移动扫码阅读
柳昭星1,2，靳德武1,2，尚宏波1,2，石志远1,2，赵春虎1,2，刘 基1,2
(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)
摘 要：为使用帷幕注浆手段治理某矿区岩溶裂隙发育地层水害 ，采用室内试验对不同水灰比水泥浆液性能进行试验研究，得到不同水灰比水泥浆液性能及变化规律；并利用理论分析和数值计算对帷幕注浆压力和水泥浆液扩散半径进行了研究计算；结合帷幕墙体建设区域水文地质条件，综合确定了帷幕墙体建造尺寸、钻孔间距、注浆压力及水泥浆液选取工艺，为帷幕注浆治理工程设计提供了科学依据。最后，利用帷幕墙体内外放水试验检验了帷幕注浆墙体的截流效果，截流效果达到设计目的和要求，因此也验证了帷幕注浆参数选择的合理性。研究结果表明：水泥浆液黏度、结石率和结石体强度随水固的增大而降低，凝结时间随着水灰比的增大而增大，变化速率随水灰比的增大而降低；帷幕墙体厚度为40 m、钻孔间距为20 m和注浆终孔压力为4～6 MPa；利用放水试验对比帷幕墙体内外水位变化历时曲线是帷幕注浆效果检验的最直接手段。
关键词：注浆压力；钻孔间距；浆液性能；帷幕注浆
中图分类号：TD265.8
文献标志码：A
文章编号：0253-2336(2019)06-0081-06
LIU Zhaoxing1,2,JIN Dewu1,2,SHANG Hongbo1,2,SHI Zhiyuan1,2,ZHAO Chunhu1,2,LIU Ji1,2
(1.Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp.,Xi’an 710054,China;2.Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Prevention and Control Technology,Xi’an 710077,China)
Abstract: In order to use curtain grouting to control the formation water damage of karst fissures in mining area,experimental tests were carried out the performance of cement slurries with different water-cement ratios,and the performance and variation of cement slurries with different water-cement ratios were obtained.The curtain grouting pressure and the diffusion radius of cement slurry were studied and calculated by theoretical analysis and numerical calculation.Combined with the hydro-geological conditions of the curtain wall construction area,the construction dimensions of the curtain wall,borehole spacing,grouting pressure and cement slurry selection process were determined comprehensively,which provided a scientific basis for curtain grouting control engineering design.Finally,the closure effect of curtain grouting wall was tested by water release test inside and outside the curtain wall.The closure effect achieved the design purpose and requirements.Therefore,the rationality of the selection of curtain grouting parameters was also verified.The results show that the cement slurry viscosity,stone rate and stone strength decrease with the increase of water-solid ratio,the setting time increases with the increase of water-solid ratio,and the rate of change decreases with the increase of water-cement ratio; the curtain wall thickness is 40 m,the borehole spacing is 20 m and the grouting end hole pressure is 4～6 MPa; the curtain grouting is used to compare the water level change curve inside and outside the curtain wall by water release test.It is by far the most direct means of curtain grouting effect test.
