牟 林

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013; 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

煤礦發(fā)生大型突水淹井事故時(shí)，須對(duì)過(guò)水巷道實(shí)施截流工程實(shí)現(xiàn)搶險(xiǎn)復(fù)礦[1-2]，此類工程具有技術(shù)難度大、工程造價(jià)高、治理周期較長(zhǎng)的特點(diǎn)。

在以往多次特大型突水事故的截流施工過(guò)程中，人們已經(jīng)摸索形成了一套較完整的施工工藝和裝備體系。何思源、朱際維等[3-4]總結(jié)了1984年范各莊礦特大突水事故的堵水經(jīng)驗(yàn)，在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下設(shè)計(jì)了骨料快速灌注系統(tǒng)、大流量連續(xù)造漿灌注系統(tǒng)以及鉆孔中投放速凝早強(qiáng)水泥包的裝置，為截流工程提供了技術(shù)原型。南生輝、蔣勤明、劉建功等[5-7]分析了2003年?yáng)|龐礦2903工作面陷落柱特大突水災(zāi)害治理經(jīng)過(guò)，提出了旋噴注漿、充填注漿、升壓注漿、引流注漿4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)階段。王則才[8]結(jié)合2002年國(guó)家莊煤礦8101工作面突水治理經(jīng)驗(yàn)，提出了綜合注漿堵水法，當(dāng)鉆孔漏失量小時(shí)以單液漿為主，跑漿嚴(yán)重時(shí)以注骨料和雙液漿為主，有效提高了堵水速度。邵紅旗等[9]結(jié)合2010年駱駝山煤礦突水淹井水害治理情況，提出在靜水條件下骨料灌注效率低時(shí)采用雙液漿法快速建造阻水體骨架，再采用綜合注漿法灌注水泥漿液加固墻體，取得了優(yōu)良的堵水效果。楊志斌等[10]總結(jié)了潘二礦突水災(zāi)害治理關(guān)鍵技術(shù)，提出了采用定向分支斜孔命中靶區(qū)，截流、堵源同步進(jìn)行的技術(shù)工藝。

以往動(dòng)水巷道截流技術(shù)研究主要集中在施工工藝和裝備層面，鮮有涉及截流機(jī)理研究、工程量估算分析、施工過(guò)程優(yōu)化的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。筆者結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，歸納起來(lái)該技術(shù)尚存的主要問(wèn)題包括:① 骨料灌注期間的水力學(xué)狀態(tài)和堆積體“生長(zhǎng)”、“接頂”機(jī)制尚不清楚;② 截流工程的主要施工參數(shù)，如堆積段長(zhǎng)度、灌注孔數(shù)量缺乏估算依據(jù);③ 阻水墻建造完成后墻體的受力狀態(tài)及截流堵水工程的技術(shù)優(yōu)化方法尚待研究。筆者研究了過(guò)水巷道骨料堆積過(guò)程和“生長(zhǎng)-接頂”機(jī)理，分析了墻體的受力狀態(tài)，提出了工程設(shè)計(jì)的量化方法。

1 阻水墻建造水力學(xué)模型

從突水初期到截流施工形成穩(wěn)定的阻水墻，按施工過(guò)程可分為4個(gè)階段:施工準(zhǔn)備階段，鋪底充填階段、骨料接頂階段、注漿加固階段，每個(gè)階段水流的水力學(xué)狀態(tài)存在顯著變化，各階段的施工過(guò)程之間逐漸演化過(guò)渡(圖1)。結(jié)合CFD-EDEM密相流耦合仿真方法[11-15]，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT描述流體行為，離散顆粒介質(zhì)力學(xué)軟件EDEM描述骨料運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)雙向耦合模擬骨料在水流作用下的堆積接頂過(guò)程。模型按相似比1∶20建立計(jì)算域，尺寸0.2 m×0.2 m×5 m，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模擬過(guò)程中骨料顆粒簡(jiǎn)化為球體。本文模擬參數(shù)如下:水的密度998.2 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)10-6m2/s,顆粒采用適用于密相流耦合的Hertz-Mindlin“軟球”模型，顆粒彈性模量5 MN/m2，泊松比0.3，恢復(fù)因數(shù)0.3，滑動(dòng)摩擦因數(shù)0.5，滾動(dòng)摩擦因數(shù)0.1，顆粒密度2 650 kg/m3，假定灌注期間流量不變。下面從流態(tài)、流速及流量分布角度分析各階段的水力學(xué)狀態(tài)。

