巖溶凹陷式露天礦山大流量涌水治理技術

李海燕 ，夏茂哲 ，張 錕 ，張 波 ，孫懷鳳 ，趙國東 ，韓俊飛 ，劉功杰 ，賀恩磊

（1.山東大學 巖土與結構工程研究中心, 山東 濟南 250061；2.山東大學 土建與水利學院, 山東 濟南 250061；3.華潤水泥廣西控股運營部， 廣西 南寧 530000）

0 引 言

我國巖溶地區分布廣泛，巖溶面積約占國土總面積的三分之一，在巖溶地區構建地下工程將會遇到很多不良地質問題，其中突水突泥災害逐漸成為制約地下工程建設發展的瓶頸問題[1]。數據顯示，超過50%的地下突涌水問題發生在巖溶地區[2]，給國家和企業造成了巨大的經濟損失[3-4]。為了對巖溶地區突涌水問題進行有效治理，國內外學者作了較多的研究。李術才等[5]研究了巖溶地區隧道突涌水機理，張慶松等[6]研究了考慮漿液擴散路徑的多孔介質滲透注漿機理，JALALEDDIN 等[7]研究了圍巖裂隙中注漿漿液的擴散與滲透規律。巖溶礦山涌水注漿一般屬動水注漿，近年來動水注漿技術和材料發展較快，一方面通過合理的技術工藝，如礦山深井涌水通過疏水降壓、淺部加固和深部截源等技術，較好地解決了深井高水壓和一定流速的突涌水封堵治理[8-10]；另一方面為克服動水流速大、注漿材料難以留存的問題，多種新型注漿材料的相繼研發，為巖溶突涌水災害治理提供了有利條件和基礎[11-14]。

帷幕注漿作為治理巖溶地區突涌水的主要手段，能夠有效減少抽排水帶來的地質災害[15]。楊秀竹等[16]在帷幕鉆孔優化布置、帷幕數值模擬等方面做了研究。付士根等[17]探討了圍巖帷幕注漿堵水隔障機理?，F場帷幕注漿大都采用連續帷幕方式，河北中關鐵礦涌水量達15.03 萬m3/ d，實施單排全封閉帷幕注漿，治水效果達到80%[18]。安徽黃屯硫鐵礦涌水量達10.8 萬m3/d，采用南、中、西三段帷幕構成全封閉式帷幕，堵水率達到65%以上[19]。內蒙扎尼河露天礦采用全帷幕設計，建造了一條長度近6 000 m 的落底截水帷幕，使礦坑涌水量減少60%[20]。連續帷幕能夠較好地解決礦山涌水問題，但存在注漿材料消耗大、施工周期長、帷幕造價高的問題[21]。

在巖溶礦山帷幕注漿過程中，巖溶關鍵過水通道的有效封堵直接決定帷幕注漿的堵水效果，巖溶管道涌水往往流速流量都大而使注漿漿液難以留存，因此必須采取技術措施對涌水進行控流降速。筆者等通過室內模型試驗、數值模擬等方法對不同壓力水頭及出口流量的管道動水流速、壓力變化趨勢進行了研究，揭示了不同控流條件下管道內動水流速、壓力的變化規律[22]。山東巨野礦區龍固立井井筒在通過三灰富水層時，設計采用了控制工作面大水的止漿墊控流裝置，實施“分次注漿，逐步降水”的原則，取得良好的治水效果[23-24]。廣東凡口鉛鋅礦在查明巖溶過水通道特征的基礎上，通過投注骨料、注入快凝膨脹材料等一次性封堵過水量6 000 m3/d 的強動水通道[25]。

