基于岩体宏细观特征的大型帷幕注浆保水开采技术及应用.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO F C H I N AC O A LS O C I E l Y V 0 1 ．4 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 移动阅读 董书宁，柳昭星，郑士田，等．基于岩体宏细观特征的大型帷幕注浆保水开采技术及应用[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ， 4 5 3 1 1 3 7 一1 1 4 9 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．1 1 5 6 D O N GS h u n i n g ，L I UZ h a o x i n g ，Z H E N GS h i t i a n ，e ta 1 ．T e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fl a r g ec u r t a i ng r o u t i n gw a t e rc o n - s e r v a t i o nm i n i n gb a s e do nm a c r o s c o p i ca n dm e s o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c so f r o c km a s s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ， 2 0 2 0 ，4 5 3 1 1 3 7 1 1 4 9 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 9 ．1 1 5 6 基于岩体宏细观特征的大型帷幕注浆保水 开采技术及应用 董书宁1 , 2 ，柳昭星1 , 2 , 3 ，郑士田1 , 2 ，王1 , 2 石志远1 ，一，尚宏波1 ”，赵春虎1 , 2 ，郑立才4 1 ．中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安7 1 0 0 5 4 ；2 ．陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西西安7 1 0 0 7 7 ；3 ．西安科技大学地质 与环境学院，陕西西安7 1 0 0 5 4 ；4 ．天津三英精密仪器股份有限公司，天津3 0 0 3 9 9 摘要在地下水径流通道处建造帷幕注浆墙体是矿产资源开发与地下水资源保护的重要平衡手 段，而随着矿产资源开发强度和深度的增大，建造大型帷幕墙体面临钻探成本高、墙体内外水压差 大、墙体截流率低等问题，针对上述问题采用受注介质宏细观特征分析的方法，宏观上研究受注介 质发育特征及水文地质条件，细观上基于显微C T 分析研究受注介质空隙发育特征和几何参数，宏 细观结合综合分析大型帷幕墙体建造科学位置、钻探工艺、注浆材料和适用性配比选取、注浆压力 等问题，并利用放水试验、钻孔取芯、钻屑组分判断等手段对帷幕注浆效果进行分析评价。研究结 果表明对于开度较小的裂隙，须采用纯水泥浆波进行升压注浆充填，对于含有较大空洞岩溶地层， 可在水泥浆液中掺入粉煤灰进行无压充填灌注；水固比为0 ．6 ，0 ．7 ，O ．8 ，0 ．9 的水泥浆液，水固比为 2 ．0 ，1 ．0 ，0 ．8 ，0 ．6 和对应粉煤灰掺量2 0 ％，2 0 ％，2 0 ％，2 0 ％和3 0 ％的水泥一粉煤灰浆液结石体的 物理力学性质均能够满足帷幕墙体建造要求；帷幕墙体建造最小安全厚度为7 ．8 4m ，满足浆液扩 散范围和建造效率的注浆压力为4 6M P a 。经检查孔检验，大空洞充填灌注采取的浆液结石体试 样饱和抗压强度为1 I ．2M P a ，完全满足墙体强度要求；放水试验中，墙体内外水位差7d 达 到1 4 0m 、截流率在8 6 ．5 l ％以上，墙体截流效果显著，达到设计目标和要求。 关键词显微c T 技术；大型注浆帷幕；帷幕墙体选址；注浆参数；注浆效果检验 中图分类号T D 7 1 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 } 0 3 - 1 1 3 7 - 1 3 T e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fl a r g ec u r t a i ng r o u t i n gw a t e rc o n s e r v a t i o n m i n i n gb a s e do nm a c r o s c o p i ca n dm e s o s c o p i cc h a r a c t e r i s t i c so fr o c km a s s D O N GS h u n i n 9 1 ”，L I UZ h a o x i n 9 1 ’2 ⋯，Z H E N GS h i t i a n ‘”，W A N GH a 0 1 ”，S H IZ h i y u a n l ”， S H A N GH o n g b 0 1 ”，Z H A OC h u n h u l ”，Z H E N GL i c a i 4 1 ．