矿山帷幕注浆是在地下水径流通道处通过注浆形成一定尺寸和范围的帷幕墙体，人为改变水文地质条件和进水边界，实现对地下水的拦截或封堵，从而达到矿产资源安全回采和含水层水资源保护的双重目的[1-3]。在我国，自20世纪60年代青山泉煤矿建造了第1条矿区截流帷幕，经过多年发展，帷幕截流技术广泛应用于矿区水资源保护和矿产资源回采问题[4]，如在大红山铁矿、水口山铅锌矿、冬瓜山铜矿、吴庄铁矿、莱新铁矿、济钢张马屯铁矿、中关铁矿等矿山中得到应用，取得良好的经济效益和社会效益[5]。
注浆帷幕墙体隐藏于地下，具有典型的隐蔽工程特点，致使帷幕墙体建造的位置选定，墙体尺寸、注浆材料、注浆参数选取，注浆效果检验等方面存在较大盲目性，现阶段许多矿山帷幕墙体截流率普遍不高。国内诸多学者也进行了相关深入研究和探索。文献[6]针对中关铁矿帷幕注浆工程采用单位透水率变化曲线、离散性分析、检查孔检验结果分析及观测孔水位观测资料等手段对单排孔帷幕注浆参数选取和注浆施工结果进行分析和研究;文献[7]分析了陕北张家峁井田所采用的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等帷幕注浆技术;文献[8]提出一种基于帷幕区水文地质分析、帷幕钻孔资料分析、放水试验、瞬变电磁探测和连通试验等方法的帷幕薄弱区综合分析方法;文献[9-11]针对施工结束后采用注浆信息分析和地球物理探测等方法对帷幕墙体建造质量进行评价;文献[12]分析了帷幕注浆技术的特点、分类、影响因素以及在大水矿山中的应用现状,介绍了近几年帷幕注浆的成功案例、帷幕注浆监测、检验技术;文献[13]针对云南某水患矿山分析了深埋井巷内成功实施的“鱼刺型”钻孔改性黏土浆帷幕注浆试验工程。
上述相关研究主要针对埋深较浅或者规模较小的帷幕墙体，缺少对受注地层细观特征的深入分析和表征，而对于埋深较大的高水压地层，岩层微小的孔隙、裂隙对岩层失稳突水起到重要影响[14-15]。而在岩石力学领域，冯子军[16]、康志勤[17]、杨仁树[18]、宫伟力[19]等学者运用显微CT扫描技术研究了煤岩微观结构特征以及煤岩裂隙发育几何参数，因此利用显微CT扫描技术分析受注层位岩石孔、裂隙发育特征、分布特征和几何参数能够从细观角度为注浆材料选取和注浆参数设计提供依据。另外，已有帷幕墙体均采用传统地面垂直钻孔或井下倾斜钻孔注浆工艺，钻探进尺大、成本高、揭露孔隙裂隙率低、有效注浆段小[20-21]。而随着矿山开采深度和强度的不断增加，帷幕墙体建造规模增大，墙体所承受的内外水压差增大，长距离帷幕导致传统钻探施工成本增加。因此，如何降低钻探进尺、提高帷幕注浆细微孔隙裂隙充填率、保证帷幕墙体最小安全厚度是大型帷幕墙体面临的急需解决的关键问题。
笔者针对某矿采用垂直钻孔和定向钻孔相结合的注浆钻孔布置方式建造大型帷幕截流工程，利用显微CT扫描和水文地质结构系统分析的方法研究受注地层岩体宏细观特征，分析帷幕墙体建造地层的受注条件;采用理论分析、数值计算和资料分析等手段，结合受注地层条件，系统研究帷幕墙体建造位置、墙体最小安全厚度、注浆压力、垂直钻孔和水平定向钻孔相结合的注浆钻孔布置方式、注浆材料及其适用性等内容，并利用钻孔取芯、放水试验、钻屑组分研判等方法对注浆效果进行了检验。
1 工程概况
某矿区位于宿东向斜的北段，四周多为石炭系、奥陶系灰岩，井田东北部分布有侏罗系砾岩含水层，是该矿区的第5含水层(组)(俗称五含)，该层砾石主要成分为石灰岩及少量的砂岩和变质岩，钙质胶结为主，次为泥质、砂质胶结，岩溶发育。“五含”与第4含水层(组)及煤系地层均为不整合接触，属山麓洪积相沉积，砾石成分以灰岩较多，主要为灰岩碎块，砾径0.2～7.0 cm，分选差，胶结物为紫红色泥岩。井田北部受塔桥断层影响，使下盘“五含”成为孤立块段，覆盖面积约9 km2，其中井田范围内为2.8 km2(图1)。