針對巖溶動水注漿機理和帷幕注漿堵水技術，學者們做了較多的研究和實踐，為巖溶涌水治理奠定了基礎，但由于巖溶地區尤其是巖溶凹陷式露天礦山涌水，一般范圍廣、水量大、流速高，對這類涌水課題仍有較多礦山不能有效解決而嚴重影響生產。結合廣西某石灰石礦山大流量涌水治理工程，提出了“非連續帷幕截流+關鍵通道探查與封堵+止漿墊控流降速”的涌水治理體系。通過多方法物理探測及現場試驗，確定關鍵過水通道；采用非連續帷幕封堵裂隙型過水區域；采用止漿墊控流降速裝置配合關鍵孔聯合注漿技術，徹底封堵礦山內特大涌水，對類似工程具有重要的指導意義和借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣西某巖溶凹陷式露天礦山（以下簡稱“礦山”），是國內典型的巖溶卡斯特地貌，礦山三面環水，南面為潯江，東面為秦川河，北面為無名河。潯江屬珠江流域上游主干流，秦川河常年流水，如圖1a 所示。礦山正常涌水量為20.3 萬m3/d，最大涌水量32.6 萬m3/d。其中，礦坑內涌水量達7.12 萬m3/d 的Y01 特大涌水點是礦山重大涌水災害，該處水量大、流速高，如圖1b所示。礦山開采范圍約333 hm2，采用凹陷式露天開采，多水平、多臺段、由上而下的開采方式，礦坑內涌水主要采用疏干排水方式。

圖1 礦山位置及涌水圖Fig.1 Mine location and water inrush map

礦山長期大量抽排地下水，使周邊地下水位不斷降低，引發的環境水文地質問題較為突出：造成礦山周圍出現較多巖溶地面塌陷，部分農田缺水、房屋損壞，甚至危及人身及財產安全，這些都嚴重影響了周邊生態環境和人們的生產生活。

1.2 涌水構造特征

礦區位于郁江向斜的東翼，整體上地層呈單斜層狀，傾向156°～174°，傾角10°～18°，礦區多屬覆蓋型巖溶，上覆土層厚度一般0.50～17.50 m，下伏為泥盆系中統東崗嶺階灰巖。根據礦山開采資料及現場調研，巖溶地面塌陷和消水洞、溶潭等一般沿近東西和近南北兩個方向的破碎帶及其構造裂隙發育，因此，礦坑內的涌水點（群）主要呈近東西向、近南北向分布。礦區內構造主要有F1、F2、F3 三 條大的斷層，礦坑開采揭露沿斷層破碎帶上分布較多的涌水點，其中Y01 特大涌水點就在礦坑內F2 斷層上，初期揭露時涌水量較小，隨著開采的推進逐漸增大。Y01 涌水點2015 年5 月實測為3.32 萬m3/d，至2016 年5 月涌水量已達7.12 萬m3/d，一年涌水量增加3.8 萬m3/d。根據對礦山開采斷層滯后突水滲-流轉化機制的研究[26]，可以預測隨著礦山開采的擾動，后續涌水量還會繼續增大，將對礦山排水和安全造成巨大壓力。

1.3 涌水特點分析

本礦山涌水特點：①水文地質極為復雜。巖溶地區特有的喀斯特地貌，裂隙網絡錯綜復雜，溶洞發育強烈，縱橫交織，礦坑既有巖溶裂隙型散狀涌水又存在巖溶溶洞管道型集中涌水，且關鍵過水通道探查難度大。②流量大。僅礦坑內需治理的Y01 特大集中涌水點流量即達7.12 萬m3/d。③流速高。集中涌水點出口水流速度高達4 m/s，注漿漿液在高流速的管道動水中難以有效留存。④水源多。礦山三面環水，江河距礦山開采邊界均在1 200～1 500 m 范圍，水源距離近，水量充沛。

1.4 涌水治理原則

按照礦山整體治水安排，本期治水主要針對礦山南部邊界Y01 特大集中涌水點及附近涌水。根據礦區水文地質條件、巖溶發育特征和礦坑涌水特點，綜合提出巖溶地區凹陷式礦山涌水治理體系?；驹瓌t概括為“非連續帷幕截流+關鍵通道探查與封堵+止漿墊控流降速”。在治理過程中，首先對礦山整體水文地質信息、水源及涌水補、徑、排通道進行分析，采用綜合地球物理探測和現場勘查圈定富水區域，在此基礎上采用鉆探、跨孔CT 和示蹤聯通試驗等方法確定關鍵過水通道。其次對圈定的裂隙型過水區域實施非連續帷幕截流，對確定的關鍵過水通道采用止漿墊控流降速配合關鍵孔聯合注漿技術，從而形成對整個過水區域的完整封堵，以達到有效治理礦山涌水之目的。