Key words:grouting pressure; borehole spacing;slurry performance; curtain grouting
移动扫码阅读
柳昭星，靳德武，尚宏波，等.矿区岩溶裂隙岩体帷幕截流注浆参数确定研究[J].煤炭科学技术,2019,47(6)：81-86.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.012
LIU Zhaoxing,JIN Dewu,SHANG Hongbo,et al.Study on determination of curtain closure grouting parameters of fractured rock mass in karst mining area[J].Coal Science and Technology，2019，47(6)：81-86.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.06.012
收稿日期：2019-03-11
责任编辑：曾康生
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804102)；中煤科工集团科技创新创业资金专项资助项目(2018-TD-MS070，2018XAYMS04)
作者简介：柳昭星(1988—),男,山东肥城人,助理研究员,硕士。Tel：029-85576730，E-mail：liuzhaoxing@cctegxian.com
随着我国矿山、交通、水电等领域地下工程建设的飞速发展，建设过程中所面临的地质、水文地质情况日益复杂，由此引发的工程事故增多[1-2]。大量工程案例表明，水害是影响地下工程安全建设的重要因素，其制约了地下工程的快速发展[3]。据统计，中国受突(涌)水威胁的煤炭储量占探明储量的27%，采矿中频繁发生的突(涌)水灾害造成了人员伤亡，也给矿企造成了巨大的经济和财产损失[4-5]。目前，注浆是治理煤矿突突(涌)水灾害的有效手段，通过封堵岩层涌水通道，驱替岩层地下水，能够提高围岩抗渗性能、改善岩石的宏观力学性质、有效提高围岩的整体性和承载能力[6-8]。然而，注浆工程具有显著的“黑箱”特点，属于隐蔽性工程，难以通过直接分析浆液在地层内的空间分布或其力学参数来确定浆液扩散方式或评估注浆效果[9]，因此，前期确定合理注浆参数不仅是注浆设计方案的基础，而且是为后期施工过程中注浆的有效控制提供依据，更是保证注浆效果的关键。而注浆参数中，注浆压力是地层特征、浆液性质及注浆工艺的综合反映[10]，钻孔间距反映了浆液扩散半径，是浆液扩散范围的保证；注浆浆液水灰比是影响浆液性能的关键因素，进而是不同注浆阶段注浆控制和效果保证的重要因素。因此，合理确定注浆压力、钻孔间距和浆液水灰比对注浆效果的保证尤为重要。
笔者针对某矿区岩溶裂隙发育地层水害帷幕注浆治理工程，采用室内试验、理论分析和数值模拟计算等手段，对帷幕注浆过程中的水泥浆液水灰比、注浆压力和浆液扩散距离进行了研究，获得了不同水灰比水泥浆液物理力学性能参数、浆液扩散距离和注浆压力，为注浆钻孔布置、不同注浆阶段水泥浆液水灰比的确定和注浆压力的选择提供了依据，通过放水试验检验了帷幕墙体良好的截流效果，验证了注浆参数选择的合理性。
某矿四周为石炭系、奥陶系灰岩所包围，东翼因F4逆断层切割而使寒武、奥陶系灰岩压覆到煤系地层之上。该矿区井田北部受断层影响，“五含”覆盖面积约为 9 km2，井田范围内为 2.8 km2。“五含”地层大面积压覆于8煤、10煤等煤、太灰及奥灰含水层之上，呈角度不整合接触关系。“五含”的岩溶发育具有明显的垂向分带性。标高-350 m 以上，岩溶率为8.82%～13.2%；-350 m 以下，岩溶率小于 1%。煤层浅部“五含”地层富水性好，导水通道发达，水压较高， “五含”地层层位关系及水力联系示意如图1所示。致使该区域压滞大量煤炭资源，为解放压滞煤炭资源，设计采用“五含”帷幕注浆、疏干开采的方式进行。
图1 “五含”地层层位关系及水力联系示意
Fig.1 Schematic of “five-inclusive” stratigraphic relationship and hydraulic linkage
