复合强富水含水层帷幕薄弱带识别方法与靶向加固技术

2022-04-20石志远

煤炭工程 2022年4期

石志远

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077；2.陕西省煤矿水害防治重点实验室，陕西西安 710077)

煤矿水害是严重制约煤炭工业可持续发展，造成重大经济损失和人员伤亡的原因之一[1]。针对水害威胁传统疏干开采方法不可避免会造成水资源的浪费与污染，目前帷幕注浆方法是治理顶底板水害的有效手段之一[2，3]。我国帷幕技术起步于20世纪50年代，经过60多年的工程实践，矿山帷幕技术在帷幕建造[4-6]、浆液运移[7]以及帷幕效果检验与评价[8，9]等方面形成了一系列研究成果。但由于地质及水文地质条件的复杂性，帷幕在建设过程中极易产生薄弱带[10]，薄弱带的存在使帷幕外的水流通过其内的过水通道持续流入帷幕内，使帷幕内外产生水力联系，严重影响帷幕截流效果，为解决这一问题，必须对帷幕薄弱带进行识别并加固。众多学者对矿山帷幕薄弱带形成因素及治理方法进行了研究。孙子正[11]从地质角度分析了帷幕薄弱带的发育模式和主控因素，指出地下水侵蚀与冲刷作用是帷幕薄弱带形成的主要因素。韩伟伟等[12]结合张马屯铁矿帷幕井下堵漏工程，通过水文地质分析、放水试验、连通试验等手段提出了一种帷幕薄弱带综合分析方法。钻孔电磁波透视及高密度电法等物探手段也被越来越多的应用在帷幕薄弱带的监测上[13，14]。但以上研究对于巨厚、复杂介质、强富水含水层条件下的帷幕薄弱带识别未进行深入研究。

在帷幕注浆治理方面，王碧清等[15]分析了张家峁煤矿4-2煤烧变岩水文地质特征，得出了火烧区完整烧变岩断面上帷幕注浆应采用分区注浆技术。郭炎伟[16]认为在采取岩体劈裂注浆时，通过其扩散、挤密、充填等作用，增强被注介质的整体强度和防渗能力。针对有老空水补给的顶板出水，张东营[17]通过水位、水质、水温等因素快速判别出水水源和导水通道，再利用帷幕注浆技术切断顶板水补给通道。以上帷幕注浆研究，大部分采用井下注浆方法，鲜有研究利用帷幕薄弱带径流地面注浆靶向加固的技术方法。本文针对复合强富水含水层帷幕薄弱带形成机理，提出准确识别薄弱带的方法并利用地下水径流针对性地加固薄弱带，在朱仙庄煤矿开展工程实践，形成靶向快速加固治理技术，降低注浆盲目性，节约成本，进一步为矿山帷幕薄弱带提供安全高效的治理技术。

1 帷幕薄弱带发育分析与识别方法

1.1 薄弱带发育原因分析

帷幕薄弱带的存在受多重因素共同影响，分析不同因素对帷幕薄弱带发育的影响是帷幕注浆工程成功的关键[10，18]。基于研究区水文地质条件，根据理论分析与工程实践，帷幕薄弱带产生的主要原因有以下几点：

1)含水层介质的各向异性。一般而言岩溶裂隙发育区帷幕注浆效果差，这是因为由于岩溶裂隙赋水具有不均一性及各向异性，岩体导水性主要由宽大裂隙控制，造成浆液扩散范围不均一，无法确保钻孔注浆范围内的岩溶通道被全面覆盖。

2)高速动水条件。在帷幕合龙区或地下水强径流带上，随着过水断面变小，地下水流速逐渐变快，在高速水流作用下浆液沿径流方向扩散较多，空隙填充加固不充分，易产生薄弱带。

3)地下水冲击或侵蚀作用。帷幕建成后对地下水径流通道封堵作用显著，但位于地下水径流带上的帷幕段不断受水流的冲刷，对混凝土的侵蚀作用不断增强，易形成薄弱带，随着帷幕内空隙的联通薄弱带不断扩大。

4)构造条件。大型帷幕跨度较大，建造过程中不可避免会遇到断层、褶皱等构造，部分区域岩性及富水性较设计有较大差距，此时若没有采取对应的措施，注浆效果将受到严重的影响，帷幕会在构造发育区产生薄弱带。但构造位置可以通过前期钻探物探手段进行圈定，在帷幕建造过程中有针对性的进行治理。

