强水力联系下注浆堵水技术研究

强水力联系下注浆堵水技术研究

崔军舰

（河南能源化工集团新疆投资控股有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026）

摘要：本文分析了库车河河水渗透补给采空区力学机理，利用流体力学相关理论分析注浆钻孔浆液在岩体中渗透规律，建立浆液渗流模型，为水力通道注浆封堵及采空区水害防治提供依据。采用地面注浆钻孔封堵河流、采空区强水力通道和钻孔疏放相结合的综合治理技术治理采空区水害，并通过地面瞬变电磁探测验证采空区积水疏放、水力通道注浆封堵效果。现场开展井下采空区积水疏放治理工程、采空区积水补给水源水力通道注浆封堵工程，疏放采空区积水，验证证明采空区补给水源已被切断，采空区不再具有稳定的补给水源，地表钻孔注浆封堵水力通道效果显著，达到了封堵河流与采空区之间强水力通道目的。

关键词：注浆堵水；瞬变电磁探测；渗流模型；钻孔

中图分类号：TD823文献标识码：A

0  引  言

注浆堵水技术是矿井水灾害治理的重要手段，由于岩体具有结构多样、各向异性、水文地质条件差异性大等特点，对于矿井水害注浆治理提出了严峻挑战[1]。我国在注浆堵水方法的相关分类并没有一个相对统一的规范和标准。一般来说，均是根据相应的工程地质、水文地质条件极其岩体的渗透性能来划分的，分为渗透注浆、劈裂方法注浆、充填式注浆、高压旋喷式注浆等[2]。

最近二十年，我们国家在注浆材料及其技术应用领域已经取得了相当大的跨越进步。已经从当初的堤坝延伸至隧道、隧洞、路基、桥涵等相关的工程。如在隧道施工期间的预加固注浆等，特别是在京九线上的隧道工程中处理特大的突、涌水含水层时，注浆堵水加固得到充分发挥[3-5]。我们国家的注浆堵水的研究及工艺技术已历经数十年的高速发展，在诸多方面均取得了很大的进步，特别是在注浆的工艺、设计及其施工技术等方面都积累了大量的经验，部分技术已经达到世界发达国家水平[6]。

1 龟兹矿水文地质概况

井田位于库车河西岸，矿井东界为库车河，为常年性地表水体，北界为墩阔坦乡煤矿。该含水层受冲沟及库车河侧向补给条件良好，受大气降水补给条件良好，局部地段具承压性，往往含包气带水和上层滞水。本区地下水以大气降水、地表水补给为主。区域内植被不发育，只有库车河河漫滩内长有植被，基岩裸露，风化作用强烈。岩石风化后颗粒间的联接被削弱，岩石内部的孔隙和裂隙增大，风化裂隙普遍发育，基岩中的构造裂隙在局部发育。地表第四系多以砂砾石为主，这些均为地下水的富存和运移提供了空间和通道。河流水、大气降水为地下水的补给源，补给方式以下渗为主。

根据井田水文地质特征，结合以上物探、钻探及化探综合手段分析，采空区积水主要由库车河通过松散砂砾层及粗砂岩含水层风化露头区裂隙通道进行渗流补给。

2 注浆浆液渗流模型

岩体的水力特征由两部分组成，一是岩块中的孔隙，二是岩块之间的裂隙，这种裂隙网络系统非常复杂[7-9]。渗流模型的建立，依据岩层的结构与渗透性特征，明确关于岩体渗透性的基本假设，最后分别建立无压渗流和承压渗流两个阶段渗流模型。

2.1 无压渗流

在注浆的初始阶段，如果裂隙带未充满浆液，而且裂隙空间形成的速度大于注浆流量时，这个阶段注浆压力为零，甚至出现负压，这已为以往的注浆工程实践所证明[10]。

一般说来，裂隙的上、下位岩体中总含有一定的水份，但处于非饱和状态，即其中的含水介质孔隙或裂隙没有完全被水充满，这时的岩层含水率可视为初始含水率，用表示。浆液到达裂隙空间后，浆液会慢慢入渗到岩体中去，使岩体的含水率随时间的延长而增加，到达饱和时的含水率用表示。研究表明，在非饱和带中的渗透系数K和含水率具有一定的函数关系，这可用实验的方法测定。