X i ’t i nR e s e a r c hI n s t i t u t e ，C h i n aC o a lT e c h n o l o g ya n dE n g i n e e r i n gG r o u p ，X i ’帆7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ；2 ．S h a a n x iK e yL a b o r a t o r y ∥P r e v e n t i o na n dC o n t r o l T e c h n o l o g y f o rC o a lM i n eW a t e rH a z a r d ，X i ’a n7 1 0 0 7 7 ，C h i n a ；3 ．C o l l e g eo f G e o l o g ya n dE n v i r o n m e n t ，X i ’M ．U n i v e 枷yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，X i ’∞ 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a ；4 ．S a 咖n gP r e c i s i o nI n s t r u m e n t sC o ．L i d ．，r ／嘶／n3 0 0 3 9 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o n s t r u c t i o no fc u r t a i ng r o u t i n gw a l la tt h eg r o u n d w a t e rr u n o f fc h a n n e li sa ni m p o r t a n tb a l a n c em e a n s b e t w e e nt h ed e v e l o p m e n to fm i n e r a lr e s o u r c e sa n dt h ep r o t e c t i o no fg r o u n d w a t e rr e s o u r c e s ．W i t ht h ei n c r e a s eo fi n t e n - s i t ya n dd e p t ho fm i n i n go p e r a t i o n s ，t h ec o n s t r u c t i o no fl a r g e - s c a l ec u r t a i nw a l lf a c e st h ep r o b l e m so fh i s hd r i l l i n gc o s t ， 收稿日期2 0 1 9 - 0 8 2 0修回日期2 0 2 0 0 2 1 6责任编辑韩晋平 基金项目天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项目 2 0 1 8 - T D - M S 0 7 0 ；国家自然科学基金青年基金资助项目 4 1 9 0 7 2 6 4 ；陕 西省自然科学基础研究发展计划资助项目 2 0 1 9 J Q 0 0 9 作者简介董书宁 1 9 6 l 一 ，男，陕西蓝田人，研究员，博士生导师。E m a i l d o n g s h u n i n g c c t e g x i a n ．e o m 通讯作者柳昭星 1 9 8 8 一 ，男，山东肥城人，博士研究生，助理研究员。T e l 0 2 9 - 8 5 5 7 6 7 3 0 ，E m a i l l i u z h a o x i n g c c t e g x i a n ．C O l l f l 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 l a r g ew a t e rp r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n s i d ea n do u t s i d eo ft h ew a l l ．a n dl o wc l o s u r er a t eo ft h ew a l l ．