深井巷道断层涌水探查与封堵治理

张 立 惠 冰 张庆松 李海燕 陆秋生 江 海

(1.山东城市建设职业学院，山东 济南 250014 ；2.山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 250101；3.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

深井巷道断层涌水探查与封堵治理

张 立1惠 冰2张庆松3李海燕3陆秋生2江 海2

(1.山东城市建设职业学院，山东 济南 250014 ；2.山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 250101；3.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061)

针对某矿-808 m胶带巷变坡点以下15 m处集中出水点、涌水段落岩体破碎、围岩稳定性差、长年涌水严重影响胶带运输和巷道安全、增加了矿井的排水费用等情况，通过分析该矿的工程地质和水文地质条件，确定涌水水源为M5细砂岩含水层，巷道切割M5砂岩导致顶板涌水，涌水类型为断层导通型；运用瞬变电磁法和高密度电法综合物探与水力连通试验，确定了涌水来源及主要通道分布情况；应用Visual MODFLOW(VMF)数值模拟方法对地下水流场及运移情况进行了分析，提出“深部截源、浅层加固”封堵治理思路；最终确定了包含注浆钻孔设计、注浆参数选择等治理方案，方案在现场得到实施；运用涌水量对比法进行注浆效果评价，注浆封堵治理取得显著效果。该研究成果对类似工程具有一定的指导意义。

断层导通型 水力连通试验 数值模拟 注浆堵水

岩体地下水存在于岩体裂隙、溶隙或孔隙中，一般称为裂隙水。依据地下水含水介质及类型，将地下水分为松散岩类孔隙潜水、断层破碎带孔隙裂隙水、岩溶裂隙水和裂隙水[1],地下水是矿井发生透水事故的主要原因。矿井水害是矿山建设与生产过程中的五大自然灾害之一，随着煤矿开采向深部的延伸，水害的问题已凸显出来。矿井水主要来源于构造导通的下部灰岩含水层、地表水和浅层地下水通过构造裂隙和矿井连通的煤层底板奥灰及三灰含水层[2-3]。而深井巷道条件下破碎断层切割裂隙导通性涌水，导致矿井巷道顶板出水，更是摆在专家和学者面前的一项难题。近几十年裂隙水害防治技术的研究已达到一定的理论和实践水平，但对深井巷道破碎断层涌水封堵治理，还需要近一步的完善和研究。

1 深井巷道涌水与工程条件分析

1.1 工程概况及涌水情况分析

某矿是山东省巨野煤田7对矿井中较大的一个，设计生产能力为240 万t/a，服务年限为52.4 a，该矿煤层埋深850 m以上，水压高达8 MPa，是巨野煤田的一对大涌水矿井。

井田位于巨野向斜西翼，为全隐蔽的华北型石炭二迭系煤田，井田内新生界厚度一般为530～ 650 m，平均590 m。井田内煤系中的直接充水含水层为3 煤顶、底板砂岩裂隙含水层和三灰含水层。3 煤层顶、底板砂岩含水层厚度30～60 m，为裂隙含水层；三灰含水层厚度比较稳定，平均约5 m，为裂隙含水层。

矿井建设中，-808 m胶带巷道掘揭露1条正断层，断层落差H=2.2 m，倾角为49°，断层带破碎严重，粉砂颗粒充填。断层切割粉砂岩、细砂岩、泥岩多个地层，成为切割裂隙导通性断层涌水。M5砂岩裂隙水丰富，为断层导水提供水源补给，导致顶板出现多次塌方和出水，涌水量最大达到100 m3/h。后经支护和注浆处理，涌水量稳定在28 m3/h左右，水压2.0 MPa，但持续涌水严重影响巷道运输，降低产量。需要对-808 m胶带巷道顶板集中涌水点进行封堵治理。

