Treatment technology of large flow water gushing in karst depression open-pit mine
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摘要:
我国岩溶地质分布广泛，岩溶突涌水已成为石灰石矿山安全生产的巨大灾害与挑战。以广西某岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水为研究对象，针对该矿山地质条件复杂、集中涌水量大、流速高等特点，利用岩溶发育特征、资料分析与地球物理探查等方法初步圈定矿山径流带区域；进一步通过钻探、跨孔CT和示踪联通试验等精准查找到矿山Y01特大涌水点岩溶管道的具体位置，在此基础上研究并实施了矿山涌水治理技术与工艺。研究表明：①针对复杂岩溶凹陷式露天矿山大流量、高流速的涌水特征，提出并实施了“非连续帷幕截流+关键通道探查与封堵+止浆垫控流降速”的岩溶矿山涌水综合治理体系。依据岩溶发育的不均匀性，提出了非连续帷幕封堵裂隙型涌水区域的思想；对大流量岩溶管道型集中涌水设计采用止浆垫控流装置，通过控流能有效降低关键过水通道内水流速度，为注浆材料的有效留存沉积和工程的成功封堵提供了重要条件。 ②关键孔联合注浆工艺是岩溶管道型涌水成功封堵的保证，关键孔是指直接揭露岩溶涌水管道或与涌水管道联通性极强并对注浆堵水起主要作用的钻孔。针对矿山Y01岩溶管道型特大涌水精准查找到2个关键孔，均在矿坑南部：一个是距涌水点直线距离约50 m的近距离钻孔（以下简称“近孔”），另一个是距涌水点直线距离约150 m的远距离钻孔（以下简称“远孔”）。现场采用近孔、远孔2个关键孔联合注浆工艺：近孔以粗骨料和自主研发的可控凝结新型材料进行注浆，远孔仅注水泥浆液；近孔粗骨料和新型材料既能降低管道内的水流速度为远孔浆液起到更好的留存沉积作用，又能作为封堵材料起到增强的功能，远孔因其离涌水点距离长、辐射范围广、浆液扩散充分而能确保封堵长度和效果。近孔、远孔协同配合同步注浆是封堵管道型大流量涌水的有效组合工艺。③涌水口止浆垫控流降速装置的合理有效调控，配合关键孔联合注浆工艺的同步实施，进一步确保了注浆浆液的有效快速留存和沉积，是岩溶地区封堵管道型大流量涌水的创新性技术和方法。项目实施后，彻底封堵矿坑内集中涌水量达7.12万m3/d的Y01特大涌水点，实现总减水量8.43万m3/d（含非连续帷幕注浆封堵），保证了矿山的正常安全开采，大幅降低了抽排水费用，同时保护了周边环境和地下水资源，具有显著的经济效益和社会效益。研究成果可为我国矿山涌水灾害治理提供理论价值和经验借鉴。
Abstract:Karst geology is widely distributed in China, and karst water gushing has become a huge disaster and challenge for the safe production of limestone mines. Taking the large-flow water inflow of a karst sunken open pit mine in Guangxi as the research object, aiming at the characteristics of complex geological conditions, large concentrated water inflow and high flow rate of the mine, the karst development characteristics, data analysis and geophysical exploration methods are used to preliminarily delineate the mine runoff zone area and water source. After that, the specific location of the karst pipeline at the Y01 extra-large water gushing point of the mine was accurately found through drilling, cross-hole CT and tracer connection test. On this basis, the mine water gushing treatment technology and process were studied and implemented. The research shows that: ① In view of the characteristics of large flow and high flow rate in complex karst sunken open pit mines, a comprehensive treatment system of water gushing in karst mines is proposed and implemented, which is “discontinuous curtain closure + key channel exploration and plugging + slurry-stopping cushion to control flow and reduce speed.” According to the inhomogeneity of karst development, the idea of discontinuous curtain plugging fissure water gushing area is put forward. A slurry-stopping pad flow control device was designed for the concentrated water inflow of large-flow karst pipelines. The flow control can effectively reduce the flow velocity in the key water passage, which provides an important condition for the effective retention and deposition of grouting materials and the successful plugging of the project. ② The key hole refers to the drilling hole that directly exposes the karst water gushing pipeline or has strong connectivity with the water gushing pipeline and plays a major role in grouting and water plugging. In this paper, two key holes were successfully found for the large water inflow of Y01 karst pipeline type in the mine, both in the south of the mine. One is a short-distance borehole with a linear distance of about 50 meters from the water inflow point, which is referred to as the near hole, and the other is a long-distance borehole with a linear distance of about 150 meters from the water inflow point, which is referred to as the far hole. The simultaneous grouting process of two key holes, near hole and far hole, is adopted in the field. The near hole is mainly grouted with aggregate, and the far hole is only grouted with slurry. The near hole aggregate can not only reduce the water flow in the pipeline, but also play a better role in retaining and depositing the far hole slurry, and can be used as a plugging material to enhance the function. The far hole can ensure the length and effect of plugging due to its wide radiation range and sufficient slurry diffusion. The simultaneous grouting of near hole and far hole is an effective combination process for rapid plugging of large flow water gushing in pipeline. ③ After the implementation of the project, the Y01 super-large water gushing point with a concentrated water inflow of 71 200 m3/d in the mine was completely blocked, and the total water reduction was 84 300 m3/d (including discontinuous curtain grouting plugging), which ensured the normal and safe mining of the mine, greatly reduced the cost of pumping and drainage, and protected the surrounding environment and groundwater resources, with significant economic and social benefits. The research results can provide important theoretical technology and experience for the treatment of water inrush disaster in karst mines in China.
