复杂煤矿区帷幕注浆浆液及其隔水机理
王作成1，李奋强2
(1 湖南楚湘公司，湖南 长沙，410014；
2 湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙，410014)
摘要：结合某煤矿区多年难以治理的水害隐患及其复杂的地质条件，以普通硅酸盐水泥、粉煤灰和外加剂作为材料，通过室内实验方法先后配制单液水泥浆液、水泥水玻璃浆液和水泥粉煤灰浆液，并对基浆液的性能指标进行测试分析。根据矿区内的岩层及煤系地层的含(隔)水层水文地质特征，采用下行式分段注浆方案，即对顶板软弱层采用高压旋喷注浆技术，对岩层或煤系地层则采用自流式静压注浆相结合的复合注浆技术，当出现注浆量突变时采用投入骨料(河砂)、间歇式注浆和添加速凝剂等施工预案。研究结果表明：浆液对土体的作业机理主要表现为喷射切割作用、搅拌置换固结作用、渗透作用、劈裂作用与挤密作用；煤系地层的注浆量主要与采空区内的位置、导水裂缝带高度和注浆序列有关，帷幕墙能抵御该地区多次特大洪水的侵袭。
关键词：复杂煤矿区；帷幕注浆；配方；隔水机理
中图分类号：TU457 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)02-0778-07
Slurry water curtain grouting and its mechanism in complex coal mine area
WANG Zuocheng1, LI Fenqiang2
(1. Xiangchu Company, Changsha 410014, China;
2. The Coal Geological Exploration Institute of Hunan Province, Changsha 410014, China)
Abstract: Based on the study for a coal mine in treating water hazard for many years and its complex geological conditions using the ordinary portland cement, fly ash and admixture as materials, the single liquid cement slurry, cement water glass slurry and cement fly ash slurry were confected through the indoor test, and the slurry performances were analyzed. According to the mining areas hydrogeological characteristics within the strata and coal measures strata containing (isolation) aquifer,the downstriker segmented grouting scheme was adopted, i.e. high pressure jet grouting technology was used on the roof of the weak layer, static pressure grouting combined grouting technology was used for rock or coal measures strata toke, accelerator scheme was used for investment aggregate (sand) when grouting amount suddenly changed. The results show that the operation mechanism of slurry on soils is mainly jet cutting effect, mixing replacement consolidation, penetration, splitting and compaction effect, and the coal formation grouting content is related to the goaf position, height of water flowing fractured zone and the grouting sequences.Curtain wall can resist the most special major floods in the area several times.
Key words: complex coal mine area; slurry water curtain grouting; formula; water isolation mechanism