1.2 工程地质和水文地质分析

二叠系上石盒子组地层由泥岩、粉砂岩、细砂岩组成(见表1)。地下水主要储存、运移在风化断层裂隙、构造裂隙为主的裂隙网络之中，富水性受构造裂隙控制，以动储量为主。

表1 地层分布Table 1 The distribution of Strata

主要地层分布分布情况如下。

上层粉砂岩：深灰色，分选较好，裂隙发育，层理分明。厚度为7.8 m。

细砂岩(M5)：上部为浅灰色黑色条痕，中部为灰白色，钙质胶结，以石英为主，质密较硬，厚层状，节理发育，走向多为30°，厚度为6.5 m，为主要含水层(M5)。

下层粉砂岩：灰色，钙泥质胶结，以石英为主，含云母碎片，质密较硬，裂隙发育，厚度为13.5 m。

泥岩：灰、深灰色，泥岩中局部红褐色，灰褐色，含粉砂质不均，较破碎。厚度为11.6 m。为弱含水层，经改造后为隔水层。

工程地质条件见图1。

图1 工程地质条件Fig.1 The conditions of the engineering geological

1.3 涌水点治理难点

(1)施工现场空间有限。胶带运输占据近一半空间(见图2)。

图2 施工现场Fig.2 Construction site

(2)温度高。井下深度的地热梯度导致涌水点温度高达39.6 ℃，巷道通风温度为29 ℃。

(3)地应力高。垂直主应力大于侧向应力，易引起底鼓和顶板开裂。

(4)裂隙发育丰富。裂隙具有纵横向发育特点，且细砂岩(M5)含水层水压高，水力联系丰富。

2 涌水通道的综合探查

2.1 综合探查必要性和可行性分析

采用2种物探方法，用多种参数从不同的物性角度进行观测分析、相互验证，才能获得最佳的探测效果。瞬变电磁法和高密度电法探查涌水通道，可以互相补充和验证，提高涌水通道探查准确性和可靠性。

瞬变电磁法(TEM)是利用不接地回线向工作面前方发射一次脉冲磁场，当发射回线中电流突然断开后，介质中将激励起二次涡流场以维持在断开电流以前产生的磁场(即一次场)，二次涡流场的大小及衰减特性与周围介质的电性分布有关，在一次场间歇观测二次场随时间的变化特征，从而达到探测目标体的目的[4]。优点：抗干扰能力强、分辨力高、施工效率高,对良导体反映能力较强。对低阻体反应灵敏，具有无损性、成本低、工作效率高。缺点：对岩体强度、岩体破碎程度、干溶洞等不易判断。其基本原理见图3所示。

图3 瞬变电磁超前地质预报基本原理Fig.3 Basic principle of TEM geological forecast

高密度电阻率法是以岩土体导电性差异为物理基础的一种勘探方法[5]。优点：探测较深部位大的地质构造较为准确。以多种电极排列方式扫描测量，数据采集自动化，信息量丰富。施工快捷、数据量大、分辨率高、可靠性好、图像直观。由于探测目标比较单一，效果显著。缺点：对小的构造探测效果差，也受场地和接地条件等制约。其基本原理见图4所示。

图4 高密度电法探测原理Fig.4 Detection principle of high-density electrical method

2.2 综合探查测线布置及结果分析

瞬变电磁探测在胶带巷道右侧帮及顶板布置测线，点距10 m。探测区域为-808 m胶带巷道，桩号控2～皮2，长度为400 m。测线布置示意图如图5。

图5 瞬变电磁探测测线布置Fig.5 The layout of TEM measuring line

高密度电法探测采用温纳装置，在胶带巷道右侧帮布置测线，64个电极排列，点距4 m。区域为-808 m胶带巷道，桩号控2～皮2，长度为400 m。测线布置示意图如图6。

瞬变电磁法的结果分析：首先对采集到的数据进行去噪处理，根据晚期场或全期场公式计算视电阻率曲线，然后进行时深转换处理，得到各测线视电阻率断面图。最后根据探测区的地球物理特征、TEM响应的时间特性和空间分布特征并结合矿井地质资料进行综合解释，划分岩层富水区分布范围。见图7所示。

图6 高密度电法测线布置Fig.6 The layout of high-density electrical method measuring line

图7 瞬变电磁探测结果Fig.7 The results of transient electromagnetic detection

高密度电法的结果分析：由原始数据到数据编辑(包括突变点的剔除，数据的光滑平均等)，然后建立反演模型(把地下空间分成许多模型子块)，最后真电阻率反演(主要采用圆滑约束最小二乘法)，得到电阻率等值线成图。见图8所示。

图8 高密度电法探测结果Fig.8 The result of High-density electrical method

对瞬变电磁法和高密度电法综合探测结果进行分析(见图7、图8)，得到裂隙富水区域集中在2处：距离40～55 m,深度16～80 m，主要以裂隙纵横发育丰富，储导水裂隙；距离210～230 m，深度26～50 m，为断层切割M5砂岩含水层，顶板集中涌水为主要导水通道及水源补给。