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0. 引 言
我国岩溶地区分布广泛，岩溶面积约占国土总面积的三分之一，在岩溶地区构建地下工程将会遇到很多不良地质问题，其中突水突泥灾害逐渐成为制约地下工程建设发展的瓶颈问题[1]。数据显示，超过50%的地下突涌水问题发生在岩溶地区[2]，给国家和企业造成了巨大的经济损失[3-4]。为了对岩溶地区突涌水问题进行有效治理，国内外学者作了较多的研究。李术才等[5]研究了岩溶地区隧道突涌水机理，张庆松等[6]研究了考虑浆液扩散路径的多孔介质渗透注浆机理，JALALEDDIN等[7]研究了围岩裂隙中注浆浆液的扩散与渗透规律。岩溶矿山涌水注浆一般属动水注浆，近年来动水注浆技术和材料发展较快，一方面通过合理的技术工艺，如矿山深井涌水通过疏水降压、浅部加固和深部截源等技术，较好地解决了深井高水压和一定流速的突涌水封堵治理[8-10]；另一方面为克服动水流速大、注浆材料难以留存的问题，多种新型注浆材料的相继研发，为岩溶突涌水灾害治理提供了有利条件和基础[11-14]。
帷幕注浆作为治理岩溶地区突涌水的主要手段，能够有效减少抽排水带来的地质灾害[15]。杨秀竹等[16]在帷幕钻孔优化布置、帷幕数值模拟等方面做了研究。付士根等[17]探讨了围岩帷幕注浆堵水隔障机理。现场帷幕注浆大都采用连续帷幕方式，河北中关铁矿涌水量达15.03万m3/ d，实施单排全封闭帷幕注浆，治水效果达到80%[18]。安徽黄屯硫铁矿涌水量达10.8万m3/d，采用南、中、西三段帷幕构成全封闭式帷幕，堵水率达到65%以上[19]。内蒙扎尼河露天矿采用全帷幕设计，建造了一条长度近6 000 m的落底截水帷幕，使矿坑涌水量减少60%[20]。连续帷幕能够较好地解决矿山涌水问题，但存在注浆材料消耗大、施工周期长、帷幕造价高的问题[21]。
在岩溶矿山帷幕注浆过程中，岩溶关键过水通道的有效封堵直接决定帷幕注浆的堵水效果，岩溶管道涌水往往流速流量都大而使注浆浆液难以留存，因此必须采取技术措施对涌水进行控流降速。笔者等通过室内模型试验、数值模拟等方法对不同压力水头及出口流量的管道动水流速、压力变化趋势进行了研究，揭示了不同控流条件下管道内动水流速、压力的变化规律[22]。山东巨野矿区龙固立井井筒在通过三灰富水层时，设计采用了控制工作面大水的止浆垫控流装置，实施“分次注浆，逐步降水”的原则，取得良好的治水效果[23-24]。广东凡口铅锌矿在查明岩溶过水通道特征的基础上，通过投注骨料、注入快凝膨胀材料等一次性封堵过水量
6000 m3/d的强动水通道[25]。针对岩溶动水注浆机理和帷幕注浆堵水技术，学者们做了较多的研究和实践，为岩溶涌水治理奠定了基础，但由于岩溶地区尤其是岩溶凹陷式露天矿山涌水，一般范围广、水量大、流速高，对这类涌水课题仍有较多矿山不能有效解决而严重影响生产。结合广西某石灰石矿山大流量涌水治理工程，提出了“非连续帷幕截流+关键通道探查与封堵+止浆垫控流降速”的涌水治理体系。通过多方法物理探测及现场试验，确定关键过水通道；采用非连续帷幕封堵裂隙型过水区域；采用止浆垫控流降速装置配合关键孔联合注浆技术，彻底封堵矿山内特大涌水，对类似工程具有重要的指导意义和借鉴。
1. 工程背景
1.1 工程概况
广西某岩溶凹陷式露天矿山（以下简称“矿山”），是国内典型的岩溶卡斯特地貌，矿山三面环水，南面为浔江，东面为秦川河，北面为无名河。浔江属珠江流域上游主干流，秦川河常年流水，如图1a所示。矿山正常涌水量为20.3万m3/d，最大涌水量32.6万m3/d。其中，矿坑内涌水量达7.12万m3/d的Y01特大涌水点是矿山重大涌水灾害，该处水量大、流速高，如图1b所示。矿山开采范围约333 hm2，采用凹陷式露天开采，多水平、多台段、由上而下的开采方式，矿坑内涌水主要采用疏干排水方式。
矿山长期大量抽排地下水，使周边地下水位不断降低，引发的环境水文地质问题较为突出：造成矿山周围出现较多岩溶地面塌陷，部分农田缺水、房屋损坏，甚至危及人身及财产安全，这些都严重影响了周边生态环境和人们的生产生活。
1.2 涌水构造特征
矿区位于郁江向斜的东翼，整体上地层呈单斜层状，倾向156°～174°，倾角10°～18°，矿区多属覆盖型岩溶，上覆土层厚度一般0.50～17.50 m，下伏为泥盆系中统东岗岭阶灰岩。根据矿山开采资料及现场调研，岩溶地面塌陷和消水洞、溶潭等一般沿近东西和近南北两个方向的破碎带及其构造裂隙发育，因此，矿坑内的涌水点（群）主要呈近东西向、近南北向分布。矿区内构造主要有F1、F2、F3 三条大的断层，矿坑开采揭露沿断层破碎带上分布较多的涌水点，其中Y01特大涌水点就在矿坑内F2断层上，初期揭露时涌水量较小，随着开采的推进逐渐增大。Y01涌水点2015年5月实测为3.32万m3/d，至2016年5月涌水量已达7.12万m3/d，一年涌水量增加3.8万m3/d。根据对矿山开采断层滞后突水渗-流转化机制的研究[26]，可以预测随着矿山开采的扰动，后续涌水量还会继续增大，将对矿山排水和安全造成巨大压力。