在通常情况下，注浆方法可分为静压注浆法和高压喷射注浆法两大类。静压注浆法加固地基的优点主要表现在：浆液扩散范围大，注浆固结体强度较高，注浆浆液能充分地进入地层中，浆液利用率高；而其缺点主要有：注浆浆液可控性较差，易出现串浆及跑浆现象等。为使静压注浆能有效控制加固范围，又开发了袖阀管静压注浆法，但在深度上的可控性仍没有得到有效解决，其浆液注入主要靠挤密和劈裂作用；加固后注浆固结体强度较低且浆液扩散的均匀性较差，难以形成有效桩体状。这种工艺方法比较适用于中粗砂及砂砾石、破碎岩石与卵砾石、软黏土和湿陷性黄土等地层施工作业。高压喷射注浆法加固地基优点主要表现在：浆液在喷切割土体极限范围之内固结，浆液可控性好，不易流失到远距离的加固区域外，以置换土体方式固结，固结体强度高；而其缺点主要有：浆液扩散范围较小，对有结石物或硬物阻碍时无法达到所需加固范围，浆液受喷射流动性制约导致水灰比较大，固结体收缩也较大，对卵砾石地基及含有大纤维质的腐植土注浆效果较差。该工艺方法较适用于土质范围为砂类土、黏性土、湿陷性黄土和淤泥地层施工作业[1-4]。在此，本文作者结合某煤矿区40多年难于治理的水害隐患及其复杂的地质条件，采用静压注浆和高压旋喷注浆时序结合的新型复合注浆技术，探讨帷幕注浆阻水机理。
1 配方选型与注浆机理
1.1 注浆配方室内试验研究
矿区注浆拟采用的浆液主要有单液水泥浆液、水泥水玻璃浆液和水泥粉煤灰浆液等。浆液的基料有P.0.325普通硅酸盐水泥作和粉煤灰，外加剂有速凝剂(如三乙醇铵、水玻璃等)、早强剂、塑化剂、悬浮剂等，试验中各种测定值均采取平均值[5-11]。
1.1.1 水泥浆液的基本性能
水泥浆性能指标实验结果见图1。从图1可以看出：随着水灰比的增大，水泥浆的黏度(曲线1)、密度（曲线2）、结石率（曲线5）和抗压强度（曲线6）的性能指标呈现明显的降低态势，而初凝和终凝时间（曲线3、曲线4）则呈现递增态势。受喷射流动性的制约，旋喷采用的水灰比为1:1，静压注浆采用水灰比为0.7:1~1:1。
图1 水泥浆性能指标
Fig.1 Performance of cement slurry
1.1.2 速凝早强剂对水泥浆液的影响
选取水灰比为1:1水泥浆，分别选取未添加外加剂、3%(体积分数，下同)水玻璃、2%三乙醇铵和5%三乙醇铵4种条件下进行实验，结果见表1。从表1可推断出较合适的速凝早强剂添加量分别是体积分数为5%三乙醇铵和体积分数为3%水玻璃。
1.1.3 水泥-水玻璃浆液的基本性能
(1) 凝胶时间。研究表明：在地下水流动速度过快或出现溶蚀裂隙的地层进行复合注浆加固时，需采用水泥水玻璃浆液双液混合的方式进行注入以使浆液在很短的时间内凝固。为此，在室湿23 ℃实验中，当水泥浆与水玻璃体积比为1:1时，研究不同的水灰比对复合浆液性能的影响，结果见图2；在水灰比为0.6:1的条件下，不同的水泥浆与水玻璃的体积比对复合浆液性能的影响见图3。
凝胶时间是指水泥浆与水玻璃相混合时起至浆液不能流动为止的这段时间，实验表明：水泥水玻璃类浆液的凝固时间可以从几秒钟到几十分钟内准确控制，影响其凝胶时间的因素主要有水泥浆浓度、水玻璃浓度、水泥浆与水玻璃体积比等。
表1 速凝剂对水泥浆液性能的影响
Table 1 Effect of accelerating agent on cement slurry performance
图2 水泥浆与水玻璃体积比为1:1时不同水灰比对复合浆液性能的影响
Fig.2 Effects of ratio of water and cement on composite slurry when volume ratio of cement and water glass volume is 1:1
图3 水灰比为0.6:1时不同水泥浆与水玻璃体积比对复合浆液性能的影响
Fig.3 Effects of volume ratio of cement and water glass on composite slurry when ratio of water and cement is 0.6:1
(2) 抗压强度。在水玻璃浓度为40°Be′、水泥浆与水玻璃体积比为1:1的条件下，分析不同水灰比对浆液不同龄期抗压强度的影响，结果见图4。从图4可见：水泥水玻璃浆液结石体抗压强度较高，特别是早期强度较高，并且增长速度很快。
1.1.4 水泥-粉煤灰浆液基本性能
考虑到周边小煤矿的采空区与湖南宁乡沈家湾煤矿11采空区相通，地表水通过废弃井口、塌陷区、裂缝带倒灌进入沈家湾煤矿；在浆液选型时，考虑采用水泥粉煤灰浆液与细河砂相混合的办法以防止浆液流失并节约注浆成本。在室内实验中，在水灰比为1:1的基浆中，加入不同体积分数的粉煤灰，粉煤灰对水灰比1:1浆液性能的影响结果见图5。从图5可见：考虑到浆液的渗透性能和抗压强度等因素，野外施工采用水泥与粉煤灰比为1:2时较合适。
图4 水泥浆与水玻璃体积比为1:1时龄期对复合浆液的抗压强度的影响
