馬建國(guó)，蒲治國(guó)，丁 湘，紀(jì)卓辰，李 哲，賀曉浪，閆 鑫，李文強(qiáng)

(1.陜西神延煤炭有限責(zé)任公司西灣露天煤礦，陜西省榆林市，719000；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市，710054；3.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017200；4.陜西永明煤礦有限公司，陜西省延安市，717300)

我國(guó)是全球最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)，2022年煤炭產(chǎn)量達(dá)45億t，占世界煤炭總產(chǎn)量的51%，其中露天煤礦煤炭產(chǎn)量9.5億t，占煤炭總產(chǎn)量的21.1%[1]，煤炭保供和碳達(dá)峰相關(guān)政策的推進(jìn)實(shí)施將有效促進(jìn)煤炭生產(chǎn)在短期處于較高水平[2]。榆神礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北部，該礦區(qū)具有煤層埋藏淺、開(kāi)采條件好、煤質(zhì)優(yōu)及資源量豐富等特點(diǎn)，區(qū)內(nèi)除去井工煤礦外還存在1處露天煤礦。由于露天煤礦在開(kāi)采過(guò)程中需對(duì)回采煤層上覆地層進(jìn)行剝離，這使得地下水直接在礦坑邊幫涌出。近年來(lái)，隨著露天煤礦產(chǎn)量的逐年增加，導(dǎo)致礦坑面臨抽排水工作量大、機(jī)械作業(yè)環(huán)境差、邊坡失穩(wěn)滑塌和地下水位下降等一系列問(wèn)題[3-6]。目前露天煤礦水害采用構(gòu)建隔水帷幕墻進(jìn)行治理，以及利用地面施工常規(guī)鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)注漿或通過(guò)開(kāi)挖溝槽后澆筑(鋪設(shè))不透水材料對(duì)涌水通道進(jìn)行封堵的方法[7-9]。前者在動(dòng)水條件下存在漿液留存率低的現(xiàn)象，治理效果不甚理想；后者存在工程量大、施工成本高等缺點(diǎn)。因此，有必要進(jìn)行超前預(yù)注漿構(gòu)建帷幕墻，在未剝采時(shí)即地下水處于相對(duì)靜水條件下進(jìn)行預(yù)注漿，在提高漿液留存率同時(shí)保證工程施工周期短、造價(jià)成本低，將礦坑被動(dòng)堵水轉(zhuǎn)變?yōu)樗χ鲃?dòng)防治。

筆者以西灣露天煤礦為例，在分析水文地質(zhì)條件和燒變巖邊界裂隙發(fā)育特征基礎(chǔ)上，確定了帷幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)、施工工藝流程，并對(duì)注漿壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，最終形成了露天煤礦采剝邊幫涌水超前治理技術(shù)，有效隔斷地下水對(duì)礦坑的強(qiáng)補(bǔ)給，保證了露天煤礦高效、安全和綠色開(kāi)采。

1 西灣露天煤礦概況

西灣露天煤礦位于陜西省榆林市榆陽(yáng)區(qū)東北部、神木市西南部，井田主要可采煤層為2-2、3-1、4-3和5-3上號(hào)煤層，次可采煤層為5-3下號(hào)煤層，其中2-2號(hào)煤層為露天開(kāi)采煤層，井田面積約為76.56 km2，生產(chǎn)規(guī)模10.0 Mt/a。區(qū)內(nèi)地表大部被第四系風(fēng)積沙覆蓋，局部地段有紅土出露，井田的偏南部和東南部有常年性溝流白瑤則溝和紅崖溝。