“五含”地层大面积压覆于煤系地层、太灰及奥灰含水层之上，呈角度不整合接触关系，岩溶发育，与太灰、奥灰等含水层具有较强水力联系(图2)。据统计，“五含”下伏8煤层煤炭资源总储量约1 800万t，探明可采储量约1 000万t，煤层开采过程中，“五含”地下水和参与补给的太灰和奥灰含水层地下水可通过各类导水通道进入矿井造成水害，致使该区域压滞大量煤炭资源。而该区域太灰和奥灰含水层是当地重要的生活和工业用水水源，采用常规含水层疏水降压开采该部分煤炭势必造成大量水资源浪费。因此，基于施工难度和成本、水资源保护、煤炭资源安全回采等方面考虑，设计采用“五含”帷幕注浆、局部疏干开采的方式进行，以保证在煤炭资源安全回采的同时最大限度的保护含水层水资源。
图1 “五含”地层分布示意
Fig.1 Schematic diagram of the “five-inclusive” stratigraphic relationship and hydraulic linkage
图2 各含水层结构关系剖面示意
Fig.2 Structural relationship profile of each aquifer
2 受注地层细观特征
2.1 显微CT技术原理及设备
CT技术的成像原理[22]为利用X射线穿过一定厚度的材料时其强度会产生一定程度的衰减(图3)，衰减规律可表示为
I=I0e-μL
(1)
其中,I0为入射X射线强度;I为出射X射线强度;L为材料厚度;μ为材料的线性衰减系数，其大小与材料密度和组成元素相对原子质量等因素有关。当X射线穿透岩芯后，探测器接收透过该材料的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字信号，输入计算机处理。本实验采用nanoVoxel-4000系列X射线三维显微镜，最高精度可到500 nm，采用双探测器设计方案，可以显著提高成像的放大倍率及精度。
图3 nanoVoxel-4000型CT机原理示意
Fig.3 Schematic diagram of nanoVoxel-4000 CT
2.2 试验材料及试验方法
利用显微CT技术对注浆地层岩芯进行扫描实验，试验样品均取自注浆区域岩层，岩性为角砾岩，高度16 cm，直径5.3 cm，CT扫描分辨率为30 μm左右。
2.3 试验结果
2.3.1 岩体孔隙率、裂隙率
通过对岩样进行显微CT扫描，获得其物质结构数据，利用可视化软件AVIZO对扫描数据进行重构分析，获得XY,YZ,XZ方向切片图，统计分析切片图中孔隙、裂隙、矿物等不同物质的灰度值，通过设定试样孔隙、裂隙属性灰度阈值对切片图进行孔隙、裂隙筛分，从而获得单张切片图及被测岩体试样整体的裂隙、孔隙占比。图4为角砾岩试样的三维重构图和XY,YZ,XZ方向切片图。
通过统计角砾岩切片图的灰度值，可对岩体CT扫描切片上的孔隙、裂缝以及矿物等发育特征进行表征。如图4所示，可清晰观察到岩体中尺度较大的裂隙及孔隙，但灰度图像中较小裂隙难以直接观察出，需选择合理方法进行分割，由于试样中孔隙、裂隙与岩体灰度值相差较大，因此采用阈值分割法进行处理。提取角砾岩切片，根据灰度差异，设定分割阈值提取出样品中的孔隙、裂缝(图5)。经对裂隙孔隙提取后得到孔隙、裂缝体积占单个切面样品总体积的0.62%。
图4 角砾岩切面
Fig.4 Cutaway of breccia
图5 角砾岩切片原生裂缝渲染
Fig.5 Breccia slice native crack rendering
利用可视化软件可计算每个切面裂缝所占像素个数，同时计算出每个切片样品像素个数，两者比值即为该切片的裂隙率，从而可以统计出Z方向逐层切片裂隙率，观察裂隙率的变化特点。由图6可知，裂隙率主要在0.25%～2.80%内变化，大部分切片裂隙率主要分布在0.25%～0.50%，约占73.8%，其余部分集中在0.5%～2.8%，约占26.2%。
图6 角砾岩逐层切片裂隙率变化曲线