2 巖溶涌水區域勘察體系

2.1 富水區域圈定

綜合探查采用由粗到細，由面到線，由線到點的漸進式逐漸縮小范圍的勘察原則。采用現場踏勘、資料分析、物探、鉆探及聯通試驗等綜合圈定富水區域。①本礦區的巖溶發育形態主要有溶潭、消水洞、塌陷及消水洼地等，地表巖溶形態從一定程度上能體現地下徑流的趨勢，因此礦區巖溶發育形態、走向等特征，對推斷地下涌水徑流帶分布的大致范圍、方向具有重要作用。如礦坑南部一大型巖溶沖溝，后來被證實都在涌水徑流帶上。②根據已有開采、鉆孔資料和開采引起的地表塌陷坑等進行綜合分析，礦山長期抽排地下水會形成以礦坑為中心的降落漏斗，使地下水滲流場產生變化。采用Comsol Multiphysics 軟件對礦山地下水滲流場及徑流帶分布進行研究[27]，其礦區滲流場數值模擬結果顯示礦坑南部有3 條徑流帶，如圖2 所示。③在以上研究的基礎上，為進一步確定和驗證涌水徑流帶的位置，圍繞需治理的Y01 特大集中涌水點，采用地球物理探測方法對主要富水區域進行探查。在礦坑南部+28 m及+10 m 臺段采用高密度電法綜合圈定來水方向和過水區域，探測結果表明在+28 m 及+10 m 兩個臺段各分別有2 處低阻異常區域，能夠形成明顯的兩條徑流區域即2 號和3 號徑流帶，如圖3 所示。

圖2 礦坑南部推測徑流帶位置[27]Fig.2 Speculated runoff location map in south of mine[27]

圖3 礦坑南部高密度電法綜合圈定來水方向和過水區域三維圖Fig.3 Three-dimensional map of incoming water direction and water passing area comprehensively delineated by high-density electrical method in south of mine

綜上分析，通過物探手段探查的2 號和3 號兩條徑流帶與②中采用軟件分析的結果基本吻合，可以初步斷定Y01 特大集中涌水點的關鍵過水通道應該在這兩條徑流帶上或者其中之一，當然這需要進一步的精準探查。

2.2 關鍵過水通道確定

在礦坑南部圈定了涌水徑流帶位置后，針對礦坑內需治理的涌水量達7.12 萬m3/d 的Y01 特大集中涌水點，根據經驗和綜合判斷，必然是大的巖溶管道涌水才可形成。Y01 特大涌水點位置靠近礦坑東南部，從水質化驗結果看，它的水源來自礦坑南部的潯江，又從2.1 節的分析初步斷定Y01 特大涌水點巖溶過水管道位置應該在2 號和3 號兩條徑流帶上或者其一。但確定的兩條徑流帶寬度均在90～120 m，因此，進一步的是如何從2 號和3 號兩條徑流區域寬度范圍內具體確定關鍵過水通道的位置，這是封堵Y01 特大涌水點的前提。鑒于巖溶地區復雜的水文地質條件，為精準查找從潯江通往礦坑Y01 特大涌水點的關鍵過水通道，在距Y01 特大涌水點20～180 m 以南（潯江水源來水側）的徑流帶上，即在+28、+10 m 臺段和通往-5 m 臺段的斜坡上設計探查鉆孔，探孔間距按20 m 左右設計，共布置21 個鉆孔。探孔的作用：①為了作跨孔CT 精準勘察；②直接勘察通道；③做示蹤劑聯通試驗之用。探孔作用的綜合利用成功查找到礦坑Y01 特大涌水關鍵過水通道的精準位置。