1.2 薄弱带识别方法

按照帷幕建造阶段划分，帷幕薄弱带的识别方法可分为设计阶段识别、建造阶段识别及建成阶段识别。

1)设计阶段识别。通过分析帷幕建造前矿井物探、钻探资料，通过物探异常区分布图和初始流场分析富水区和强径流带位置。钻探取心通过对比帷幕各部位岩心孔隙发育情况，是最直接判断帷幕薄弱带的方法，但大型帷幕规模较大，各部位进行取心工程量较大，成本高而且会影响帷幕的截流质量。地球物理探查方法受限于精度以及其多解性，不能识别出帷幕薄弱带的精确位置，对指导薄弱带加固治理具有一定的局限。设计阶段一般难以准确圈定薄弱带范围，主要通过建造阶段和建成阶段进行识别。

2)建造阶段识别。帷幕建造过程中不同区域钻孔的钻井液消耗及注浆量情况具有明显的差异性。钻井液漏失严重、注浆量大的区段可能存在治理薄弱区。根据钻孔取心、压水试验情况，分析空隙充填率，帷幕透水率。空隙充填率低、透水率大的区段也可能存在薄弱区。

3)建成阶段识别。帷幕建成后可在帷幕内进行抽(放)水试验，是水文地质条件复杂区域帷幕建成后检验帷幕截水效果的直接手段。根据帷幕外水位变化，绘制抽水试验地下水流场图，通过分析观测孔与抽(放)水孔之间的区域水力连通状态，能够充分揭示帷幕区域地下水流场对抽放水试验的响应规律[19]，进而识别帷幕薄弱带的分布。帷幕内抽(放)水试验开始后帷幕外水位响应时间短的观测孔同帷幕内存在更为紧密的水力联系。抽(放)水试验流场中帷幕上等水位线稀疏，导水系数高的区段或主径流方向与帷幕相交处为薄弱带，放水试验如图1所示。通过帷幕外压水试验，观察帷幕内观测孔水位动态，水位变化大的区域为薄弱带。

图1 放水试验判断帷幕薄弱带

2 帷幕薄弱带靶向治理技术体系

靶向注浆加固技术是指通过帷幕内疏降排水，在薄弱带上形成人为动水条件，在此基础上在帷幕外进行注浆，浆液在地下水流的携带下滞留在薄弱带裂隙中，对过水通道上的空隙进行再加固，进一步减少过水量，达到更好的截流效果，同时节约注浆材料和时间。

2.1 钻孔布设原则

1)布置在帷幕墙体外。在帷幕墙上施工钻孔会影响已建墙体的稳定性，所以加固钻孔应在帷幕墙体外侧。

2)布置在主径流方向的上游。靶向加固技术利用薄弱带的地下水径流带动水泥浆液，达到加固帷幕、提高截流率的效果，钻孔应布置在主径流方向上游。

3)距帷幕0.5～1倍扩散半径：加固孔采用充填注浆方式对帷幕墙进行补强，结合建造过程中钻孔的注浆效果，加固钻孔距帷幕墙外侧0.5～1倍扩散半径，既能保证充填注浆效果，也不会造成注浆材料的浪费。

4)孔间距及钻孔个数。钻孔间距为注浆扩散半径r的2倍，钻孔个数n由式(1)确定。其中，第一个钻孔与第n个钻孔与薄弱带边界垂直距离为注浆扩散半径r。

n=L/l+2

(1)

式中，L为薄弱带长度，m；l为钻孔间距，m。

2.2 靶向注浆加固技术

1)水压差控制。控制井下放水量，使得帷幕内外水头压力差在合适范围内，水压差太小达不到靶向引流的效果，水压差太大浆液被高速水流携带太远，裂隙中滞留固结效果差，治理时间长，材料用量大。

2)注浆段长。钻孔每延伸10m进行一次注浆，若含水层厚度不足10m则直接钻进至含水层底板进行注浆。

3)浆液类型和配比。采用高浓度的纯水泥浆，浆液比重1.5～1.7，水灰比0.6～1.0。

4)注浆方式。前期采用低流量低比重注浆的方式，注浆过程中密切观测帷幕薄弱带两侧水位和井下放水流量，若帷幕外侧水位回升，内侧长观孔水位下降，井下放水流量减少，说明薄弱带裂隙被逐步封堵，此时适当提高注浆压力，进一步加固薄弱带。

5)注浆终压。根据设计疏干后帷幕承受的水压力确定注浆终压，终压为水压力的1.5～2倍，并持续15～30min即认为注浆结束。

3 工程实例

3.1 矿井概况

朱仙庄煤矿位于安徽省宿州市，位于华北板块东南缘，地势平坦，北高南低。由于多期构造运动叠加的结果，区内东西向大断裂和北北东向大断裂纵横交错，形成了许多近网状的断块构造。

