骨料灌注法封堵過水巷道的接頂潰壩機(jī)制研究

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)實驗室，陜西 西安710054）

煤礦發(fā)生突水淹井事故后，采用骨料灌注法實施截流堵巷是礦井突水災(zāi)害治理的重要手段。截流過程分2 個階段，即骨料灌注階段和注漿截流階段，前者為整個治理階段的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

何思源[1]等在1984 年范各莊特大突水事故治理中設(shè)計了骨料快速灌注系統(tǒng)和連續(xù)造漿灌注系統(tǒng)，研發(fā)了孔內(nèi)投放速凝水泥包的裝置。王則才[2]結(jié)合2002 年國家莊煤礦突水治理經(jīng)驗，提出當(dāng)鉆孔漏失量小時以單液漿為主，當(dāng)孔內(nèi)暢通跑漿嚴(yán)重時，以注骨料和雙液漿為主的注漿工藝。南生輝、蔣勤明、劉建功等[3-4]結(jié)合2003 年東龐礦特大突水災(zāi)害的注漿治理經(jīng)過提出了旋噴注漿、充填注漿、升壓注漿、引流注漿4 個關(guān)鍵技術(shù)階段。劉生優(yōu)、邵紅旗等[5]結(jié)合2010 年駱駝山煤礦特大突水淹井水害治理情況，提出了在接近靜水條件下骨料灌注效率低時，可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。岳衛(wèi)振[6]通過黃沙礦截流堵水經(jīng)驗，在巷道煤巖強(qiáng)度低導(dǎo)致截流段反復(fù)沖潰的情況下，提出了采用壓力平衡法改善水閘墻兩側(cè)受力條件進(jìn)行水害治理。

在定性研究層面，為了研究骨料灌注過程，李維欣[7]、惠爽[8]設(shè)計了多孔灌注可視化試驗?zāi)Ｐ停瑢橇辖亓鬟^程中的影響因素進(jìn)行了探討，從現(xiàn)象角度研究了低流速條件下細(xì)粒骨料灌注截流過程。

在定量研究層面，針對骨料堆積、接頂、潰壩等機(jī)理層面的研究未見相關(guān)報道。骨料在水流中的運(yùn)移過程，本質(zhì)上為固-液兩相流耦合問題，近年來采用計算流體動力學(xué)和離散單元法相結(jié)合求解兩相流問題的方法已受到廣泛關(guān)注（簡稱CFD-DEM）。骨料灌注過程屬于流化床問題，景路等[9]模擬了水下滑坡坍塌過程，較好地描述了海底邊坡的失穩(wěn)、流動和堆積過程；劉卡等[10]分析了水下拋石初始速度、拋石粒徑、拋石密度因素對水下拋石運(yùn)動規(guī)律的影響；蘇東升[11]模擬了泥沙沉降、明渠水流泥沙運(yùn)動過程，研究了流體運(yùn)動特征及顆粒遷移分布形式；邵兵等[12]對大粒徑的、非常規(guī)巖屑顆粒在水平井段的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了模擬，得出了顆粒形狀對鉆井液攜巖效果的影響。為研究動水巷道中骨料接頂、潰壩現(xiàn)象及內(nèi)在發(fā)生機(jī)制，采用CFD-DEM 數(shù)值方法對典型工況下骨料灌注過程進(jìn)行動態(tài)、定量計算研究。

1 單孔連續(xù)灌注實驗研究

1.1 基本參數(shù)設(shè)定

顆粒參數(shù)均按如下設(shè)定：模擬過程為清水環(huán)境，水的密度998.2 kg/m3，運(yùn)動黏滯系數(shù)10-6m2/s,顆粒采用Hertz-Mindlin“軟球”模型，楊氏模量為5×106N/m2，泊松比0.3，恢復(fù)系數(shù)0.3，滑動摩擦系數(shù)0.1，顆粒密度2 650 kg/m3。