2.2.1 跨孔CT 與鉆孔探查

通過跨孔CT 對鉆孔之間區域進行精確探測是探明主要通道的有效手段。例如，圖4a 為勘察鉆孔X7、X10 和X14 三個鉆孔之間的電阻率跨孔CT。

圖4 鉆孔跨孔CT 成果Fig.4 Borehole cross-hole CT results

探測結果，從電阻率圖像分析看出，X14 孔深在-10～-45 m 之間存在一定的低阻區域，由于電阻率較低，存在過水通道的可能性較大，并且在孔深-40 m 上下出現電阻率密集性改變，初步推斷為巖溶過水管道。

進一步從X14 鉆孔實際揭露巖性看，X14 全孔揭露均為灰巖，孔深50 m，其上部10～30 m 遇干裂隙，無水；46.1～48.5 m 處揭露一溶洞，即溶洞高度2.4 m，含水量大，且水是流動的。通過向孔內注漿，能夠很快在Y01 涌水點處跑漿，證明具有強聯通性，說明揭露的溶洞即為要尋找的巖溶過水管道。根據實際揭露與跨孔CT 成果圖分析，判定X14 孔為穿過巖溶過水管道的鉆孔。

通過上述方法，還確定了2 號徑流帶長度方向上+10 臺段的K2、K3、K10、K19、K21 五 個鉆孔和+28 臺段上的20 號、21 號、25 號3 個鉆孔均與Y01 涌水點聯通。

2.2.2 聯通試驗雙參數確定關鍵孔

采用聯通試驗雙參數方法對與Y01 涌水點聯通的鉆孔進行優選，從而找到對注漿堵水起關鍵作用的鉆孔即關鍵孔。所謂關鍵孔是指直接揭露巖溶涌水管道或與涌水管道聯通性極強并對注漿堵水起主要作用的鉆孔。為找到關鍵孔，對探查鉆孔采用聯通速率與跑漿濃度2 個指標進行聯通試驗驗證。聯通速率表示漿液在通道內的運移速率，跑漿濃度則表示聯通漿液中每升所含水泥的質量。聯通速率能夠反映鉆孔與關鍵通道的距離，跑漿濃度則反映鉆孔與關鍵通道相連的通道暢通度。鉆孔聯通速率及跑漿濃度越大，鉆孔與主通道的聯系就越密切。因此雙參數聯通試驗能夠反映鉆孔與出水點聯系的密切程度，有利于篩選關鍵孔。

現場通過觀測計算，獲得了2 號徑流帶長度方向上與Y01 涌水點聯通的鉆孔雙參數，并形成圖5鉆孔聯通速率與跑漿濃度圖。從圖中得出位于礦坑外邊界上的21 號孔聯通速率為4 m/min，跑漿濃度為19 g/L；位于礦坑內的X14 孔聯通速率為4.6 m/min，跑漿濃度為21 g/L，此兩孔聯通速率、跑漿濃度遠大于其他鉆孔，由此判斷該兩孔在主要過水通道上或與巖溶涌水通道最為密切，即被確定為注漿封堵的關鍵孔。在確定了X14 和21 號孔是與Y01 涌水點聯系最為密切的兩個關鍵鉆孔后，從而也更加精準的確定Y01 涌水點關鍵過水通道的徑流方向，即2號徑流帶方向，如圖6a 所示。

圖6 關鍵過水通道平、剖面圖Fig.6 Key water passage plan and section

綜上分析，礦坑南部2 號徑流帶以大流量管道型涌水為主，同時伴有裂隙型涌水貫通相連，是礦坑內Y01 特大涌水點的補給通道，其強滲流通道的水文地質剖面如圖6b 所示。礦坑內Y01 特大涌水點的補給水源是潯江，潯江至礦坑之間均為巖溶發育區，巖體裂隙、孔隙、溶洞等縱橫交錯，形成了強大的水力聯系網絡。其深部有一條以管道型為主并與多裂隙相連的涌水徑流通道，在礦坑內-44.6 m 標高處與附近F2 斷層破碎帶連通，具備了承壓水的涌水條件。最終在礦山開采到斷層附近位置時，便在礦坑內形成了大流量、高流速的管道型集中涌水，這就是礦坑內涌水量達7.12 萬m3/d 的Y01 特大涌水點的補徑排路徑和條件。