矿井北翼分布一层侏罗系灰岩角砾岩，为地表以下第五个含水层(俗称“五含”)，其产状与煤层大体相同，与太灰、奥灰地层呈不整合接触。顶底板形态基本一致，总体上西高东低，南高北低，平均厚度60～80m。该侏罗系灰岩岩溶发育，静储量大(约1400万m3)，径流条件好，水压高(煤层承压3.5MPa)，动态补给强且其与上覆四含、下伏煤系地层及太奥灰呈角度不整合接触关系，受奥灰含水层补给强度大(补给量2000m3/h)。由于岩溶发育极不均匀，因此不同区段的富水性强弱不等，q=0.29315～4.3777 L/(s·m)，K=0.326～6.842m/d，水化学类型为SO4·Cl-Na·Ca型。

综上所述，在采掘扰动影响下，导水裂隙带一旦波及到侏罗系灰岩含水层，极易形成严重的顶板水害事故。常规治理方法难度极大且极易诱发隐蔽性强的次生水灾事故，因此必须采用帷幕截流方法根治顶板水害[20]。

3.2 注浆帷幕施工

针对研究区侏罗系灰岩含水层深埋大、巨厚和富水性强的特点，根据“顶底有隔、两端封边、全线截流、绕避构造、安全经济”的方针原则，进行帷幕设计与施工。帷幕可分为北线和东线两部分。

钻孔共有4种类型，分别为北线直孔、北线顺层孔、东线浅部顺层孔和东线水平孔。注浆帷幕钻孔布置如图2所示。帷幕自8煤露头以外向北不小于100m，太原组灰岩露头线以内向南不小于40m，长度3.19km；帷幕剖面形状为矩形布设，有效宽度为40m，平均高度约为60～80m。

图2 注浆帷幕钻孔布置

3.3 薄弱带识别与加固

以朱仙庄煤矿侏罗系灰岩含水层帷幕为研究对象，由于该含水层具有天然的各向异性，在帷幕设计阶段，通过物探、钻探与放水试验资料，难以准确圈定帷幕薄弱带的位置。在帷幕建造阶段，北线直孔段发生漏失的次数占工程总漏失次数的34%且漏失量大于20m3/h的次数约占50%。帷幕建成后进行大型放水试验，累计总放水量391万m3，试放水试验第四含水层、第五含水层最大降深等值线如图3所示。由图3可以看出，墙内侏罗系灰岩含水层水位降深明显，等值线最大处和放水后稳定降落漏斗中心基本一致，说明帷幕墙整体截水效果较好，但帷幕北段外仍存在地下水降落漏斗，墙外水位降深等值线与流场漏斗中心基本重合，确定了帷幕北线存在薄弱带，薄弱带长度约80m，造成渗流过水，需要进行补强加固。

图3 试放水试验第四含水层、第五含水层最大降深等值线

为此利用地面直孔对帷幕薄弱带进行注浆加固，工程实践与数值模拟，结果表明帷幕建造过程中浆液在不同压力下稳定后扩散半径平均值10.22m[21]，根据钻孔布设原则在帷幕外侧5～10m布置注浆加固孔，孔间距为20m，由式(1)可得布置钻孔6个(JG1—JG6)。加固钻孔平面位置如图4所示。

图4 靶向加固钻孔布置

钻孔采用三开结构，二开套管底口位于侏罗系灰岩含水层顶界面，注浆裸孔段钻进至侏罗系灰岩含水层底界面以下5～10m，设计注浆终压8MPa。钻孔完成后在井下进行放水疏降，水量设置为350m3/h，使帷幕内外基本保持30m水头差形成动水条件，浆液在水流的带动下有针对性地对薄弱带进行了加固，开始采用比重1.5的纯水泥进行注浆，注浆流量500L/min，当帷幕薄弱段外观测孔水位回升，帷幕墙内测观孔水位下降时，井下放水流量减少至250m3/h，说明薄弱段裂隙逐步被封堵，这时采用比重1.7的纯水泥进行注浆，减少注浆流量至52L/min，进一步加固薄弱段钻孔，直至达到设计终压8MPa，持续30min。各钻孔共注浆14段，27回次，共注水泥5811t，终压均达到8MPa。

随着薄弱带注浆的进行，帷幕外水位逐渐回升3m，帷幕内水位持续下降2.5m，且降速增加，帷幕薄弱带内外侏罗系灰岩含水层水位差达到350m，说明靶向注浆加固效果明显，帷幕截流率提高，验证了薄弱带综合分析的可靠性与靶向加固技术的高效性。目前帷幕内2个8煤工作面已安全回采。