3 模拟地下水运移及流场分布

运用Visual MODFLOW(VMF)对-808 m胶带巷顶板集中涌水点处进行数值模拟，研究地下水运移规律及涌水点处流场分布，为注浆堵水钻孔设计和实施提供直观、可靠的理论依据。

Visual MODFLOW是一个三维有限差分地下水流动模型，其基本方程[6-7]为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，Kxx，Kyy，Kzz分别为含水层沿x，y，z方向的渗透系数，m/d；h为含水层水头，m；ω为源汇项，L/d；Ss为含水层单位储水系数，1/m；Ω为渗流区；∂h/∂t为水头随时间变化率，m/d；H为水头初值；φ1为第一类边界Γ1上的已知函数；Kn,j为井的n方向渗透系数；q为第二类边界Γ2上的单宽侧向补给量；n为边界的外法线方向；j为抽水井的个数；Γj为井的周边；rwj为井的半径，m；T为导水系数；Qj为涌水量，m3/h；v为井的个数。

3.1 三维模型

根据研究区域的地层分布，在垂向上将地层概化成4层，分别为砂质泥岩5.5 m，M5细砂岩含水层5.7 m，砂质泥岩6.8 m，泥岩37 m。对整个深度方向的准三维模型进行模拟，各参数沿深度方向取均值。见图9所示。

图9 三维模型Fig.9 3D model

3.2 地下水补给及排泄条件

胶带巷涌水点位于垂深-740 m左右，其上有5.5 m的砂质泥岩，为不透水顶板，故可以忽略地表水的补给。胶带巷涌水点的涌水源为M5细砂岩含水层，根据实测资料，此含水层属于承压含水层，水压力为4 MPa。因此可将M5细砂岩含水层定为定水头边界，定水头边界为400 m。根据工程实际情况，巷道涌水通过水泵排出，因此，将巷道部分处理成具有较大渗透系数的单元体，M5细砂岩含水层中的承压水通过断层裂隙向巷道排泄。见图10。

图10 流场分布(单位：m)Fig.10 The distribution of flow

由模拟结果可知，施工巷道开挖贯通断层破碎带，打破了原有水力平衡体系，形成新的水力路径通道，导致含水层渗水面不断扩大，水不断通过各个裂隙及断层向巷道涌入，在排水带附近形成降落漏洞，随着巷道开挖长度扩大及时间的推移，降落漏斗会不断增大，巷道涌水量加大，引起地下水位下降。

4 涌水点封堵治理

根据涌水点特征提出“深部截源，浅层加固”的治理思路。将M5砂岩水堵截在深部，浅层围岩破碎带进行加固。现场实时监测水量、水压，进行信息化施工与动态设计调整结合，有效封堵涌水。

4.1 钻孔设计

根据水文地质条件及综合物探查明具体的富水区域，合理设计钻孔方位角和倾角(见图11)，为下一步注浆封堵涌水提供技术指导。

图11 钻孔施工设计Fig.11 Drilling design

钻孔设计原则为：

(1)巷道含水层及异常区域进行注浆治理，治理区域为砂岩以上5～10 m，使隔水层厚度增；减弱顶部含水层富水性。

(2)M5细砂岩含水层具有裂隙发育、赋水性强、水压高等特点，钻孔设计应全面揭露含水层与裂隙带，保证注浆效果。

(3)钻孔设计方向要尽量和断裂构造或裂隙的发育方向垂直或斜交，以尽可能多地穿过裂隙，尽可能大面积地揭露含水层。

4.2 水力连通试验

根据钻孔数据，涌水水量Q>15 m3/h确定为关键孔[8]；5 m3/h

图12 水力连通试验Fig.12 Hydraulic connected test

选定1-1钻孔压入高锰酸钾试剂。分别在1-2、1-3、2-1、2-2、2-3钻孔涌水处观察，并记录各钻孔水量、水压、水力连通情况(见表2)。

表2 钻孔连通性Table 2 Drilling connectivity

4.3 注浆参数

4.3.1 注浆压力

注浆压力必须保证巷道围岩的稳定和安全[9]，即

(6)

(7)

(8)