1.1 礦坑主要充水來(lái)源

西灣露天煤礦開(kāi)采煤層上覆含水層主要為第四系松散層孔隙潛水含水層，延安組風(fēng)化基巖裂隙承壓水含水層、延安組正?；鶐r裂隙承壓水含水層和燒變巖孔洞裂隙潛水含水層。延安組風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層涌水量為0.004 01～0.457 20 L/(s·m)，富水性弱到中等；燒變巖孔洞裂隙潛水含水層單位涌水量為1.009～24.720 L/(s·m)，富水性強(qiáng)到極強(qiáng)。礦坑在進(jìn)行剝采時(shí)風(fēng)化基巖水和燒變巖水直接在邊幫涌出，是礦坑的主要充水含水層。礦坑主要充水含水層及其充水方式如圖1所示。

圖1 礦坑主要充水含水層及其充水方式

1.2 礦坑面臨水害問(wèn)題

根據(jù)井田煤層自燃邊界水文補(bǔ)勘成果可知，高程+1 125 m平面上中南部和中北部電阻率整體呈現(xiàn)中低阻形態(tài)，結(jié)合基巖層頂界面和附近鉆孔確定+1 125m高程地層為風(fēng)化基巖，視電阻低阻異常區(qū)是由標(biāo)高在+1 125 m附近的風(fēng)化基巖裂隙含水層富水導(dǎo)致。風(fēng)化基巖富水異常區(qū)分布如圖2所示。高程+1 095 m平面上北部和南部視電阻率呈現(xiàn)中低阻形態(tài)，同樣根據(jù)燒變巖頂界面層位判斷該標(biāo)高附近中低阻異常區(qū)由燒變巖富水導(dǎo)致，砂巖燒變后孔隙增多成為良好的地下儲(chǔ)水區(qū)。燒變巖富水異常區(qū)分布如圖3所示。

圖2 風(fēng)化基巖富水異常區(qū)分布

圖3 燒變巖富水異常區(qū)分布

西灣露天煤礦采用穿孔爆破對(duì)巖體進(jìn)行剝離，邊幫在爆破震動(dòng)荷載和地震慣性力反復(fù)作用下巖體結(jié)構(gòu)面粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角降低[10-11]，邊幫直觀表現(xiàn)為巖體破碎、垂向裂隙發(fā)育且部分巖體發(fā)生崩落。在富水異常區(qū)裂隙直接溝通風(fēng)化基巖和燒變巖含水層，風(fēng)化基巖水和燒變巖水在邊幫涌出。西灣露天煤礦涌(積)水情況現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。為了有效避免上述工程地質(zhì)和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，急需對(duì)邊幫進(jìn)行超前預(yù)注漿治理。

圖4 西灣露天煤礦涌(積)水情況現(xiàn)場(chǎng)

2 超前治理可行性分析及帷幕墻設(shè)計(jì)

2.1 超前治理構(gòu)建帷幕墻可行性分析

巖體受煤層自燃烘烤或燒熔后，其自身會(huì)產(chǎn)生大量的氣孔、裂隙和孔洞，成為良好的儲(chǔ)水體[12]，可以通過(guò)鉆孔電視成像儀對(duì)治理區(qū)域工程地質(zhì)條件和煤層自燃區(qū)發(fā)生垮塌后裂隙發(fā)育情況進(jìn)行探查。

利用鉆孔電視成像儀對(duì)治理區(qū)域地層進(jìn)行全孔段窺視，如圖5所示。由圖5可以看出，淺部風(fēng)化基巖段主要以橫向和縱向細(xì)小裂隙為主；深部燒變巖上部出現(xiàn)斜交裂隙和部分孔洞，下部則以孔洞為主且孔洞較大。

圖5 治理層位裂隙、孔洞發(fā)育情況窺視

2.2 帷幕墻設(shè)計(jì)參數(shù)