(1)施工準(zhǔn)備階段。突水后當(dāng)水量趨于穩(wěn)定時(shí)即可進(jìn)入截流施工，巷道中水流流態(tài)一般為紊流，流速分布滿足管道流一般規(guī)律，突水點(diǎn)勢(shì)能轉(zhuǎn)化為水流動(dòng)能，該階段流速直接決定了截流施工的難度。

(2)鋪底充填階段。如圖2(a)，(b)所示，骨料未形成接頂之前，灌注過(guò)程分為鋪底、充填2個(gè)階段，隨著堆積過(guò)程的進(jìn)行，堆積高度不斷增加，頂部未接頂空間流場(chǎng)逐漸被壓縮，流速被放大達(dá)到起動(dòng)流速時(shí)可以將細(xì)粒骨料搬運(yùn)至下游堆積，下方已堆積穩(wěn)定的骨料內(nèi)部為低速滲流，其流速遠(yuǎn)不及上部。

圖1 阻水墻建造期間流態(tài)分布時(shí)空演化過(guò)程Fig.1 Spatio-temporal evolution of schematic diagram of flow pattern during water blocking wall construction

圖2 在0.5 m/s進(jìn)口流速下5～10 mm粒組Y方向流速分布Fig.2 Y velocity distribution of 5～10 mm particles at 0.5 m/s inlet velocity

(3)骨料接頂階段。如圖2(c)所示，在骨料不斷充填近乎充滿巷道時(shí)，堆積體的阻水消壓作用逐漸顯現(xiàn)，頂部殘余過(guò)水通道隨著巷內(nèi)壓力抬升、流速增大形成高速滲流區(qū)。下部骨料在長(zhǎng)時(shí)間的沖刷、排列作用下逐漸充填密實(shí)，水流處于低速滲流狀態(tài)。接頂期間向頂部灌注粗骨料可有效防止已有堆積體被沖潰，細(xì)骨料則起到了進(jìn)一步充填空隙削減水頭的作用，灌注過(guò)程中需要反復(fù)調(diào)整骨料粒徑和配比直至成功接頂。當(dāng)接頂段達(dá)到一定規(guī)模之后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)入注漿階段，此時(shí)骨料堆積體仍可能隨著時(shí)間推移而不斷被沖刷、潰散，因此堆積段的接頂效果以及對(duì)注漿時(shí)機(jī)的把握是截流成功與否的關(guān)鍵。

(4)注漿加固階段。該階段可先后采用旋噴—充填—升壓—引流注漿等工藝進(jìn)行堆積段加固，加固后阻水墻內(nèi)水流處于低速滲流狀態(tài)，阻水能力大幅提高，阻水墻強(qiáng)度接近天然巖土體強(qiáng)度，為其抵抗上游水壓力提供了足夠的安全系數(shù)。

以上各階段劃分存在較明顯的區(qū)分界限，鋪底充填階段上下游流量、孔內(nèi)水位總體穩(wěn)定;接頂階段水位和流量開始起伏變化并持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，成功接頂后流量快速下降，孔內(nèi)水位參差不齊、與上游水位失去聯(lián)系，此時(shí)即可進(jìn)入注漿加固階段。

