蒲治國(guó)，閆 鑫，丁 湘，紀(jì)卓辰，馬建國(guó)，李 哲，賀曉浪，張 寅

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.陜西神延煤炭有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

露天煤礦開(kāi)采具有勞動(dòng)效率高、開(kāi)采成本低、作業(yè)環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到較快發(fā)展[1]。淺埋煤層開(kāi)采，特別是露天方式的開(kāi)采，不可避免地干擾了地下水的賦存狀態(tài)和補(bǔ)給條件，尤其是露天礦坑疏干排水作業(yè)，破壞了地下水循環(huán)系統(tǒng)，且長(zhǎng)期疏排地表水造成生態(tài)水位下降，植物生長(zhǎng)受限，加劇土地沙化等問(wèn)題[2，3]。為了解決煤炭資源開(kāi)采和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量研究，取得了一系列豐碩成果。范立民等[4-6]針對(duì)陜北生態(tài)脆弱區(qū)采煤水資源保護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了“保水采煤”的理念。侯恩科等[7]分析了榆神府礦區(qū)含水層的賦存特征，提出了針對(duì)性的保水采煤方法。王雙明等[8，9]提出了“生態(tài)水位”的概念，將保水采煤拓展到地表生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域。孫亞軍[10]等針對(duì)神東礦區(qū)水資源匱乏、生態(tài)環(huán)境脆弱的問(wèn)題，提出了保水采煤分區(qū)方案。李文平等[11]對(duì)榆神府礦區(qū)保水采煤工程地質(zhì)條件進(jìn)行了劃分，并指出了燒變巖水保水開(kāi)采的必要性。徐智敏[12]等研究了西部干旱缺水的哈密煤田生態(tài)脆弱區(qū)保水采煤的水文地質(zhì)條件，對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)水害防治和保水采煤進(jìn)行了實(shí)踐。燒變巖在內(nèi)蒙、陜西及新疆侏羅系煤田廣泛分布，是保水采煤的主要保護(hù)含水層之一[13]。

前人在露天礦邊幫水害帷幕截流防治方面，進(jìn)行了大量探索，并得到成功實(shí)踐[22，23]。這些工程多采用水泥漿、水泥-水玻璃雙漿液和水泥-粉煤灰混合漿液等材料來(lái)構(gòu)筑剛性帷幕截水墻，但水泥、粉煤灰等注漿材料用量大，帷幕截流工程費(fèi)用較高。而黏土-水泥漿液是一種成本低、抗?jié)B性強(qiáng)、可注性高的注漿材料[24]，在井筒地面預(yù)注漿和煤層底板改造方面已進(jìn)行成功運(yùn)用，但在露天煤礦邊幫防治水方面鮮見(jiàn)報(bào)道。為減弱礦坑生產(chǎn)受燒變巖水的影響程度，同時(shí)保護(hù)燒變巖含水層生態(tài)水位，探索利用黏土-水泥漿液構(gòu)筑露天煤礦邊幫帷幕截水墻，可充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)環(huán)保、綠色生態(tài)的特性，在達(dá)到保水開(kāi)采目的的同時(shí)，減少對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)。

1 研究區(qū)概況

1.1 露天礦概況

西灣露天煤礦處于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)的中部，區(qū)內(nèi)降雨稀少，植被覆蓋率低，水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。露天煤礦生產(chǎn)規(guī)模10Mt/a，礦田范圍內(nèi)含可采煤層7～8層，其中2-2煤層為露天開(kāi)采煤層，煤層傾角近1°，煤層主要賦存于延安組第四段頂部，埋深34.14～175.00m，底板標(biāo)高+1041.20～+1100.97m，煤厚9.07～12.16m，平均厚度11.13m。采用單斗—卡車(chē)開(kāi)采工藝，采場(chǎng)剝離運(yùn)輸系統(tǒng)采用半固定坑線(xiàn)與中部臨時(shí)運(yùn)輸通道相結(jié)合的形式。