Fig.6 Breccia rock layer-by-layer fracture rate curve
图7 角砾岩孔隙、裂隙三维展示
Fig.7 Three-dimensional display of breccia pores and fissures
2.3.2 岩体裂隙、孔隙几何参数
对提取的孔隙、裂隙进行球形度计算，一般定义球形度<0.3的为裂缝、>0.3的为孔隙，利用该定义对孔隙和裂缝进行筛分，如图7所示，其中裂缝为红色，孔隙为蓝色，并且得到裂隙体积占样品体积的0.24%，孔隙体积占样品体积的0.38%。
为分别获得孔隙、裂隙的几何参数，对提取出的角砾岩孔隙和裂隙进行进一步标记筛分。对于不规则的孔隙可采用等效直径对其尺寸进行描述，等效直径(Deq)是将不规则的孔隙等效为一个规则的球体[23]，计算公式为
(2)
单个孔隙体积(V)可利用图像后处理软件基于像素个数及分辨率计算得出(图8)，从而对角砾岩三维展示图进行筛分得到不同等效直径区间的孔隙占比(表1)，通过孔隙等效直径数量统计数据可知，孔隙以等效直径≤200 μm为主;但从体积分数来看，等效直径主要以200 μm<Deq≤500 μm为主，高达32.27%。
图8 角砾岩孔隙、裂隙标记三维展示
Fig.8 Three-dimensional display of breccia pores and fissures
表1 角砾岩不同等效直径区间的孔隙个数及体积分数
Table 1 Number of pores and volume fraction of different equivalent diameter intervals of breccia
孔隙等效直径(Deq)区间/μm数量/个所占总孔隙的体积分数/%Deq≤6052 5634.4160
岩体裂隙的提取、筛分是通过对标记裂隙进行定量统计，计算裂隙的体积、面积、长度、宽度。体积和面积是根据像素个数及分辨率计算，长度和宽度分别为弗雷特直径的最大值和最小值,费雷特直径[24]为描述不规则颗粒大小的常用参数，其定义为经过该颗粒中心任意方向的直径。裂隙按照宽度分类可分为闭合裂隙(<0.2 mm)、微张裂隙(0.2～1.0 mm)、中张裂隙(1.0～5.0 mm;)宽张裂隙(5.0～10.0 mm);特宽张裂隙(>10 mm)[25]，而角砾岩裂隙中体积占比最大为中张裂隙，其均值为2 009.61 μm，其次为宽张裂隙，均值为7 601.96 μm。
2.3.3 渗流模拟
考虑重力的影响，展开了微观岩体孔隙结构单向及多向情况下的低压水渗流数值模拟，得到了微观尺度下岩体孔隙渗流的压力、速度、渗透率等重要参数的演化规律，为注浆参数选择和数值分析提供依据。利用AVIZO FIRE软件中的渗流模拟模块，依据达西定律，模拟计算流体在样品中的流动情况，通过设置边界条件，输入输出压强以及流体黏度等，模拟计算样品的渗透率，具体计算原理[26]为
Q=KΔPA/(μL)
(3)
式中，Q为单位时间内流体通过岩石的流量，m3/s;A为液体通过岩石的截面积，m2;μ为液体的黏度，Pa·s;L为岩石的长度，m;ΔP为液体通过岩石前后的压差，Pa;K为绝对渗透率，m2。
以角砾岩为例，设定输入压力0.13 MPa，输出压力0.1 MPa，黏度为0.001 Pa·s。由于整个样品裂缝并不连通，通过对原生裂缝的局部截取部分的连通性进行判断，它在Z方向是连通的，利用AVIZO FIRE软件对它做渗流模拟分析，并测得渗透率为4.071×10-12 m2。图9为角砾岩Z方向渗流模拟示意。
图9 角砾岩Z轴方向渗流模拟
Fig.9 Seepage simulation of breccia in the Z-axis direction
3 受注地层宏观特征
分析受注地层的水文地质结构特征及其补、径、排特征是进行帷幕墙体设计的基础，也是确保帷幕墙体能够对地下水形成有效拦截的关键。笔者针对帷幕墙体建造所在的“五含”地层，从宏观角度进行分析其发育特征及水文地质条件，为帷幕墙体设计提供支撑和依据。