根据渗流的连续方程，可以导出以含水率为变量的非饱和带水分运移的基本微分方程：

（1）

其中：称为水力扩散系数；

为毛管压头；为渗透系数；含水率。

在该阶段浆液的运移可以简化为垂向一维入渗问题。由于上、下岩体中总有一层为隔水边界。该阶段分两个过程，①浆液未充满时无压下渗，模型如图1；②浆液接触到上部岩体后较小压力下的上渗，模型如图2。

图1  无压渗流阶段下渗过程模型

图2  较小压力下上渗过程模型

（1）无压下渗过程

初始条件：假设入渗前岩体具有平均的同一含水率，即：

θ(Z，0)=θ0，z≥0       （2）

边界条件：靠近裂隙的岩体入渗之初，入渗速度相当大，如果供水充分，短时间内即可达到饱和。

上部边界：θ(0，t)= θs   t≥0

如果隔水层与裂隙距离较近，水分可到达隔水层，这种情况下，θ(L，t)= θ(t)，（θ是时间t的函数，最终在某一时刻达到θs）

    如果隔水层距裂隙距离较远，可认为水份一直达不到隔水层，这种情况下，θ(L，t)=θ0

①隔水层距裂隙较近的渗流模型为

                     （2）

这种情况，由于下部隔水层边界条件难以准确确定，很难得出具体的解析解，但可以估计，由于裂隙距隔水层较近，岩体会在很短时间内达到饱和状态，从而进入第二渗流阶段。

②隔水层距裂隙较远时的渗流模型为：

  （3）

    对于上面的问题，如果以平均值D*代替D(θ)

    以代替则可求得其解析解，

（4）

其中：erfc(x)为余误差函数；、为初始含水率和饱和含水率。根据D*和K就可计算出距裂隙不同位置的岩体在不同时刻的含水率，从而计算出达到饱和含水率所需的时间。

（2）较小压力上渗过程

浆液接触到上位岩体后，开始进入以上渗为主的过程，这时下渗仍在进行，但下部岩体因己吸取了一定的水，逐渐向饱和状态趋近，这个过程与下渗过程类似，区别是它是在一较小压力P的作用下进行的，此时。

2.2承压渗流

当导水通道孔隙裂隙的上下位岩体达到饱和后，浆液分便会向两侧的岩体扩散，随着继续注浆，注浆进入有压阶段，浆液在注浆压力的作用下不断地向上向下补给到岩体中，使之在以后的一段时间内一直处于饱和状态，浆液不断地向四周运移。

该阶段为承压渗流阶段，为计算方便，简化为如下模型，如图3，模型为轴对称问题，可由以下方程求解：

（5）

其中：H为水头压力；H0为两侧非饱和带初始压头；H1为饱和带压头；*为贮水系数；T为导水系数；R为饱和带半径；r为渗流半径。

    由上述问题的解可推得流量的表达式：

  （6）

其中：；

J0(x)为第一类零阶贝塞尔函数：

   （7）

Y0(x)为第二类零阶贝塞尔函数：

（8）

（c为欧拉常数，一般取0.5772）

根据含水层岩石参数和T可计算出不同时刻的值，查G()数值表可算出不同时刻的流量。

图3 承压渗流阶段模型

Fig.3  Model of artesian seepage stage

综上所述，浆液在岩体中的渗流是一个较为复杂的过程，它和覆岩的岩性、含水率、距隔水层厚度、注浆压力等多种因素相关。一般来说，如果导水通道破碎岩层较薄，则上下岩体会很快达到饱和，从而进入第二渗流阶段，这种情况以第二阶段的渗流为主。如果煤层顶板岩层整体破碎，而且岩体含水率不高，则第一阶段的渗流会持续较长的时间，当然，两个阶段并不是截然分开的它们常常是互相交叉或同时进行，只不过是在不同时期以某个阶段为主而已。