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

露天區(qū)含水層主要有第四系全新統(tǒng)(Q4al)孔隙潛水含水層、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層(Q3s)、侏羅系中統(tǒng)延安組風(fēng)化巖裂隙承壓水含水層(J2y)和燒變巖孔洞裂隙潛水含水層。隔水層主要為保德組紅土，大部分地段分布較穩(wěn)定，是區(qū)內(nèi)相對(duì)良好的隔水層，但在東北部礦坑邊界位置有部分缺失，形成隔水天窗，成為上覆含水層補(bǔ)給燒變巖的通道，煤礦首采區(qū)東幫緊鄰2-2煤自燃邊界，火燒區(qū)內(nèi)巖層破碎，裂隙孔洞發(fā)育，富水性強(qiáng)～極強(qiáng)。礦坑剝離至煤層自燃邊界附近時(shí)，受火燒區(qū)邊界(東幫)涌水影響較大。

1.3 礦坑涌水情況

2019年6月—12月礦坑平均涌水量721m3/h，日平均涌水量17304m3。2020年1月—3月礦坑平均涌水量918m3/h，日平均涌水量22032m3。2020年3月24日東端幫煤層爆破后燒變巖孔洞裂隙潛水涌水量再次增加，煤巖交界面出現(xiàn)大量涌水，自2020年3月以來(lái)，東坑總涌水量維持在800m3/h左右(圖1)。東端幫涌水量占東坑總涌水量的比重一直穩(wěn)定在50%左右，是礦坑涌水量最大的來(lái)源。燒變巖及上覆含水層水持續(xù)大量涌入礦坑，對(duì)坑內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)造成了嚴(yán)重影響。

2 礦坑充水條件分析

2.1 充水水源

礦坑?xùn)|幫主要充水水源為大氣降水、野雞河水(水塘)、第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水、風(fēng)化基巖裂隙承壓水及燒變巖孔洞裂隙潛水。野雞河水在區(qū)內(nèi)主要下滲補(bǔ)給及側(cè)向補(bǔ)給第四系松散層孔隙潛水含水層和薩拉烏蘇組砂層孔隙潛水，潛水含水層徑流方向受下伏保德組紅土層起伏的影響，主要徑流方向?yàn)闁|南側(cè)火燒區(qū)，部分透過(guò)隔水“天窗”下滲至風(fēng)化基巖含水層，風(fēng)化基巖含水層在火燒邊界處補(bǔ)給燒變巖裂隙孔洞潛水。燒變巖孔洞裂隙潛水向東運(yùn)移，在清水溝泉群處排泄，形成地表徑流，匯入清水溝。礦坑邊界剝采至燒變巖邊界附近時(shí)，水源經(jīng)燒變巖裂隙孔洞涌入礦坑，燒變巖裂隙孔洞潛水是礦坑主要充水水源(圖2)。

圖2 礦坑各含水層間補(bǔ)給排泄關(guān)系

2.2 充水通道

根據(jù)瞬變電磁物探成果分析和爆破作業(yè)后礦坑涌水量變化情況分析，礦坑涌水主要補(bǔ)給通道有燒變巖孔隙、裂隙通道和爆破開(kāi)挖擾動(dòng)裂隙通道。

2.2.1 燒變巖含水層孔隙、裂隙通道

燒變巖巖體破碎，裂隙孔洞發(fā)育，地下水儲(chǔ)存條件較好，在典型特征上會(huì)形成橫向上的低阻異常。東端幫燒變巖發(fā)育邊界區(qū)域瞬變電磁顯示在煤層頂板高程+1110m的砂巖含水層與高程+1095m燒變巖富水層兩塊區(qū)域含水層連為一體，存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系，富水引起的低阻效應(yīng)強(qiáng)(圖3)。因此推斷這一區(qū)域煤層頂板砂巖層與燒變巖含水層之間存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系，為礦坑涌水的徑流通道。

陳戈等［21］對(duì) T2DM合并LA患者、單純 T2DM患者和健康對(duì)照組進(jìn)行認(rèn)知功能評(píng)，并行N400、P300以及失配性負(fù)波檢測(cè)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著腦白質(zhì)損害程度的加重，事件相關(guān)電位N400，P300的潛伏期顯著延長(zhǎng)，同時(shí)波幅顯著降低。事件相關(guān)電位N400，P300檢測(cè)有助于客觀評(píng)價(jià)DM合并LA患者的認(rèn)知功能改變。

