王蘇健，陳 通，李 濤，馮 潔

(1.陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程中心，陜西 西安 710065)

承壓水體上保水采煤注漿材料及技術

王蘇健，陳 通，李 濤，馮 潔

(1.陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710065；2.煤炭綠色安全高效開采國家地方聯(lián)合工程中心，陜西 西安 710065)

針對薄隔水層低承壓灰?guī)r含水層涌入工作面造成黃河生態(tài)濕地水位下降問題，采用數值模擬、現(xiàn)場實測、數理統(tǒng)計等手段綜合剖析采動底板破壞帶發(fā)育規(guī)律，并基于室內實驗及注漿工業(yè)化試驗研究了底板黃土高效注漿關鍵技術。應用結果顯示，在底板破壞深度以下注入改性的黃土基漿液可降低礦井涌水量90%以上，其中，黃土基漿液主要由除砂后黃土加入奧灰水中快速攪拌而制得，高強度開采未造成半干旱地區(qū)生態(tài)濕地進一步退化，生態(tài)效益顯著。

保水采煤；底板；薄隔水層；黃土漿液

底板灰?guī)r水害是華北型煤田的普遍問題[1-3]，但各個礦區(qū)的灰?guī)r水害類型不同，山東等礦區(qū)以超高水壓聞名，山西、河北礦區(qū)多有陷落柱等導水構造存在，淮北礦區(qū)多有小構造密集發(fā)育，但在華北地區(qū)西南緣的陜西省渭北煤田主采煤層距離奧灰僅20余米，隔水層厚度很薄，國內罕見[4]。針對奧灰水害防治的研究工作，有疏水降壓和注漿加固[5-6]，其中注漿加固多以水泥基為主，加固的對象多為隔水層的薄弱帶。本文研究區(qū)地處半干旱地區(qū)，其灰?guī)r水與黃河生態(tài)濕地直接相關，因此不僅僅是注漿加固隔水層防治底板水害，更有控制礦井涌水量保護生態(tài)水位的意義。依據王雙明等提出的生態(tài)水位理念[7-8]，若潛水位持續(xù)下降必然導致生態(tài)大面積不可逆退化，因此必須保護生態(tài)水位。

筆者在防治底板奧灰水害的基礎上，就地取材，采用奧灰水聯(lián)合黃土制備注漿材料對采動有效隔水層進行注漿防滲改造，大量工程實踐證明，該保水技術有效控制了底板礦井涌水，達到了底板“保水采煤”[9-13]的目的。

1 薄隔水層低承壓灰?guī)r含水層充水特征

本次研究區(qū)域選定為陜西省渭北石炭—二疊紀煤田澄合礦區(qū)，該礦區(qū)煤炭遠景儲量達68億t，但水資源整體匱乏(大氣降水552.6 mm，年平均蒸發(fā)量為1 929.7 mm)，“煤”與“水”的矛盾十分突出。奧灰水是該地區(qū)主要的供水水源，而該地煤炭開采造成奧灰水充入礦井，進而使得奧灰水位下降，甚至造成巖溶泉點的減流甚至干涸，將直接影響黃河生態(tài)濕地的生態(tài)環(huán)境的水源。因此，針對該區(qū)的“保水采煤”技術要求，不僅僅應防治底板奧灰水害，更應控制該區(qū)帶壓開采過程中底板奧灰水的充水強度。

1.1 研究區(qū)帶壓開采地質條件

(1) 澄合礦區(qū)主采5號煤層，該煤層受到下伏奧陶紀灰?guī)r水威脅，帶壓開采面積達到90%以上。煤層底板地層如圖1所示，底板除K2灰?guī)r含水層外，其余為相對隔水層。

圖1 研究區(qū)綜合柱狀圖

(2) 澄合礦區(qū)基本構造形態(tài)是一向北傾斜的單斜構造，產狀平緩，傾角一般5°～10°，近年開采的1個工作面揭露的斷層多為2～3條正斷層，整體構造簡單。

(3) 通過澄合礦區(qū)鉆孔資料統(tǒng)計，5號煤底板至奧灰間的距離一般在20～35 m，隔水層厚度之薄，國內罕見。

(4) 根據多個奧灰含水層長觀資料，奧灰水位基本穩(wěn)定在+370 m，結合鉆孔簡易水文資料，隔水層承受的奧灰水壓力在3 MPa以下，一般在0.5～2.0 MPa，淺部突水系數小于臨界突水系數0.06，中、深部大于臨界突水系數值。

