大溶洞堵水湖泥固化膏浆注浆成墙技术及机理研究
内容简介
矿山开采过程中，特别是对于岩溶矿山，地下水是经常必须解决的问题，如若处治不当极易导致开采过程中突水、突泥等灾害问题。工程上常采用注浆帷幕方式处治岩溶地下水。然而，溶洞体积过大时，传统的注浆帷幕处理过程中，浆液流失严重，注浆量大，成本高，且难以取得好的堵水效果。为此，本文以城门山铜矿开采区为工程背景，为处治开采区存在大溶洞的工程状况，结合当地广泛分布的湖泥，提出了一种注浆帷幕成墙新技术，研制了以湖泥为主的膏浆浆液，测定了湖泥固化膏浆的关键性能参数，探究了固化膏浆的强度增长规律，定量分析了湖泥固化膏浆的注浆参数和注浆形状间的相互关系，提出了矿区大溶洞注浆帷幕工程设计方案，得到了一种大溶洞治水新技术及其浆液选型、注浆参数等。本文的主要研究内容和结论如下：
（1）基于现场调研，分析了城门山铜矿的水文地质条件及矿山不同开采阶段地下水防治的特点。针对性地提出了大溶洞湖泥固化膏浆注浆成墙技术，并进行了可行性分析。根据区内地质资料及矿区开采涌排水调查情况，对存在大溶洞的情况下，分析了湖泥固化膏浆注浆成墙技术的关键参数：注浆墙体塑性强度达到2 MPa，且止水有效厚度大于6 m的帷幕墙，满足抵抗200 m水头差的封堵需求。
（2）配制了以湖泥为主体的固化膏浆，固化膏浆由湖泥-水泥-增稠剂-早强剂等按比例配置而成。通过室内试验测试了膏浆塑性强度、初终凝时间等方面的性质，建立了固化膏浆性能评价体系：为保证湖泥固化膏浆应用效果，湖泥基浆的密度一般应大于1.2 g/cm3，最高不应超过1.45 g/cm3；使用塑性强度作为关键参数来确定膏浆的配比，更能保证在浆液在注浆墙体的成型效果；膏浆固化过程中，膏浆体系的早期塑性强度值主要取决于基浆密度，后期强度主要由水泥掺量决定。
（3）通过模型试验和数值模拟揭示了湖泥膏浆注浆成墙效果控制机制：膏浆注浆过程中，初期的塑性强度决定帷幕墙的堆砌形状，后期强度决定了帷幕墙的整体稳定性；浆液初始塑性强度低于20 kPa可以满足注浆泵送的要求，塑性强度大于500 Pa可形成较稳定墙体；建立了膏浆水下注浆控制机制，认为初期出浆口的流速直接影响浆液在水下分散的效果，出浆口的流速较大则容易分散，控制注浆初期出浆口的流速可保证膏浆水下抗分散能力，避免浆液与水交界面剧烈的相对运动引起的浆液稀释作用，能有效减少了浆液的损失和消耗量。基于研究成果，提出现场注浆成墙施工过程中宜通过调节早强剂掺量、出浆口高度、合适的浆液泵送压力等方法保证注浆成墙的效果。
（4）基于湖泥固化膏浆室内流变试验结果，提出当膏浆密度大于等于1.25 g/cm3时，可选用Herschel-Bulkley模型描述膏浆的流变性，并确定了不同配比膏浆的流变本构参数。基于Herschel-Bulkley流变本构模型，推导了湖泥固化膏浆的流动方程及成型控制表达式。基于球形扩散理论，构建了膏浆注浆阶段性控制方程，对膏浆注浆成墙过程的动力学规律进行了研究，并提出了湖泥固化膏浆注浆成墙三阶段理论。
（5）基于理论分析和数值模拟，对静水压力下墙体应力及稳定性进行了分析，对墙体渗流稳定性进行了研究。结合城门山大溶洞特点，设计了大溶洞注浆成墙技术方案：对钻孔布置进行了分析，提出了大溶洞注浆浆液配比设计和性能调控分析方法，并对注浆成墙工艺设计及注浆质量检测与控制进行了研究。