1.2 靜水灌注實驗

骨料在靜水條件下的堆積狀態(tài)如圖1?，F(xiàn)場施工中所灌注骨料粒徑大多集中在5～50 mm 顆之間，將其分為3 個主要的粒徑區(qū)間：5～10、10～30、30～50 mm，假定每個粒徑區(qū)間的顆粒級配曲線呈線性分布。在靜水條件下，采用相同的灌注速率向3 個相鄰區(qū)域分別灌注不同粒徑的骨料，發(fā)現(xiàn)水下骨料堆積角與天然堆積角接近，在灌注到一定程度時骨料很快發(fā)生接頂，僅能在孔底附近形成有限寬度的堆積體。

圖1 骨料在靜水條件下的堆積狀態(tài)Fig.1 Accumulation state of aggregate in hydrostatic water

靜水條件下的進(jìn)行骨料灌注的目的是在鉆孔之間形成人工圍堰，為后續(xù)注漿、防止?jié){液溢流至注漿范圍之外提供屏障，靜水注漿可采用水泥漿和雙液漿進(jìn)行充填。所謂靜水條件，一般是指突水發(fā)生后，巷道系統(tǒng)內(nèi)的水位與突水水源的水位標(biāo)高一致，巷道中的水流流速很小接近靜水狀態(tài)。靜水條件下建造阻水墻所需的時間和工程量小，但是不能有效地為搶先復(fù)礦爭取時間，僅能起到截流的作用。

1.3 動水灌注實驗

骨料在動水條件下的堆積狀態(tài)如圖2。

圖2 骨料在動水條件下的堆積狀態(tài)（流速0.9 m/s，灌注速度1 kg/s）Fig.2 Accumulation state of aggregate under hydrodynamic water（velocity of 0.9 m/s, grouting velocity of 1 kg/s）

在一定流速下灌注不同粒徑的顆粒，骨料開始下落后速度逐漸增大（綠色），落底后速度為0（深灰色）。對于5～10 mm 顆粒組，堆積高度增加至一定程度后高度不再增加，而是在長度方向向下游不斷增加，這種情況在10～30、30～50 mm 粒徑組中沒有出現(xiàn)，說明不同粒徑組的啟動速度存在差別。這也說明了細(xì)骨料適用于現(xiàn)場灌注的鋪底過程，而粗骨料適用于接頂過程中的大流速環(huán)境。

2 多孔灌注截流接頂過程

2.1 小流量截流實驗

小流量多孔灌注實驗如圖3。

圖3 小流量多孔灌注實驗（5～10 mm，流速0.3 m/s）Fig.3 Multi hole combined grouting under low flow（5-10 mm, velicity of 0.3 m/s）

當(dāng)突水量較小時（0.6 m/s 以下），采用5～10 mm細(xì)骨料進(jìn)行灌注，堆積體能以較快的速度達(dá)到接頂狀態(tài)。堆積體向巷道下游運(yùn)動生長的趨勢很弱，最終只能在有限的范圍內(nèi)堆積。受限于第1 個堆積體的阻水升壓效應(yīng)，巷道內(nèi)的流量進(jìn)一步降低，后續(xù)第2 個、第3 個鉆孔的堆積形態(tài)幾乎與靜水形態(tài)完全一樣。流量小的情況下堆積體之間會殘余較大的未充填區(qū)域，只能通過后續(xù)注漿充填。

