地下透滲結構頂板注漿堵水能力分析

張　鑫　譚卓英　賈　驊　管學銘

(北京科技大學土木與環境工程學院)

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地下透滲結構頂板注漿堵水能力分析

張鑫譚卓英賈驊管學銘

(北京科技大學土木與環境工程學院)

摘要地下導水通道、溶洞破碎帶等結構稱為地下透滲結構。隨著地下工程項目的增多，地下工程災害的防治變得尤為重要。巖溶地區地下導水通道復雜、溶洞發育，加之受不規范開采影響，圍巖裂隙多，嚴重影響礦山的正常開采。以廣西省環江縣北山鉛鋅硫鐵礦為工程背景，對溶礦區地下透滲結構頂板注漿加固堵水能力進行了分析。

關鍵詞巖溶礦區數值模擬滲透結構注漿堵水

隨著經濟的快速發展和施工技術的提高，我國地下工程項目越來越多[1-2]。礦山、隧道、地鐵等大型地下工程項目的不斷發展，給社會帶來了經濟效益的同時，也誘發了各類地質災害，其中地下水問題尤為突出。近年來礦山開采深度逐年增加，地下水壓力[3]不斷加大，對礦山深部工程環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

礦區位于水文地質單元南部，處于單元地下水的徑流排泄區。Ⅱ#礦體賦存于礁灰巖頂部白云巖帶中，大部分礦體埋藏在最低排泄基準面以下，礁灰巖含水體巖溶發育，礦坑充水的主要來源有礁灰巖巖溶裂隙水、地下采空區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，頂底板直接進水，以地下河道充水為主,水文地質條件復雜，屬于巖溶充水礦床。

北山礦區采用房柱法采礦，Ⅱ#礦體北部采區位于-250～-230 m中段，采區上部25 m高區域大型溶洞發育，溶洞長30 m，寬20 m，高8 m，設計注漿區域為采區的頂板。

1.2注漿堵水施工技術

根據廣西北山礦區熔巖發育溶洞積水在巷道開挖過程中直接灌入的情況，對巷道上部導水的透滲結構注漿堵水，在溶洞下方采區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。注漿初始壓力3.0 MPa、過程壓力4.5 MPa、最終壓力7.5 MPa。通過理論計算，厚度h=10 m,有效注漿半徑R=5 m，注漿管內徑取80 mm，水與漿液的粘滯系數為0.17，85 h完成注漿，總注漿量5 040 m3。

2數值分析方法

通過FLAC3D軟件[5]，對開采過程中頂底板應力、位移以及破壞區域的變化進行監測，直觀地模擬出巷道在通過大型溶洞時圍巖應力應變的變化，并采用近礦體注漿技術,達到加固和堵水的效果。

2.1幾何模型與網格劃分

在北山礦區Ⅱ#礦體北部埋深-350～-100 m的400 m×250 m×240 m區域，-250～-230 m中段，采用房柱法開挖。在采區上盤頂板處探測出有大型溶洞發育，溶洞積水直接從頂板灌入礦坑，巷道在此中段的開挖和采掘受到嚴重影響。

該區域地層自上而下為灰巖、白云巖、生物礁破碎帶、泥質灰巖、礦層、白云巖、灰巖，傾角為30°。針對該工程地質問題，用FLAC3D軟件建模，模型風格劃分如1所示。

圖1　模型網格劃分

2.2力學模型與參數選取

通過室內試驗獲得巖體力學參數，在真實條件下，采區圍巖賦存大量節理裂隙，需要對實驗室得到的參數進行折減。根據FLAC有限差分軟件中的折減方式及現場實際圍巖狀況，對地層力學參數作出以下折減：彈性模量為原先的60%，粘聚力為10%，內摩擦角為85%。

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

表1　修正后的地層物理力學參數

考慮上部大型溶洞中的巖溶積水對泥質灰巖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，通過滲流模式的開啟實現地下水對封堵的作用。地層孔隙率和滲透系數如表2所示。

表2　地層滲透參數

2.3開采過程的模擬

對采礦過程頂板上方大型溶洞注漿帷幕進行了模擬。根據采礦活動的進程，每30 m為一步，總共開挖15步，每一步都對最大主應力進行監測。

3頂板注漿堵水能力分析

3.1 頂板注漿的最大主應力

注漿頂板最大應力出現在溶洞正下方采區頂層左側水平巷道上部，監測最大應力沿走向變化如圖2所示。未注漿時最大應力為27.8 MPa，注漿時最大應力為26.9 MPa。由于礦柱承擔上部的壓力，礦房頂板出現了一定程度的應力釋放，因此出現了應力起伏分布的現象。由于注漿頂板整體承壓能力提高，整個注漿體均衡地承擔起了圍巖應力，應力變化比未注漿時更加平穩，一定程度上減輕了由于溶洞引起的圍巖高應力給采掘活動帶來的影響。

圖2　注漿頂板最大主應力沿走向變化

應力沿傾向變化規律見圖3。以溶洞中心下方最大應力出現的礦柱上頂板應力為例，在傾向方向上，由于兩條水平運輸巷道的存在，造成注漿體監測點應力變化出現了兩個起伏，最大應力出現上1#巷道上部，未注漿時應力值27.8 MPa，大于注漿時的應力值26.9 MPa，注漿體應力變化波動小于未注漿的天然頂板。

圖3　注漿頂板最大主應力沿傾向變化

3.2最大破壞深度

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

若不進行注漿處理，隨著采礦進行，頂板破壞深度達到10 m，與上層導水通道連接，上部溶洞積水直接灌入采區；注漿處理后，頂層采場開挖破壞深度為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結語

利用FLAC3D有限差分數值模擬軟件對巖溶礦區的采礦行為進行模擬，得出了頂板存在大型溶洞條件下采礦活動過程中圍巖應力的變化情況，并與未受到溶洞影響的情況對比，發現

圖4　頂板破壞深度變化

在采區頂板會形成高應力區域；同時隨著采礦活動的進展，采區頂板由于采礦擾動形成的松動區域與溶洞周圍松散區域很大可能發生連通，溶洞積水有從頂板的裂隙中直接灌入礦床的危險，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，保證了采礦的順利進行。

參考文獻

[1]辛小毛,王亮.大水金屬礦山防治水綜合技術方法的研究[J].礦業研究與開發,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用[J].中國礦山工程,2010(6):18-20.

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

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

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

(收稿日期2015-10-15)

張鑫(1990—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區學院路30號。

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