3 非連續帷幕封堵

巖溶發育具有不均勻性和各向異性的特點，巖溶巖性、結構、風化及發育程度等決定了其滲透性和隔水能力，致密不發育的石灰巖具有天然的隔水性能[28]。為科學合理封堵巖溶涌水，降低治理成本，本文提出了注漿堵水的非連續帷幕概念。非連續帷幕是相對連續帷幕而言，它是利用巖體透水性的差異，在治水邊界上根據巖體的滲透系數大小進行分段帷幕注漿設計：即對于滲透性等級為微透水（滲透系數一般等于或小于10-5cm/s）的地段不再進行注漿帷幕設計，而是直接利用巖體本身阻水；注漿帷幕設計只針對滲透性等級為弱、中及強透水巖體。這種注漿帷幕設計的理念體現了注漿設計的科學性、針對性、合理性和經濟性，尤其在巖體發育極不均一、差異性顯著的巖溶地區具有較廣的應用基礎和條件。

根據以上非連續帷幕注漿思想，對礦山進行了非連續帷幕設計，主要基于：①通過對礦山的綜合詳細勘察及抽水試驗等，發現礦山巖溶滲透系數差異較大。其中治理的礦坑南部兩條徑流帶之間滲透系數小于10-5cm/s，屬于微透水巖體，按《水利水電工程地質勘察規范》（2022 年版）中滲透性分級，換算為透水率約在1Lu 左右，達到了《礦山帷幕注漿規范》中對可溶巖帷幕體透水率為3～5Lu 的要求，也就是說礦坑南部兩條徑流帶之間的巖體具備了規范要求的阻水帷幕的透水率標準。②通過前期物探在確定了礦坑2 號和3 號兩條徑流帶的基礎上，進一步沿礦山南部邊界（擬設計帷幕線上）進行了補充物探。通過物探結果分析，不僅印證了礦山南部的兩個低阻區即涌水徑流帶，而且明顯顯示了兩個低阻區之間及相應兩側均為高阻區即巖溶不發育區，推斷為圍巖較完整的隔水區段，如圖7a 所示。

圖7 非連續帷幕設計Fig.7 Discontinuous curtain design

綜上分析，此處條件為非連續帷幕設計奠定了地質基礎，因此，兩條徑流帶之間不需再做注漿帷幕，而只對徑流帶區域進行注漿帷幕堵水設計，如圖7b所示。

在確定了以非連續帷幕封堵裂隙型過水區域后，帷幕帶厚度是保證帷幕強度和有效阻水的又一重要參數，要求所設計帷幕帶在長期高水頭情況下保持阻水效果。帷幕的厚度是由注漿材料所容許的滲透比降及帷幕帶所承受的最大水頭確定[29]。

式中：T為帷幕注漿厚度，m；H為帷幕可能承受的最大水頭差；J0為注漿材料容許的滲透比降，m。

漿液擴散半徑可按下列公式計算，此公式主要適用于孔隙率較大的巖層注漿擴散半徑計算。

式中：k為注漿前巖層滲透系數，cm/s；t為注漿延續時間，s；r為輸漿管半徑，m； μ1/μ2為水與漿液的黏滯系數；H為注漿壓力，m，以水頭計；n為巖層孔隙率。

通過計算并依據規范、工程經驗和鉆探資料等，綜合考慮取帷幕帶注漿擴散半徑為6 m，帷幕厚度12 m，鉆孔深度70 m。根據確定的徑流帶寬度，共設置3 道阻水帷幕：+28 m 臺段觀景平臺帷幕帶，總長為95.4 m，施工鉆孔11 個；+28 m 臺段沖溝帷幕帶，總長為109 m，施工鉆孔16 個；+10 m 臺段帷幕帶，總長為125 m，施工鉆孔23 個。如圖6a 可以看出由于Y01 特大涌水點過水通道在2 號徑流帶上，故在此徑流帶上布置了2 條阻水帷幕以加強涌水封堵的效果和質量。