帷幕墻主要對(duì)礦坑?xùn)|側(cè)邊幫外側(cè)風(fēng)化基巖水和燒變巖水進(jìn)行阻隔，設(shè)計(jì)遵循“因地制宜、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理和保護(hù)環(huán)境”的原則。為避免帷幕墻距燒變巖邊界過(guò)遠(yuǎn)，帷幕墻布置在采坑內(nèi)一平臺(tái)上。依據(jù)劃定治理范圍為350 m，設(shè)計(jì)帷幕帶長(zhǎng)度約為400 m，包括西側(cè)需與燒變巖邊界搭接的20 m，實(shí)際長(zhǎng)度根據(jù)具體施工情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。帷幕墻平面布置如圖6所示。設(shè)計(jì)帷幕墻上限為風(fēng)化基巖頂界面，其標(biāo)高約為+1 140 m，帷幕墻底部進(jìn)入煤層下伏完整砂巖5 m，墻體高度在40 m左右。西灣露天煤礦東側(cè)邊幫涌水區(qū)域揭露的巖石主要以砂巖、泥質(zhì)砂巖等為主，皆非可溶性巖石，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，為保障此次堵水效果，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，綜合考慮設(shè)計(jì)帷幕帶厚度為6 m左右。

圖6 帷幕墻平面布置

3 超前預(yù)注漿施工工藝

3.1 注漿材料的選取及漿液配比確定

漿液類(lèi)型在綜合考慮露天煤礦剝采方式(爆破剝采)、結(jié)石率和膠凝時(shí)間后進(jìn)行確定，本次漿液類(lèi)型包括黏土單液漿、黏土-水泥雙液漿和水泥-水玻璃雙液漿。黏土屬低強(qiáng)度注漿材料，除本身具有較強(qiáng)隔水性外，在爆破震動(dòng)荷載作用下還具有較強(qiáng)自愈性和重塑性等特點(diǎn)[13-14]；黏土漿液中加入水泥將增加其自身的結(jié)石率，當(dāng)黏土-水泥雙液漿在注漿過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用水泥-水玻璃雙液漿，漿液類(lèi)型、配比(水固比)及相應(yīng)比重見(jiàn)表1。

表1 漿液類(lèi)型配比與相應(yīng)比重

需說(shuō)明的是水泥-水玻璃雙液漿的漿液配比為水和水泥質(zhì)量比，水玻璃需按照一定比例摻入其中。

3.2 鉆孔施工及注漿順序

利用ZDY1900S型鉆機(jī)在地面施工常規(guī)鉆孔，采用Φ150 mm的PDC鉆頭開(kāi)孔，鉆進(jìn)至風(fēng)化基巖頂界面下2 m左右下Φ108 mm×4 mm套管，注漿、固管帶凝固后進(jìn)行掃孔，采用Φ94 mm的PDC鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至燒變巖底板以下5 m，預(yù)計(jì)孔深71 m。本次施工布置2排鉆孔為外排孔和內(nèi)排孔，靠近礦坑側(cè)為內(nèi)排孔，鉆孔間距為10 m，成兩排三花布置，鉆孔排距為4 m。帷幕墻平面孔位布置如圖7所示。

圖7 帷幕墻平面孔位布置

鉆孔施工和注漿采取“跳打跳注、先外排后內(nèi)排”的順序原則，即先施工Z1-1、Z1-3、Z1-5、Z1-7鉆孔，再施工Z2-1、Z2-3、Z2-5、Z2-7鉆孔，在施工Z1-3鉆孔時(shí)即可對(duì)Z1-1鉆孔開(kāi)始注漿，二序孔施工時(shí)可對(duì)一序孔施工及注漿質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時(shí)施工檢查孔對(duì)注漿量異常區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，最后根據(jù)實(shí)際施工及帷幕墻效果檢查情況對(duì)注漿孔進(jìn)行調(diào)整。

