m，漿液擴(kuò)散的范圍可達(dá)到20.44 m。

3)通過(guò)理論計(jì)算得到漿液的擴(kuò)散半徑，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同工況下，漿液擴(kuò)散半徑的理論解與數(shù)值解兩者的誤差控制在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明文中所建立的數(shù)值模型研究含水層中漿液的擴(kuò)散規(guī)律具有一定可靠性，計(jì)算結(jié)果能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)注漿工程提供數(shù)據(jù)參考。

4)根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算與理論分析得到的漿液擴(kuò)散半徑，帷幕墻建設(shè)中注漿孔距布設(shè)為20 m，兩排交錯(cuò)布孔，建立有效寬度約為40 m的帷幕墻，以阻隔來(lái)自帷幕墻外側(cè)“五含”及奧灰水對(duì)礦井的補(bǔ)給。帷幕墻建造完成后，通過(guò)檢查孔對(duì)受注地層進(jìn)行取心，得到了含有漿液結(jié)石體的巖心，且保水狀態(tài)下該漿液結(jié)石體的巖心強(qiáng)度為11.2 MPa，能夠滿(mǎn)足帷幕墻建設(shè)的強(qiáng)度要求，證實(shí)文中注漿孔間距設(shè)計(jì)的合理性。