1.3 涌水特点分析
本矿山涌水特点：①水文地质极为复杂。岩溶地区特有的喀斯特地貌，裂隙网络错综复杂，溶洞发育强烈，纵横交织，矿坑既有岩溶裂隙型散状涌水又存在岩溶溶洞管道型集中涌水，且关键过水通道探查难度大。②流量大。仅矿坑内需治理的Y01特大集中涌水点流量即达7.12万m3/d。③流速高。集中涌水点出口水流速度高达4 m/s，注浆浆液在高流速的管道动水中难以有效留存。④水源多。矿山三面环水，江河距矿山开采边界均在1 200～1 500 m范围，水源距离近，水量充沛。
1.4 涌水治理原则
按照矿山整体治水安排，本期治水主要针对矿山南部边界Y01特大集中涌水点及附近涌水。根据矿区水文地质条件、岩溶发育特征和矿坑涌水特点，综合提出岩溶地区凹陷式矿山涌水治理体系。基本原则概括为“非连续帷幕截流+关键通道探查与封堵+止浆垫控流降速”。在治理过程中，首先对矿山整体水文地质信息、水源及涌水补、径、排通道进行分析，采用综合地球物理探测和现场勘查圈定富水区域，在此基础上采用钻探、跨孔CT和示踪联通试验等方法确定关键过水通道。其次对圈定的裂隙型过水区域实施非连续帷幕截流，对确定的关键过水通道采用止浆垫控流降速配合关键孔联合注浆技术，从而形成对整个过水区域的完整封堵，以达到有效治理矿山涌水之目的。
2. 岩溶涌水区域勘察体系
2.1 富水区域圈定
综合探查采用由粗到细，由面到线，由线到点的渐进式逐渐缩小范围的勘察原则。采用现场踏勘、资料分析、物探、钻探及联通试验等综合圈定富水区域。①本矿区的岩溶发育形态主要有溶潭、消水洞、塌陷及消水洼地等，地表岩溶形态从一定程度上能体现地下径流的趋势，因此矿区岩溶发育形态、走向等特征，对推断地下涌水径流带分布的大致范围、方向具有重要作用。如矿坑南部一大型岩溶冲沟，后来被证实都在涌水径流带上。②根据已有开采、钻孔资料和开采引起的地表塌陷坑等进行综合分析， 矿山长期抽排地下水会形成以矿坑为中心的降落漏斗，使地下水渗流场产生变化。采用Comsol Multiphysics软件对矿山地下水渗流场及径流带分布进行研究[27]，其矿区渗流场数值模拟结果显示矿坑南部有3条径流带，如图2所示。③在以上研究的基础上，为进一步确定和验证涌水径流带的位置，围绕需治理的Y01特大集中涌水点，采用地球物理探测方法对主要富水区域进行探查。在矿坑南部+28 m及+10 m台段采用高密度电法综合圈定来水方向和过水区域，探测结果表明在+28 m及+10 m两个台段各分别有2处低阻异常区域，能够形成明显的两条径流区域即2号和3号径流带，如图3所示。
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图 3 矿坑南部高密度电法综合圈定来水方向和过水区域三维图Figure 3. Three-dimensional map of incoming water direction and water passing area comprehensively delineated by high-density electrical method in south of mine综上分析，通过物探手段探查的2号和3号两条径流带与②中采用软件分析的结果基本吻合，可以初步断定Y01特大集中涌水点的关键过水通道应该在这两条径流带上或者其中之一，当然这需要进一步的精准探查。
2.2 关键过水通道确定
在矿坑南部圈定了涌水径流带位置后，针对矿坑内需治理的涌水量达7.12万m3/d 的Y01特大集中涌水点，根据经验和综合判断，必然是大的岩溶管道涌水才可形成。Y01特大涌水点位置靠近矿坑东南部，从水质化验结果看，它的水源来自矿坑南部的浔江，又从2.1节的分析初步断定Y01特大涌水点岩溶过水管道位置应该在2号和3号两条径流带上或者其一。但确定的两条径流带宽度均在90～120 m，因此，进一步的是如何从2号和3号两条径流区域宽度范围内具体确定关键过水通道的位置，这是封堵Y01特大涌水点的前提。鉴于岩溶地区复杂的水文地质条件，为精准查找从浔江通往矿坑Y01特大涌水点的关键过水通道，在距Y01特大涌水点20～180 m以南（浔江水源来水侧）的径流带上，即在+28、+10 m台段和通往−5 m台段的斜坡上设计探查钻孔，探孔间距按20 m左右设计，共布置21个钻孔。探孔的作用：①为了作跨孔CT精准勘察；②直接勘察通道；③做示踪剂联通试验之用。探孔作用的综合利用成功查找到矿坑Y01特大涌水关键过水通道的精准位置。
2.2.1 跨孔CT与钻孔探查
通过跨孔CT对钻孔之间区域进行精确探测是探明主要通道的有效手段。例如，图4a为勘察钻孔X7、X10和X14三个钻孔之间的电阻率跨孔CT。
探测结果，从电阻率图像分析看出，X14孔深在−10～−45 m之间存在一定的低阻区域，由于电阻率较低，存在过水通道的可能性较大，并且在孔深−40 m上下出现电阻率密集性改变，初步推断为岩溶过水管道。
