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)

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地下透滲結(jié)構(gòu)頂板注漿堵水能力分析

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)

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)范開采影響，圍巖裂隙多，嚴(yán)重影響礦山的正常開采。以廣西省環(huán)江縣北山鉛鋅硫鐵礦為工程背景，對溶礦區(qū)地下透滲結(jié)構(gòu)頂板注漿加固堵水能力進行了分析。

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)濟的快速發(fā)展和施工技術(shù)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(fā)展，給社會帶來了經(jīng)濟效益的同時，也誘發(fā)了各類地質(zhì)災(zāi)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(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30 m，寬20 m，高8 m，設(shè)計注漿區(qū)域為采區(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挖過程中直接灌入的情況，對巷道上部導(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(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FLAC3D軟件[5]，對開采過程中頂?shù)装鍛?yīng)力、位移以及破壞區(qū)域的變化進行監(jiān)測，直觀地模擬出巷道在通過大型溶洞時圍巖應(yīng)力應(yīng)變的變化，并采用近礦體注漿技術(shù),達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，采用房柱法開挖。在采區(qū)上盤頂板處探測出有大型溶洞發(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°。針對該工程地質(zhì)問題，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

通過室內(nèi)試驗獲得巖體力學(xué)參數(shù)，在真實條件下，采區(qū)圍巖賦存大量節(jié)理裂隙，需要對實驗室得到的參數(shù)進行折減。根據(jù)FLAC有限差分軟件中的折減方式及現(xiàn)場實際圍巖狀況，對地層力學(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(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，通過滲流模式的開啟實現(xiàn)地下水對封堵的作用。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(jù)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(yīng)力進行監(jiān)測。

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)測最大應(yīng)力沿走向變化如圖2所示。未注漿時最大應(yīng)力為27.8 MPa，注漿時最大應(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)力給采掘活動帶來的影響。

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，由于兩條水平運輸巷道的存在，造成注漿體監(jiān)測點應(yīng)力變化出現(xiàn)了兩個起伏，最大應(yīng)力出現(xiàn)上1#巷道上部，未注漿時應(yīng)力值27.8 MPa，大于注漿時的應(yīng)力值26.9 MPa，注漿體應(yīng)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(yīng)力沿傾向變化

3.2最大破壞深度

未注漿時，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，一方面加強了頂板圍巖的強度，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(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(jié)語

利用FLAC3D有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件對巖溶礦區(qū)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(yīng)力的變化情況，并與未受到溶洞影響的情況對比，發(fā)現(xiàn)

圖4　頂板破壞深度變化

在采區(qū)頂板會形成高應(yīng)力區(qū)域；同時隨著采礦活動的進展，采區(qū)頂板由于采礦擾動形成的松動區(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，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行。

參考文獻

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[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].中國礦山工程,2010(6):18-20.

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[5]程正剛,武忠進,姜海軍.掘進工作面預(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)

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

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