3.3 注漿壓力動(dòng)態(tài)控制

西灣露天煤礦邊幫水害超前治理屬于升壓滲透注漿，漿液通過(guò)壓力對(duì)裂隙和孔洞中的地下水進(jìn)行驅(qū)替。注漿是從孔口無(wú)壓到滿(mǎn)足注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)壓力增長(zhǎng)過(guò)程，該過(guò)程先后歷經(jīng)微壓鋪底-充填、低-中壓擴(kuò)散和終壓加固3個(gè)階段[15-16]，3個(gè)階段的切換通過(guò)注漿壓力、注入漿量和注漿時(shí)間共同確定，具體參數(shù)和切換標(biāo)準(zhǔn)可依據(jù)前期堵水治理工程注漿經(jīng)驗(yàn)。

(1)微壓鋪底-充填階段?？卓谖雌饓簳r(shí)采用比重為1.2的黏土單液漿進(jìn)行灌注，注漿壓力達(dá)到0.2 MPa或注入漿量已累計(jì)200 m3，以上條件需控制在8.0 h內(nèi)，若滿(mǎn)足上述條件則進(jìn)入下一個(gè)階段，否則進(jìn)行間歇注漿。

(2)低壓擴(kuò)散階段?？卓趬毫_(dá)到0.2 MPa后進(jìn)入低壓擴(kuò)散階段，在原有黏土單液漿基礎(chǔ)上摻入水泥，使得漿液比重達(dá)到1.3及以上，該階段隨著壓力不斷上升，漿液在裂隙和孔洞中的擴(kuò)散距離逐漸增大，注漿地層進(jìn)一步被加固，若注入漿量達(dá)到200 m3或注漿時(shí)間達(dá)到3.0 h后仍未滿(mǎn)足終孔壓力(1 MPa)，則進(jìn)入到終壓加固階段。

(3)終壓加固階段?？卓趬毫υ诔掷m(xù)3.0 h后未能達(dá)到終孔標(biāo)準(zhǔn)則使用清水洗孔0.5 h，間歇8.0 h后繼續(xù)采用黏土-水泥雙液漿進(jìn)行加固，若3.0 h后仍不能達(dá)到終孔壓力則采用水泥-水玻璃雙液漿繼續(xù)注入直至達(dá)到孔口表顯1 MPa，結(jié)束該孔的注漿工作。

4 帷幕墻注漿效果檢驗(yàn)

本次西灣露天煤礦超前預(yù)注漿工程共施工注漿孔82個(gè)、檢查孔3個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺6 803.9 m；注漿量共計(jì)21 835.9 m3，使用黏土5 460.0 t、水泥920.2 t、水玻璃26.5 t。

帷幕墻注漿質(zhì)量直接影響工程的治理效果，因此需對(duì)注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)[17]。本次西灣露天煤礦構(gòu)建帷幕墻采用壓水試驗(yàn)法對(duì)整個(gè)施工過(guò)程中墻體重點(diǎn)區(qū)段進(jìn)行檢驗(yàn)[18]，采用礦坑水量觀測(cè)法和開(kāi)挖后邊幫涌水情況對(duì)工程竣工后帷幕墻的整體隔水性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.1 壓水試驗(yàn)法

檢查孔的壓水試驗(yàn)可對(duì)裂隙巖體滲透性進(jìn)行測(cè)定，是檢驗(yàn)帷幕注漿質(zhì)量的有效手段之一[19]。

本次采用單級(jí)壓力、雙分段壓水進(jìn)行試驗(yàn)，壓力不超過(guò)終孔壓力的80%(0.8 MPa)。在遵循帷幕線(xiàn)上均勻分布的基礎(chǔ)上，針對(duì)注入漿量異常區(qū)施工了3個(gè)檢查孔，檢查孔測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 檢查孔壓水測(cè)定相關(guān)參數(shù)成果

根據(jù)《壓水試驗(yàn)規(guī)程》(YS/T5216-2020)中巖土體透水性分級(jí)可知，當(dāng)1 Lu≤透水率q<10 Lu時(shí)巖土體透水性為弱透水，對(duì)應(yīng)0.000 01 cm/s≤滲透系數(shù)K<0.000 10 cm/s，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4.2 礦坑水量觀測(cè)法