表1統(tǒng)計(jì)了骨料灌注期間不同階段流速在斷面上的分布情況，在鋪底階段(粒徑5 mm)和充填階段(粒徑10 mm)，流量大部分從骨料上方的未接頂區(qū)通過(guò)。當(dāng)進(jìn)入接頂階段時(shí)(堆積高度18 cm)，頂部殘余通道內(nèi)過(guò)水量急劇減小至29%，約71%的流量從堆積體內(nèi)通過(guò)，以上過(guò)程表明截流期間流量在時(shí)空上存在動(dòng)態(tài)分布效應(yīng)。隨著接頂過(guò)程的進(jìn)行，骨料與巷道四周相互咬合形成具有抗強(qiáng)滲能力的整體，加上天然骨料中本身存在黏性顆粒，其阻水消壓作用會(huì)隨接頂長(zhǎng)度的增加逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。

表1 流量分布情況模擬成果統(tǒng)計(jì)Table 1 simulation results of Flow distribution

2 動(dòng)水環(huán)境骨料運(yùn)移堆積規(guī)律

2.1 高流速環(huán)境下骨料生長(zhǎng)-接頂機(jī)制

如圖3～5所示，CFD-EDEM耦合模型的尺寸為0.2 m×0.2 m×10 m，單孔灌注速度為0.4～1.0 kg/s，鉆孔從左至右編號(hào)1，2，3，4號(hào)。根據(jù)泥沙起動(dòng)流速計(jì)算公式[16]估算不同粒徑粗骨料的起動(dòng)流速區(qū)間，可得5～50 mm粒徑的有效起動(dòng)流速區(qū)間為0.9～1.6 m/s。據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，正常截流初期巷道內(nèi)的流速一般為0～0.5 m/s，這說(shuō)明只有進(jìn)入骨料灌注中后期(充填或接頂階段)，頂部流速被放大后才可能超過(guò)粗骨料的起動(dòng)流速。本模型設(shè)定水流初始平均流速1 m/s，以便后期流速放大后大于粗骨料的起動(dòng)流速。如圖3所示，骨料灌注初期相對(duì)細(xì)的5～10 mm骨料在水流搬運(yùn)作用下沿巷道底部堆積形成長(zhǎng)條狀堆積體，顆粒在空間上存在篩選效應(yīng)(藍(lán)色粒徑細(xì)、灰色粗)，堆積體尺寸在垂向和水平方向均有不同程度生長(zhǎng)，高度生長(zhǎng)到一定程度時(shí)不再增加，流場(chǎng)搬運(yùn)能力和灌注速度達(dá)到平衡，此時(shí)孔間堆積體長(zhǎng)度將不斷增加直至形成相互搭接的整體。

圖3 鋪底階段骨料的堆積狀態(tài)(5～10 mm)Fig.3 Accumulation state of aggregate in bedding stage

如圖4所示，當(dāng)鋪底階段完成后隨即進(jìn)入充填階段，隨著過(guò)水?dāng)嗝娌粩鄿p小，頂部核區(qū)流速逐漸增加，水流搬運(yùn)能力顯著增強(qiáng)，繼續(xù)灌注細(xì)骨料(5～10 mm)堆積高度不會(huì)發(fā)生明顯變化，需加大粒徑范圍(5～50 mm)或提高灌注速度。隨著堆積高度的不斷增加，水流流速會(huì)增大到新的平衡狀態(tài)，如此反復(fù)直到巷道頂部只剩下狹長(zhǎng)的殘余過(guò)水通道，隨著灌注的持續(xù)，巷道內(nèi)會(huì)形成較長(zhǎng)的充填段。

圖4 充填階段骨料的堆積狀態(tài)(5～50 mm)Fig.4 Accumulation state of aggregate in filling stage(5-50 mm)

