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創新點
對於開度較小的裂隙，須採用純水泥漿液進行升壓注漿充填，對於含有較大空洞巖溶地層，可在水泥漿液中摻入粉煤灰進行無壓充填灌注；水固比為0.6，0.7，0.8，0.9的水泥漿液，水固比為2.0，1.0，0.8，0.6和對應粉煤灰摻量20%，20%，20%，20%和30%的水泥-粉煤灰漿液結石體的物理力學性質均能夠滿足帷幕牆體建造要求；帷幕牆體建造最小安全厚度為7.84m，滿足漿液擴散範圍和建造效率的注漿壓力為4-6MPa。
作 者
董書寧1,2,柳昭星1,2,3,鄭士田1,2,王 皓1,2,石志遠1,2,尚宏波1,2,趙春虎1,2,鄭立才4
作者單位
1. 中煤科工集團西安研究院有限公司；2. 陝西省煤礦水害防治技術重點實驗室；3. 西安科技大學 地質與環境學院；4. 天津三英精密儀器股份有限公司
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研究背景
礦山帷幕注漿是在地下水徑流通道處通過注漿形成一定尺寸和範圍的帷幕牆體,人為改變水文地質條件和進水邊界,實現對地下水的攔截或封堵,從而達到礦產資源安全回採和含水層水資源保護的雙重目的。在我國,自20世紀60年代青山泉煤礦建造了第1條礦區截流帷幕,經過多年發展,帷幕截流技術廣泛應用於礦區水資源保護和礦產資源回採問題,如在大紅山鐵礦、水口山鉛鋅礦、冬瓜山銅礦、吳莊鐵礦、萊新鐵礦、濟鋼張馬屯鐵礦、中關鐵礦等礦山中得到應用,取得良好的經濟效益和社會效益。
隨著礦山開採深度和強度的不斷增加,帷幕牆體建造規模增大,牆體所承受的內外水壓差增大,長距離帷幕導致傳統鑽探施工成本增加。因此,如何降低鑽探進尺、提高帷幕注漿細微孔隙裂隙充填率、保證帷幕牆體最小安全厚度是大型帷幕牆體面臨的急需解決的關鍵問題。
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摘 要
在地下水徑流通道處建造帷幕注漿牆體是礦產資源開發與地下水資源保護的重要平衡手段,而隨著礦產資源開發強度和深度的增大,建造大型帷幕牆體面臨鑽探成本高、牆體內外水壓差大、牆體截流率低等問題。
針對上述問題採用受注介質宏細觀特徵分析的方法,宏觀上研究受注介質發育特徵及水文地質條件,細觀上基於顯微CT分析研究受注介質空隙發育特徵和幾何參數,宏細觀結合綜合分析大型帷幕牆體建造科學位置、鑽探工藝、注漿材料和適用性配比選取、注漿壓力等問題,並利用放水試驗、鑽孔取芯、鑽屑組分判斷等手段對帷幕注漿效果進行分析評價。
研究結果表明:對於開度較小的裂隙,須採用純水泥漿液進行升壓注漿充填,對於含有較大空洞巖溶地層,可在水泥漿液中摻入粉煤灰進行無壓充填灌注;水固比為0.6,0.7,0.8,0.9的水泥漿液,水固比為2.0,1.0,0.8,0.6和對應粉煤灰摻量20%,20%,20%,20%和30%的水泥-粉煤灰漿液結石體的物理力學性質均能夠滿足帷幕牆體建造要求;帷幕牆體建造最小安全厚度為7.84m,滿足漿液擴散範圍和建造效率的注漿壓力為4~6MPa。
經檢查孔檢驗,大空洞充填灌注採取的漿液結石體試樣飽和抗壓強度為11.2MPa, 完全滿足牆體強度要求;放水試驗中,牆體內外水位差7d達到140m、截流率在86.51%以上,牆體截流效果顯著,達到設計目標和要求。
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文中圖片
「五含」地層分布示意
各含水層結構關係剖面示意
nanoVoxel-4000型CT機原理示意
角礫巖切面
角礫巖切片原生裂縫渲染
角礫巖逐層切片裂隙率變化曲線
角礫巖孔隙、裂隙三維展示
角礫巖孔隙、裂隙標記三維展示
角礫巖Z軸方向滲流模擬
「五含」地層等厚線
帷幕牆體位置平面展布示意
帷幕牆體設計建造剖面
垂直鑽孔和定向鑽孔間距平面布置
原材料粒徑分布
不同注漿壓力漿液縱橫向擴散距離隨時間變化曲線
結石體乾燥和飽和無側限壓縮強度試驗
放水期間「五含」觀測孔水位變化曲線
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作者簡介
董書寧，男，陝西西安人，研究員，博士生導師，中國煤炭工業安全科學技術委員會水害防治專業委員會主任委員、國際礦井水協會中國國家委員會副主席、《Mine Water and the Environment》編輯委員會副主編。我國礦山水害防治專家，獲國家科技進步二等獎2項，省部級科技進步一等獎11項，全國發明展覽會金獎1項，孫越崎能源科學技術獎能源大獎1項。出版專（編）著18部，發表學術論文50餘篇。享受國務院特殊津貼，獲陝西省有突出貢獻專家、西安市高新區十大創新人物等稱號。
研究方向
致力於煤層開採水害防治理論、水患超前治理與突水災害應急搶險技術研究和工程實踐。
主要成果
創新性提出了煤層底板「斷裂損傷-滲流演化」突水機理，發現突水通道是採礦擾動底板斷裂損傷和高壓水劈裂導升共同作用的結果，底板高壓水能量耗散和水壓衰減為突水通道演化的標誌性特徵。構建了「採前主動預防-採中監測預警-災後快速治理」的水害防控體系；創建了基於定向長鑽孔的水害隱患探查與治理技術體系，研發了煤層底板水患精準探查技術和煤層底板水患區域高效治理技術。建立了多源信息隱伏導水通道判識準則，形成了集物探、鑽探、試驗和工程實施於一體的煤礦水害隱患超前區域探查治理的新模式，顯著提高了煤層底板隱伏通道精準探查的技術水平，實現了煤礦水害防治「由過程治理向源頭預防」「由局部治理向區域治理」的重大轉變；創立了礦井突水災害快速搶險治理關鍵技術及工藝，發明了動水條件下過水通道可控注漿封堵工藝及專用鑽具，首創了大斷面過水通道淤積層「一步法」置換技術，開發了突水陷落柱「水泥-骨料反過濾」快速封堵技術，主持完成的駱駝山煤礦「3.1」特別重大突水事故搶險救援工程創造了世界採礦史上同等條件下注漿堵水用時最短記錄。
來源：
董書寧,柳昭星,鄭士田,等.基於巖體宏細觀特徵的大型帷幕注漿保水開採技術及應用[J]. 煤炭學報,2020,45(3):1137-1149.
DONG Shuning,LIU Zhaoxing,ZHENG Shitian,et al. Technology and application of large curtain grouting water conservation mining based on macroscopic and mesoscopic characteristics of rock mass[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(3):1137-1149.
責任編輯：韓晉平
編輯整理：郭曉煒
審 核：常琛
End
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