I f l v i e wo t t h ea b o v ep r o b l e m s ，t h ea u t h o r sa d o p tt h em e t h o do fm a c r oa n dm i c r oc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so nt h ei n j e c t e dm e d i u m m a c r o s c o p i c a l l ys t u d yt h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h ei n j e c t e dm e d i a ，a n dm i c r o - s c o p i c a l l ys t u d yt h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ei n j e c t e dm e d i ab a s e do nt h ea n a l y s i s o fm i c r oC T ，c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z et h es c i e n t i f i cl o c a t i o no fl a r g ec u r t a i nw a l l ，d r i l l i n gt e c h n o l o g y ，g r o u t i n gm a t e r i a l s a n dt h es e l e c t i o no fa p p l i c a b i l i t yr a t i o ，g r o u t i n gp r e s s u r ea n do t h e ri s s u e sb yc o m b i n i n gm a c r o s c o p i c a la n dm i c r o s c o p i - c a la n a l y s i s ，a n dm a k eu s eo fw a t e rd r a i n a g et e s t ，d r i l l i n gc o r e ，d r i l l i n gc u t t i n g sc o m p o n e n t st oa n a l y z ea n de v a l u a t et h e c u r t a i ng r o u t i n ge f f e c t ．T h er e s u l t ss h o wt h a tf o rt h ec r a c k sw i t hs m a l lo p e n i n g ，p u r ew a t e rs l u r r ys h o u l db eu s e df o r p r e s s u r eg r o u t i n gf i l l i n g ，a n df o rt h ek a r s ts t r a t u mw i t hl a r g ec a v i t i e s ，f l ya s hc a nb ea d d e di n t ot h ec e m e n ts l u r r yf o r n o n p r e s s u r ef i l l i n g ．F o rt h ec e m e n ts l u r r yw i t hw a t e r s o l i dr a t i oo f0 ．6 ，0 ．7 ，0 ．8a n d0 ．9 ，t h ec e m e n ts l u r r yw i t hw a t e r - s o l i dr a t i oo f2 ．0 ，1 ．0 ，0 ．8a n d0 ．6a n dt h ec e m e n tw i t hc o r r e s p o n d i n gf l ya s hc o n t e n to f2 0 ％，2 0 ％，2 0 ％，2 0 ％ a n d3 0 ％，t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef l ya s hs l u r r ys t o n ec a nm e e tt h ec o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t so f t h ec u r t a i nw a l l ．T h em i n i m u ms a f et h i c k n e s so ft h ec u r t a i nw a l li s7 ．8 4m ，a n dt h eg r o u t i n gp r e s s u r et om e e tt h es l u r - r yd i f f u s i o nr a n g ea n dc o n s t r u c t i o ne f f i c i e n c yi s4 - 6M P a ．