如圖5所示，骨料即將充填滿過(guò)水通道時(shí)進(jìn)入接頂階段，需反復(fù)調(diào)整骨料粒徑組合(5～50 mm)，該過(guò)程中大粒徑骨料會(huì)在殘余過(guò)水通道中緩慢堆積，逐步減小過(guò)水?dāng)嗝妫?dāng)水流攜帶粗骨料在通道斷面縮小處無(wú)法通行時(shí)，有概率形成瞬間卡堵和淤積接頂，接頂區(qū)可向上游來(lái)水方向逆向生長(zhǎng)，當(dāng)接頂規(guī)模達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，管道流變?yōu)闈B流，水量將大幅下降并保持穩(wěn)定，同時(shí)水壓快速抬升直至成功截流。

在灌注接頂期間，上游鉆孔的骨料灌注量將與下游鉆孔互相疊加，這種疊加過(guò)程將使下游堆積高度比上游更高，隨之形成更高的頂部核區(qū)速度，直至與疊加后的總體灌注速度相匹配。因此同等灌注條件下，下游孔較上游孔更容易接頂，其對(duì)截流的意義較上游孔更為重要，此外接頂過(guò)程還與巷道起伏條件、巷道糙度、支護(hù)形式、巖體性質(zhì)、沖刷情況及灌注次序等有直接關(guān)系。

2.2 低流速環(huán)境下骨料的堆積過(guò)程

如圖6所示，對(duì)于小型突水事故，突水量小初始流速低(一般為0.01 m/s以下)，灌注期間通道內(nèi)流場(chǎng)雖然不斷被壓縮加速，但是頂部核區(qū)流速對(duì)應(yīng)的搬運(yùn)能力始終小于常用骨料的起動(dòng)流速，骨料難以發(fā)生遠(yuǎn)距離搬運(yùn)，在孔底就近堆積后快速接頂導(dǎo)致有效堆積段很小，鉆孔間巷道內(nèi)存在大范圍未充填的空腔。小型突水事故近似靜水的環(huán)境下，骨料灌注形成的堆積體成為后期充填灌漿的物理邊界，可有效降低無(wú)效灌漿量，工程整體規(guī)模一般不大。

圖5 接頂后的逆向生長(zhǎng)過(guò)程及堆積狀態(tài)(5～50 mm)Fig.5 Reverse growth process and accumulation state after topping(5-50 mm)

圖6 低速條件下接頂區(qū)與孔間空腔的分布狀態(tài)Fig.6 Distribution of topping area and cavity between boreholes at lower flow speed

2.3 巷道傾角對(duì)堆積過(guò)程的影響

考慮顆粒在巷道中的拖曳力、有效重力和上舉力，可建立顆粒起動(dòng)的臨界判據(jù)[16]，水平、上山、下山3種傾角巷道骨料起動(dòng)流速的平方之比為:tanφ∶(tanφ×

cosθ+sinθ)∶(tanφcosθ-sinθ)，其中,φ為水下堆積角；θ為坡度。

令φ=35°，θ=15°，代入上述比值計(jì)算可得水平、上山、下山巷道中，同粒徑顆粒起動(dòng)流速比為1∶1.16∶0.77。

由此可見不同坡度的巷道中骨料的起動(dòng)流速存在明顯差異。在上坡段需要更大的起動(dòng)流速，等效于降低了流速的攜帶能力，下山中起動(dòng)流速小，等效于增強(qiáng)了流速的攜帶能力。各坡角下相對(duì)起動(dòng)流速計(jì)算結(jié)果見表2，隨著傾角的增大，水平、下山、上山巷道3種工況下顆粒起動(dòng)流速的差別增大。

表2 不同坡角下相對(duì)起動(dòng)流速Table 2 Relative starting speed under different slope angles

如圖7所示，數(shù)值模擬結(jié)果也表明骨料的起動(dòng)流速與巷道傾角有直接關(guān)系。同等流速條件下相同粒徑顆粒的堆積高度在上山中最大、水平次之、下山最小，起動(dòng)流速依次減小，換言之在上山位置進(jìn)行骨料灌注相對(duì)容易接頂，下山位置堆積體向巷頂方向生長(zhǎng)相對(duì)困難，向巷道長(zhǎng)軸方向生長(zhǎng)則相對(duì)容易，這正是下山巷道中容易形成大量無(wú)效堆積的原因，同時(shí)也證明了截流段選址在上山巷道的工程意義。