2.2 大流量截流實驗

大流量多孔灌注實驗如圖4。當(dāng)流速較大達(dá)到0.6～1 m/s 以上時，骨料的運(yùn)動狀態(tài)開始發(fā)生明顯變化。t=100 s 之前為細(xì)骨料鋪底階段，100～200 s 之間為粗骨料充填階段，200 s 之后為混合骨料接頂階段。在鋪底階段，鉆孔之間的骨料堆積長度會逐漸變長直至相互搭接為一體，搭接后下游的高度相應(yīng)增加直至與流場形成新的平衡狀態(tài)。充填階段需要適當(dāng)增加粒徑以適應(yīng)更高的流速環(huán)境，使堆積高度和堆積長度同步增長。進(jìn)入接頂階段后，需要反復(fù)調(diào)整骨料粒徑，粗細(xì)搭配直至成功接頂。流速較高的區(qū)域以彩色顯示，滯留或者緩慢運(yùn)動的顆粒以灰色顯示，同等灌注條件下下游鉆孔相對容易接頂，已接頂?shù)膮^(qū)域會逐漸向上游逆勢生長直至全段接頂。

3 堆積段接頂-潰壩的力學(xué)機(jī)制

3.1 顆粒拱效應(yīng)分析

散體材料拱效應(yīng)示意圖如圖5。顆粒拱效應(yīng)又稱土拱效應(yīng)，最早可以追溯到1884 年，由英國學(xué)者Roberts 首次發(fā)現(xiàn)“糧倉效應(yīng)”：當(dāng)糧倉中糧食達(dá)到一定高度后，糧倉底部的最大應(yīng)力值不再隨堆積高度發(fā)生變化。隨著糧食高度的增加，糧倉墻體與糧食之間的摩擦力不斷增加。在糧倉壁面摩擦力的作用下，主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)傳遞到墻體上，這種現(xiàn)象即“糧倉效應(yīng)”，內(nèi)涵與土拱效應(yīng)一致，顆粒拱尺寸由幾厘米到幾米不等。

圖4 大流量多孔灌注實驗（初始流速1 m/s，0.4～1 kg/s，5～50 mm）Fig.4 Multi-hole combined grouting under high flow（initial velocity of 1 m/s, 0.4-1 kg/s, 5-50 mm）

圖5 散體材料拱效應(yīng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of arch effect of bulk materials

候明勛[13]將光彈實驗應(yīng)用于研究了巖土顆粒材料的離散特性導(dǎo)致的“應(yīng)力網(wǎng)格”及“拱效應(yīng)”特性。結(jié)合顆粒間力鏈分布形態(tài)定義了應(yīng)力拱的概念，直觀展示了強(qiáng)力鏈和弱力鏈的相互關(guān)系，證明了顆粒材料間的架拱效應(yīng)，驗證了土顆粒應(yīng)力拱效應(yīng)產(chǎn)生條件：①顆粒之間產(chǎn)生不均勻位移或相對位移；②存在作為拱受力的支撐點(diǎn)。顆粒間力鏈的存在直觀描述了骨料接頂堵塞通道時的受力狀態(tài)。

顆粒材料中的應(yīng)力拱效應(yīng)是材料本身的自發(fā)現(xiàn)象，在邊界條件、自重或外力載荷作用下，顆粒材料發(fā)生變形壓縮，當(dāng)顆粒體系的邊界條件不一致時，可將產(chǎn)生不均勻位移，以致顆粒間產(chǎn)生相互“楔緊”的作用，這樣在一定的范圍內(nèi)就產(chǎn)生了土顆粒應(yīng)力拱效應(yīng)。土拱效應(yīng)不僅存在于垂直方向，水平方向也存在，合理利用其存在條件，可最大限度發(fā)揮材料自身的抗剪能力，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。

接頂區(qū)粗骨料的成拱效應(yīng)示意圖如圖6。當(dāng)骨料顆粒伴隨高速水流在頂部殘余過水通道之間運(yùn)動時，由于巷道和底部砂體的起伏及自身糙度影響，通道中總存在一些寬度變窄“楔形”區(qū)域。在這些區(qū)域粗骨料在慣性力作用下以簡單塊體或復(fù)合性塊體形式楔入其中形成一夫當(dāng)關(guān)的“楔鎖”結(jié)構(gòu)，之后沖刷而來的骨料在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步排列、旋轉(zhuǎn)、咬合形成臨時性的顆粒拱。顆粒拱之間的其他顆粒則處于自由狀態(tài)，顆粒拱的形成可有效阻擋這些自由顆粒發(fā)生進(jìn)一步運(yùn)移，防止細(xì)顆粒流失。在粗骨架和細(xì)顆粒的復(fù)合作用下，拱效應(yīng)影響區(qū)最終形成了具有一定抗載荷能力和抗?jié)B能力的復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)的規(guī)模達(dá)到一定程度連成整體時，成功接頂成為可能。