(5)奧灰頂段為峰峰組二段，q值在0.2～3.6 L/(s·m)，一般為強富水含水層，歷史上進行過大規(guī)模放水試驗，認為該含水層不易疏放。

綜上，研究區(qū)帶壓開采具有薄隔水層、低承壓、強富水含水層的特點。

1.2 研究區(qū)奧灰充水特征

研究區(qū)奧灰充水以澄合礦區(qū)董家河煤礦為例，可以分為3個階段：

第1階段：2003年以前，奧灰充水量基本為0，其原因是開采區(qū)域在淺部，奧灰水突水系數未達到臨界值，該階段區(qū)域奧灰水位穩(wěn)定在+380 m。

第2階段：2003—2006年，奧灰充水每年約增加100 m3/h，其原因是開采區(qū)域進入底板奧水突涌水區(qū)(突水系數大于臨界突水系數)，由于水量可排，工作面沒有進行底板注漿處理，該階段區(qū)域奧灰水位持續(xù)下降到+370 m。

第3階段：2006年至今，奧灰充水量每年基本沒有增加，奧灰水位也保持在+370 m，主要是由于新開采區(qū)域進行了底板注漿工程，該階段區(qū)域奧灰水位沒有進一步下降。

可見，底板注漿工程為保護黃河生態(tài)濕地水源提供了技術保障。

2 保水采煤注漿層位分析

由于研究區(qū)底板奧灰水不易疏放且水位對生態(tài)濕地意義重大，因此采用注漿改造來進行保水采煤。由于隔水層厚度較薄，底板注漿層位確定需要在充分研究底板破壞深度的基礎上進行。

2.1 研究區(qū)底板破壞深度發(fā)育規(guī)律

2.1.1 底板破壞深度發(fā)育規(guī)律的主控因素

從澄合礦區(qū)底板破壞深度實測結果可知：澄合礦區(qū)由于采深(介于深部開采與淺埋開采之間)、傾角(3°～8°屬緩傾斜煤層)、頂板巖性(巖性組合系數多集中在0.4～0.5)、構造發(fā)育程度(斷層多為中小型斷層，工作面斷層條數集中在7～9條)等方面變化有限，底板破壞深度與這些因素在統(tǒng)計學上的關系不大。需要指出的是，當以上因素存在顯著變化時，應該重新實際測定相關的底板破壞深度。根據以往經驗，澄合礦區(qū)構造顯著發(fā)育地區(qū)底板破壞深度約為正常地段底板破壞深度的2倍；采深達到一定深度后，巖體表現(xiàn)出更多的塑性特征，底板破壞深度也存在顯著變化。

與以上自變量不同的是，澄合礦區(qū)底板巖性復雜多變，主要表現(xiàn)在上覆石英砂巖下切沖刷時，K2灰?guī)r相變?yōu)槭⑸皫r，其相鄰的上、下巖性也有變化，即底板巖性組合有顯著變化；另外，為適應采礦、地質條件的變化，澄合礦區(qū)工作面斜長也有顯著變化，從幾十米至100余米，前述理論研究中已提及，工作面斜長在一定范圍內(幾十米至100余米范圍內變化最為劇烈)的變化必然會引起底板破壞深度的顯著改變。

綜上，澄合礦區(qū)現(xiàn)階段的主要影響因素表現(xiàn)在底板巖性組合和工作面斜長兩個方面，但不排除其他局部因素(構造等)異常導致的底板破壞深度變化。

2.1.2 研究區(qū)底板破壞深度預測模型

統(tǒng)計實測工作面(表1)、數值模擬工作面和理論計算工作面的底板破壞深度結果，依據理論和國內現(xiàn)行統(tǒng)計的經驗公式來看，認為底板破壞深度H與工作面斜長L的關系為指數函數關系，與工作面底板巖性組合系數D為線性關系，因此總體選定非線性函數關系。