3.1 受注地层“五含”厚度变化特征
经本矿井钻孔资料揭露，“五含”厚度上的变化，在井田范围主要受古基岩面形态及后期剥蚀影响，浅部和西部四含五含直覆区，厚度自0 m逐渐增加直至五含顶板界线，此后厚度基本稳定，延展至深部和东部边界逐渐变薄和尖灭，南部厚度明显变薄，约为15～35 m。剥蚀面大致与8煤层平行，倾向东北，倾角15～25°，厚度0～102 m，平均55 m，底板标高-212.85～-345.39 m，平均-242.96 m。据“五含”地层等厚线图(图10):在“四含”与“五含”直接覆盖区边界线以西，“五含”上覆砂岩北剥蚀，形成“五含”和“四含”直接接触，在此地带，“五含”厚度为0～60 m，是“四含”、“五含”互相联系最密切的地带。
图10 “五含”地层等厚线
Fig.10 Thickness contour of “five bearing”strata
3.2 受注地层“五含”岩溶发育特征
“五含”中砾石以灰岩为主，钙、泥质胶结，岩溶较为发育，但不均匀，发育程度主要与岩性、断裂构造及埋藏深度有密切关系。从岩性上看，地层中下部主要为灰色砾岩，砾岩成分以灰岩为主且胶结物相应减少，灰岩砾石块度大，密度增加，岩溶发育;其次是“四含”、“五含”直接接触带，由于风化溶蚀作用，形成风化溶隙和溶洞;同时在断裂构造附近岩性破碎，如在F25断层两侧岩溶较发育，钻进中断层附近的钻孔漏失严重。
根据“五含”覆盖区32个钻孔资料统计分析，发育岩溶类型包括溶洞、溶孔和裂隙，钻孔(I-I3孔)揭露最大溶洞直径达16 m，一般以0.2～1.0 m的溶洞最为常见。在-350 m以浅岩溶发育率为8.82%～13.12%，在-350 m以深岩溶发育明显减少，岩溶发育率只有0.83%～4.50%(表2);表3为钻孔岩溶能见率统计，岩溶能见率随深度增加而逐渐减小;根据钻孔岩洞统计(表4)，-350 m标高以浅地层岩溶发育尺寸较大，直径分布在1～16 m，-350 m标高以深地层岩溶发育尺寸在1 m以下，从侧面反映出岩溶发育的垂向不均一性特征。根据钻孔“五含”砾岩层漏水资料统计(表5)，钻孔漏失点大部分在-350 m以浅，表明-350 m以浅的“五含”地层渗透性相对-350 m以深较好。
表2 “五含”地层线岩溶率统计
Table 2 Statistical table of karst rate of “five inclusions” stratigraphic line
标高/m累计砾岩厚度/m累计溶洞长度/m平均线岩溶率/%-300以上 801.8570.768.82-300～-350168.9122.1613.12-350～-400121.761.010.83-400以下 136.026.224.57
表3 “五含”地层钻孔岩溶能见率统计
Table 3 Statistical table of karst drilling rate in “five inclusions” formation is presented
标高/m穿过钻孔/个见岩溶孔/个岩溶能见率/%-270以上241771-270～-3509667-350～-4005360-400以下5240
表4 “五含”地层钻孔岩洞直径统计
Table 4 Statistical table of hole diameter in “five contained” strata
溶洞直径/m穿过钻孔/个直径范围/m溶洞底板标高/m≥10316～10-235.0～-310.610～1.0145.7～1.0-233.3～-446.41.0～0.2230.9～0.2-221.0～-384.7
表5 “五含”砾岩漏失情况统计
Table 5 Statistical table for leakage of “five containing” conglomerate