3 骨料堆積段長(zhǎng)度的估算方法

3.1 基于能量判據(jù)的長(zhǎng)度估算方法

阻水墻長(zhǎng)度足夠時(shí)才能夠提供足夠的抗剪力抵抗來(lái)水方向水壓力，在極限平衡狀態(tài)下有:

PAK=τLS

(1)

式中，P為水壓力;A為巷道截面積;K為安全系數(shù);τ為剪應(yīng)力;L為堆積長(zhǎng)度;S為巷道截面周長(zhǎng)。

由伯努利方程壓力P與速度v可相互轉(zhuǎn)化

P=λv2

(2)

其中，λ為與過(guò)水通道條件、粗糙度相關(guān)的系數(shù)，聯(lián)立式(1),(2)可以得出

(3)

其中，LA為有效阻水段體積V；vA為流量Q，則式(3)可簡(jiǎn)寫為

(4)

其中,λ,K,τ,S為不受Q影響的參數(shù)，截流期間不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的無(wú)效灌注量和注漿量，用與流量相關(guān)的量C1Q表示，同時(shí)在突水量為0的極端情況下封堵巷道也會(huì)產(chǎn)生一定的基礎(chǔ)工程量C2。由此建立了基于能量方程的工程量估算表達(dá)式:

(5)

圖8統(tǒng)計(jì)了我國(guó)2010—2017年煤礦突水截流工程數(shù)據(jù)，分析表明工程量與水量滿足拋物線關(guān)系，骨料用量與水量呈近似線性增長(zhǎng)關(guān)系。突水水量x與截流工程量(或骨料用量)關(guān)系分別為

V=0.000 7x2-2.628 4x+7 106.3

(6)

V=3.430 2x

(7)

式(6)與式(5)形式一致，但第2項(xiàng)為負(fù)值，主要與數(shù)據(jù)量及樣本差異性有關(guān)，實(shí)際計(jì)算時(shí)可使用式(8)的指數(shù)型回歸曲線(相關(guān)系數(shù)R2=0.706 8)。

V=4 400.1e0.000 2x

(8)

圖8 突水水量與截流堵巷工程量、骨料用量的相互關(guān)系Fig.8 Relationship between water inrush volume,total closure quantity and aggregate amount

3.2 基于滲流和注漿判據(jù)的長(zhǎng)度估算方法

骨料成功接頂后，巷道過(guò)水量快速下降，水流在骨料間隙中進(jìn)入高速滲流狀態(tài)，水力梯度應(yīng)小于臨界值Jmax，一般取0.3～0.4[17]，以防止?jié)B流引起的管涌突破，堆積長(zhǎng)度L和截流壓差Δh差應(yīng)滿足:

L>Δh/Jmax

(9)

假定漿液流動(dòng)速度vh，骨料堆積段的滲透系數(shù)kz，初凝時(shí)間為t0，漿液從上游第1個(gè)鉆孔孔底流過(guò)阻水段至下游出口所需的時(shí)間內(nèi)，漿液應(yīng)進(jìn)入初凝狀態(tài)，否則漿液無(wú)法有效滯存，應(yīng)滿足:

(10)