4 關鍵過水通道封堵

巖溶關鍵過水通道是連接水源與集中涌水點之間的溶洞、溶腔和主要裂隙等形成的通路，強巖溶地區集中涌水點關鍵通道的封堵質量直接影響注漿堵水的效果，甚至決定治水工程的成敗。

4.1 止漿墊控流降速裝置

關鍵通道內的流速對注漿封堵效果影響較大，流速較高，封堵材料在關鍵通道內難以有效留存。因此，在注漿過程中能否控制關鍵通道內的水流速度成為對其有效封堵的關鍵因素之一。

為降低關鍵過水通道中的動水流速以增大封堵材料的留存率，提出了在涌水點出口處構筑止漿墊裝置的技術。止漿墊模型如圖8a 所示，其作用可有效控制涌水點的涌水量，使涌水區由漫流變為可控流，通過控流能有效降低涌水通道內的水流速度，利于注漿材料沉積和有效封堵?，F場通過控制止漿墊中引水管的閥門開度(過水斷面與閥門總截面積比值)來降低主要過水通道內的流速，需要說明的是具體操作應按閥門開度由大到小依次進行，如圖8b所示。

圖8 涌水口止漿墊裝置Fig.8 Gushing nozzle slurry stopping pad device

借助數值模擬手段對止漿墊的控流作用進行研究，分析設置止漿墊進行控流前后巖溶管道內的流場變化。模擬巖溶管道長140 m，直徑0.8 m，為更加符合工程實際，在管道100 m 處形成60°夾角拐彎，進口和出口均為壓力邊界，改變出口過水面積來模擬閥門開度大小。根據現場實際設定管道進口壓力為0.6 MPa，出口閥門開度設定0.25、0.50、0.75 和1.00 四種工況進行模擬，其中閥門開度為1 時相當于未對出水點控流的情況。從模擬的管道流速云圖看出，不同閥門開度下的孔口流速云圖變化較大，即開度越小，孔口流速越大，如圖9 所示。在管道中軸線上每隔10 m 取一測點，得到巖溶管道內的壓力與流速變化規律，如圖10 所示。從圖中可知，管內的壓力總體是隨著流體流動而逐漸降低，且在管道拐彎處壓力降幅增大；管道閥門開度越小，其沿程降壓幅度越小，對閥門造成的壓力也就越大。對流速而言，閥門開度對管道內流速具有十分顯著的影響，即開度越小，管內流速越??；4 種開度下管道拐彎處均存在流速先減小后增大的趨勢，開度越大這種現象越明顯，但各種情況下管道中軸線各點流速變化較小，且這種變化隨著開度減小而減小。

圖9 管道流速云圖Fig.9 Pipeline velocity cloud diagram

圖10 管道內壓力及流速對比Fig.10 Comparison of pressure and flow velocity in pipeline

通過數值模擬研究表明，合理調節止漿墊閥門開度能有效控制管道內水流速度，相較于閥門開度為1.00 的情況，開度為0.75、0.50、0.25 的水流速度分別降低27.6%，51.7%和77.6%；同時開度越小意味著孔口需承受壓力越大，閥門開度為1.00 時，流體自由流出，其相對壓力為0，開度為0.75、0.50、0.25分別承受入口壓力的41.3%，70.8%和91.7%，由此可見，止漿墊控流降速裝置可實現對出水點流量的控制，能夠有效降低巖溶管道內的水流速度，從而提高注漿漿液的留存率。同時為了防止閥門處壓力過大而受到損壞，采用加強閥門出口處的強度和限制開度最小值來保證止漿墊的正常安全使用。

結合數值模擬分析結果和實際工況，設計了現場Y01 特大涌水點涌水口鋼筋混凝土止漿墊裝置，尺寸為8 m×8 m×(0.8～1.8) m，止漿墊內預留3 根帶閥門直徑為310 mm 的引水管，將涌水點的涌水全部由引水管排出，再通過引水管閥門的調節來實現涌水量的可調可控，以降低關鍵通道內的涌水流速，提高封堵材料的留存率和封堵效果。