孔号漏失量/(m3·h-1)水位埋深/m漏失孔深/m漏失标高/mDZ11547.40295.70-270.20DZ30.1～0.642.63476.87-451.37 416.80-391.30DZ4930.55430.76-405.26 451.52-426.02DZ51548.48372.00-346.60J11141.82246.40-220.70
4 基于岩层宏细观特征的帷幕保水方案
4.1 帷幕墙体建造位置
为保证帷幕墙体建造效率和可靠性，墙体应该避免在具有大规模动水补给条件的位置建造，以增加动水渗流路径、降低水力坡度，从而降低大规模动水对帷幕墙体的影响。奥灰含水层为强含水层，富水性极好，具有充足动水补给，因此帷幕墙体平面展布位置应尽量远离奥灰含水层露头线。同时，为降低成本，缩短帷幕墙长度，帷幕墙体应该尽可能靠近10煤露头线但不影响8煤正常开采，缩小帷幕墙体疏降侧“五含”地层面积。因此，选取在10煤露头线与太灰顶界面或者8煤露头线之间，并且为避免墙体受8煤层开采扰动，保证距离8煤露头线平均间距为不小于150 m。
帷幕墙体要实现截流功能，要从墙体上下左右等各个方位对地下水进行拦截，即要封堵主要径流通道，又要防止绕流补给。因此，帷幕剖面位置应选择在“五含”层位连续、厚度稳定的地段，以满足墙体顶、底处于稳定的相对隔水层中。根据地层结构，帷幕墙体顶部位于“五含”顶砂岩相对隔水段，底部位于煤系地层砂泥岩互层中的相对隔水段，从而形成“顶底有界”防止墙体顶、底绕流的封闭的阻水墙体。另外，结合地质构造条件，帷幕墙应尽量避开断层布置，尤其将“五含”切割的大断层，如果无法避免，在断层处应该加密钻孔、增加注浆量，切断断层与“五含”之间的水力联系，确保墙体稳定。
因此，为防止地下水绕流现象，帷幕墙体上、下外扩进入相对隔水层15 m，平均为60 m;帷幕墙体左右切断“五含”地层边界，设计展布长度约为3.13 km(图11)。
图11 帷幕墙体位置平面展布示意
Fig.11 Plane layout of curtain wall position
4.2 帷幕墙体建造的钻孔工艺
根据“五含”地层赋存的高度及厚度，灵活选用钻孔施工工艺。由于定向钻孔过程中“二开”定向造斜段要求地层具有较大埋深，因此“五含”地层发育在-300 m以浅位置采用常规垂直钻孔;“五含”地层发育在-300～-400 m位置采用普通定向钻孔;-400 m以深采用水平孔。
根据施工工艺和平面展布位置，将帷幕墙体分为北线墙体和东线墙体两部分。其中北线墙体均位于“五含”浅部段(“五含”底板基本上位于-350 m以浅)，该区域钻孔施工工艺可分为常规直孔和浅部顺层孔。直孔段位于“四含”、“五含”直接接触带及“五含”底板约-340 m标高以浅;浅部顺层孔段位于北线终点附近，“四含”、“五含”之间存在隔水层，“五含”顶、底板位于-350～-380 m。东线墙体可分为浅部段和深部段，浅部段(埋深-380 m以浅)位于东线南侧，采用浅部顺层孔;深部段(埋深-380 m以深)采用水平孔。因此，帷幕墙体设计建造剖面如图12所示。
图12 帷幕墙体设计建造剖面
Fig.12 Design and construction section of curtain wall
4.3 帷幕墙体厚度和钻孔间距
建造帷幕墙体的目的是实现对地下水径流通道的封堵，从而拦截来自墙体一侧各方向的地下水。而由于悬挂式帷幕墙体具有一定埋深，致使在墙体一侧，尤其帷幕墙体底部，承受了一定的水头压力，因此，为保证帷幕墙体长期有效，需对帷幕墙体厚度进行确定和分析。根据《矿山帷幕注浆规范》，对于可溶岩地层中帷幕墙体厚度不宜小于10 m，但并未给出帷幕墙体厚度的计算表达式。根据文献[27]，帷幕墙体厚度可用式(4)估算:
(4)
式中，δ为帷幕墙体厚度，m;H为帷幕墙体上游承受水头，m;h为帷幕墙体下游承受水头，m;Jφ为帷幕墙体允许渗流梯度;Kφ为帷幕墙体渗透系数，m/s;K0为帷幕地层渗透系数。