2.2.2 爆破擾動(dòng)裂隙通道

3月24日東端幫爆破作業(yè)后燒變巖孔洞裂隙潛水涌水量從178m3/h增長(zhǎng)到426m3/h，礦坑涌水量顯著增大，表明爆破作業(yè)改變了地下水流場(chǎng)變化。根據(jù)礦坑邊幫出水點(diǎn)水質(zhì)化驗(yàn)，涌水水源主要為燒變巖水，分析認(rèn)為爆破產(chǎn)生的沖擊和震動(dòng)造成了巖體的松動(dòng)變形，巖層碎裂化和結(jié)構(gòu)面的張開(kāi)形成了新的充水通道。因此爆破作業(yè)造成的煤層頂板基巖裂隙也是礦坑充水通道之一。

3 黏土基帷幕墻方案設(shè)計(jì)及配比工藝

礦坑邊幫出水位置位于露天采場(chǎng)境界線(xiàn)附近，不具備剝挖空間，不宜采取直接措施封堵導(dǎo)水通道，采用傳統(tǒng)的水泥或水泥-粉煤灰復(fù)合漿液進(jìn)行帷幕封堵，工程費(fèi)用高，且易受爆破擾動(dòng)產(chǎn)生次生裂隙，難以形成穩(wěn)定的隔水帷幕墻，因此，擬選用黏土-水泥漿液構(gòu)建具有一定抗震性，且隔水性可靠的柔性帷幕墻，充分發(fā)揮黏土-水泥漿綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 瞬變電磁物探平面視電阻率等值線(xiàn)

3.1 工程布置

3.1.1 帷幕墻邊界

燒變巖含水層分布于礦坑?xùn)|北部邊界附近。為使?jié){液充分充填燒變巖孔隙裂隙，垂直于燒變巖分布區(qū)的來(lái)水方向構(gòu)建隔水墻以封堵過(guò)水通道，減少礦坑涌水。為避免燒變巖水繞流進(jìn)入采坑，帷幕隔水墻西側(cè)邊界與實(shí)體煤搭接，東側(cè)邊界為邊幫最東側(cè)涌水點(diǎn)向東推移100m，沿采剝邊界形成連續(xù)封閉隔水墻體。

3.1.2 帷幕墻垂向位置

圖4 注漿及檢查鉆孔結(jié)構(gòu)

2-2煤層頂板高程在+1100m左右，風(fēng)化基巖標(biāo)高在+1140m左右，考慮到火燒區(qū)邊界附近煤層上覆風(fēng)化砂巖也可能存在過(guò)水通道，同時(shí)地下水位存在季節(jié)性波動(dòng)。設(shè)計(jì)帷幕帶上限為風(fēng)化巖頂界面，帷幕帶底部進(jìn)入煤層下伏完整巖層5m。帷幕帶高度在40m左右，重點(diǎn)層段為燒變巖及基巖風(fēng)化帶。設(shè)計(jì)注漿鉆孔垂深最大71m，隨煤層埋深適當(dāng)調(diào)整(圖4)。

3.1.3 鉆孔位置設(shè)計(jì)

露天煤礦東端幫涌水區(qū)域揭露的巖石以砂巖、泥質(zhì)砂巖為主，皆為非可溶性巖石。根據(jù)《礦山帷幕注漿規(guī)范》(DZ/T 0285—2015)，在非可溶巖地層中帷幕帶厚度不宜小于5m。為保障堵水效果，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，設(shè)計(jì)帷幕帶厚度7m(有效帷幕帶厚度約5m)。帷幕帶布置2排鉆孔，鉆孔間距10m，成兩排三花布置，鉆孔排距為3m(圖5)。為了檢查帷幕注漿的效果，并及時(shí)對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)注，在兩排注漿孔之間，每隔50m布置一個(gè)注漿效果檢查孔。注漿孔設(shè)計(jì)為垂直孔，為保證施工安全，工程沿線(xiàn)與剝采邊界保持10～30m的安全距離，與高壓線(xiàn)保持10m以上安全距離。