3注浆堵水方案设计及施工

3.1 注浆堵水方案设计

通过调研结果及物探测线视电阻率断面分析，水力通道位于墩阔坦煤矿西井主斜井下方的水仓位置附近的A5辅助煤层顶板中，对应地表位于库车河西岸，217国道旁5#线杆附近。钻场应布置在老空区出水点上方，但要和217国道保持一定距离（距离不小于10m），距附近的电线杆基础不得小于5m。钻场取水、供电、防冻等工作便于开展。

本次注浆钻场位置设计混凝土基础施工钻场，混凝土基础长5m，宽4m，平面呈矩形，东北边距地面1#导线点垂直距离为6m，西北边距1#导线点和2#导线点连线垂直距离为0.75m。

本次注浆钻孔按单排孔布置，开孔位置均位于混凝土基础上。设计布置钻孔10个，终孔位置间距4.5m～10m，孔深20.3m～35.5m，孔口管长度为地表之上0.2m至下伏基岩以下1m的深度。钻孔终孔位置为进入A5辅助煤层1m。本次注浆预估水泥用量15t，水玻璃1t，孔口管156m，石子10t，大豆1t，砂子5t。参数见表1。

表1 注浆钻孔设计参数表

注第四系冲洪积层段采用分段循环注浆法，具体方法是使用φ133mm钻头开孔，钻孔出现不返水的现象时，要立即停止钻进，提钻并准确丈量钻杆余尺；查看钻杆和钻头是否有堵塞现象，如果钻杆和钻头均未堵塞，则不返水原因为钻孔漏水，对孔壁周围沙土、破碎岩石、卵石层等进行注浆加固。孔壁加固后，钻孔开始返水，继续实施钻进，加固孔壁过程中施工循环顺序为钻进－注浆加固（钻孔返水）－钻进，钻孔钻进至10.5m进行最后一次注浆加固孔壁。钻孔最后一次孔壁加固结束后使用φ113mm钻头进行扫孔，扫孔深度为10.5m，然后下设φ108孔口管；孔口管下设长度为10m。孔口管下设完毕后，进行注浆作业，使用注浆泵向钻孔内注入水泥浆液，直至压力达到2MPa且维持时间不少于3分钟后，方可停止注浆，注浆结束8小时后水泥已凝固，使用φ75mm钻头进行扫孔，扫孔后使用清水对钻孔进行耐压试验，试验压力控制为2MPa，如果试验压力维持2MPa持续30分钟，则孔口管下设质量满足要求。

孔口管下设完毕后，进行注浆作业，使用注浆泵向钻孔内注入水泥浆液，直待压力达到3MPa且维持时间不少于3分钟后，方可停止注浆。第一次注浆结束8h后水泥已凝固，进行第二次注浆直至孔壁周围岩石裂隙充满水泥浆。注浆结束待凝固

16h后，使用清水对钻孔进行耐压试验，试验压力控制为3MPa，如果试验压力维持3MPa持续30min，则该孔注浆工作结束。

施工使用的钻机型号为ZDY1900S，主要由液压泵站、操作台、机架、钻具等组成，该钻机配套使用φ63.5mm钻杆，可使用φ133mm、φ175mm钻头施工钻孔，施工钻孔深度可达200m。注浆机型号为3NB-150/7-7.5型往复式泥浆泵。

3.2注浆堵水方案施工

通按照注浆设计及实际注浆效果，本次水力通道注浆堵水1#注浆钻场共施工8个钻孔，分别为ZK1-ZK8，其中，1#、6#、7#钻孔均揭露了目的层，该层砂岩较破碎，透水性强，与施工前的调查情况一致，各钻孔施工具体参数及注浆情况见表2。