进一步从X14钻孔实际揭露岩性看，X14全孔揭露均为灰岩，孔深50 m，其上部10～30 m遇干裂隙，无水；46.1～48.5 m处揭露一溶洞，即溶洞高度2.4 m，含水量大，且水是流动的。通过向孔内注浆，能够很快在Y01涌水点处跑浆，证明具有强联通性，说明揭露的溶洞即为要寻找的岩溶过水管道。根据实际揭露与跨孔CT成果图分析，判定X14孔为穿过岩溶过水管道的钻孔。
通过上述方法，还确定了2号径流带长度方向上+10台段的K2、K3、K10、K19、K21 五个钻孔和+28台段上的20号、21号、25号3个钻孔均与Y01涌水点联通。
2.2.2 联通试验双参数确定关键孔
采用联通试验双参数方法对与Y01涌水点联通的钻孔进行优选，从而找到对注浆堵水起关键作用的钻孔即关键孔。所谓关键孔是指直接揭露岩溶涌水管道或与涌水管道联通性极强并对注浆堵水起主要作用的钻孔。为找到关键孔，对探查钻孔采用联通速率与跑浆浓度2个指标进行联通试验验证。联通速率表示浆液在通道内的运移速率，跑浆浓度则表示联通浆液中每升所含水泥的质量。联通速率能够反映钻孔与关键通道的距离，跑浆浓度则反映钻孔与关键通道相连的通道畅通度。钻孔联通速率及跑浆浓度越大，钻孔与主通道的联系就越密切。因此双参数联通试验能够反映钻孔与出水点联系的密切程度，有利于筛选关键孔。
现场通过观测计算，获得了2号径流带长度方向上与Y01涌水点联通的钻孔双参数，并形成图5钻孔联通速率与跑浆浓度图。从图中得出位于矿坑外边界上的21号孔联通速率为4 m/min，跑浆浓度为19 g/L；位于矿坑内的X14孔联通速率为4.6 m/min，跑浆浓度为21 g/L，此两孔联通速率、跑浆浓度远大于其他钻孔，由此判断该两孔在主要过水通道上或与岩溶涌水通道最为密切，即被确定为注浆封堵的关键孔。在确定了X14和21号孔是与Y01涌水点联系最为密切的两个关键钻孔后，从而也更加精准的确定Y01涌水点关键过水通道的径流方向，即2号径流带方向，如图6a所示。
综上分析，矿坑南部2号径流带以大流量管道型涌水为主，同时伴有裂隙型涌水贯通相连，是矿坑内Y01特大涌水点的补给通道，其强渗流通道的水文地质剖面如图6b所示。矿坑内Y01特大涌水点的补给水源是浔江，浔江至矿坑之间均为岩溶发育区，岩体裂隙、孔隙、溶洞等纵横交错，形成了强大的水力联系网络。其深部有一条以管道型为主并与多裂隙相连的涌水径流通道，在矿坑内−44.6 m标高处与附近F2断层破碎带连通，具备了承压水的涌水条件。最终在矿山开采到断层附近位置时，便在矿坑内形成了大流量、高流速的管道型集中涌水，这就是矿坑内涌水量达7.12万m3/d的Y01特大涌水点的补径排路径和条件。
3. 非连续帷幕封堵
岩溶发育具有不均匀性和各向异性的特点，岩溶岩性、结构、风化及发育程度等决定了其渗透性和隔水能力，致密不发育的石灰岩具有天然的隔水性能[28]。为科学合理封堵岩溶涌水，降低治理成本，本文提出了注浆堵水的非连续帷幕概念。非连续帷幕是相对连续帷幕而言，它是利用岩体透水性的差异，在治水边界上根据岩体的渗透系数大小进行分段帷幕注浆设计：即对于渗透性等级为微透水（渗透系数一般等于或小于10−5 cm/s）的地段不再进行注浆帷幕设计，而是直接利用岩体本身阻水；注浆帷幕设计只针对渗透性等级为弱、中及强透水岩体。这种注浆帷幕设计的理念体现了注浆设计的科学性、针对性、合理性和经济性，尤其在岩体发育极不均一、差异性显著的岩溶地区具有较广的应用基础和条件。
根据以上非连续帷幕注浆思想，对矿山进行了非连续帷幕设计，主要基于：①通过对矿山的综合详细勘察及抽水试验等，发现矿山岩溶渗透系数差异较大。其中治理的矿坑南部两条径流带之间渗透系数小于10−5 cm/s，属于微透水岩体，按《水利水电工程地质勘察规范》（2022年版）中渗透性分级，换算为透水率约在1 Lu左右，达到了《矿山帷幕注浆规范》中对可溶岩帷幕体透水率为3～5 Lu的要求，也就是说矿坑南部两条径流带之间的岩体具备了规范要求的阻水帷幕的透水率标准。②通过前期物探在确定了矿坑2号和3号两条径流带的基础上，进一步沿矿山南部边界（拟设计帷幕线上）进行了补充物探。通过物探结果分析，不仅印证了矿山南部的两个低阻区即涌水径流带，而且明显显示了两个低阻区之间及相应两侧均为高阻区即岩溶不发育区，推断为围岩较完整的隔水区段，如图7a所示。
综上分析，此处条件为非连续帷幕设计奠定了地质基础，因此，两条径流带之间不需再做注浆帷幕，而只对径流带区域进行注浆帷幕堵水设计，如图7b所示。
在确定了以非连续帷幕封堵裂隙型过水区域后，帷幕带厚度是保证帷幕强度和有效阻水的又一重要参数，要求所设计帷幕带在长期高水头情况下保持阻水效果。帷幕的厚度是由注浆材料所容许的渗透比降及帷幕带所承受的最大水头确定[29]。
$$ T = {H \mathord{\left/ {\vphantom {H {{J_0}}}} \right. } {{J_0}}} $$ (1) 式中：T为帷幕注浆厚度，m；H为帷幕可能承受的最大水头差；J0为注浆材料容许的渗透比降，m。
浆液扩散半径可按下列公式计算，此公式主要适用于孔隙率较大的岩层注浆扩散半径计算。