圖6 接頂區(qū)粗骨料的成拱效應(yīng)示意圖Fig.6 Arching effect of coarse aggregate in top joint area

3.2 顆粒拱結(jié)構(gòu)的剪切-失穩(wěn)模型

顆粒拱結(jié)構(gòu)的存在為接頂區(qū)阻塞過水通道提供了力學(xué)模型，顆粒拱系統(tǒng)提供的有效阻力越大，穩(wěn)定性儲備越高，越能阻抗更大的流速。決定骨架穩(wěn)定性的因素包括骨料顆粒的參數(shù)和邊界條件。骨料參數(shù)主要包括粒徑、級配、形狀和密實程度，理想的骨料參數(shù)有利于在水平方向形成穩(wěn)定的抗剪力，使系統(tǒng)破壞時不至于從骨料內(nèi)部發(fā)生剪切破壞。骨料所處位置巷道頂板及側(cè)幫是天然邊界，底部的細(xì)骨料是人工邊界。

對于天然邊界，影響其對顆粒拱作用特征的因素包括巷道糙度和力學(xué)強(qiáng)度。巷道糙度包括各類凸起或凹陷的深度、形狀、出現(xiàn)頻率等，主要與巖體的節(jié)理、采掘方式、應(yīng)力條件及支護(hù)方式有關(guān)。巷道糙度越小，起伏越小，其提供的水平抗剪力越小。天然邊界處的巖土體在泡水軟化、顆粒沖刷擠壓后發(fā)生變形失穩(wěn)，最終導(dǎo)致顆粒拱從該區(qū)域“潰壩”失穩(wěn)，此情況主要發(fā)生在飽和強(qiáng)度低的軟弱煤巖巷道中。

人工邊界是指骨料堆積過程中形成的堆積體頂界面，頂界面的狀態(tài)直接決定了后期接頂?shù)碾y度。如果前期骨料灌注中，急于追求施工進(jìn)度，導(dǎo)致鉆孔間存在較多未充填的空間，則殘余過水通道總體狀態(tài)不穩(wěn)定，近鉆孔窄而中間變寬，導(dǎo)致顆粒拱形成的概率和穩(wěn)定性大打折扣，降低了接頂?shù)男屎徒祲鹤杷Ч?。因此前期灌注過程中需要盡可能的使骨料以近水平狀態(tài)鋪滿巷道空間，減少接頂期間潰壩失穩(wěn)的概率。

3.3 堆積體顆粒的滲透-失穩(wěn)模型

堆積段內(nèi)細(xì)骨料遷移及滲流失穩(wěn)現(xiàn)象如圖7。

圖7 堆積段內(nèi)細(xì)骨料遷移及滲流失穩(wěn)現(xiàn)象Fig.7 Migration and seepage instability of fine aggregate in accumulation section

在堆積體多次瞬時接頂之后，通過不斷調(diào)整灌注配比，可間歇性的形成相對穩(wěn)定的接頂狀態(tài)。此時粗顆粒骨架與可流動細(xì)顆粒的力學(xué)狀態(tài)存在顯著差異，尤其在頂部最薄弱的區(qū)域。粗顆粒骨架承擔(dān)了主要力的載荷，細(xì)顆粒主要起到改善粗骨料的應(yīng)力平衡狀態(tài)、降低孔隙率和提高水流阻力的作用。然而在施工過程中，由于骨料的堆積狀態(tài)、級配狀態(tài)、巷道糙度條件、堆積長度、流速等因素的綜合影響，即使接頂后堆積體依然存在“潰壩”的風(fēng)險，但此時的“潰壩”機(jī)制與初期的剪切-失穩(wěn)模型存在明顯區(qū)別。