帷幕墙体建造目标是实现帷幕墙体85%的截流效果，可认为降低85%的帷幕地层的渗透性，因此可知Kφ/K0为0.15;帷幕注浆是在岩层空隙中充填浆液，形成结石体，因此根据文献[28]，Jφ选取为60;另外，根据帷幕墙体建造的深度可知其墙体内外水位最大高差为400 m。将上述参数代入式(4)计算可得帷幕墙体厚度最小值为7.84 m。
合理的钻孔间距是保证帷幕墙体最小厚度，实现帷幕墙体建造目的的关键。由于受注地层中孔隙、裂隙、溶洞等发育不均一，钻孔间距过大，容易造成钻孔间地层中不联通的孔隙、裂隙、溶洞等无法充填浆液，致使墙体产生缺口;钻孔间距过小，施工成本过高、周期过长。相关文献采用浆液扩散距离对钻孔间距进行计算，笔者认为钻孔间距主要应该考虑注浆层位的裂隙连通性情况，浆液扩散距离是浆液在注浆泵的高压推送下的运移距离，在孔隙、裂隙连通性较好时，浆液扩散可沿联通裂隙一直运移，直到推送压力小于静水压力与管壁摩阻之和，因此在注浆泵额定工作能力一定的情况下，浆液扩散距离是由裂隙延展长度决定。
因此，为保证实现帷幕墙体最小安全厚度，结合施工成本和效率考虑，设置钻孔间距为帷幕墙体最小安全厚度的2倍。直孔的孔间距为20 m，两排交错布孔，每80 m设置一个检查孔;水平钻孔并排布置，水平段交错布置，每个水平孔的分支孔上下间距为20 m，每组孔各布置1个延伸到对侧末端的检查加固孔(图13)。
图13 垂直钻孔和定向钻孔间距平面布置
Fig.13 Plane layout of vertical and directional borehole spacing
4.4 注浆材料及浆液配比适用性
注浆材料和浆液配比是保证帷幕墙体建造质量、控制注浆过程的关键参数。不同受注地层孔隙、裂隙发育的几何参数不同，而注浆材料粒径分布不同，因此，在注浆过程中两者需要相互选择、匹配，实现最大空隙充填率;不同配比浆液物理力学性质不同，对其进行适用性分析对保证帷幕墙体强度具有重要意义。由于该帷幕墙体建造规模大，注浆量大，基于环保和成本考虑，注浆材料主要采用水泥和粉煤灰。
(1)注浆材料可注性
采用激光粒度分析仪对试验用硅酸盐水泥和粉煤灰进行颗粒粒度分析，可得2种材料粒径分布特征(图14)。
图14 原材料粒径分布
Fig.14 Material particle size distribution
由图14可以看出，复合硅酸盐水泥中3～32 μm颗粒含量约占62.55%;粉煤灰的颗粒粒径主要集中在10～250 μm，约占88%。一般裂隙岩体注浆过程中，岩层裂隙开度应大于注浆材料最大颗粒直径的3倍以上，即b≥3D，即满足水泥颗粒灌注的裂隙开度应大于96 μm、满足粉煤灰颗粒灌注的裂隙开度应大于750 μm。结合孔隙等效直径区间以及裂隙发育情况(表1)，水泥颗粒较小，能够充填微小尺寸孔隙、裂隙，因此，可满足体积占比为86.77%的微小尺寸孔隙充填以及微张、中张、宽张等裂隙充填;粉煤灰颗粒相对较大，能够满足部分孔隙、裂隙充填，但无法对微小尺寸孔隙、裂隙进行充填，孔隙可充填体积约为23.56%，裂隙可对中张和宽张裂隙以及少部分微张裂隙充填。因此，在满足裂隙开度要求时，对于裂隙开度较小岩层的升压注浆阶段，须采用纯水泥浆液，充填微小裂隙。对于岩溶发育的孔洞，注浆可掺入颗粒较大的粉煤灰进行无压充填灌注，减少水泥量，降低注浆成本。
(2)浆液配合比适用性
为保证有效封堵及加固岩层，注浆结石体应满足帷幕墙体最大承受水压要求。根据帷幕墙体内外墙水压差及其埋深，墙体最大承受水压为4 MPa。笔者针对水固比为0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0的水泥浆液;水固比为0.6,0.8,1.0,2.0,3.0，粉煤灰掺量20%,30%,40%,50%,60%的水泥-粉煤灰浆液进行了抗折强度和抗压强度等物理力学性质试验。因此，根据水泥浆液、水泥-粉煤灰浆液强度性能，综合筛选出符合上述指标要求的浆液配合比，具体见表6。