在注浆材料选定时，浆液水灰比的大小决定了浆液的黏度、凝结时间、结石率和结石体强度等关键参数，从而影响了浆液性能。因此， 针对水泥浆液不同水灰比(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0)的黏度、凝结时间、结石率和结石体强度等参数进行室内试验。试验选用的硅酸盐水泥采用该矿区生产的32.5R复合硅酸盐水泥，其品质符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)标准。
1)浆液黏度测试。浆液黏度是指浆液流动时，因分子间相互作用而产生阻碍运动的内摩擦力。浆液黏度体现了浆液的流动性能，是浆液和易性的重要衡量参数[11]。浆液黏度直接影响浆液的扩散半径及沉降速率大小，是注浆材料的重要性能指标，直接关系到浆液的可注性及注浆施工的难易程度[12]。浆液黏度过大，会导致其流动困难，不能很好地充满空洞或裂隙，影响注浆效果；黏度过小，会导致浆液扩散范围难以控制，致使浆液浪费严重，无法有效封堵涌水通道[13]。试验采用RST型应力控制流变仪对不同水灰比水泥浆液进行测定，通过高精密动态驱动系统确定转子绝对位置，从而测得浆液黏度的精确测定值，测定数据曲线如图2所示。
图2 水泥浆液黏度随水灰比变化曲线
Fig.2 Variation curve of cement slurry viscosity with water-cement ratio
由图2可知，水泥浆液黏度随水灰比增大均逐渐降低，且当水灰比小于1时，黏度随水灰比的变化敏感性强，当水灰比大于1后，浆液黏度的降低速率逐渐减小，其变化曲线趋于平缓。
2)凝结时间。浆液凝结时间是影响浆液可注性与扩散范围的重要因素，浆液凝结时间过长，不利于浆液扩散范围的有效控制，造成浆液浪费、成本过高，浆液凝结时间过短，不利于浆液扩散，导致注浆堵水范围小，无法有效封堵涌水通道。试验表明，初凝时间是限制浆液可泵性、扩散范围的主要因素。初凝时间的变化规律曲线如图3所示。
图3 水泥浆液初凝时间随水灰比变化曲线
Fig.3 Curve of initial setting time of cement slurry with water-cement ratio
从图3可知，水泥浆液初凝时间随水灰比的增大而增大，增长速度随水灰比的增加而逐渐减小，即初凝时间变化曲线趋于平缓。
3)结石率。结石率即为结石体体积与浆液体积的百分比。结石率是影响注浆效果的重要因素，结石率高的浆液对岩体裂隙填充率便高，能够提高注浆封堵效率，节省注浆材料，结石率低会造成岩体裂隙填充率低，注浆效果较差。通过对水泥浆液进行结石率实验，得到不同配比的结石率变化曲线如图4所示。
图4 水泥浆液结石率随水灰比变化曲线
Fig.4 Variation curve of cement slurry rate with water-cement ratio
从图4所知，水泥浆液结石率与水灰比呈负相关关系，且随着水灰比增加，结实率降低速率减小。
4)结石体强度。浆液结石体强度决定了注浆材料注入岩层后能否抵抗水压及围岩应力，是注浆加固和堵水效果的重要影响因素[14]。对不同龄期(3、7、28 d)不同水灰比水泥浆液结石体试样利用压力试验机进行抗压强度试验，获得不同龄期抗折载荷和抗压载荷，通过计算得到不同龄期无侧限抗压强度变化曲线如图5所示。
图5 水泥浆结石体抗压强度随水灰比变化曲线
Fig.5 Variation curves of compressive strength of cement slurry with water-cement ratio
通过试验数据和强度变化曲线可以看出，水灰比是影响水泥单液浆抗压强度的重要因素。水泥单液浆力学性能与水灰比大小呈负相关，抗压强度随水灰比的增大而降低。同时也可看出，浆液结石体强度也随龄期的增长而提高。
浆液在岩石裂隙中的注浆范围，称为注浆扩散半径。注浆扩散半径是确定注浆钻孔间距、帷幕墙体厚度的重要影响因素。由于浆液扩散的高度非线性和复杂性，笔者通过对注浆介质概化，利用数值模拟和理论分析相结合的手段对浆液扩散距离进行计算，以合理确定研究区域注浆钻孔间距。