圖5 帷幕墻孔位布置

3.2 注漿材料配制

黏土-水泥漿是防滲效果良好的工程材料，具有環(huán)保性能優(yōu)越、抗震性能好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于垃圾填埋、礦山及堤防等領(lǐng)域[25]。露天礦剝采作業(yè)產(chǎn)生大量黏土，可就地取材，節(jié)約工程成本。且黏土-水泥漿漿液可塑性，具有一定的抗震能力。因此，提出采用黏土-水泥漿液構(gòu)建柔性帷幕隔水墻，在達(dá)到隔水效果的同時(shí)，有效應(yīng)對(duì)爆破作業(yè)對(duì)帷幕墻產(chǎn)生的擾動(dòng)破壞。

利用黏土-水泥漿構(gòu)筑隔水帷幕墻的難點(diǎn)在于獲得良好的材料配比。與水泥-水玻璃雙漿液等常用注漿材料相比，黏土-水泥漿無(wú)法快速凝結(jié)成高強(qiáng)度結(jié)石體，而礦坑邊界燒變巖孔洞裂隙發(fā)育，地下水徑流速度快，不合理的材料配比面臨易被水流沖走稀釋或無(wú)法起到充填燒變巖孔隙裂隙等問(wèn)題。因此，需要對(duì)黏土-水泥漿材料進(jìn)行嚴(yán)格篩分，進(jìn)行配比試驗(yàn)，以取得流動(dòng)性好、抗?jié)B性強(qiáng)，不易受震動(dòng)破壞的黏土-水泥混合漿液。

以露天礦邊幫剝離的保德組紅土為原料，按照塑性指數(shù)不小于14，粘粒含量(粒徑小于0.005mm)不少于25%，含砂量不大于25%(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，含砂量過(guò)大漿液將快速下沉，黏度明顯降低，不利于漿液擴(kuò)散)，有機(jī)物含量不大于3%等要求進(jìn)行篩選。然后以黏土、水泥、水玻璃為原料不斷調(diào)整材料配比，配制好后測(cè)定漿液的比重、黏度、含砂率、析水率、沉降速率等參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，水土比(水和黏土的質(zhì)量之比)、水泥和水玻璃添加量對(duì)黏土-水泥漿液沉降速率和相對(duì)強(qiáng)度有直接影響[26，27]。在水土比1.5∶1、水泥添加量20%、水玻璃添加量4%左右時(shí)，漿液的沉降速率較低，粘度適中、具備注漿所需性能。

3.3 注漿工藝流程

注漿孔首先采用測(cè)量?jī)x器根據(jù)設(shè)計(jì)的注漿鉆孔坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量放樣；鉆孔開(kāi)孔采用?127mm鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至風(fēng)化帶頂部以下2m左右，以鉆孔沖洗液不出現(xiàn)大量漏失為準(zhǔn)；下置?108mm×4mm套管，注漿、固管，待凝固后進(jìn)行掃孔；采用?91mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至燒變巖頂板以上5m位置，對(duì)第一注漿段進(jìn)行洗孔、壓水、注漿；采用?91mm鉆頭繼續(xù)掃孔鉆進(jìn)至燒變巖底板以下5m(預(yù)計(jì)孔深65m)，對(duì)第二注漿段進(jìn)行洗孔、壓水、注漿。

采用孔口封閉下行分段間歇式注漿工藝。首先通過(guò)控制系統(tǒng)將黏土和水送入一次攪拌池，攪拌均勻后，加入水泥及助凝劑進(jìn)行二次攪拌，采用?50mm注漿管注漿。水泥黏土復(fù)合漿液站選用1m3大小的移動(dòng)式注漿池。注漿管路進(jìn)入孔內(nèi)選用孔口加蓋加壓注漿。

注漿過(guò)程中，先用比重為1.2左右的黏土稀漿灌注，持續(xù)灌注12h或提前起壓至0.5MPa時(shí)則更換比重為1.4的黏土-水泥漿，持續(xù)灌注至設(shè)計(jì)終壓1MPa。若持續(xù)3h后仍未達(dá)設(shè)計(jì)終壓，則暫停注漿，間歇2d后繼續(xù)灌注比重為1.4的黏土-水泥漿液，再次持續(xù)注漿3h后若仍未達(dá)設(shè)計(jì)終壓，則在黏土-水泥漿液中加入4%左右的水玻璃，持續(xù)灌注至設(shè)計(jì)終壓[15]。