4.2 骨料灌注降速機理

骨料灌注是治理巖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，可起到將涌水由徑流變為滲流的作用，為注漿材料更好的留存和凝結提供條件。為了探究骨料灌注的降速機理，對漿液在骨料中的滲透擴散進行一定的簡化，將漿液在骨料孔隙與裂隙中的流動，視作在眾多管徑一致的毛細圓管中流動，并作如下假設：①骨料填充均質且具有各向同性；②漿液在擴散過程中不受重力影響且不考慮滲濾作用；③漿液在骨料中的流速較小且保持層流狀態擴散；④不考慮毛細管中水壓的作用。

注漿材料大多為賓漢姆流體特征的漿液，其黏度具有時變性，流變方程[30]為：

式中： τ為剪切應力； τ0為屈服應力； μ0為初始黏度值；k為黏度時變系數；t為注漿時間； -dv/dr為剪切速率。

設毛細圓管的半徑為r0，毛細圓管中取圓柱形微元體進行研究[30-31]，其底面半徑為r，長度為dL，如圖11 所示對其進行力學分析得到：

圖11 漿液微元受力分析Fig.11 Grout element force analysis

由式(7)解得:

毛細圓管的平均速度表示為：

由式(13)可以看出在其他條件一定時，滲流速度V與管徑r0成正比，管徑增大到一定程度，滲流變成通道流，流速達到相對最大。由此可見灌注骨料可將通道流變成滲流，能有效降低涌水徑流速度，為漿液留存沉積提供有利條件。

4.3 聯合注漿封堵

骨料灌注降速機理，為關鍵孔聯合注漿封堵提供了依據，關鍵孔聯合注漿封堵是巖溶管道型涌水成功封堵的保證。針對礦山Y01 巖溶管道型特大涌水成功找到兩個關鍵孔，均在礦坑南部：一個是距涌水點直線距離約50 m 相對較近的X14 鉆孔（以下簡稱近孔），另一個是距涌水點直線距離約150 m 相對較遠的21 號鉆孔（以下簡稱遠孔）?，F場采用近孔、遠孔兩個關鍵孔聯合注漿工藝：①近孔灌注膨脹性粗骨料和自主研發的可控凝結新材料，以增大封堵材料在通道內的團聚效果，起到截流阻水和增大材料留存率的作用；同時粗骨料又能作為封堵材料起到增加封堵強度的功能。②遠孔僅注水泥漿液，所注漿液通過遠距離的運移能夠增加在巖溶管道及裂隙內的留存率，遠孔因其路徑長、輻射范圍廣、漿液擴散充分而能確保封堵長度和效果。③近孔、遠孔協同聯合注漿，輔以涌水口止漿墊裝置控流降速調控配合，進一步確保了注漿漿液的有效留存和沉積，是實現Y01 特大涌水點快速徹底封堵的有效組合技術工藝。

5 水文監測及封堵效果

水文觀測孔與礦坑內涌水密切相連，其水位的監測能體現地下涌水的動態變化，更能直接反映礦山注漿堵水的效果。

5.1 水文監測

為驗證注漿堵水效果，在礦坑帷幕外側設置了2 個水文監測孔，帷幕內側設置了一個水文監測孔，分別監測帷幕內外水位的動態變化。帷幕外的2 個水文監測孔分別是+28 m 臺段的24 號孔，和距帷幕外更遠的ZK4 號孔；帷幕內的水文監測孔為礦坑內+10 m 臺段的K10 號孔。封堵前后其水位變化如圖12a 所示，由圖可知，總體變化是隨著注漿封堵的進行，帷幕外側的水位逐漸升高，帷幕內側的水位逐漸降低。當Y01 涌水點實現徹底封堵后，帷幕內外側水位變化明顯，帷幕外側的水位觀測孔24 號孔和ZK4 號孔分別升高，最大值為4.0 m 和3.0 m，帷幕內側的K10 號孔水位最大降幅為2.0 m，帷幕內外水位最大高差達6.0 m，充分體現了注漿堵水的良好效果。

圖12 觀測孔水位及涌水點流速變化Fig.12 Observation hole water level and water inflow point velocity variation