笔者采用COMSOL Multiphysics软件对水泥浆液在单一裂隙中不同注浆压力下的扩散距离进行计算。其中，“五含”地层渗透系数k=0.326～6.84 m/d，取其平均值，定义多孔介质的渗透率为k=4.071×10-12 m2。按照注浆工艺，模型中的注浆压力p1分别取4 、5 、6 MPa，依据“五含”埋深，静水压力p0取2.0 MPa。根据水泥浆液性能试验，水灰比为1∶1为水泥浆液性能变化趋势的分水岭，因此选取水灰比1∶1水泥浆液为本次研究对象。数值模型计算参数如下：水灰比1∶1；浆液密度：1 460 kg/m3；浆液黏度：0.097 2 Pa·s；水的密度：1 000 kg/m3；水的黏度为0.001 Pa·s；介质渗透率为4.071×10-12 m2。
不同注浆压力下浆液的扩散形态及扩散半径如图6所示，根据计算浆液在不同压力下的扩散半径大约10 m。
图6 浆液扩散数值模拟形态
r——注浆扩散半径
Fig 6 Numerical simulation of slurry diffusion shane
该矿区水害注浆治理中注浆材料主要以水泥单液浆为主，因此注浆扩散模型可使用基于牛顿流体的柱形扩散模型，扩散半径按下式计算[15]为
式中：n为被注岩体孔隙率；β为浆液黏度与水黏度之比；h为注浆压力，即水头；r0为注浆孔半径；t为注浆时间。
将向该理论公式各参数赋值后，采用Matlab软件计算得到浆液渗透扩散半径r，选取部分数值与上述数值模拟所得到的浆液扩散半径进行比较，发现浆液渗透扩散理论公式得到的扩散半径与数值模拟得到的结果误差在3%以内(表1)。因此，经过理论分析和数值模拟综合确定钻孔间距为20 m。
表1 浆液扩散半径理论解与数值解
Table 1 Theoretical solution and numerical solution of slurry diffusion radius
注浆压力是浆液扩散、克服流动阻力、驱散地下水的动力，在注浆过程中，正确的选择注浆压力并且合理运用注浆压力，是影响注浆效果的关键。在岩石裂隙注浆中，注浆压力[16]计算公式为
(2)
式中：b为被注岩体裂隙开度；q为注浆流量；μ为浆液黏度。
利用COMSOL数值模拟软件对不同注浆压力下浆液扩散距离进行计算，通过对结算结果数据整理，得到不同注浆压力下浆液的扩散距离与注浆压力之间的曲线如图7所示。
图7 注浆压力与扩散半径关系曲线
Fig.7 Relationship between grouting pressure and diffusion radius
从图7可以看出，随着注浆的进行，在相同时刻下，注浆压力在注浆孔处最高，且在注浆孔处压力呈对称分布。注浆压力随浆液扩散距离逐渐衰减，最终趋近于远端的静水压力。同一扩散位置处，不同时刻的注浆压力随扩散时间的增长而升高，但随着注浆时间的增加，注浆压力的增长量在逐渐的减小，这也说明随着注浆时间的增加，浆液的扩散半径逐渐趋于稳定，这与上述浆液扩散形态分析中所得到的结论相一致。
根据该矿区综合地质、水文地质条件分析及注浆参数计算，确定了“五含”帷幕注浆方案，设计地面垂直钻孔及水平分支孔间距为20 m，帷幕墙体有效厚度40 m，另外，帷幕墙体位置为“五含”顶底板外扩15 m范围，以防止发生绕流现象。根据“五含”发育特征及水文地质条件，设计帷幕墙展布长度为3.13 km，平均为60 m，剖面设计如图8所示。
图8 帷幕墙钻孔设计剖面布置
Fig.8 Section layout of curtain wall drilling design
根据帷幕墙体内外水位差计算可知，帷幕墙承受压力为2～4 MPa。并且根据注浆压力和钻孔间距计算，设计钻孔终压为4～6 MPa，持续15～30 min，当孔口压力达到以上值时，即可认为该受注层段注浆已达到压力结束标准。实际注浆过程中，根据不同段的受注情况、浆液扩散距离、压水试验检验数据及地面变形情况进行综合分析，以确定该段帷幕墙的终压值。注浆前期一般为大流量快速灌注，可以采用大水灰比水泥浆液；注浆中期采取小流量限流缓注，可适当降低水灰比；长期不升压时，采取间歇注浆或较小水灰比等方式施工。
矿山帷幕注浆防治水工程具有典型隐蔽工程的特点，其施工质量检查鉴定和堵水效果评价一直没有可依照和遵循的标准，抽、放水水试验是目前最为直接且有效的方法。
本次注浆效果检查采用放水试验，试验数据采集采用井下放水、井上观测的方法，放水期间对地面“五含”观测孔水位进行定期观测记录水位标高，其中帷幕墙体外侧钻孔有：CJ20、17-6、17-5、17-13，帷幕墙体内侧钻孔有：84-18、2017-1、17-3、17-16、17-17、SF-7、84-14，放水历时总时长188 h，将墙内墙外“五含”观测孔放水期间水位数据绘制曲线如图9所示。
图9 放水期间“五含”观测孔水位变化曲线