式中，P1为静水压力，MPa；P为注浆压力，MPa；P2为围岩抗压能力，MPa;K为阻水系数或突水系数，MPa/m;h′为隔水层厚度，m。

4.3.2 注浆材料

注浆材料主要以P.C 42.5R复合硅酸盐水泥和C-S浆液为主，进行封堵水源。断层内可以辅助选择骨料(海带、锯末)阻水，使地下水流变慢，易于浆液沉淀和留存。

4.3.3 注浆量

由于注浆材料的复杂性、注浆工程的隐蔽性、水文地质条件的不确定性等原因，结合-808 m胶带巷集中涌水点附近裂隙发育特点，采用裂隙注浆理论。

基本假设:

(1)裂隙为二维光滑裂隙，张开度一定。

(2)忽略注浆压力引起的裂隙张开度变化。

(3)浆液按牛顿体或宾汉体考虑，在裂隙中呈圆盘状扩散。

改进后的Baker公式[10]:

(9)

式中，Pc为注浆孔口动水压力，MPa；ug为浆液黏滞系数，cm/s;Q为注浆量，m3；b为裂隙张开度；rw为水的重度；rg为浆液重度；R为注浆扩散半径，m；rc为钻孔半径，m。

每个注浆孔注浆量计算结果见表3。

表3 注浆量计算结果Table 3 Grouting volume

对比分析可知，实际注浆量均大于理论注浆量。由于实际注浆过程中有跑浆、漏浆现场，并且理论计算值更趋于理想状态，进而导致实际注浆量大于理论值。但在实际工程中具有指导意义。

4.4 注浆效果评价

注浆效果检查方法有分析法、检查孔法、开挖取样法、变位推测法和涌水量对比法[11]，根据本次注浆工程的特点和具备的条件，最终优选涌水量对比法评定注浆效果。实测时间2011-02-20—2011-06-20，涌水量由初始的27.86 m3/h降至1.2 m3/h，有效封堵涌水点。M5砂岩裂隙水由原来的强含水层逐步被改造为弱含水层甚至为隔水层，有效隔断裂隙水的水力联系，注浆封堵裂隙取到良好效果，完成矿方要求。实测涌水量变化见图13。

图13 实测涌水量变化曲线Fig.13 The curve of actual water yield

5 结 论

(1)分析工程地质和水文地质条件，运用瞬变电磁和高密度电法综合物探进行涌水通道探查。建立三维水文地质模型，进行MODFLOW数值模拟，分析地下水运移及流场分布，为有效封堵巷道断层处涌水通道提供理论依据。

(2)提出“深部截源、浅层加固”封堵治理思路，进一步指导钻孔设计及实施，有效减少钻孔数量，保证钻孔质量，优化设计方案，提升工程进度，取得显著效果。

(3)针对深井巷道断层涌水特点，合理选取注浆参数，进行现场试验，优化设计方案，有效封堵巷道断层处涌水通道，采用涌水量对比法进行注浆效果评价。

[1] 杨子荣,关卫军,张忠永.四道河子地区水文地质特征及隧道涌水量预测[J].中国矿业大学学报,2005，34(1)：87-90. Yang Zirong，Guan Weijun,Zhang Zhongyong.Tydrogeologic character of Sidaohezi area and prediction of water-gush yield of a tunnel[J].Journal of China University of Mining & Technology，2005，34(1)：87-90.

[2] 路根奎,邵红旗.一种深基岩冻结井筒冻结孔水害治理技术[J].金属矿山,2013(2):27-31. Lu Genkui，Shao Hongqi.A technique to control frozen hole in-rushing water of deep freezing bedrock shaftshaft[J].Metal Mine，2013(2):27-31.

[3] 曹胜根，李国富，姚强岭，等.煤层底板突水水量预测及注浆改造技术[J].岩石力学与工程学报,2009，28(2)：312-318.

Cao Shenggen,Li Guofu,Yao Qiangling，et al.Prediction of quantity of water inrush from coal seam floor and its reinforcement technique by grouting[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(2)：312-318.

[4] 李志鹏，张庆松，李术才，等.瞬变电磁预报方法在胶州湾海底隧道穿越F1-2含水断层中的应用[J].山东大学学报:工学版，2011，41(1)：101-104. Li Zhipeng，Zhang Qingsong，Li Shucai，et al.The application of TEM geological forecast about the F1-2 water-bearing fault of the Kiaochow Bay subsea tunnel[J].Journal of Shandong University:Engineering and Technology Edition，2011，41(1)：101-104.