4 骨料灌注鉆孔數(shù)量及孔間距設(shè)定

根據(jù)桑樹坪礦經(jīng)驗(yàn)，kz=0.046 m/s，t0=12 h(43 200 s)，Jmax=0.4(管涌上限)，預(yù)測(cè)結(jié)果見表3。從表3可以看出，黃沙礦堆積段實(shí)際長(zhǎng)度與預(yù)測(cè)方法1，2的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)相差接近7～10倍，主要原因是下山、分支巷道中進(jìn)行灌注時(shí)骨料容易造成大量無(wú)效堆積，因此預(yù)測(cè)的數(shù)值偏小。對(duì)于桑樹坪和潘二礦，預(yù)測(cè)方法1，2的結(jié)果小于實(shí)際值，這同樣是由于灌注期間的無(wú)效堆積造成，但影響遠(yuǎn)小于存在下山或分支巷的灌注環(huán)境。對(duì)于太平礦，由于突水穩(wěn)定水量過(guò)小，水流攜帶能力弱，采用預(yù)測(cè)方法1，2的預(yù)測(cè)結(jié)果略微偏大，但其數(shù)值仍具較強(qiáng)的參考性?？傮w上預(yù)測(cè)方法1，2所得的結(jié)果沒(méi)有考慮無(wú)效灌注量，預(yù)測(cè)值偏小，對(duì)于預(yù)測(cè)方法3，考慮了極端條件如軟巖沖刷擴(kuò)巷、下坡、分支巷等工況，使預(yù)測(cè)結(jié)果大于預(yù)測(cè)方法1，2，該方法主要適用于存在特殊條件的極端情況。

表3 骨料實(shí)際堆積段長(zhǎng)度與預(yù)測(cè)長(zhǎng)度對(duì)比Table 3 Comparison of actual length and predicted length of aggregate accumulation section

因此，預(yù)測(cè)堆積段長(zhǎng)度除考慮壓差、流量、滲透穩(wěn)定性、注漿因素外，還應(yīng)考慮特殊工況條件。3種預(yù)測(cè)方法取平均值，并考慮修正系數(shù)可以有效避免單一方法的不足。根據(jù)工況的復(fù)雜程度，存在下山及分支巷時(shí)，修正系數(shù)η取1～4，存在沖刷擴(kuò)巷時(shí)，修正系數(shù)取1.5～2，正常條件下取1。

在預(yù)測(cè)了骨料堆積長(zhǎng)度之后，可以由此來(lái)估算鉆孔數(shù)量。假定單孔的最大灌注能力為m，施工n個(gè)鉆孔，鉆孔富余系數(shù)ξ，時(shí)間效率系數(shù)ζ，骨料堆積密度ρ′，項(xiàng)目的周期主要由最大骨料灌注能力和L決定，對(duì)于期望的骨料接頂周期T有

(11)

移項(xiàng)得到鉆孔數(shù)量n:

(12)

式中，鉆孔富余系數(shù)ξ取1～1.5，正常工況時(shí)取1，存在沖刷、下山、分支巷等特殊工況時(shí)最大取1.5;時(shí)間效率系數(shù)ζ取0.6～0.7;單孔φ216 mm最大灌注能力m取7.6 kg/s;接頂周期T取10～40 d，換算成秒為8.64×105～3.46×106s;散體堆積密度ρ′取1 600～1 700 kg/m3;斷面面積A按實(shí)際設(shè)定，m2;L按預(yù)測(cè)值乘以工況修正系數(shù)η設(shè)定。

為應(yīng)對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)條件，除正常灌注所需的必要鉆孔數(shù)量外，還應(yīng)留設(shè)一定的機(jī)動(dòng)鉆孔(0～3個(gè))，且鉆孔的總數(shù)量應(yīng)最少在3個(gè)以上。經(jīng)計(jì)算并取整，估算結(jié)果(表4)基本與以往施工數(shù)據(jù)(表3)吻合，表明采用該方法預(yù)估鉆孔數(shù)量具備可行性。

關(guān)于鉆孔間距的設(shè)定，前文分析了堆積體的水平和垂向生長(zhǎng)機(jī)理，理論上灌注速度與流速匹配時(shí)，理想的直線型巷道中堆積段可沿長(zhǎng)軸無(wú)限生長(zhǎng)，從這個(gè)角度而言鉆孔間距似乎不受灌注條件制約，實(shí)際上并非如此。主要原因是實(shí)際施工過(guò)程中，巷道起伏不定，糙度參差不齊，過(guò)長(zhǎng)的鉆孔間距會(huì)導(dǎo)致骨料在水平方向運(yùn)移條件不均一，導(dǎo)致孔間接頂困難或提前接頂，因此通常間距設(shè)定在25～30 m。