$$ R = \sqrt {\frac{{2kt\left( {{{{\mu _1}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\mu _1}} {{\mu _2}}}} \right. } {{\mu _2}}}} \right)\sqrt {Hr} }}{n}} $$ (2) 式中：k为注浆前岩层渗透系数，cm/s；t为注浆延续时间，s；r为输浆管半径，m；$ {{{\mu _1}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\mu _1}} {{\mu _2}}}} \right. } {{\mu _2}}} $为水与浆液的黏滞系数；H为注浆压力，m，以水头计；n为岩层孔隙率。
通过计算并依据规范、工程经验和钻探资料等，综合考虑取帷幕带注浆扩散半径为6 m，帷幕厚度12 m，钻孔深度70 m。根据确定的径流带宽度，共设置3道阻水帷幕：+28 m台段观景平台帷幕带，总长为95.4 m，施工钻孔11个；+28 m台段冲沟帷幕带，总长为109 m，施工钻孔16个；+10 m台段帷幕带，总长为125 m，施工钻孔23个。如图6a可以看出由于Y01特大涌水点过水通道在2号径流带上，故在此径流带上布置了2条阻水帷幕以加强涌水封堵的效果和质量。
4. 关键过水通道封堵
岩溶关键过水通道是连接水源与集中涌水点之间的溶洞、溶腔和主要裂隙等形成的通路，强岩溶地区集中涌水点关键通道的封堵质量直接影响注浆堵水的效果，甚至决定治水工程的成败。
4.1 止浆垫控流降速装置
关键通道内的流速对注浆封堵效果影响较大，流速较高，封堵材料在关键通道内难以有效留存。因此，在注浆过程中能否控制关键通道内的水流速度成为对其有效封堵的关键因素之一。
为降低关键过水通道中的动水流速以增大封堵材料的留存率，提出了在涌水点出口处构筑止浆垫装置的技术。止浆垫模型如图8a所示，其作用可有效控制涌水点的涌水量，使涌水区由漫流变为可控流，通过控流能有效降低涌水通道内的水流速度，利于注浆材料沉积和有效封堵。现场通过控制止浆垫中引水管的阀门开度(过水断面与阀门总截面积比值)来降低主要过水通道内的流速，需要说明的是具体操作应按阀门开度由大到小依次进行，如图8b所示。
借助数值模拟手段对止浆垫的控流作用进行研究，分析设置止浆垫进行控流前后岩溶管道内的流场变化。模拟岩溶管道长140 m，直径0.8 m，为更加符合工程实际，在管道100 m处形成60°夹角拐弯，进口和出口均为压力边界，改变出口过水面积来模拟阀门开度大小。根据现场实际设定管道进口压力为0.6 MPa，出口阀门开度设定0.25、0.50、0.75和1.00四种工况进行模拟，其中阀门开度为1时相当于未对出水点控流的情况。从模拟的管道流速云图看出，不同阀门开度下的孔口流速云图变化较大，即开度越小，孔口流速越大，如图9所示。在管道中轴线上每隔10 m取一测点，得到岩溶管道内的压力与流速变化规律，如图10所示。从图中可知，管内的压力总体是随着流体流动而逐渐降低，且在管道拐弯处压力降幅增大；管道阀门开度越小，其沿程降压幅度越小，对阀门造成的压力也就越大。对流速而言，阀门开度对管道内流速具有十分显著的影响，即开度越小，管内流速越小；4种开度下管道拐弯处均存在流速先减小后增大的趋势，开度越大这种现象越明显，但各种情况下管道中轴线各点流速变化较小，且这种变化随着开度减小而减小。
通过数值模拟研究表明，合理调节止浆垫阀门开度能有效控制管道内水流速度，相较于阀门开度为1.00的情况，开度为0.75、0.50、0.25的水流速度分别降低27.6%，51.7%和77.6%；同时开度越小意味着孔口需承受压力越大，阀门开度为1.00时，流体自由流出，其相对压力为0，开度为0.75、0.50、0.25分别承受入口压力的41.3%，70.8%和91.7%，由此可见，止浆垫控流降速装置可实现对出水点流量的控制，能够有效降低岩溶管道内的水流速度，从而提高注浆浆液的留存率。同时为了防止阀门处压力过大而受到损坏，采用加强阀门出口处的强度和限制开度最小值来保证止浆垫的正常安全使用。
结合数值模拟分析结果和实际工况，设计了现场Y01特大涌水点涌水口钢筋混凝土止浆垫装置，尺寸为8 m×8 m×(0.8～1.8) m，止浆垫内预留3根带阀门直径为310 mm的引水管，将涌水点的涌水全部由引水管排出，再通过引水管阀门的调节来实现涌水量的可调可控，以降低关键通道内的涌水流速，提高封堵材料的留存率和封堵效果。
4.2 骨料灌注降速机理
骨料灌注是治理岩溶管道大流量涌水的有效方法，骨料灌注本身具有自身留存率大，可起到将涌水由径流变为渗流的作用，为注浆材料更好的留存和凝结提供条件。为了探究骨料灌注的降速机理，对浆液在骨料中的渗透扩散进行一定的简化，将浆液在骨料孔隙与裂隙中的流动，视作在众多管径一致的毛细圆管中流动，并作如下假设：①骨料填充均质且具有各向同性；②浆液在扩散过程中不受重力影响且不考虑渗滤作用；③浆液在骨料中的流速较小且保持层流状态扩散；④不考虑毛细管中水压的作用。