Fig.4 Effects of time on compressive strength when volume ratio of cement and water glass volume is 1:1
图5 水灰比为1:1时水泥浆与粉煤灰体积比对复合浆液性能的影响
Fig.5 Effects of volume of cement and pulverized coal ash on composite slurry when ratio of water and cement is 1:1
1.2 浆液渗透模型及其作用机理
1.2.1 注浆液渗透模型
浆液在多孔介质中流动的渗流问题可以用达西定律来求解。设浆液流速为u，压力为p。当流动雷诺数Re不太大时(1＜Re＜10)，根据达西定律有[12-16]：
u=-kgradp (1)
式中：k为渗透系数。考虑到多孔介质的孔隙率n(即孔隙体积与总体积之比)，连续性方程为
(2)
式中：ρ为浆液密度。当浆液压力增高时，土的孔隙率要增大，在最简单的情况下，有
(3)
式中：Kp为土介质的体积模量，即产生单位孔隙率变化所需要的压力变化；n0为压力p=p0时的孔隙率。假定Kp为常数，而浆液的k与ρ在一段时间范围内不变，则将式(1)代入式(3)得：
(4)
式中：G=k·Kp＞0。将浆液出口取作坐标原点，在球对称情况下，式(4)可简化为
(5)
但浆液压力和速度在r=0时均为无穷大，故不宜作为未知函数求解。而流量在整个流场中都具有有限值，因此，下面以流量Q作为未知函数。因为径向速度
，而 
，因此，将式(5)对r求偏导数得：
(6)
边界条件为：Q(0，t)=Q0 (常数)；Q(∞，t)=0。初始条件为：Q(r，0)=0。则可从式(6)求得任一时刻t在任一位置r的流量Q。
利用单参数数群理论和Baltzmann变换，将上述偏微分方程转化为常微分方程，求得其相似解(即可将式(6)简化)为
(7)
式中：
；Q=Q(η)。设从0到T的平均灌浆流量为
，则
对式(7)的二阶常微分方程，可得：
(8)
式中：
。因此，当注浆流量随时间线性增加时，可从式(8)求得T时刻空间各点的流量。
假设当某点的流量与平均流量之比
＜0.05时，该处无浆液，则对式(8)求解得：x0=1.55，此时，浆球半径为
(9)
1.2.2 作用机理
复合注浆法是将静压注浆法和高压旋喷注浆法进行时序结合，首先采用高压旋喷注浆形成桩体，再应用静压注浆增强旋喷效果，扩散加固浆液，防止固结收缩，消除注浆盲区。其作用机理主要体现在以下几个方面。
(1) 浆液对原状土体的喷射切割作用。高压喷射流破坏原状土体的主要作用是喷射流的破坏应力，当喷嘴出口喷射流破坏应力大于土体强度时，喷射流能破坏土体，其破坏力随着距喷嘴出口距离的增加而逐渐减小；当破坏应力等于或小于土体的结构强度时，其破坏土体的深度不再增加，即达到极限破坏深度，其破坏应力强度取决于喷嘴入口处的喷射压力即泵压。
(2) 浆液与原状土体的搅拌置换固结作用。钻杆在旋转提升过程中，喷射流对土体进行冲切破坏，在喷射流后部形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向着与喷嘴移动相反的方向移动，从而与喷射流浆液搅拌混合，一部分细小的土粒被喷射浆液转换，随浆液带到地面，其余的土粒与浆液搅拌混合。浆液与土混合后，经一系列水化作用后形成具有一定强度的固结体。
(3) 浆液对原状土体的渗透作用。渗透注浆作用是指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙排挤出孔隙中存在的自由水和气体，而基本上不改变原状土的结构和体积。对中粗砂、卵砾石及破碎岩石等地层进行复合注浆时，其扩散的主要方式是浆液的渗透作用。
(4) 浆液对原状土体的劈裂作用。劈裂注浆作用是在压力作用下，浆液能量大于土体结构强度而产生的剪切力劈入土层，在土层中形成许多似树枝状的浆脉。浆脉在土体中水化固结后，提高了混合土体的强度。对黏性土、淤泥类土和粉细砂土进行复合注浆时，其扩散的主要方式是劈裂作用，扩散范围与注浆的压力和注浆时间成正比。
(5) 浆液对原状土体的挤密作用。在浆液渗透注入地层或劈裂注入地层的过程中，同时还存在挤密作用。挤密作用是浆液在压力作用下向土体中扩张，对浆液四周土体产生一种挤压力，迫使土体被挤密，从而使土体密度增加。
2 工程应用
2.1 施工作业方案
作业方案包括：(1) 采用下行式分段注浆，遇到漏失段就注浆充填；(2) 自流式静压注浆，即注浆管下入到采空区，将浆液输送到采空区，当孔口冒浆时终止静压注浆；(3) 加压注浆，即在终止静压注浆后，对钻孔进行加压注浆，当压力＞3 MPa并稳定15 min左右终止注浆；(4) 开孔孔径为146 mm，进入基岩0.5~1.0 m，下孔口管终孔孔径为91 mm；(5) 当注浆量较大时，投入骨料(河砂)、间歇式注浆和添加速凝剂。施工工艺流程见图6。
2.2 注浆效果分析
2.2.1 施工注浆量概述