表1 澄合礦區(qū)實測底板破壞深度與主控因素

Table 1 Depth of floor failure and main control factors in Chenghe mining area

序號工作面編號工作面斜長L/m工作面底板巖性組合系數D底板破壞深度H/m1董家河煤礦2250896.00.711.82董家河煤礦22507114.00.712.03澄合二礦24504140.00.113.54澄合二礦2450860.00.811.55王村煤礦斜井5208150.00.612.06王村煤礦斜井5206150.00.911.57王村煤礦14503136.40.513.68王村煤礦13506125.00.712.1

在36組數據基礎上，依據選擇的函數類型，擬合出澄合礦區(qū)底板破壞深度計算公式為

2.2 研究區(qū)注漿層位分析

依據國內的大量底板注漿層位選擇的實際經驗，可以得出注漿層位選擇的基本原則有：注漿層位應在采動影響范圍外、注漿層位應有可注入性、注漿層位的經濟性、注漿改造后安全性。綜上，澄合礦區(qū)底板破壞深度以下至K2灰?guī)r(砂巖)范圍可作為注漿改造層位。結合底板破壞規(guī)律可以看出，5煤的采動底板破壞深度破壞了煤層下伏的10 m的有效隔水層，同時對K2含水層有疏放作用，有效隔水層僅剩余K1鋁質泥巖(研究區(qū)奧灰頂段主要為較純的石灰?guī)r，整體富水性強)。對鋁質泥巖進行了壓水試驗，結果顯示該段單位吸水量在0～0.000 9 L/(min·m2)，絕大多數集中在0.000 1～0.000 9 L/(min·m2)，在奧灰水壓較高區(qū)域奧灰水會通過有限的隔水層發(fā)生滲流，因此需要對底板破壞深度以下至K2含水層底板層段進行注漿防滲加固。

3 黃土基注漿材料及技術

由本區(qū)的底板突涌水條件可以看出，該區(qū)水壓低、但采動后有效隔水層厚度小，根據段宏飛提出的“基于抗?jié)B強度的底板突水評判模型”[14](式(2))，可以看出底板巖層阻水性能跟巖石的抗水性、綜合強度條件、底板巖層的實際受力狀態(tài)等因素有關。

Pzi為底板第i層隔水巖層的平均阻水強度，其物理意義為每米完整巖柱能夠抵抗的極限水壓力，單位為MPa/m。其數值按下式確定：

式中，σci為底板第i巖層巖石(巖塊)的膨脹界限抗?jié)B強度，由伺服滲透試驗獲得，MPa；αi為底板第i巖層平均阻水強度換算系數，m-1。

因此，針對本區(qū)突涌水特性，為提高有限的隔水層的膨脹界限抗?jié)B強度，采用黃土基材料為主料，水泥為輔料作為底板注漿材料對巖體進行抗?jié)B性和抗壓性的加固。

3.1 黃土基注漿材料性能測試

(1)黃土的基本物理指標

本著就地取材的原則，由于注漿層位的地質、水文條件一般可以采用黃土單漿液，即采用的是地表出露的離石組黃土作為主要注漿材料，因此對區(qū)內的離石黃土進行取樣測試。離石黃土的基本物理力學性質見表2，對不同深度的離石黃土進行了顆粒分析、塑液限測試，結果見表3。由表3可以看出區(qū)內離石組黃土粉粒含量最大，其次為黏粒和砂粒，為粉土或粉質黏土。砂粒的存在會造成注漿防滲效果的下降，需要去除。

將離石組黃土進行X光衍射分析，結果如圖2所示。由圖2可以看出，離石黃土含有較多的蒙脫石、高嶺石、伊利石，有部分伊蒙混成、綠泥石等黏土礦物，其中蒙脫石含量分別為24%，屬于高含量，而蒙脫石對黏性土滲透性影響最為明顯，蒙脫石的礦物晶體結構決定了其吸水的高膨脹性，蒙脫石遇水膨脹使得黏性土孔隙變小，從而造成黏性土滲透性變小。

綜上，底板注漿基礎材料(離石黃土)天然狀態(tài)下以粉粒為主，蒙脫石、伊利石礦物含量高，且廣泛分布、易獲取，因此可作為注漿的基礎材料。為提高其相關性能，需要去除砂粒成分，增加黏粒成分，從而提高相關的注漿防滲性能。