注浆材料大多为宾汉姆流体特征的浆液，其黏度具有时变性，流变方程[30]为：
$$ \tau = {\tau _0} + {\mu _0}{{\mathrm{e}}^{kt}}\left( { - \frac{{{\text{d}}v}}{{{\text{d}}r}}} \right) $$ (3) 式中：$ \tau $为剪切应力；$ {\tau _0} $为屈服应力；$ {\mu _0} $为初始黏度值；k为黏度时变系数；t为注浆时间；$ {{ - {\text{d}}v} \mathord{\left/ {\vphantom {{ - {\text{d}}v} {{\text{d}}r}}} \right. } {{\text{d}}r}} $为剪切速率。
设毛细圆管的半径为r0，毛细圆管中取圆柱形微元体进行研究[30-31]，其底面半径为r，长度为dL，如图11所示对其进行力学分析得到：
$$ \pi {r^2}\left( {{p_{\mathrm{g}}} + {\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}} \right) + 2\pi r{\text{d}}L \cdot \tau = \pi {r^2}{p_{\mathrm{g}}} $$ (4) 由式(7)解得:
$$ \tau = - \frac{r}{2}\frac{{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}}}{{{\text{d}}L}} $$ (5) 从式(5)可以看出毛细管内径向距离r越小，所受的剪切应力$ \tau $就越小，在毛细管中心轴附近时，$ \tau $接近于0。当$ \tau \leqslant {\tau _0} $时，存在一个流域$ 0 \leqslant r \leqslant {r_{\mathrm{p}}} $，流体不受剪切应力影响，邻层流体速度一致，定为$ {v_{\mathrm{p}}} $；当$ {r_p} \leqslant r \leqslant {r_0} $时，邻层流体之间发生相对运动。当$ \tau = {\tau _0} $时，由式(5)得到$ {r_{\mathrm{p}}} $的表达式为：
$$ {r_{\mathrm{p}}} = \frac{{2{\tau _0}}}{{\left( { - \dfrac{{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}}}{{{\text{d}}L}}} \right)}} $$ (6) 联立式(3)和式(6)得到微分方程并积分，根据边界条件$ r = {r_0} $，$ v = 0 $，得到圆管中微元体$ {r_{\mathrm{p}}} \leqslant r \leqslant {r_0} $区间内某一点的流速为：
$$ v = \frac{1}{{{\mu _0}{{\mathrm{e}}^{kt}}}}\left[ {\frac{{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}}}{{{\text{4d}}L}}\left( {{r^2} - r_0^2} \right) + {\tau _0}\left( {r - {r_0}} \right)} \right] $$ (7) 由式(7)得$ 0 \leqslant r \leqslant {r_{\mathrm{p}}} $区间内某一点的流速为：
$$ {v_{\mathrm{p}}} = \frac{1}{{{\mu _0}{{\mathrm{e}}^{kt}}}}\left[ {\frac{{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}}}{{{\text{4d}}L}}\left( {{r_{\mathrm{p}}^2} - r_0^2} \right) + {\tau _0}\left( {{r_{\mathrm{p}}} - {r_0}} \right)} \right] $$ (8) 毛细圆管的平均速度表示为：
$$ \bar v = \frac{q}{{\pi r_0^2}} = \frac{{\pi r_{\mathrm{p}}^2{v_{\mathrm{p}}} + \int_{{r_{\mathrm{p}}}}^{{r_0}} {2{\text{π}} rv{\text{d}}r} }}{{{\text{π}} r_0^2}} $$ (9) 将式(6)、式(7)与式(8)代入式(9)中，该毛细圆管的平均速度为：