表2  1#注浆钻床钻孔施工参数及注浆情况

4 注浆堵水效果评价

4.1 地球物理勘探评价

以通过地面布置瞬变电磁法测线开展地球物理勘探，探测原采空积水区经过井下疏放水、导水通道注浆封堵后积水情况，评价注浆堵水及疏放水治理采空区效果。

由于前期地球物理勘探圈定的积水区范围主要集中在1-5号测线探测范围，且导水通道位于5号测线东部，本次物探验证疏放水及注浆堵水效果设计按照原勘探测线布置，探测范围为1-5号测线，6号、7号测线原探测为无积水采空区，此次验证探测不布置测点探测。

同样，在视电阻率断面图上，横坐标表示测点距测线零点的距离，纵向坐标为深度，A5辅助煤层埋深示意位置均采用灰色实线标示。

从图7可以看出，3号测线老采空区整体上呈高阻特性，采空区积水已完成疏放。

图7  3线注浆前后视电阻率断面图对比

注浆堵水治理后5线的视电阻率较注浆前整体上有很大的提高，A5辅助煤层采空区整体上呈高视电阻率，表明原有的积水已基本被疏放完毕；此外采空区东段导水通道视电阻率既不呈高阻异常也不呈低阻异常，而是呈中值特征，推断该处采空区已被浆液填充。采空区东侧与库车河之间原有的低阻异常业已消失而转化为中值视电阻率，推断导水通道已被浆液充填。

前后两次物探结果的对比表明A5辅助煤层采空区与库车河之间的水力联系已被切断，采空区的积水基本被疏放完毕，此次治理取得了较为理想的效果。

4.2疏放水结果评价

前期井下疏放水期间，由于老空积水去与地表库车河之间存在强力水力联系，井下疏放水效果较差，采空区积水迟迟未能疏干。地表施工注浆钻孔封堵水力通道后，井下疏放水钻孔持续疏放水。

3个疏放水钻孔单位时间放水量与疏放时间关系。可以看出，ZK9号钻孔终孔所在采空区位置标高约为1742m，该钻孔于2016年2月19日以后单位时间疏放量为0，此后采空区水位低于该标高；ZK4号钻孔终孔所在采空区位置标高约为1724m，于2016年3月24日单位时间放水量为0或接近0，采空区积水基本疏干。

各疏放水钻孔单位时间疏放量到0后，随后几天钻孔疏放量无反弹，说明采空区补给水源已被切断，采空区不再具有稳定的补给水源，地表钻孔注浆封堵水力通道效果显著，达到了封堵河流与采空区之间强水力通道目的。

5  结论

（1）分析了钻孔注浆浆液在岩层孔隙、裂隙中渗流力学原理，建立浆液渗流模型；针对冻土地层及低温环境特点优化注浆方案，克服了第四系冲洪积层注浆固结困难、冬季施工混凝土凝固速度慢等不利因素，提高了注浆施工效率。

（2）采用地面注浆钻孔封堵河流、采空区强水力通道和钻孔疏放相结合的综合治理技术治理采空区水害，并利用瞬变电磁勘探、钻孔验证等手段综合评价了采空区水害综合治理效果，证明采空区水害综合治理效果良好，消除了强水力联系不明采空区水害隐患，形成了强水力联系采空区水害综合治理技术。

参考文献：

[1]关俊红.煤矿巷道复合注浆堵水技术的应用[J].煤,2020,29(05):43-4

[2]史博研,赵俊雅.聚氨酯注浆堵水材料制备试验研究[J].建筑安全,2020,35(05):78-80.

[3]张帅.深埋隧道溶蚀富水段落综合堵水施工技术[J].交通世界,2020(11):130-132+135.

作者简介：崔军舰（1980-）,男，河南开封人，学士，工程师，从事矿井地测防治水技术研究及管.E-mail: cjj431@163.com