同時，整個聯合注漿過程中，在止漿墊控流裝置上對其中一個正常打開的閥門進行水流速度實時監測，以對注漿效果起到檢驗的同時更好地指導注漿工作。監測結果如圖12b 所示，從監測曲線看出，隨著聯合注漿作用的逐漸顯現，涌水口的水流速度、流量逐漸減小直至最后停流，這說明關鍵通道的封堵在整個涌水封堵工程中是極為重要?，F場實踐證明對關鍵通道的聯合注漿是徹底成功封堵Y01 特大涌水點的關鍵所在。

5.2 封堵效果評價

該工程注漿堵水共設置3 條非連續帷幕帶，和一條Y01 特大涌水點關鍵過水通道的注漿封堵，截流礦山南部2 號、3 號兩條徑流帶，實現總減水量8.43 萬m3/d，其中封堵Y01 管道型特大涌水7.12 萬m3/d，3 條非連續帷幕封堵裂隙型涌水1.31 萬m3/d 。從封堵比例看，一條關鍵過水通道的封堵水量占總減水量的85%，3 條非連續帷幕注漿封堵水量占15% ，可以看出，在巖溶礦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，巖溶地區治水要首先重點考慮對關鍵過水通道的探查與封堵。

巖溶礦山水文地質情況一般都非常復雜，而關鍵過水通道一般在米級及以下尺寸，與開拓開采的大范圍礦山比起來如大海撈針。這就要求對巖溶礦山要高度重視地質調查、物探、鉆探和示蹤試驗等多方法綜合探測和相互印證，采取逐漸縮小范圍的漸進式勘察方式。查找關鍵過水通道并及時封堵，就等于抓住了巖溶礦山涌水治理的主要矛盾和關鍵點。

6 結 論

1) 利用地面巖溶發育特征、工程資料分析與地球物理探查等方法初步圈定礦山徑流帶區域，確定礦山地下徑流水源。在此基礎上通過鉆探、跨孔CT 和示蹤聯通試驗進一步查找到礦山南部Y01 特大涌水點巖溶過水管道的精準位置，為礦山大流量涌水的成功治理提供了基礎條件。

2) 針對復雜巖溶凹陷式露天礦山大流量、高流速的涌水特征，提出并實施了“非連續帷幕截流+關鍵通道探查與封堵+止漿墊控流降速”的巖溶凹陷式礦山涌水治理技術體系。根據巖溶發育的不均勻性，提出了非連續帷幕封堵裂隙型涌水區域的方案；對大流量巖溶管道集中涌水治理設計了止漿墊控流裝置，通過控流有效降低了關鍵過水通道內水流速度，為注漿材料的有效留存沉積和工程的封堵效果提供了重要手段。

3)關鍵孔聯合注漿工藝是巖溶管道涌水成功封堵的保證。本次Y01 巖溶管道型特大涌水成功查找到X14 孔和21 號孔2 個關鍵孔，并采用距涌水點距離較近的X14 孔和較遠的21 號孔2 個關鍵孔聯合注漿技術工藝：近孔以膨脹性粗骨料和自主研發的可控凝結新型材料進行注漿，遠孔僅注水泥漿液；近孔粗骨料和新型材料既能阻止降低管道內的水流速度為遠孔漿液起到有效的留存作用，又作為封堵材料起到增強的功能，遠孔長距離、大范圍漿液輻射確保了封堵長度和漿液充分擴散的效果。近孔、遠孔協同配合同步注漿是快速封堵管道型大流量涌水的有效組合技術工藝。

4) 工程注漿堵水共設置3 條非連續帷幕帶和一條關鍵過水通道的注漿封堵，實現總減水量8.43 萬m3/d，其中封堵關鍵過水通道涌水7.12 萬m3/d，占總減水量的85%；3 條帷幕帶封堵涌水1.31 萬m3/d占比15%。從封堵比例看，管道型涌水占比是主要的，也是治理的重中之重。因此，在巖溶地區查找到關鍵過水通道并及時封堵，對礦山治水將起到事半功倍的效果。