A c c o r d i n gt ot h ei n s p e c t i o no ft h ei n s p e c t i o nh o l e ，t h es a t u r a t e dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h es l u r r ys t o n es a m p l et a k e nf o rt h ef i l l i n ga n dp o u r i n go ft h el a r g ec a v i t yi s11 ．2M P a ， w h i c hf u l l ym e e t st h es t r e n g t hr e q u i r e m e n t so ft h ew a l l ．I nt h ew a t e rd i s c h a r g et e s t ，t h ew a t e rl e v e ld i f f e r e n c eb e t w e e n t h ei n s i d ea n do u t s i d eo ft h ew a l lr e a c h e s14 0mi n7d a y s ，a n dt h ec l o s u r er a t ei so v e r8 6 ．51 ％．T h ec l o s u r ee f f e c to f t h ew a l li s s i g n i f i c a n t ，w h i c hm e e t st h ed e s i g no b j e c t i v e sa n dr e q u i r e m e n t s ． K e yw o r d s m i c r o s c o p i cC Tt e c h n o l o g y ；l a r g eg r o u t i n gc u r t a i n ；c u r t a i nw a l ll o c a t i o n ；g r o u t i n gp a r a m e t e r s ；g r o u t i n g P f f e c tt e s t 矿山帷幕注浆是在地下水径流通道处通过注浆 形成一定尺寸和范围的帷幕墙体，人为改变水文地质 条件和进水边界，实现对地下水的拦截或封堵，从而 达到矿产资源安全回采和含水层水资源保护的双重 目的。3J 。在我国，自2 0 世纪6 0 年代青山泉煤矿建 造了第1 条矿区截流帷幕，经过多年发展，帷幕截流 技术广泛应用于矿区水资源保护和矿产资源回采问 题HJ ，如在大红山铁矿、水口山铅锌矿、冬瓜山铜矿、 吴庄铁矿、莱新铁矿、济钢张马屯铁矿、中关铁矿等矿 山中得到应用，取得良好的经济效益和社会效益口o 。 注浆帷幕墙体隐藏于地下，具有典型的隐蔽工程 特点，致使帷幕墙体建造的位置选定，墙体尺寸、注浆 材料、注浆参数选取，注浆效果检验等方面存在较大 盲目性，现阶段许多矿山帷幕墙体截流率普遍不高。 国内诸多学者也进行了相关深人研究和探索。文献 [ 6 ] 针对中关铁矿帷幕注浆工程采用单位透水率变 化曲线、离散性分析、检查孔检验结果分析及观测孔 水位观测资料等手段对单排孔帷幕注浆参数选取和 注浆施工结果进行分析和研究；文献[ 7 ] 分析了陕北 张家峁井田所采用的双位双向引流注浆、烧变岩全断 面分区注浆、防渗截流效果即时检验等帷幕注浆技 术；文献[ 8 ] 提出一种基于帷幕区水文地质分析、帷 幕钻孔资料分析、放水试验、瞬变电磁探测和连通试 验等方法的帷幕薄弱区综合分析方法；文献[ 9 1 1 ] 针对施工结束后采用注浆信息分析和地球物理探测 等方法对帷幕墙体建造质量进行评价；文献[ 1 2 ] 分 析了帷幕注浆技术的特点、分类、影响因素以及在大 水矿山中的应用现状，介绍了近几年帷幕注浆的成功 案例、帷幕注浆监测、检验技术；文献[ 1 3 ] 针对云南 某水患矿山分析了深埋井巷内成功实施的“鱼刺型” 钻孔改性黏土浆帷幕注浆试验工程。 上述相关研究主要针对埋深较浅或者规模较小 的帷幕墙体，缺少对受注地层细观特征的深入分析和 表征，而对于埋深较大的高水压地层，岩层微小的孔 隙、裂隙对岩层失稳突水起到重要影响4 。1 引。而在 岩石力学领域，冯子军6 | 、康志勤Ⅲj 、杨仁树8 。、宫 伟力引等学者运用显微c T 扫描技术研究了煤岩微 观结构特征以及煤岩裂隙发育几何参数，因此利用显 微C T 扫描技术分析受注层位岩石孔、裂隙发育特 征、分布特征和几何参数能够从细观角度为注浆材料 选取和注浆参数设计提供依据。另外，已有帷幕墙体 均采用传统地面垂直钻孑L 或井下倾斜钻孑L 注浆工艺， 钻探进尺大、成本高、揭露孑L 隙裂隙率低、有效注浆段 小心0 。2 1 I 。而随着矿山开采深度和强度的不断增加， 帷幕墙体建造规模增大，墙体所承受的内外水压差增 大，长距离帷幕导致传统钻探施工成本增加。因此， 如何降低钻探进尺、提高帷幕注浆细微孔隙裂隙充填 率、保证帷幕墙体最小安全厚度是大型帷幕墙体面临 万方数据 第3 期董书宁等基于岩体宏细观特征的大型帷幕注浆保水开采技术及应用 1 1 3 9 的急需解决的关键问题。 