[5] 李 彬,庹先国，张 赓,等.高密度电法在矿山地质灾害勘察中的应用[J].金属矿山,2013(6):87-89. Li Bin,Tuo Xianguo,Zhang Geng,et al.Application of high density resistivity method to the survey of geologic disasters in mine[J].Metal Mine,2013(6):87-89.

[6] 武 强，朱 斌，徐 华，等.MODFLOW 在淮北地下水数值模拟中的应用[J].辽宁工程技术大学学报，2005，24(4)：500-503. Wu Qiang，Zhu Bin，Xu Hua，et al.Application of MODFLOW to groundwater numerical simulation in Huaibei City[J].Journal of Liaoning Technical University，2005，24(4)：500-503.

[7] 马秀媛，李逸凡，张 立，等.数值方法在矿井涌水量预测中的应用[J].山东大学学报:工学版，2011,41(5):86-91. Ma Xiuyuan，Li Yifan,Zhang Li，et al.Numerical methods in predicting mine discharge[J].Journal of Shandong University:Engineering and Technology Edition，2011,41(5):86-91.

[8] 张 霄，李术才，张庆松，等.矿井高压裂隙涌水综合治理方法的现场试验[J].煤炭学报，2008,35(8)：1314-1318. Zhang Xiao，Li Shucai，Zhang Qingsong，et al.Filed test of comprehensive treatment method for high pressure dynamic grouting[J].Jouranl of China Coal Society，2008,35(8)：1314-1318.

[9] 袁 博,张召千,张百胜,等.破碎围岩注浆加固数值模拟分析与工程应用[J].金属矿山,2013(7):45-48. Yuan Bo，Zhang Zhaoqian，Zhang Baisheng，et al.Numerical simulation of grouting reinforcement of cracked surrounding rocks and its application in engineering[J].Metal Mine，2013(7):45-48.

[10] 郝 哲,李 木,赵 营.岩体裂隙注浆与渗流的关系评述[J].沈阳大学学报，2007，19(4)：18-22. Hao Zhe，Li Mu，Zhao Ying.Comment on relation between grouting and seepage in crack of rock mass[J].Journal of Shenyang University，2007，19(4)：18-22.

[11] 张民庆，张文强，孙国庆.注浆效果检查评定技术与应用实例[J].岩石力学与工程学报，2006，25(增2)：3909-3918. Zhang Minqing，Zhang Wenqiang，Sun Guoqing.Evaluation technique of grouting effect and its application to engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering.2006,25(S2)：3909-3918.

(责任编辑 徐志宏)

Fault Water Gushing Exploration and Plugging Management in Deep Mine Roadway

Zhang Li1Hui Bing2Zhang Qingsong3Li Haiyan3Lu Qiusheng2Jiang Hai2

(1.ShandongUrbanConstructionVocationalCollage，Jinan250014，China；2.ShandongZhengyuanConstructionEngineeringCo.，Ltd.,Jinan250101，China;3.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter，ShandongUniversity，Jinan250061，China)

Aim at the situation of the inflow point focuses at 15 m below the changing point of -808 m belt roadway in a mine.In the inflow area，rock mass is broken and the stability of surrounding rock is poor.The gush-out water endangers the underground safety and increases the cost of mine drainage.Through the analysis of engineering geology and geohydrologic conditions，the source of water is determined as sandstone M5 aquifer.This sandstone M5 had been cut by roadway，which results in the roof water gushing with fault conductivity type.The synthetic geophysical techniques and hydrological connected tests based on the transient electro-magnetic(TEM)method and the high-density electric method are made to find out the source of water gushing and the distribution of main channels.The Visual Modflow groundwater seepage simulation software is employed to analyze the underground water yield and its movement.And the plugging idea of the “deep cutting and shallow reinforcement” was proposed.Finally，the management schemes including grouting drilling design and parameter selection were determined and then implemented in the field.Grouting effect is evaluated with water inflow contrast method，obtaining that grouting has a remarkable performance.The research results have certain guiding significance for the similar engineering.

Fault conductivity type，Hydrological connected test，Numerical simulation，Grouting and blocking water

2014-02-25

国家自然科学基金项目(编号：41272385)，青年科学基金项目(编号：51209128)。

张 立(1986—)，女，助教，硕士。

TD743

A

1001-1250(2014)-05-015-06