4 黏土基帷幕隔水效果及效益

4.1 帷幕墻施工

帷幕墻建造過(guò)程中，共投入施工人員30余人，配備鉆機(jī)3臺(tái)、注漿泵7臺(tái)，其余輔助設(shè)備共10余臺(tái)(套)。共計(jì)施工鉆孔90個(gè)，其中注漿孔82個(gè)、檢查孔3個(gè)、水位監(jiān)測(cè)孔5個(gè)，總進(jìn)尺6803.9m。注漿總量21835.90m3，使用黏土120車(chē)，共計(jì)約4200m3，水泥920.20t，水玻璃26.50t。

4.2 鉆孔水位對(duì)比

在帷幕墻外側(cè)50～70m布置水文監(jiān)測(cè)孔，對(duì)帷幕墻構(gòu)筑前后的水位變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。帷幕墻建造完成前，由于煤層開(kāi)采及爆破擾動(dòng)影響，礦坑涌水量增加，水位在施工前期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著帷幕墻的逐步建造完成，位于墻內(nèi)的觀測(cè)孔SW6、SW7和SW8水位值逐漸上升。位于墻外的SW9和SW10觀測(cè)孔由于帷幕墻的阻隔，水位逐漸下降(圖6)。表明帷幕墻起到了隔水作用，且鄰近邊幫爆破作業(yè)后，礦坑涌水量未出現(xiàn)明顯增加，可見(jiàn)帷幕墻具有較好的抗震動(dòng)能力。

圖6 水文觀測(cè)孔水位歷時(shí)曲線(xiàn)

4.3 排水量變化

隨著帷幕墻構(gòu)筑工程的逐漸完成，東坑排水量在經(jīng)歷雨季增長(zhǎng)后開(kāi)始逐漸降低，尤其是在9月中旬對(duì)帷幕墻中間部位補(bǔ)注加固后，東坑排水量衰減明顯，至11月初水量已降至約300m3/h(圖7)。帷幕墻東部構(gòu)筑完成后，在帷幕墻外進(jìn)行了正常采剝作業(yè)，采剝段排水量由治理前的698m3/h減少至71m3/h，減水率達(dá)89.82%，帷幕墻阻水效果顯著。

圖7 東坑排水量變化

4.4 生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益

帷幕墻構(gòu)筑完成后，阻斷了燒變巖含水層的側(cè)向滲流通道，帷幕墻內(nèi)部水位得以保持。施工場(chǎng)地設(shè)備撤離后，對(duì)周邊區(qū)域開(kāi)展了播撒草籽等植被恢復(fù)工作，礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境得到較好地保護(hù)和恢復(fù)。與以往注漿多采用的水泥單液漿、水泥-粉煤灰混合漿及水泥-水玻璃雙漿液相比，黏土-水泥漿液以礦坑邊幫剝離的黏土為主要材料，漿液無(wú)毒性，對(duì)地下水和環(huán)境無(wú)污染。且黏土來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，工藝簡(jiǎn)單。與水泥-粉煤灰雙漿液注漿方案相比，黏土-水泥漿注漿方案材料費(fèi)用節(jié)約近88萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié) 論

1)以露天礦剝離的黏土為主要材料，通過(guò)配比試驗(yàn)配制出黏土-水泥漿，在礦坑邊界燒變巖分布區(qū)建造黏土基柔性帷幕隔水墻，可有效阻斷燒變巖水徑流通道，實(shí)現(xiàn)了露天煤礦保水采煤。

2)黏土-水泥漿液無(wú)毒無(wú)害，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，利用其建造的柔性帷幕隔水墻，經(jīng)濟(jì)效益突出，生態(tài)效益明顯，實(shí)現(xiàn)了安全、綠色、保水開(kāi)采。為露天礦邊幫水害治理和保水采煤提供了一種新方法。