笔者针对某矿采用垂直钻孑L 和定向钻孔相结合 的注浆钻孔布置方式建造大型帷幕截流工程，利用显 微C T 扫描和水文地质结构系统分析的方法研究受 注地层岩体宏细观特征，分析帷幕墙体建造地层的受 注条件；采用理论分析、数值计算和资料分析等手段， 结合受注地层条件，系统研究帷幕墙体建造位置、墙 体最小安全厚度、注浆压力、垂直钻孑L 和水平定向钻 孔相结合的注浆钻孑L 布置方式、注浆材料及其适用性 等内容，并利用钻孔取芯、放水试验、钻屑组分研判等 方法对注浆效果进行了检验。 1 工程概况 嗽1 某矿区位于宿东向斜的北段，四周多为石炭系、奥 陶系灰岩，井田东北部分布有侏罗系砾岩含水层，是该 矿区的第5 含水层 组 俗称五含 ，该层砾石主要成 分为石灰岩及少量的砂岩和变质岩，钙质胶结为主，次 为泥质、砂质胶结，岩溶发育。“五含”与第4 含水 层 组 及煤系地层均为不整合接触，属山麓洪积相沉 积，砾石成分以灰岩较多，主要为灰岩碎块，砾径0 ．2 ～ 7 ．0c l n ，分选差，胶结物为紫红色泥岩。井田北部受塔 桥断层影响，使下盘“五含”成为孤立块段，覆盖面积约 9k m 2 ，其中井田范围内为2 ．8k m 2 图1 。 “五含”地层大面积压覆于煤系地层、太灰及奥 灰含水层之上，呈角度不整合接触关系，岩溶发育，与 图1 “五含”地层分布示意 S c h e m a t i cd i a g l a mo ft h e “f i v e i n c l u s i v e ”s t r a t i g r a p h i c r e l a t i o n s h i pa n dh y ’a u l i cl i n k a g e 太灰、奥灰等含水层具有较强水力联系 图2 。据统 计，“五含”下伏8 煤层煤炭资源总储量约18 0 0 万t ， 探明可采储量约l0 0 0 万t ，煤层开采过程中，“五含” 地下水和参与补给的太灰和奥灰含水层地下水可通 过各类导水通道进入矿井造成水害，致使该区域压滞 大量煤炭资源。而该区域太灰和奥灰含水层是当地 重要的生活和工业用水水源，采用常规含水层疏水降 压开采该部分煤炭势必造成大量水资源浪费。因此， 基于施工难度和成本、水资源保护、煤炭资源安全回 采等方面考虑，设计采用“五含”帷幕注浆、局部疏干 开采的方式进行，以保证在煤炭资源安全回采的同时 最大限度的保护含水层水资源。 2 受注地层细观特征 图2 各含水层结构关系剖面示意 F i g ．2 S t m e r u r a lr e l a t i o n s h i pp r o f i l eo fe a c ha q u i f e l ’ 2 ．1 显微C T 技术原理及设备 c T 技术的成像原理旧2 。为利用x 射线穿过一定 厚度的材料时其强度会产生一定程度的衰减 图3 ， 衰减规律可表示为 ， 0 e 4 1 其中，，n 为人射x 射线强度；，为出射x 射线强度；L 为材料厚度；肚为材料的线性衰减系数，其大小与材 料密度和组成元素相对原子质量等因素有关。当x 射线穿透岩芯后，探测器接收透过该材料的x 射线， 转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟／ 数字转换器转为数字信号，输入计算机处理。本实验 采用n a n o V o x e l 一4 0 0 0 系列X 射线三维显微镜，最高 精度可到5 0 0l l n l ，采用双探测器设计方案，可以显著 提高成像的放大倍率及精度。 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 精密样品台 r _ ， x 射线源 平板探测器 图3n a n o V o x e l 一4 0 0 0 型C 。I ’机原理不蒽 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g l ’’a mo fn a n o V o x e l 一4 0 0 0C T 2 ．2 试验材料及试验方法 利用显微c T 技术对注浆地层岩芯进行扫描实 验，试验样品均取自注浆区域岩层，岩性为角砾岩，高 度1 6c m ，直径5 ．3c m ，C T 扫描分辨率为3 0 恤m 左 右。 2 ．3 试验结果 2 ．3 ．I 岩体孔隙率、裂隙率 通过对岩样进行显微C T 扫描，获得其物质结构 数据，利用可视化软件A V I Z O 对扫描数据进行重构 分析，获得X Y ，泫，X Z 方向切片图，统计分析切片图 中孔隙、裂隙、矿物等不同物质的灰度值，通过设定试 样孔隙、裂隙属性灰度阈值对切片图进行孑L 隙、裂隙 筛分，从而获得单张切片图及被测岩体试样整体的裂 隙、孑L 隙占比。图4 为角砾岩试样的三维重构图和 X Y ，泫，X Z 方向切片图。 通过统计角砾岩切片图的灰度值，可对岩体C T 扫描切片上的孔隙、裂缝以及矿物等发育特征进行表 征。如图4 所示，可清晰观察到岩体中尺度较大的裂 隙及孑L 隙，但灰度图像中较小裂隙难以直接观察出， 需选择合理方法进行分割，由于试样中孔隙、裂隙与 C y Z 方向 图4 角砾岩切面 F i g ．4C u t a w a yo fb r e c c i a 岩体灰度值相差较大，因此采用阈值分割法进行处 理。