表4 不同工況下骨料灌注孔數(shù)量Table 4 Calculation of aggregate grouting hole quantity under different working conditions

5 阻水墻的受力特征分析

5.1 受力模型及參數(shù)設(shè)定

采用FLAC-3D模擬墻體在不同工況下的受力狀態(tài)，為模擬極端工況，設(shè)定阻水體不受圍巖應(yīng)力擠壓作用。表5為工況1下的參數(shù)設(shè)定情況，工況2下巷道所在地層強(qiáng)度在表5基礎(chǔ)上進(jìn)行1/5軟化;工況3下巷道及直接頂?shù)装逅诘貙釉诒?基礎(chǔ)上進(jìn)行1/5軟化;工況4巷道及直接頂?shù)装逅诘貙釉诒?基礎(chǔ)上進(jìn)行1/10軟化;其他基本頂和基本底及阻水段參數(shù)不變，上游水壓設(shè)定為5 MPa。

5.2 應(yīng)力分布狀態(tài)模擬結(jié)果

圖9分別為4種工況下軸向應(yīng)力的分布狀態(tài)。工況1下距離水壓作用點(diǎn)約8 m處的應(yīng)力水平已降低至水壓作用位置的10%以下(1個(gè)網(wǎng)格代表2 m)，工況2下約為10 m，工況3下約為24 m，工況4下約為50 m。該模擬與文獻(xiàn)[18]采用理論計(jì)算的結(jié)果吻合，但略小于理論值，主要原因是數(shù)值模擬采用彈塑性模型，考慮了更多的參數(shù)和約束條件，一定程度上限制了應(yīng)力向遠(yuǎn)處傳遞。

表5 工況1下巖石力學(xué)參數(shù)取值Table 5 Rock mechanical parameters under condition 1

圖10為阻水墻與圍巖側(cè)幫接觸面的剪應(yīng)力分布狀態(tài)。可以發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)力的分帶性較強(qiáng)，表現(xiàn)為巷道的4個(gè)邊角線方向應(yīng)力傳遞范圍更廣，位于中間的剪應(yīng)力傳遞范圍明顯小于邊角位置。隨著巷道圍巖強(qiáng)度的不斷軟化，至工況4時(shí)，鄰近水壓作用點(diǎn)位置巷道四周剪切應(yīng)力的方向與遠(yuǎn)端相反。此外，隨著圍巖強(qiáng)度的降低，應(yīng)力擾動(dòng)范圍的增大，相同位置剪應(yīng)力的平均值在逐級(jí)減小?？傮w上剪應(yīng)力的分布規(guī)律與理論解的趨勢(shì)保持一致，但在近端位置受邊界和工況條件影響存在一定差異性。以上分析表明，應(yīng)力傳播的范圍和分布特征與圍巖和阻水墻的剛度比存在密切關(guān)系。

圖9 截流后沿巷道長(zhǎng)軸方向的軸向應(yīng)力σxx分布Fig.9 Axial stress σxx distribution along the long axis of roadway after completion

模擬結(jié)果表明，在5 MPa水壓作用下，對(duì)于工況4下的極端軟化圍巖環(huán)境，應(yīng)力、位移場(chǎng)的影響范圍最大約為50 m，超過(guò)該范圍后水壓對(duì)墻體和圍巖的影響忽略不計(jì)。實(shí)際注漿過(guò)程中可結(jié)合水壓的大小，考慮一定安全儲(chǔ)備系數(shù)(1.5～3.0)后設(shè)為重點(diǎn)加固區(qū)域反復(fù)加固，確保墻體強(qiáng)度及防滲性能。