Fig 9 Water level variation curves of “five-inclusive” observation hole during discharge
从图9看出，在放水期间墙内观测孔与墙外观测孔“五含”水位出现明显差别，墙内观测孔：84-18、2017-1、17-3、17-16、17-17、SF-7放水期间水位降落明显，墙外观测孔：CJ20、17-6、17-5、17-13水位基本稳定，且墙内观测孔在放水结束后水位维持降落位置，没有恢复，说明帷幕墙切断了“五含”及其他含水层对墙内部分的补给，帷幕截流效果良好，随着“五含”帷幕墙体内部分的逐渐疏干，该区域煤炭开采过程中突涌水灾害将得到有效治理。
1)通过对不同水灰比(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0)水泥浆液黏度、凝结时间、结石率和结石体强度测试，得到水泥浆液黏度、结石率和结石体强度随水固的增大而降低，凝结时间随水灰比增大而增大，变化速率随水灰比增大而降低，为帷幕注浆过程中不同注浆阶段选取浆液水灰比提供参考和依据。
2)采用理论分析和数值计算，确定帷幕墙体厚度为40 m、钻孔间距为20 m和注浆终孔压力为4～6 MPa等注浆参数，并结合地质、水文地质条件分析，综合确定帷幕墙体设计方案。
3)帷幕墙体建成后，利用放水试验对帷幕墙体截流效果进行检验，监测放水期间帷幕墙体内外“五含”观测孔水位标高，通过数据曲线可以明显看出，帷幕墙体内“五含”观测孔水位变化明显，帷幕墙体外侧“五含”水位基本稳定，而且放水停止后墙内“五含”水位停留在降落标高，没有恢复。因此，帷幕墙体切断其他含水层对帷幕墙体内“五含”部分的补给，达到了截流目的，注浆效果良好。
参考文献(References):
[1] 钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战和对策[J].岩石力学与工程学报,2012,31 (10): 1945-1956.
QIAN Qihu.Challenges faced by underground projects construction safety and countermeasures [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(10): 1954-1956.
[2] 李术才,张伟杰,张庆松,等.富水断裂带优势劈裂注浆机制及注浆控制方法研究[J].岩土力学,2014,35(3): 744-752.
LI Shucai,ZHANG Weijie,ZHANG Qingsong,et al.Research on advantage-fracture grouting mechanism and controlled grouting method in water-rich fault zone[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(3): 744-752.
[3] 张庆松，韩伟伟，李术才，等.灰岩角砾岩破碎带涌水注浆综合治理[J].岩石力学与工程学报，2012,31(12)：2412-2419.
ZHANG Qingsong，HAN Weiwei，LI Shucai，et al.Comprehensive grouting treatment for water gushing analysis in limestone breccias fracture zone[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(12)：2412-2419.
[4] 武 强,崔芳鹏,赵苏启,等.矿井水害类型划分及主要特征分析[J].煤炭学报,2013,38 (4): 561-565.
WU Qiang,CUI Fangpeng,ZHAO Suqi,et al.Type classification and main characteristics of mine water disasters[J].Journal of China Coal Society,2013,38 (4): 561-565.
[5] 崔芳鹏,武 强,刘德民,等.煤矿突水灾害综合预防与治理技术[J].煤矿安全,2015,46 (3): 175-177.