表6 适用性浆液配合比
Table 6 Applicable slurry mix ratio
浆液种类浆液配比参数水固比粉煤灰掺量/%水泥浆液0.6,0.7,0.8,0.902.020水泥-粉煤灰浆液1.0200.8200.620,30
4.5 注浆压力
注浆压力是推动浆液扩散、克服流动阻力、驱替地下水的动力，是保证注浆效果的重要抓手和控制参数。因此，合理选择注浆压力对帷幕墙体建造质量起到关键作用。笔者基于帷幕墙体建造工况采用数值分析方法对帷幕墙体建造中的注浆压力进行分析计算，以得到保证帷幕墙体建造尺寸的合理注浆压力。
利用COMSOL数值模拟软件建立单一水平裂隙浆液扩散数值计算模型，计算参数和工况见表7,8。通过对不同注浆压力下浆液扩散距离模拟计算，得到不同注浆压力下浆液沿裂隙方向(横向)和垂直裂隙方向(纵向)扩散距离随时间变化特征曲线(图15)。
表7 数值计算参数
Table 7 Numerical calculation parameter
水泥浆液水灰比浆液密度/(kg·m-3)浆液黏度/(Pa·s-1)水的密度/(kg·m-3)水的黏度/(Pa·s-1)岩体孔隙率/%1∶11 4600.097 21 0000.00120
表8 计算工况参数
Table 8 Calculated operating parameters
水泥浆液水灰比注浆压力/MPa静水压力/MPa介质渗透率/m20.8∶14,5,62,34.071×10-12
图15 不同注浆压力浆液纵横向扩散距离随时间变化曲线[29]
Fig.15 Time-dependent curves of grout longitudinal and transv- erse diffusion distance under different grouting pressure[29]
从图15可以看出，浆液纵向和横向的扩散距离随注浆时间的增加逐渐增大，并趋于稳定。其中，浆液纵向扩散范围达到约10 m处趋于稳定，横向方向约16 m处趋于稳定，横向和纵向扩散范围均可保证帷幕墙体建造的最小安全厚度，但横纵向浆液扩散距离的增长率随着注浆压力的增大而增大，因此，为了提高注浆效率，结合浆液凝结时间，可采用5～6 MPa的注浆终结压力，期间根据压力变化过程可采用多孔跳注和间歇注浆等工艺。
5 帷幕注浆效果评价
注浆效果检验是保证帷幕墙体建造质量的重要环节。因此，笔者从分析检查孔岩屑水泥含量、浆液结石体物理力学性质和放水试验过程中帷幕墙体内外水位变化等方面得到浆液扩散范围、结石体强度和截流效果等信息，综合评价帷幕墙体建造效果，从而保证帷幕墙体建造质量满足设计标准。
(1)浆液扩散范围检验
每组水平钻孔各布置1个延伸到对侧孔组末端的检查加固分支孔，通过检查加固分支孔中钻取的岩屑成分和钻井液漏失情况，分析水泥结石体占比和孔隙、裂隙充填率，进而判断水平分支孔间的20 m范围的浆液扩散情况和注浆效果，并根据情况进行2次补强加固，以保证浆液扩散范围。
(2)结石体强度
帷幕墙体建造设计中，垂直钻孔段每隔80 m施工一个检查钻孔，检查钻孔一般在前期注浆孔施工完毕后进行施工，起到检验和补强加固作用。因此通过施工检查钻孔可以揭露部分前期注浆形成的浆液结石体，通过对结石体进行室内物理力学性质试验，可分析判断注浆效果。试验结果表明:结石体干燥状态下无侧限单轴抗压强度为21.3 MPa，饱和状态下为11.2 MPa，图16为结石体试样干燥和饱和状态无侧限抗压强度破坏状态，饱和状态下试样较干燥状态下表现出塑性变形，说明水对其物理力学性质有明显降低作用。
图16 结石体干燥和饱和无侧限压缩强度试验
Fig.16 Drying and saturated unconstrained compressive strength test of stones