$$ \bar v = \frac{{r_0^2}}{{8{\mu _0}{{\mathrm{e}}^{kt}}}}\left( { - \frac{{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}}}{{{\text{d}}L}}} \right)\left[ {1 - \frac{4}{3}\left( {\frac{{2{{{\tau _0}} / {{r_0}}}}}{{{{ - {\text{d}}p} / {{\text{d}}L}}}}} \right) + \frac{1}{3}{{\left( {\frac{{2{{{\tau _0}} / {{r_0}}}}}{{{{ - {\text{d}}p} / {{\text{d}}L}}}}} \right)}^4}} \right] $$ (10) 对于宾汉姆流体来说，启动压力梯度表示为：
$$ {\lambda _0} = - \frac{{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}}}{{{\text{d}}L}} = \frac{{2{\tau _0}}}{{{r_0}}} $$ (11) 根据 Dupuit-Forchheimer 关系式$ V = \phi \bar v $，得到渗流速度为：
$$ V = \frac{{r_0^2\phi }}{{8{\mu _0}{{\mathrm{e}}^{kt}}}}\left( { - \frac{{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}}}{{{\text{d}}L}}} \right)\left[ {1 - \frac{4}{3}\left( {\frac{{{\lambda _0}}}{{{{ - {\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}} / {{\text{d}}L}}}}} \right) + \frac{1}{3}{{\left( {\frac{{{\lambda _0}}}{{{{ - {\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}} / {{\text{d}}L}}}}} \right)}^4}} \right] $$ (12) 当浆液受到注浆压力的作用下，则有$ - {{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}}/ {{\text{d}}L}} $远大于$ {\lambda _0} $，此时$ {\left( {\dfrac{{ - {\lambda _0}}}{{{{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}} / {{\text{d}}L}}}}} \right)^4} $可以忽略不计，再将式(11)代入消除$ {\lambda _0} $，于是式(12)变为：
$$ V = \frac{{r_0^2\phi }}{{8{\mu _0}{{\mathrm{e}}^{kt}}}}\left( { - \frac{{{\text{d}}{p_g}}}{{{\text{d}}L}} - \frac{8}{3}\frac{{{\tau _0}}}{{{r_0}}}} \right) $$ (13) 式中，V为渗流速度；$ {r_0} $为毛细管管径；$ \phi $为灌注骨料孔隙率；$ {\mu _0}{{\mathrm{e}}^{kt}} $为时变型浆液黏度；$ - {{{\text{d}}{p_{\mathrm{g}}}} / {{\text{d}}L}} $为压力梯度。
由式(13)可以看出在其他条件一定时，渗流速度V与管径$ {r_0} $成正比，管径增大到一定程度，渗流变成通道流，流速达到相对最大。由此可见灌注骨料可将通道流变成渗流，能有效降低涌水径流速度，为浆液留存沉积提供有利条件。
4.3 联合注浆封堵
骨料灌注降速机理，为关键孔联合注浆封堵提供了依据，关键孔联合注浆封堵是岩溶管道型涌水成功封堵的保证。针对矿山Y01岩溶管道型特大涌水成功找到两个关键孔，均在矿坑南部：一个是距涌水点直线距离约50 m相对较近的X14钻孔（以下简称近孔），另一个是距涌水点直线距离约150 m相对较远的21号钻孔（以下简称远孔）。现场采用近孔、远孔两个关键孔联合注浆工艺：①近孔灌注膨胀性粗骨料和自主研发的可控凝结新材料，以增大封堵材料在通道内的团聚效果，起到截流阻水和增大材料留存率的作用；同时粗骨料又能作为封堵材料起到增加封堵强度的功能。②远孔仅注水泥浆液，所注浆液通过远距离的运移能够增加在岩溶管道及裂隙内的留存率，远孔因其路径长、辐射范围广、浆液扩散充分而能确保封堵长度和效果。③近孔、远孔协同联合注浆，辅以涌水口止浆垫装置控流降速调控配合，进一步确保了注浆浆液的有效留存和沉积，是实现Y01特大涌水点快速彻底封堵的有效组合技术工艺。
5. 水文监测及封堵效果
水文观测孔与矿坑内涌水密切相连，其水位的监测能体现地下涌水的动态变化，更能直接反映矿山注浆堵水的效果。