提取角砾岩切片，根据灰度差异，设定分割阈值 提取出样品中的孑L 隙、裂缝 图5 。经对裂隙孔隙提 取后得到孑L 隙、裂缝体积占单个切面样品总体积的 0 ．6 2 ％． 图5角砾岩切片原生裂缝渲染 F i g ．5 B r e c c i as l i c en a t i v ec r a c kr e n d e l ‘i n g 利用可视化软件可计算每个切面裂缝所占像素 个数，同时计算出每个切片样品像素个数，两者比值 即为该切片的裂隙率，从而可以统计出z 方向逐层 切片裂隙率，观察裂隙率的变化特点。由图6 可知， 裂隙率主要在0 ．2 5 ％～2 ．8 0 ％内变化，大部分切片 裂隙率主要分布在0 ．2 5 ％～0 ．5 0 ％，约占7 3 ．8 ％，其 万方数据 第3 期莪二t s 宁等基于岩体宏细观特征的大型帷幕注浆保水开采技术及应用 图6角砾岩逐层切片裂隙率变化曲线 F i g ．6 B i l P ‘ i al ‘o e kl a y e r b y l a y e rf i a c t u r er a | e ‘L I l t v e 2 ．3 ．2 岩体裂隙、孑L 隙几何参数 对提取的孑L 隙、裂隙进行球形度计算，一般定义 球形度 o ．3 的为孑L 隙，利用该定义 x 寸- Y L 隙和裂缝进行筛分，如图7 所示，其中裂缝为红 色，孔隙为蓝色，并且得到裂隙体积占样品体积的 C 裂隙j 维展示 图7 角砾岩孔隙、裂隙i 维展示 F 、嘻7 T h t l e e 一 1 i m e n s i o n a ld i s p l a yo t ’l M ‘c i ap m l e sE l l af i s s u r e s 0 ．2 4 ％，孑L 隙体积占样品体积的0 ．3 8 ％。 为分别获得孔隙、裂隙的几何参数，对提取f } j 的 角砾岩孔隙和裂隙进行进一步标记筛分。对于不规 则的孔隙可采用等效直径对其尺寸进行描述，等效直 径 D 。 是将不规则的孑L 隙等效为一个规则的球 体孙，计算公式为 2 单个孔隙体积 矿 可利用图像后处理软件基于 像素个数及分辨率计算得出 图8 ，从而对角砾岩三 维展示图进行筛分得到不同等效直径区问的孔隙占 比 表1 ，通过孔隙等效直径数量统计数据可知，孑L 隙以等效直径 ～2 0 0 斗m 为主；但从体积分数来看，等 效直径主要以2 0 0 m D 。。≤5 0 0b u n 为主，高达 3 2 ．2 7 ％。 图8 角砾岩孔隙、裂隙标i 己■维展示 r 池8 ‘F h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a yo fI r e ‘c i ap o r e sa n df i s s t n ’e s 表1角砾岩不同等效直径区间的孔隙个数及体积分数 T a b l e1N u m b e ro fp o r e sa n dv o l u m ef r a c t i o no f d i f f e r e n te q u i v a l e n td i a m e t e ri n t e r v a l so fb r e c c i a 岩体裂隙的提取、筛分是通过对标记裂隙进行定 量统计，计算裂隙的体积、面积、长度、宽度。体积和 面积是根据像素个数及分辨率训‘算，长度和宽度分别 为弗雷特直径的最大值和最小值，费雷特直径旧4 为 描述不规则颗粒大小的常用参数，其定义为经过该颗 粒中心任意方向的直径。裂隙按照宽度分类可分为 闭合裂隙 1 0m n ， 。巧j ，而角砾岩裂隙中体积占比 最大为中张裂隙，其均值为20 0 9 ．6 1t x m ，其次为宽 张裂隙，均值为76 0 1 ．9 6 n 1 。 2 ．3 ．3 渗流模拟 考虑重力的影响，展开了微观岩体孑L 隙结构单向 及多向情况下的低压水渗流数值模拟，得到了微观尺 度下岩体孑L 隙渗流的压力、速度、渗透率等重要参数 的演化规律，为注浆参数选择和数值分析提供依据。 利用A V I Z OF I R E 软件中的渗流模拟模块，依据达西 定律，模拟计算流体在样品中的流动情况，通过设置 边界条件，输入输出压强以及流体黏度等，模拟计算 样品的渗透率，具体计算原理旧刮为 Q K △J D A ／ “L 3 式中，Q 为单位时间内流体通过岩石的流量，n 1 3 ／s ；A 为液体通过岩石的截面积，n l ；／z 为液体的黏度，P a S ；L 为岩石的长度，m ；A P 为液体通过岩石前后的压 差，P a ；K 为绝对渗透率，i n 二。 以角砾岩为例，设定输入压力0 ．1 3M P a ，输出压 力0 ．1M P a ，黏度为0 ．0 0 1P a S 。由于整个样品裂缝 并不连通，通过对原生裂缝的局部截取部分的连通性 进行判断，它在z 方向是连通的，利用A V I Z OF I R E 软 件对它做渗流模拟分析，并测得渗透率为4 ．0 7 1X 1 0 叫11 3 1 1 二。图9 为角砾岩z 方向渗流模拟示意。 图9 角砾岩z 轴方向渗流模拟 F i g ．