地下透渗结构顶板注浆堵水能力分析

2016-06-02谭卓英管学铭

现代矿业 2016年1期

关键词：导水采区溶洞

张　鑫　谭卓英　贾　骅　管学铭

(北京科技大学土木与环境工程学院)

地下透渗结构顶板注浆堵水能力分析

张鑫谭卓英贾骅管学铭

(北京科技大学土木与环境工程学院)

摘要地下导水通道、溶洞破碎带等结构称为地下透渗结构。随着地下工程项目的增多，地下工程灾害的防治变得尤为重要。岩溶地区地下导水通道复杂、溶洞发育，加之受不规范开采影响，围岩裂隙多，严重影响矿山的正常开采。以广西省环江县北山铅锌硫铁矿为工程背景，对溶矿区地下透渗结构顶板注浆加固堵水能力进行了分析。

关键词岩溶矿区数值模拟渗透结构注浆堵水

随着经济的快速发展和施工技术的提高，我国地下工程项目越来越多[1-2]。矿山、隧道、地铁等大型地下工程项目的不断发展，给社会带来了经济效益的同时，也诱发了各类地质灾害，其中地下水问题尤为突出。近年来矿山开采深度逐年增加，地下水压力[3]不断加大，对矿山深部工程环境和安全施工造成了极大的威胁。

1工程背景

1.1工程概况

矿区位于水文地质单元南部，处于单元地下水的径流排泄区。Ⅱ#矿体赋存于礁灰岩顶部白云岩带中，大部分矿体埋藏在最低排泄基准面以下，礁灰岩含水体岩溶发育，矿坑充水的主要来源有礁灰岩岩溶裂隙水、地下采空区积水或降雨的自然垂直渗入及地表水的回灌。平水期(9月至次年3月)矿坑涌水量12 000 m3/d，洪水期最大矿坑涌水量140 000 m3/d。Ⅱ#矿带以溶洞充水为主，顶底板直接进水，以地下河道充水为主,水文地质条件复杂，属于岩溶充水矿床。

北山矿区采用房柱法采矿，Ⅱ#矿体北部采区位于-250～-230 m中段，采区上部25 m高区域大型溶洞发育，溶洞长30 m，宽20 m，高8 m，设计注浆区域为采区的顶板。

1.2注浆堵水施工技术

根据广西北山矿区熔岩发育溶洞积水在巷道开挖过程中直接灌入的情况，对巷道上部导水的透渗结构注浆堵水，在溶洞下方采区顶板采用群孔自下向上注浆[3-4]，范围为60 m×42 m。以普通单液水泥浆为主、水泥水玻璃双液浆为辅的注浆材料，普通单液水泥按照水灰比0.6:1，1:1，1.5:1浓度配比，水玻璃泥浆按水玻璃与水泥1:1 配比。注浆初始压力3.0 MPa、过程压力4.5 MPa、最终压力7.5 MPa。通过理论计算，厚度h=10 m,有效注浆半径R=5 m，注浆管内径取80 mm，水与浆液的粘滞系数为0.17，85 h完成注浆，总注浆量5 040 m3。

2数值分析方法

通过FLAC3D软件[5]，对开采过程中顶底板应力、位移以及破坏区域的变化进行监测，直观地模拟出巷道在通过大型溶洞时围岩应力应变的变化，并采用近矿体注浆技术,达到加固和堵水的效果。

2.1几何模型与网格划分

在北山矿区Ⅱ#矿体北部埋深-350～-100 m的400 m×250 m×240 m区域，-250～-230 m中段，采用房柱法开挖。在采区上盘顶板处探测出有大型溶洞发育，溶洞积水直接从顶板灌入矿坑，巷道在此中段的开挖和采掘受到严重影响。

该区域地层自上而下为灰岩、白云岩、生物礁破碎带、泥质灰岩、矿层、白云岩、灰岩，倾角为30°。针对该工程地质问题，用FLAC3D软件建模，模型风格划分如1所示。

图1　模型网格划分

2.2力学模型与参数选取

通过室内试验获得岩体力学参数，在真实条件下，采区围岩赋存大量节理裂隙，需要对实验室得到的参数进行折减。根据FLAC有限差分软件中的折减方式及现场实际围岩状况，对地层力学参数作出以下折减：弹性模量为原先的60%，粘聚力为10%，内摩擦角为85%。

注浆后围岩的裂隙和破碎节理被注浆体填充，地层岩体强度得到了加固，本文中也进行了修正：弹性模量比原来提高50%～100%，粘聚力提高200%～300%，内摩擦角提高50%～70%，泊松比小于0．25。修正后的参数如表1所示。

表1　修正后的地层物理力学参数

考虑上部大型溶洞中的岩溶积水对泥质灰岩和注浆体形成的顶板影响，在模拟中考虑了地下水的作用。在FLAC3D软件中，通过渗流模式的开启实现地下水对封堵的作用。地层孔隙率和渗透系数如表2所示。

表2　地层渗透参数

2.3开采过程的模拟

对采矿过程顶板上方大型溶洞注浆帷幕进行了模拟。根据采矿活动的进程，每30 m为一步，总共开挖15步，每一步都对最大主应力进行监测。

3顶板注浆堵水能力分析

3.1 顶板注浆的最大主应力

注浆顶板最大应力出现在溶洞正下方采区顶层左侧水平巷道上部，监测最大应力沿走向变化如图2所示。未注浆时最大应力为27.8 MPa，注浆时最大应力为26.9 MPa。由于矿柱承担上部的压力，矿房顶板出现了一定程度的应力释放，因此出现了应力起伏分布的现象。由于注浆顶板整体承压能力提高，整个注浆体均衡地承担起了围岩应力，应力变化比未注浆时更加平稳，一定程度上减轻了由于溶洞引起的围岩高应力给采掘活动带来的影响。