5.1 水文监测
为验证注浆堵水效果，在矿坑帷幕外侧设置了2个水文监测孔，帷幕内侧设置了一个水文监测孔，分别监测帷幕内外水位的动态变化。帷幕外的2个水文监测孔分别是+28 m台段的24号孔，和距帷幕外更远的ZK4号孔；帷幕内的水文监测孔为矿坑内+10 m台段的K10号孔。封堵前后其水位变化如图12a所示，由图可知，总体变化是随着注浆封堵的进行，帷幕外侧的水位逐渐升高，帷幕内侧的水位逐渐降低。当Y01涌水点实现彻底封堵后，帷幕内外侧水位变化明显，帷幕外侧的水位观测孔24号孔和ZK4号孔分别升高，最大值为4.0 m和3.0 m，帷幕内侧的K10号孔水位最大降幅为2.0 m，帷幕内外水位最大高差达6.0 m，充分体现了注浆堵水的良好效果。
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图 12 观测孔水位及涌水点流速变化Figure 12. Observation hole water level and water inflow point velocity variation同时，整个联合注浆过程中，在止浆垫控流装置上对其中一个正常打开的阀门进行水流速度实时监测，以对注浆效果起到检验的同时更好地指导注浆工作。监测结果如图12b所示，从监测曲线看出，随着联合注浆作用的逐渐显现，涌水口的水流速度、流量逐渐减小直至最后停流，这说明关键通道的封堵在整个涌水封堵工程中是极为重要。现场实践证明对关键通道的联合注浆是彻底成功封堵Y01特大涌水点的关键所在。
5.2 封堵效果评价
该工程注浆堵水共设置3条非连续帷幕带，和一条Y01特大涌水点关键过水通道的注浆封堵，截流矿山南部2号、3号两条径流带，实现总减水量8.43万m3/d，其中封堵Y01管道型特大涌水7.12万m3/d，3条非连续帷幕封堵裂隙型涌水1.31万m3/d 。从封堵比例看，一条关键过水通道的封堵水量占总减水量的85%，3条非连续帷幕注浆封堵水量占15% ，可以看出，在岩溶矿山涌水中管道型涌水（含大裂隙型涌水）占比是主要的，也是治理的重中之重。因此，岩溶地区治水要首先重点考虑对关键过水通道的探查与封堵。
岩溶矿山水文地质情况一般都非常复杂，而关键过水通道一般在米级及以下尺寸，与开拓开采的大范围矿山比起来如大海捞针。这就要求对岩溶矿山要高度重视地质调查、物探、钻探和示踪试验等多方法综合探测和相互印证，采取逐渐缩小范围的渐进式勘察方式。查找关键过水通道并及时封堵，就等于抓住了岩溶矿山涌水治理的主要矛盾和关键点。
6. 结 论
1) 利用地面岩溶发育特征、工程资料分析与地球物理探查等方法初步圈定矿山径流带区域，确定矿山地下径流水源。在此基础上通过钻探、跨孔CT和示踪联通试验进一步查找到矿山南部Y01特大涌水点岩溶过水管道的精准位置，为矿山大流量涌水的成功治理提供了基础条件。
2) 针对复杂岩溶凹陷式露天矿山大流量、高流速的涌水特征，提出并实施了“非连续帷幕截流+关键通道探查与封堵+止浆垫控流降速”的岩溶凹陷式矿山涌水治理技术体系。根据岩溶发育的不均匀性，提出了非连续帷幕封堵裂隙型涌水区域的方案；对大流量岩溶管道集中涌水治理设计了止浆垫控流装置，通过控流有效降低了关键过水通道内水流速度，为注浆材料的有效留存沉积和工程的封堵效果提供了重要手段。
3)关键孔联合注浆工艺是岩溶管道涌水成功封堵的保证。本次Y01岩溶管道型特大涌水成功查找到X14孔和21号孔2个关键孔，并采用距涌水点距离较近的X14孔和较远的21号孔2个关键孔联合注浆技术工艺：近孔以膨胀性粗骨料和自主研发的可控凝结新型材料进行注浆，远孔仅注水泥浆液；近孔粗骨料和新型材料既能阻止降低管道内的水流速度为远孔浆液起到有效的留存作用，又作为封堵材料起到增强的功能，远孔长距离、大范围浆液辐射确保了封堵长度和浆液充分扩散的效果。近孔、远孔协同配合同步注浆是快速封堵管道型大流量涌水的有效组合技术工艺。
4) 工程注浆堵水共设置3条非连续帷幕带和一条关键过水通道的注浆封堵，实现总减水量8.43万m3/d，其中封堵关键过水通道涌水7.12万m3/d，占总减水量的85%；3条帷幕带封堵涌水1.31万m3/d占比15%。从封堵比例看，管道型涌水占比是主要的，也是治理的重中之重。因此，在岩溶地区查找到关键过水通道并及时封堵，对矿山治水将起到事半功倍的效果。
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图 3 矿坑南部高密度电法综合圈定来水方向和过水区域三维图
Figure 3. Three-dimensional map of incoming water direction and water passing area comprehensively delineated by high-density electrical method in south of mine
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