作者简介
目录
第1章 绪论 / 1
1.1 研究背景和意义 / 1
1.2 岩溶矿山地下水防治注浆技术研究现状 / 2
1.2.1 矿山岩溶注浆材料及浆液性质 / 2
1.2.2 矿山岩溶处治技术 / 4
1.2.3 矿山岩溶注浆理论 / 4
1.2.4 存在的主要问题及分析 / 7
1.3 研究内容与研究方法 / 7
1.3.1 研究内容与方法 / 7
1.3.2 技术路线 / 8
第2章 城门山铜矿岩溶特征分析及大溶洞注浆堵水新技术 / 10
2.1 城门山铜矿水文地质特点分析 / 10
2.1.1 矿区地质条件及分析 / 10
2.1.2 水文地质条件 / 12
2.2 矿山岩溶发育特征分析 / 13
2.2.1 地表揭露断层破碎带 / 13
2.2.2 三期勘察结果分析 / 14
2.2.3 矿区岩溶发育特征 / 16
2.3 城门山铜矿大溶洞处治新方案探索及可行性分析 / 17
2.3.1 岩溶溶洞注浆成墙新方法探索 / 17
2.3.2 注浆帷幕墙可行性分析 / 19
2.4 本章小结 / 22
第3章 湖泥资源化再利用固化膏浆研发及调控机制 / 23
3.1 湖泥样品采集及粒度和成分测试分析 / 23
3.1.1 湖泥样品的粒度组成 / 25
3.1.2 湖泥样品的矿物组成 / 25
3.2 湖泥基浆密度与黏度相关性研究 / 26
3.2.1 湖泥基浆的制备与性能 / 26
3.2.2 湖泥固化浆液的配制及测试 / 28
3.3 湖泥固化膏浆研发及性能测试 / 32
3.3.1 湖泥基浆性能调节试验 / 33
3.3.2 湖泥固化膏浆研发和配制 / 34
3.3.3 湖泥固化膏浆性能测试 / 34
3.3.4 浆液选材标准及最优配合比的确定 / 47
3.4 湖泥固化膏浆塑性形状与抗水冲刷试验 / 48
3.4.1 浆液配比选择与试验步骤 / 48
3.4.2 塑性形状试验测试结果与分析 / 48
3.4.3 膏浆坍落度注浆形状试验结果与分析 / 50
3.4.4 抗水冲刷测试结果与分析 / 53
3.5 本章小结 / 54
第4章 湖泥固化膏浆成形模拟及特征 / 56
4.1 注浆试验装置研发 / 56
4.2 湖泥固化膏浆泵送成形特征 / 60
4.2.1 膏浆注浆试验 / 60
4.2.2 膏浆注浆形态试验分析 / 63
4.2.3 湖泥-固化膏浆水下注浆试验 / 64
4.3 湖泥可控膏浆多排成墙注浆试验 / 69
4.3.1 自重注浆成墙试验 / 69
4.3.2 空气中注浆挤压成墙试验 / 70
4.3.3 水下弱充填物成墙注浆试验 / 76
4.4 膏浆墙的注浆成型过程分析 / 79
4.4.1 模型的建立 / 79
4.4.2 注浆成墙过程的模拟结果 / 80
4.5 本章小结 / 83
第5章 湖泥固化膏浆成墙控制机理 / 84
5.1 湖泥固化膏浆的流变特性 / 84
5.1.1 浆液流变理论 / 84
5.1.2 不同密度湖泥固化膏浆的流变特性 / 85
5.1.3 湖泥固化膏浆的管道内运动分析 / 90
5.2 湖泥固化膏浆的挤压扩散模型 / 92
5.2.1 湖泥固化膏浆浆体球形塑性扩散研究 / 92
5.2.2 湖泥固化膏浆成柱形状研究 / 94