表2 離石黃土基本物理力學性質指標

Table 2 Index of physical and mechanical properties for Lishi loess

含水率/%密度/(g·cm-3)比重孔隙比黏聚力/kPa內摩擦角/(°)壓縮系數/MPa-1壓縮模量/MPa無側限抗壓強度/kPa9.2～20.81.75～2.112.69～2.710.47～0.7638～10127.9～33.80.08～0.257.0～22.1119～159

表3 離石黃土顆分試驗成果Table 3 Results of particles partial test for Lishi loess

土樣編號取樣深度/m顆粒百分比/%砂粒0.5～0.250.25～0.075粉粒0.075～0.005黏粒<0.005液限/%塑限/%塑性指數土體命名14.20～4.358.772.918.428.618.110.5粉質黏土24.82～5.1016.463.719.926.215.810.4粉質黏土夾砂35.73～5.7532.049.418.624.916.28.7粉質黏土夾砂

圖2 離石黃土X射線衍射光譜

(2)利用奧灰水制備的黃土漿液性能測試

漿液的性能主要由3個方面決定，即漿液擴散性(以黏度表征)、漿液防滲性(以滲透系數表征)和漿液抗壓性(以無側限抗壓強度表征)。因此，本次對比實驗測試了超純水和奧灰水制備黃土的漿液性能，其中黃土過篩120目制備，超純水通過純水儀制備，奧灰水選用潔凈高礦化度奧灰水。相關測試成果見表4，其中滲透系數是采用變水頭試驗測試最優(yōu)含水率下的土樣滲透系數，單軸抗壓強度是采用無側限壓力儀測試的最優(yōu)含水率下的土樣單軸抗壓強度，黏度是采用馬氏漏斗測試水固比1∶1漿液的黏度：

表4 黃土漿液性能對比測試成果

Table 4 Contrast test results of performance for loess slurry

黃土漿液配制的液相滲透系數/(10-5cm·s-1)單軸抗壓強度/kPa黏度/s超純水1.98128.530.5奧灰水5.27160.829.1

由表4可以看出利用高礦化度奧灰水配制黃土漿液滲透性下降了62.43%，防滲效果顯著提高；利用高礦化度奧灰水配制黃土漿液單軸抗壓強度提高了25.14%，抗壓性能顯著提高；利用高礦化度奧灰水配制黃土漿液黏度下降4.51%，即流動性更好，漿液可注性更好，擴散范圍更大。

產生上述效果的主要機理分析認為：

① 奧灰水來自石灰?guī)r地層，因此水中的鈣離子含量較高，溶液中鈣離子含量增高時，將會和碳酸根離子產生CaCO3沉淀，導致土中孔隙的阻塞，因此漿液的防滲性能有所提高。

② 在黏性土中加入鈣離子可以提高黏性土的強度已經得到共識，此結果部分是因為產生了一些沉淀物質的原因。國外有學者進一步研究了NaCl對石灰加固黏性土強度的影響，研究結果表明，在鈣離子加固作用外，鈉離子對黏性土強度也有提高作用。奧灰水中除了鈣離子以往最富存鈉離子，因此漿液的抗壓性能有所提高。

③ 鈣離子的大量加入使得土體雙電層結構變薄，土體結構發(fā)生絮凝，絮凝會使得漿液的黏度下降，使得其擁有更好的流動性和可注性。

綜上，采用黃土漿液時可采用奧灰水聯(lián)合制備，漿液效果更為顯著。

(3) 黃土-水泥注漿材料的制備

由于注漿層位地質、水文條件多變，在相對富水區(qū)域需要采用黃土-水泥雙漿液，水泥用量按水灰比1∶1比例制漿液后，摻入黃土漿中，其用量占黃土漿液的20%～30%配制。密度達到：1.17～1.21 g/cm3。

3.2 高效注漿系統(tǒng)建設

為了全面改造有限隔水層位，需要大量的漿液注入，因此設計并建設了地表制漿系統(tǒng)，系統(tǒng)分為兩大部分：一部分為純黏性土(黃土)制漿系統(tǒng)(圖3(a))；另一部分為水泥-黃土制漿系統(tǒng)(圖3(b))。其中，黃土制漿系統(tǒng)核心設備是NL20型高速渦流制漿機和ZDS系列振動除砂機。高速渦流制漿機較低速攪拌制漿和射流法制漿，其主要優(yōu)勢功能是將漿液泌水率進一步降低，更提高了漿液的運移和擴散能力；振動除砂機的主要功能是出去漿液中的雜質和砂粒成分，提高漿液的可注性和抗?jié)B性能。高度機械化的注漿系統(tǒng)可以連續(xù)不間斷注入黃土漿液，從而達到改造含水層的目的。