9S e e p a g es i m u l a t i o no fb r e c c i ai nt h eZ a x i sd i r e 。t i o n 3 受注地层宏观特征 分析受注地层的水文地质结构特征及其补、径、 排特征是进行帷幕墙体设计的基础，也是确保帷幕墙 体能够对地下水形成有效拦截的关键。笔者针对帷 幕墙体建造所在的“五含”地层，从宏观角度进行分 析其发育特征及水文地质条件，为帷幕墙体设计提供 支撑和依据。 3 ．1 受注地层“五含”厚度变化特征 经本矿井钻孔资料揭露，“五含”厚度上的变化， 在井田范围主要受古基岩面形态及后期剥蚀影响，浅 部和西部四含五含直覆区，厚度自0I l l 逐渐增加直至 五含顶板界线，此后厚度基本稳定，延展至深部和东 部边界逐渐变薄和尖灭，南部厚度明显变薄，约为 1 5 ～3 51 1 3 。剥蚀面大致与8 煤层平行，倾向东北，倾 角1 5 ～2 5 。，厚度0 ～1 0 21 1 1 ，平均5 5I l l ，底板标 高一2 1 2 ．8 5 ～- 3 4 5 ．3 9m ，平均一2 4 2 ．9 6I l l 。据“五含” 地层等厚线图 图l0 在“四含”与“五含”直接覆盖 区边界线以西，“五含”上覆砂岩北剥蚀，形成“五含” 和“四含”直接接触，在此地带，“五含”厚度为0 ～ 6 0m ，是“四含”、“五含”互相联系最密切的地带。 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 乓 5 0 嚣 4 0 3 0 2 0 1 0 0 图1 0 “五含”地层等厚线 F i g ．10 T h i c k n e s sc o n t o u l ’o f “f i v eb e a r i n g ”s t r a t a 3 ．2 受注地层“五含”岩溶发育特征 “五含”中砾石以灰岩为主，钙、泥质胶结，岩溶 较为发育，但不均匀，发育程度主要与岩性、断裂构造 及埋藏深度有密切关系。从岩性上看，地层中下部主 要为灰色砾岩，砾岩成分以灰岩为主且胶结物相应减 少，灰岩砾石块度大，密度增加，岩溶发育；其次是 “四含”、“五含”直接接触带，由于风化溶蚀作用，形 成风化溶隙和溶洞；同时在断裂构造附近岩性破碎， 如在F 2 5 断层两侧岩溶较发育，钻进中断层附近的钻 孑L 漏失严重。 根据“五含”覆盖区3 2 个钻孑L 资料统计分析， 发育岩溶类型包括溶洞、溶孔和裂隙，钻孑L I 1 3 孔 揭露最大溶洞直径达1 6I n ，一般以0 ．2 ～1 ．0m 的溶 同最为常见。在一3 5 0m 以浅岩溶发育率为 8 ．8 2 ％～1 3 ．1 2 ％，在- 3 5 0I l l 以深岩溶发育明显减 少，岩溶发育率只有0 ．8 3 ％～4 ．5 0 ％ 表2 ；表3 万方数据 第3 期董书宁等基于岩体宏细观特征的大型帷幕注浆保水歼采技术及应用 为钻孔岩溶能见率统计，岩溶能见率随深度增加而 逐渐减小；根据钻孑L 岩洞统计 表4 ，一3 5 0I n 标高 以浅地层岩溶发育尺寸较大，直径分布在1 ～ 1 6i n ，一3 5 0m 标高以深地层岩溶发育尺寸在1m 以 下，从侧面反映出岩溶发育的垂向不均一性特征。 根据钻孔“五含”砾岩层漏水资料统计 表5 ，钻孑L 漏失点大部分在一3 5 0H 1 以浅，表明一3 5 0m 以浅的 “五含”地层渗透性} H x 寸- 3 5 0n l 以深较好。 表2 “五含”地层线岩溶率统计 T a b l e2S t a t i s t i c a lt a b l eo fk a r s tr a t eo f “f i v ei n c l u s i o n s ” s t r a t i g r a p h i cl i n e 表3 “五含”地层钻孔岩溶能见率统计 T a b l e3S t a t i s t i c a lt a b l eo fk a r s td r i l l i n gr a t ei n “f i v ei n c l u s i o n s ”f o r m a t i o ni sp r e s e n t e d 表4 “五含”地层钻子L 岩洞直径统计 T a b l e4S t a t i s t i c a lt a b l eo fh o l ed i a m e t e ri n “f i v e c o n t a i n e d ”s t r a t a 表5 “五含”砾岩漏失情况统计 T a b l e5S t a t i s t i c a lt a b l ef o rl e a k a g eo f “f i v e c o n t a i n i n g ”c o n g l o m e r a t e 4 基于岩层宏细观特征的帷幕保水方案 4 ．1 帷幕墙体建造位置 为保证帷幕墙体建造效率和可靠性，墙体应该避 免在具有大规模动水补给条件的位置建造，以增加动 水渗流路径、降低水力坡度，从而降低大规模动水对 帷幕墙体的影响。奥灰含水层为强含水层，富水性极 好，具有充足动水补给，因此帷幕墙体平