這種因高速滲流導(dǎo)致堆積體中細(xì)顆粒大量流失引起的失穩(wěn)現(xiàn)象，屬于工程地質(zhì)學(xué)中的“管涌”范疇。管涌是指在水流作用下，骨架空隙中的細(xì)顆粒隨著流速增大引起細(xì)顆粒被沖刷帶走的現(xiàn)象。涌水口徑從幾厘米到幾米不等，突水口周圍多形成隆起沙環(huán)[14]，常見的管涌現(xiàn)象如圖8[15]。

圖8 常見的管涌現(xiàn)象Fig.8 Common piping phenomenon

管涌概念常用于壩基、河堤防滲抗災(zāi)領(lǐng)域，管涌導(dǎo)致無黏性土體失穩(wěn)原因主要有[16]：①土中粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑必須大于細(xì)顆粒直徑；②滲透力能夠驅(qū)動細(xì)顆粒在孔隙間移動。

張剛[17]研究了采用不同粒徑砂組成的砂體在水頭作用下的管涌發(fā)展規(guī)律，不均勻系數(shù)（D60/D10）與臨界水力梯度的關(guān)系如圖9，不同級配下水力梯度與滲透系數(shù)相互關(guān)系曲線如圖10。

圖9 不均勻系數(shù)（D60/D10）與臨界水力梯度的關(guān)系Fig.9 Relationship between inhomogeneous coefficient and critical hydraulic gradient

圖10 不同級配下水力梯度與滲透系數(shù)相互關(guān)系Fig.10 Relationship between hydraulic gradient and permeability coefficient under different gradations

采用了5～10 mm 粗骨料構(gòu)成骨架顆粒，0.075～2、0.5～1、0.25～0.5 mm 3 種粒徑的標(biāo)準(zhǔn)砂配制可流動細(xì)顆粒，通過研究發(fā)現(xiàn)：①骨料的最大流流失粒徑與細(xì)顆粒的級配有關(guān)系，細(xì)顆粒含量在25%～33%區(qū)間時，發(fā)生細(xì)顆粒流失最少，發(fā)生管涌的概率最低；②臨界水力梯度為0.26～0.42，骨料不均勻系數(shù)越大，臨界水力梯度越低[18]；③低于臨界水力梯度時，滲透系數(shù)不變?yōu)閷恿鳎^臨界水力梯度時滲透系數(shù)快速增長，發(fā)生潰變可增大3～6 倍以上。該文研究的骨料粒徑范圍、物理模型與本文骨料接頂后堆積體的滲流模型條件相吻合，對解釋骨料堆積段發(fā)生“管涌”形式潰變過程有較強(qiáng)的借鑒意義。

由此可見，即使骨料接頂之后，如果水力梯度超過骨料所能承受的極限，作為薄弱區(qū)的頂部區(qū)間，仍存在“潰壩”失穩(wěn)的可能性，這也解釋了為什么在經(jīng)歷相對穩(wěn)定的接頂時間后，又突然轉(zhuǎn)為潰壩的情形。管涌導(dǎo)致潰壩是骨料中水流由低速滲流向高速滲流、管道流逐漸演化發(fā)生質(zhì)變的過程，也是細(xì)顆粒不斷流失導(dǎo)致顆粒系統(tǒng)潰變失穩(wěn)的直觀反應(yīng)。