圖3 黃土制漿系統(tǒng)和水泥制漿系統(tǒng)示意

3.3 工程實例分析

澄合礦區(qū)董家河煤礦22508工作面所采的5號煤層底板標高局部最低處已經達到+273 m左右，奧灰水壓約1.0 MPa，5號煤層下距奧灰頂界面30～40 m。22508工作面構造相對簡單，工作面內基本表現(xiàn)為小褶曲構造，小向斜與小背斜轉折處易產生小斷層或裂隙構造。底板泥巖、砂巖互層雖然具有一定的阻水性，但由于小斷層、裂隙及工作面回采時對底板的破壞，煤層底板有效隔水層變薄，極有可能發(fā)生底板奧水突水。

5號煤層的回采前必須進行水害治理，22508工作面回采前進行了防治水工程設計，先物探探查工作面底板富水異常區(qū)，針對異常區(qū)采用水泥-黃土雙漿液注漿，其余區(qū)域采用黃土單漿液注漿，而制備黃土單漿液的液相采用制備的奧灰水。22508工作面共設鉆場24個(圖4)，施工鉆孔82個，完成注漿量52 378 m3，注漿改造的目的層為煤層底板下10 m至K2段底板下2 m的層段。在注漿結束后，經過再次直流電法探測驗證和后續(xù)開采驗證，證明注漿工作的效果達到了注漿目的，工作面回采過程中未發(fā)生底板突涌水現(xiàn)象，比預測涌水量下降了90%以上。

圖4 工作面底板注漿改造示意

建立地面注漿站對5號煤層煤底板灰?guī)r和奧灰?guī)r承壓水進行注漿治理后，從目前的應用來看，取得了很好的效果。由于它的連續(xù)性，方便造漿和大量注漿，與在傳統(tǒng)的井下注漿相比，運料方便、快捷，節(jié)省了大量的人力、物力，井下需求人員減少，增加了人員的安全系數，有著無可替代的優(yōu)越性和可靠性。

4 結 論

(1) 薄隔水層低承壓灰?guī)r含水層上采煤，有限的隔水層厚度會造成奧灰水涌入采場，礦井涌水量一般不會造成水害，但持續(xù)涌水3 a造成黃河生態(tài)濕地巖溶水位下降10 m，控制該區(qū)域奧灰涌水量對保護巖溶含水層水位意義重大。

(2) 底板破壞深度主要受底板巖性組合和工作面斜長影響，但在局部構造發(fā)育區(qū)域底板破壞深度顯著增大。

(3) 基于振動除砂機和高速渦流分散制漿機兩類核心設備的注漿系統(tǒng)，高效制備了黃土基注漿材料，工程實踐證明其對滲漏型的底板涌水治理有顯著效果。

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Grouting material and technique in water protection mining above confined water

WANG Su-jian,CHEN Tong,LI Tao,FENG Jie

(1.ShaanxiCoalandChemicalTechnologyInstituteCo.,Ltd.,Xi’an710065,China;2.NationalandLocalUnitedEngineeringResearchCenterofGreenSafeandEfficientCoalMining,Xi’an710065,China)

In terms of the problem of the lowering of water level at Yellow River ecological wetland,which is caused by water inrush into coal working face from the thin aquifuge-low confined water limestone aquifer,this paper used numerical simulation,in-situ measurement and mathematical statistics methods to analyze the development rule of the floor failure in mining,and to study the key technology of loess efficient grouting for coal seam floor based on laboratory experiments and grouting industrial experience.The results show that the mine water inrush will be reduced more than 90% by grouting de-sanding-decentralized loess slurry under the depth of floor failure,and the high intensity mining caused no further degradation in semi-arid areas.There is a remarkable ecological benefit to ecological wetland.

water-preserved mining;floor;thin aquifuge;loess slurry

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5017

2016-09-26

2017-10-31責任編輯:韓晉平

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2014CB047100)

王蘇健(1963—)，男，陜西韓城人，教授級高級工程師。E-mail:hcwsj@163.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0134-06

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