该帷幕建设要求墙体最小抵抗4 MPa水压，而保水状态下的结石体强度为11.2 MPa，完全满足水压差强度要求，而且该结石体试样是在大空洞岩溶介质中低压灌注充填注浆形成的浆液结石体，而对于在尺度较小的裂隙和孔隙岩体介质中注浆，浆液是在高压条件下被挤入，水泥浆液分子颗粒在压力作用下间距变小、水分子析出，从而提高了结石体强度。因此，在含有较小尺度的孔隙、裂隙岩体岩体中注浆形成的结石体强度比在空洞岩溶介质中无压条件下充填灌注形成的结石体强度更高，结合上述结石体试验力学试验结果可判断帷幕墙体完全能够抵抗墙体内外侧水压差，帷幕注浆形成的墙体强度效果良好。
(3)截流效果检验
帷幕墙体建造的最终目的是要对含水层径流通道进行拦截和封堵，因此墙体截流效果是检验帷幕墙体建造成功与否的关键指标，而抽、放水试验是检验截流效果最为直接有效的方法[21]。
放水试验采用井下放水、井上钻孔水位观测的方法，监测记录放水期间帷幕墙体内外“五含”观测孔水位标高，通过对比墙体内外观测孔“五含”水位变化情况，可以对比得到墙体的帷幕截流效果。图17为帷幕墙体内外“五含”水位观测孔放水期间变化曲线，可看出在放水期间墙内外观测孔“五含”水位出现明显差别，墙内观测孔水位降落明显，墙外观测孔水位基本稳定，且墙内观测孔在放水结束后水位维持降落位置，没有恢复，说明帷幕墙切断了“五含”及其他含水层对墙内部分的补给，起到了良好的帷幕截流效果。
图17 放水期间“五含”观测孔水位变化曲线
Fig.17 Water level variation curves of “five contained” observation hole during discharge
另外，帷幕墙体设计截流率是85%，地下水由墙外到墙内的残余水量为300 m3/h，而放水试验阶段“五含”水位降至-230 m时帷幕墙残余水量小于170 m3/h。根据该矿在1993年的放水试验成果:降深约100 m时，“五含”放水量约为700 m3/h，水位降至-230 m时降深约为180 m。据此可推算该阶段“五含”建墙之前的水量约为1 260 m3/h，从而得到“五含”水位降至-230 m时实际截流率不低于86.51%。根据文献[30]中利用数值模拟对“五含”水位降至-350 m时的水量和截流率预测计算，可得当“五含”水位降至-350 m时的截流率为95.26%。综上，帷幕墙体截流率高，效果良好。
6 结 论
(1)利用显微CT扫描对受注地层岩芯进行扫描分析，提取孔隙、裂隙几何参数，得到孔隙在数量上以等效直径≤200 μm为主，在体积上等效直径主要以200 μm<Deq≤500 μm为主，高达32.27%;裂隙中体积占比最大为中张裂隙，其均值为2 009.61 μm，其次为宽张裂隙，均值为7 601.96 μm;渗透率为4.071×10-12 m2。
(2)结合注浆材料粒径分布特征和受注介质细观特征，得到对于开度较小的裂隙，须采用纯水泥浆液，对于岩溶发育的孔洞，可掺入粉煤灰进行无压充填灌注，配合比为0.6,0.7,0.8,0.9的水泥浆液、水固比分别为2.0,1.0,0.8,0.6和对应粉煤灰掺量分别为20%,20%,20%,20%和30%的水泥-粉煤灰浆液均能够满足建造要求。
(3)根据理论计算和数值分析分别得到帷幕注浆最小安全厚度为7.84 m，因此采用钻孔间距20 m设计，并且直孔采用两排交错布孔，每80 m设置一个检查孔;水平钻孔并排布置，水平段交错布置，每个水平孔的分支孔上下间距为20 m。
(4)利用钻取岩屑成分特征、钻孔取芯和放水试验对帷幕墙体建造质量进行分析检验。得到浆液扩散范围满足安全厚度要求;浆液结石体饱和抗压强度为11.2 MPa;墙体内外水位差7 d达到140 m、截流率不低于86.51%，墙体截流效果显著，达到设计目标和要求。
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