5.3 注浆成墙三阶段理论研究 / 95
5.3.1 物理模型 / 95
5.3.2 数学模型 / 96
5.4 本章小结 / 97
第6章 膏浆注浆成墙稳定性分析及工艺设计 / 99
6.1 膏浆墙稳定性分析 / 99
6.1.1 静水压力下膏浆墙的应力及稳定性分析 / 99
6.1.2 膏浆墙渗流稳定性分析 / 103
6.2 大溶洞湖泥固化膏浆注浆成墙工艺分析与研究 / 107
6.2.1 钻孔布置与整体帷幕的相关关系分析 / 108
6.2.2 大溶洞注浆浆液配比设计和性能调控分析 / 109
6.2.3 注浆成墙工艺设计研究 / 110
6.2.4 注浆质量检测与控制研究 / 110
6.3 本章小结 / 111
第7章 结论与展望 / 112
7.1 结论 / 112
7.3 展望 / 113
前言
随着矿山的持续开采，面临更深更复杂地质环境下的开采，地下水诱发的地质灾害的情况越来越多。尤其是我国南方岩溶矿山，面对极为发育的岩溶裂隙、溶洞等不良地质构造，由于岩溶发育形态各异、大小不定，难以有效识别，水力联系通畅，水动力条件多变，致灾性强，因此地下水防治是岩溶矿山防灾处治的重点之一。无论是突水、突泥，还是丰水期爆发式增长的水量等，均会对工程造成经济损失甚至安全灾难。如山东某金矿由于矿坑排水引起周围大规模地面多处塌陷，河道枯水期断流等情况，为处治矿坑涌水，花费上千万进行帷幕灌浆。随着开采深度的加大，开发出更经济、更安全的地下水控制技术非常重要。
目前，注浆帷幕是解决矿山建设和地下工程中地下水防治问题最为有效的手段。但注浆工程的隐蔽性和不确定性，导致注浆施工过程难以被准确地控制，浆液扩散范围难以被定量评估。究其本质，是注浆实施过程对浆液的流变特性、浆液在水介质环境中的动力学模型、注浆参数对浆液在地下运移的影响等认识不清造成的，导致岩溶注浆治理方案制定及注浆工艺选择上缺乏新的有效的技术手段和针对性措施，造成大量人力、物力、财力的浪费，甚至导致注浆堵水工作失败。
在城门山铜矿矿区，由于大部分的矿体位于赛城湖以下，矿山开采需要进行大量的湖泥剥离工作。根据有关科研人员的前期研究成果，湖泥主要矿物成分是粘性土、石英等。利用湖泥配制的湖泥固化浆液，在城门山铜矿半工业试验和二期帷幕注浆工程中得到了使用，证实湖泥固化浆液和改性湖泥固化浆液能很好地解决裂隙地层地下水防治问题。在此过程中，关于浆液性质和固结机理也取得了不少新的认识。湖泥作为防渗堵漏材料的主要成分，在浆液中掺量占比高，充分体现了其细粒组分优越的防渗能力。
在城门山铜矿三期建设的可行性研究阶段，结合初步勘察报告及前期地质资料，发现在矿区西部较大范围内存在大溶洞分布，对此，在城门山铜矿多年来的地下水防治工程实践成果下，充分利用废弃湖泥，开发出一种即满足三期建设对地下水防治的整体要求，又更安全经济的大溶洞地下水防治技术具有重要的理论意义和工程应用价值。
本文拟对废弃湖泥进行资源化利用，研制湖泥固化膏浆，基于对湖泥固化膏浆流变特性及扩散性能的研究，结合该区域岩溶特征及地下水流动规律，进行矿山大溶洞注浆成墙机制及试验研究，并进一步开发出适用于大溶洞的、经济安全的湖泥固化膏浆注浆成墙技术。
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