6 阻水墻建造過(guò)程技術(shù)優(yōu)化

如圖11所示，實(shí)現(xiàn)過(guò)程優(yōu)化的基本途徑是在項(xiàng)目初期以阻水墻建造技術(shù)流程為主線逐級(jí)分析、設(shè)計(jì)符合實(shí)際的施工方案，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合項(xiàng)目進(jìn)度對(duì)后續(xù)施工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

進(jìn)行截流方案設(shè)計(jì)前需厘清礦井水文地質(zhì)條件，快速判別突水水源。根據(jù)突水量的演化規(guī)律和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)判別截流過(guò)程中的穩(wěn)定水量、預(yù)計(jì)截流壓差和最大壓差，分析截流段是否存在下山巷道、沖刷擴(kuò)巷等情況。通過(guò)綜合研判設(shè)計(jì)堵水方案，包括鉆孔布置方案、骨料選型、鉆探及注漿工藝、預(yù)計(jì)的工程量及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在允許條件下應(yīng)盡量降低不利因素對(duì)施工周期、難度及造價(jià)等因素的影響。

進(jìn)入施工階段后隨著骨料灌注過(guò)程的進(jìn)行，鉆孔的水位、負(fù)壓、骨料堆積狀態(tài)、下游流量變化等指標(biāo)均為反映截流進(jìn)度的直接信息，可結(jié)合以上信息的實(shí)時(shí)變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整骨料配比優(yōu)化灌注過(guò)程，適時(shí)添加特殊材料，如灌注木屑、鐵屑、雙液漿等，如果依然無(wú)法順利接頂則可考慮增加鉆孔。

7 結(jié) 論

(1)分析了阻水墻建造期間的水力學(xué)狀態(tài)及流量分布時(shí)空演化特征，分為4個(gè)階段:骨料灌注前涌水量相對(duì)穩(wěn)定階段，鋪底-充填階段、接頂階段、注漿加固階段，結(jié)合兩相流數(shù)值力學(xué)模型驗(yàn)證了截流期間水流流量在時(shí)空上存在動(dòng)態(tài)分布效應(yīng)。

(2)研究了鋪底、充填、接頂階段的一般堆積規(guī)律，發(fā)現(xiàn)骨料分布受流場(chǎng)作用存在篩選效應(yīng)，堆積形態(tài)與流速密切相關(guān)，流速大時(shí)堆積高度增長(zhǎng)緩慢，堆積長(zhǎng)度增長(zhǎng)較快，如果水流流速過(guò)低則會(huì)提前接頂并在孔間留下空腔，只有骨料灌注速度與流速匹配，堆積高度和長(zhǎng)度同步增長(zhǎng)時(shí)方可有效接頂，此時(shí)接頂區(qū)存在逆水流生長(zhǎng)特征。

(3)研究了骨料起動(dòng)流速與巷道傾角的關(guān)系，傾角越大上山起動(dòng)流速越大，下山起動(dòng)流速越小，特別是傾角15°～20°的巷道，下山起動(dòng)流速僅為上山方向的66%～56%。通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了骨料堆積形態(tài)與巷道傾角及流向有密切關(guān)系，同等灌注條件下坡中堆積長(zhǎng)度最大、高度最低，不利于截流施工。

(4)從能量守恒、滲流突破、漿液初凝時(shí)間3個(gè)角度分析了堆積長(zhǎng)度的估算方法，指出了特殊工況對(duì)堆積段長(zhǎng)度的影響?；趶椝苄阅Ｐ湍M了墻體的受力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)阻水墻在5 MPa水壓下最大應(yīng)力影響范圍不超過(guò)50 m，表明重點(diǎn)注漿加固范圍是上游距來(lái)水端較近的區(qū)域。

(5)動(dòng)水截流施工前應(yīng)充分掌握工程技術(shù)條件，避開不利因素，綜合研判施工方案，施工過(guò)程中結(jié)合信息反饋情況，對(duì)灌注工藝、配比實(shí)時(shí)調(diào)整或增加鉆孔來(lái)實(shí)現(xiàn)信息化施工，實(shí)現(xiàn)最佳堵水效果。