本次帷幕注漿施工超前礦坑剝采進(jìn)度，在注漿治理中后期礦方在帷幕起點(diǎn)附近進(jìn)行剝采，注漿治理工程結(jié)束時(shí)已完成了近一半治理區(qū)剝采。通過(guò)礦方提供的礦坑?xùn)|側(cè)邊幫水量抽排資料可知，2020年9月5日東側(cè)邊幫出現(xiàn)較大出水點(diǎn)后礦坑排水量最大達(dá)27 727 m3/d，前期堵水治理階段于2020年11月結(jié)束，結(jié)束時(shí)礦坑?xùn)|側(cè)抽排水量11 903 m3/d；隨后進(jìn)入超前預(yù)注漿階段，預(yù)注漿結(jié)束后，礦坑在對(duì)超前治理范圍進(jìn)行剝采過(guò)程中礦坑抽排水量處于波動(dòng)狀態(tài)，基本穩(wěn)定在10 884 m3/d(東坑水量)，表明超前預(yù)注漿構(gòu)建的帷幕墻對(duì)風(fēng)化基巖水和燒變巖水進(jìn)行了有效阻隔。礦坑抽排水量變化如圖8所示。

圖8 礦坑抽排水量變化

4.3 開(kāi)挖后邊幫涌水情況

截至2022年6月，西灣露天煤礦基巖段已剝采至距超前注漿治理終點(diǎn)前40 m處，對(duì)治理段巖體基本已全部揭露。350 m治理范圍內(nèi)僅存在1處出水位置，位于1 130 m平盤(pán)，出水點(diǎn)相對(duì)零散且單個(gè)出水點(diǎn)水量小，通過(guò)對(duì)出水點(diǎn)附近水槽進(jìn)行修整，選取水槽面較為平整且相對(duì)規(guī)整的區(qū)段(長(zhǎng)度為6 m)采用浮標(biāo)法進(jìn)行涌水量測(cè)量。水流流速測(cè)試記錄見(jiàn)表3。

表3 水流流速測(cè)試記錄

流量計(jì)算公式如下：

Q=3 600SVA

(1)

式中：Q——流量，m3/h；

S——截面面積，m2；

V——水流流速，m/s；

A——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.6。

利用式(1)得到該出水點(diǎn)水量為55 m3/h，前期堵水階段各出水點(diǎn)水量為698 m3/h，減水率達(dá)92.12%，超前預(yù)注漿施工效果顯著。

5 結(jié)論

(1)對(duì)露天煤礦剝采面臨的水害類(lèi)型進(jìn)行了分析，針對(duì)礦坑受風(fēng)化基巖水和燒變巖水雙重水害威脅，提出了進(jìn)行超前預(yù)注漿對(duì)風(fēng)化基巖和燒變巖地層進(jìn)行加固，通過(guò)構(gòu)建帷幕墻對(duì)地下水進(jìn)行阻隔。

(2)僅采用水泥單液漿難以滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求，綜合考慮黏土本身特性和爆破震動(dòng)荷載作用，選取具備較強(qiáng)自愈性和重塑性的黏土單液漿和黏土-水泥雙液漿為主，輔以水泥-水玻璃雙液漿，對(duì)漿液類(lèi)型、配比和比重進(jìn)行了確定。

(3)對(duì)注漿壓力、注入漿量和注漿時(shí)間進(jìn)行閾值劃分，將超前預(yù)注漿過(guò)程劃分為微壓鋪底-充填、低-中壓擴(kuò)散和終壓加固3個(gè)階段。超前預(yù)注漿治理結(jié)束后，通過(guò)采用壓水試驗(yàn)法、礦坑水量觀測(cè)法進(jìn)行邊幫涌水超前治理，確定本次預(yù)注漿技術(shù)構(gòu)建的帷幕墻質(zhì)量可靠、阻水效果顯著，可有效保障煤礦安全、高效進(jìn)行剝采作業(yè)。