设计注浆孔31个，6号、7号和9号注浆孔被阻挠提前终孔，终孔深度分别在2煤层底板和6煤层顶板。全区煤系地层有1号煤层、2号煤层、5号煤层和6号煤层。其中，2号煤层开采范围广，占总注浆量30.3%，主要注浆段在15~28号注浆孔。各孔的施工注浆量见表2。
(1) 煤层注浆孔的注浆量与导水裂缝带高度有关，与注浆孔位于采空区内的位置有关；也与注浆序列有关，第一序列注浆量大于第二序列注浆量。
(2) 1号煤层：该采空区与沈家湾煤矿11采空区无水力联系，但与地表小溪漏失量有关且与大隆组裂隙水有水力联系。
(3) 2号煤层：注25~28孔段均为小煤矿的采空区，与沈家湾煤矿第11采区的2号煤层采空区连通。
(4) 5号煤层：25个注浆孔均见5号煤层，其中5号煤层采空区有7个孔，孔深在110 m以上，标高在-15 m以上。
(5) 6号煤层：25个注浆孔均见6号煤层，其中见6号煤层采空区22个孔，孔深在170 m以上，标高在-70 m以上。注26~30孔段是小煤矿的采空区与沈家湾煤矿11采区的6号煤层采空区连通；注9~11孔段是帷幕南段6号煤层的采空区；注6~8孔段为6号煤层不可采段；注11~15孔段是探煤巷；注15孔段是61号煤层。
2.2.2 注浆量与垮落带高度影响分析
假设垮落带高度为10 m，注浆孔走向注浆的有效半径为10 m，地层倾角为25°，帷幕体上方的墙厚10 m，孔隙率为0.2，在无压力自然堆积状况下计算的注浆量约840 m3。注浆时浆液有压力，流动性较好，故在上述假设条件下，注浆量必定大于840 m3，垮落带高度越大注浆量也将随之增加，因此，表现出各注浆孔注浆量的差异性。
2.2.3 灾害性涌水分析与帷幕的构成分析
导水通道分析：(1) 帷幕区段内1煤层导水通道，帷幕区的1煤层埋深13~30 m，1号煤层与2号煤层的层间距50~60 m，1号煤层与大隆组含水层的层间距约10 m，无导水通道；(2) 帷幕区段内2号煤层导水形式为裂隙、孔隙和小空洞式；(3) 帷幕区段内5号煤层和6号煤层导水通道，大气降水，洪水泛滥时地表水，通过废弃老窑井口、塌陷区、裂缝带进入小煤矿采空区，然后经过导水裂缝带到沈家湾煤矿6号煤层11采空区。
帷幕的构成分析：(1) 邻近注浆孔的浆液有相互串通现象，且第二序列有些钻孔见到第一序列钻孔的注浆水泥芯；(2) 相邻2个注浆孔施工后，其后在中间施工的注浆孔，总体来说注浆量均减少，有些孔见采空区但不漏水。第二序列的注浆量比第一序列注浆量小，这说明未注时孔与孔之间有水力联系通道。在第一序列注浆后，孔与孔之间水力联系通道不畅通，故第二序列的注浆量减少，推断帷幕已基本构成。
沈家湾煤矿涌水水源是大气降水，灾害性涌水水源是洪水泛滥的地表水。由于帷幕基本构成，在一定程度上帷幕体上游的废弃小煤矿水不会大量进入到矿11采空区的东翼。暴雨时大气降水通过帷幕体下游的废弃小煤矿塌陷区，裂缝带进入到沈家湾矿11采空区的西翼，故矿井西南翼涌水量会上升。勘查表明施工区附近大隆组底部裂隙发育是弱含水层，帷幕基本形成时也对帷幕体内大隆组底部注浆，使大隆组底部裂隙通道不畅通。暴雨时含水层水量增大，由于通道不畅通使部分地下水通过3个在大隆组地层中的废弃小煤矿进入第11采空区的西翼。
帷幕体主要是对帷幕体上游废弃小煤矿采空区和第11采空区的东翼导水通道进行封堵。结合2010-04-21和2010-06-21特大暴雨条件下井下涌水量的记录结果，表明帷幕墙体已构成，并推断矿井西南翼涌水量依旧与大气降水有关，灾害性涌水状况通常情况下不会发生。
表2 注浆量类别
Table 2 Grouting quantity
图6 注浆施工工艺流程示意图
Fig.6 Flow diagram of grouting process
3 结论
(1) 在沈家湾矿西南翼的王家冲构建帷幕是正确、有效的堵水工程，且通过科学施工，帷幕墙基本形成，可避免灾害性涌水发生。
(2) 基本查明沈家湾矿西南翼帷幕注浆工程的区段内1煤层和5号煤层采空区范围，进一步查明2号煤层和6号煤层采空区范围，为完善设计和施工提供了依据。
(3) 基本查明沈家湾煤矿西南翼灾害性涌水的水源、导水通道和导水形式。
(4) 针对各煤层采空区裂缝导水带发育状况进行注浆，注浆量取决于采厚、注浆孔所处的位置和注浆序列。
(5) 浆液对土体的作业机理主要表现为喷射切割作用、搅拌置换固结作用、渗透作用、劈裂作用与挤密作用。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-04-20；修回日期：2012-06-22
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878212)
通信作者：王作成(1965-)，男，湖南隆回人，高级工程师，从事矿山施工、地质工程施工管理、地基与基础处理、矿山灾害地质治理以及超大口径深孔桩基础施工的应用研究；电话：0731-89802903；E-mail：188505120@qq.com