CUI Fangpeng,WU Qiang,LIU Demin,et al.Comprehensive technique for coal mine water disaster prevention and treatment[J].Safety in Coal Mines，2015,46 (3): 175-177.
[6] 杨 腾,张庆松,张 霄,等.引流慢渗注浆作用下巷道顶板围岩变形规律与控制技术[J].煤炭工程,2017，49(9): 23-26.
YANG Teng,ZHANG Qingsong,ZHANG Xiao,et al.Deformation regularity and control of surrounding rock under the effect of roadway roof drainage and slow penetration grouting [J].Coal Engineering,2017，49(9): 23-26.
[7] 黄 戡.裂隙岩体中隧道注浆加固理论研究及工程应用[D].长沙:中南大学,2011: 53-58.
[8] 苏清政,杨榆生,潘 越,等.整合煤矿采空区内掘进巷道注浆加固技术[J].煤炭科学技术,2013,41(7): 51-53.
SU Qingzheng,YANG Yusheng,PAN Yue,et al.Grouting consolidation technlogy of driving roadway in goaf of integrated coal mine [J].Coal Science and Technology,2013,41(7): 51-53.
[9] 张庆松，张连震，李 鹏，等．地下工程富水软弱地层注浆加固理论研究新进展[J]．隧道与地下工程灾害防治，2019，1(1):47-57．
ZHANG Qingsong，ZHANG Lianzhen，LI Peng，et al．New progress in grouting reinforcement theory of water-rich soft stratum in underground engineering[J]．Hazard Control in Tunneling and Underground Engineering，2019，1(1):47-57．
[10] 彭蓉蓉，俞文生.浆液性质对注浆压力及扩散方式的影响规律[J].山东大学学报：工学版，2017,47(3)：119-124.
PENG Rongrong,YU Wensheng.The influence of grouting pressure and diffusion features of different grouting materials[J].Journal of Shandong University：Engineering Science,2017,47(3):119-124.
[11] 沙 飞,刘人太,李术才,等.运营期渗漏水隧道注浆材料适用性[J].中南大学学报:自然科学版,2016,47(12): 4163-4172.
SHA Fei,LIU Rentai,LI Shucai,et al.Application on different types of cementation grouts for water-leakage operational tunnels[J].Journal of Central South University:Natural Science,2016,47(12): 4163-4172.
[12] 田正宏,罗时权,吴 军,等.粉煤灰掺量对非连续级配混凝土新拌流变性影响[J].水电能源科学,2018， 36(1): 133-136,132.
TIAN Zhenghong,LUO Shiquan,WU Jun,et al.Effect of fly ash content on rheological properties of discontinuous graded concrete[J].Water Resources and Power,2018，36(1): 133-136,132.
[13] 李仲辉,闫正芳,李绍春,等.水泥-粉煤灰浆液充填加固软岩巷道的研究与实践[J].建井技术,2003， 24(2):27-30,40.
LI Zhonghui,YAN Zhengfang,LI Shaochun,et al.Research and practice of filling and reinforcement of soft rock roadway with cement-fly ash slurry[J].Mine Construction Technology,2003,24(2):27-30,40.
[14] 阙 云，刘强华，李 丹，等.渗透注浆扩散理论探讨[J].重庆交通学院学报，2006，25(5)：105-108.
QUE Yun,LIU Qianghua,LI Dan,et al.Research on diffusion theory of permeation grouting[J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2006,25(5):105-108.
[15] 刘人太.水泥基速凝浆液地下工程动水注浆扩散封堵机理及应用研究[D].济南：山东大学，2012.
[16] 李元松，吴春华，段 鑫，等.大志山矿注浆帷幕防治水工程大型抽水试验[J].武汉工程大学学报，2015,37(8)：6-12.
LI Yuansong,WU Chunhua,DUAN Xin,et al.Steady-flow pumping test of groundwater blockage by grouting curtain in Dazhishan Mine[J].Journal of Wuhan Institute of Technology,2015,37(8):6-12.