3.4 失穩(wěn)潰壩后的運(yùn)動形式

將模型巷道中預(yù)先用5～50 mm 的混合顆粒充填滿，按0.3、0.5、0.8 m/s 的水流流速進(jìn)行測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較低流速時，顆粒能夠原地保持穩(wěn)定，當(dāng)速度逐漸達(dá)到0.8 m/s 時，堆積體上部一定厚度范圍的顆粒發(fā)生整體遷移，細(xì)顆粒優(yōu)先運(yùn)動，隨后粗顆粒伴隨這細(xì)顆粒的流失逐漸暴露于流場之中，最終大量流失，此時骨料顆粒呈現(xiàn)出流化床的運(yùn)動特征，隨著時間的推移頂部被沖刷帶走的顆粒越來越多，如不及時注漿加固則會造成貫通性潰壩導(dǎo)致截流失敗。管涌突破后殘余通道內(nèi)的骨料整體運(yùn)動如圖11。

圖11 管涌突破后殘余通道內(nèi)骨料整體運(yùn)動Fig.11 Aggregate movement in residual channel after piping breakthrough

4 截流堵水工程案例

大型截流堵巷工程案例施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

靜水條件下截流工程量主要與施工方案有關(guān)系。如申家莊礦和桃園礦為了兼顧巷道充填和后續(xù)陷落柱的治理，截流采用了灌注純水泥漿的方案，注漿量分別達(dá)到了4.5 和6.1 萬t。駱駝山礦在截流時針對骨料灌注效率低的情況，采用雙液漿法在阻水段兩端快速形成阻水骨架，進(jìn)而為后續(xù)充填注漿創(chuàng)造了有利條件，有效降低了無效跑漿工程量，注漿量僅為6 500 t。唐家會礦則采用了改進(jìn)的防噴孔骨料灌注工藝，在靜水條件下實現(xiàn)了較大的骨料灌注量（2 060 m3，約130 m），注漿量僅為1 萬t。

表1 大型截流堵巷工程案例施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Construction data of roadway blocking projects

動水條件下截流堵水，與靜水條件相比存在顯著差異，骨料在動水中被攜帶搬運(yùn)至下游，巷道中存在大量不能有效接頂?shù)臒o效堆積區(qū)域。骨料灌注過程中可能不斷發(fā)生接頂、潰壩事件，需反復(fù)灌注直至成功截流。骨料灌注期間井下涌水量變化曲線圖如圖12。由圖12（a）可以看出，骨料灌注期間水量相對穩(wěn)定，至截流成功后沒有反彈情況出現(xiàn)，由圖12（b）可以看出，情況則相反，灌注期間出現(xiàn)多次潰壩后才成功截流，這主要與技術(shù)條件的變化有密切關(guān)系。

圖12 骨料灌注期間井下涌水量變化曲線圖Fig.12 Variation curves of underground water inflow during aggregate pouring

5 結(jié) 語

1）采用CFD-EDEM 兩相流耦合計算模型，分別在靜水和動水條件下進(jìn)行了單孔連續(xù)灌注試驗，得出了2 種條件下骨料堆積形態(tài)的差異性，驗證了細(xì)骨料更適用于搬運(yùn)和鋪底過程。

2）通過多孔灌注試驗?zāi)M了骨料接頂過程，實驗表明流量小時搬運(yùn)能力弱，鉆孔之間存在大量未充填區(qū)域，大流量條件下骨料會根據(jù)流場條件發(fā)生不同程度的水平生長直至孔間接龍，下游鉆孔優(yōu)先于上游孔接頂，接頂區(qū)逆勢向上游生長至全段接頂。

3）引入顆粒拱模型分析了骨料隨機(jī)接頂?shù)牧W(xué)機(jī)制，提出了骨架的剪切失穩(wěn)模型，從細(xì)顆粒流失導(dǎo)致潰壩的角度進(jìn)一步引入管涌概念解釋了潰壩機(jī)制，最后分析了潰壩過程中骨料的運(yùn)移形式。

4）結(jié)合工程案例驗證了靜水和動水截流在施工上的差異性，指出動水截流過程中剩余過水量作為主要指標(biāo)判別截流成功與否存在不確定性，該過程可能需要經(jīng)歷多次反復(fù)才能最終成功截流。