路 飛

（國(guó)家能源集團(tuán)神延煤炭有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

露天煤礦通過剝離煤層上覆巖土體采出煤炭資源，剝離過程中不可避免地破壞了原有地層結(jié)構(gòu)，改變了區(qū)域地下水的補(bǔ)、徑、排條件，使地下水流場(chǎng)、流向、流量發(fā)生改變，擾亂了原始的地下水循環(huán)系統(tǒng)[1]，使地下水大量涌入采坑，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。特別是受火燒區(qū)影響的煤礦，由于煤層燃燒后，圍巖在高溫變質(zhì)作用下和燒蝕坍塌作用下，形成裂隙孔洞發(fā)育的燒變巖儲(chǔ)水構(gòu)造，受水害影響更嚴(yán)重。燒變巖水靜儲(chǔ)量大，且接受上部潛水含水層的補(bǔ)給，疏水降壓短期內(nèi)難以改變燒變巖水的影響，且對(duì)生態(tài)影響較大[2]。為了降低涌水對(duì)安全生產(chǎn)的影響，減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，研究注漿堵水治理燒變巖涌水意義重大。注漿堵水是通過專用的注漿設(shè)備，根據(jù)不同地質(zhì)條件制備不同特性的堵水漿液，注入巖層的孔隙之中，占據(jù)原來被水占有的孔隙或通道，在一定的壓力、時(shí)間下脫水，固結(jié)成膠凝，使?jié){體的結(jié)石體或膠凝體與圍巖形成阻水整體，從而改變?cè)瓉聿焕诓傻V的水文地質(zhì)條件[3]；防止在采剝過程中，燒變巖水大量涌入采坑，影響安全生產(chǎn)。

1 西灣露天煤礦概況

西灣露天煤礦位于榆神礦區(qū)中部，為典型的中溫帶半干旱高原大陸性氣候，氣候干燥寒冷，雨水稀少，降水多集中在7—9 月，占年降水量的66%。露采煤層為2－2 煤層，開采深度34.14～175 m，煤層平均厚度11.13 m，核定生產(chǎn)能力為13.00 Mt/a。采用工作面移動(dòng)坑線、端幫半固定坑線的多出入溝汽車運(yùn)輸開拓方式，松散物由挖掘機(jī)直接采裝，分臺(tái)階開采；巖石、煤經(jīng)穿孔爆破后再進(jìn)行采裝，按臺(tái)階分層開采。

井田范圍內(nèi)地表大部分被第四系風(fēng)積沙覆蓋，以固定沙丘及半固定沙丘為主，植被覆蓋較好，地勢(shì)相對(duì)平坦、開闊[4]。北部為風(fēng)沙丘陵和沙漠灘地；南部為蓋沙紅土丘陵，出露于紅崖溝和白窯則溝溝谷兩側(cè)及露天礦區(qū)中部的局部地段。地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)。地層由新至老有：第四系、新近系、白堊系下統(tǒng)洛河組（K1l）、安定組（J2a）、直羅組（J2z）、侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y）、侏羅系下統(tǒng)富縣組（J1f）及三疊系上統(tǒng)永坪組（T3y）。

西灣露天煤礦含水層主要有薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、延安組風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層、燒變巖孔洞裂隙潛水含水層，其中薩拉烏蘇組孔隙潛水含水層、延安組風(fēng)化基巖裂隙承壓含水層富水性弱到中等，易于疏干[5]；燒變巖孔洞裂隙潛水含水層富水性強(qiáng)至極強(qiáng)，靜儲(chǔ)量大，疏水降壓效果差。薩拉烏蘇組孔隙潛水以大氣降水補(bǔ)給為主，次為沙漠凝結(jié)水、灌溉回歸水等?；鶐r裂隙含水層在基巖裸露區(qū)通過風(fēng)化裂隙帶得到大氣降水滲入補(bǔ)給外，還接受上游地段潛水滲入補(bǔ)給，徑流方向基本沿巖層傾向由東向西或西南方向運(yùn)移[6]，最終在溝谷地帶出漏。

2 燒變巖區(qū)域水文地質(zhì)勘查成果

由于煤層埋藏淺，首采區(qū)東部邊界發(fā)育大面積火燒區(qū)，雖然在開采過程留設(shè)了100 m 防隔水煤柱，但燒變巖裂隙孔洞與基巖裂隙局部溝通，采剝過程中燒變巖水大量涌入采坑，針對(duì)東端幫燒變巖涌水情況進(jìn)行了水文地質(zhì)勘查。

2.1 物探勘查成果

東端幫區(qū)域進(jìn)行地面物探勘查形成了順層平面圖，順層平面圖主要利用估算的基巖、煤層底板高程數(shù)據(jù)，根據(jù)估算的基巖、煤層底板高程數(shù)據(jù)，每間隔10 m 或5 m 抽取相應(yīng)層位的反演電阻率數(shù)據(jù)，繪制成圖，并進(jìn)行綜合分析解釋[7]。

煤層燃燒后，上覆砂巖變質(zhì)形成燒變巖，孔隙度增大，地下水儲(chǔ)存條件較好，其導(dǎo)電性會(huì)顯著增強(qiáng)，視電阻率明顯降低，在典型特征上會(huì)形成橫向上的低阻異常，可以依據(jù)同一層位中相對(duì)的低阻異常反映來劃分其含水性。瞬變電磁法正是利用巖層之間及巖層與異常體之間的電性差異，來區(qū)分不同的地質(zhì)巖層，劃分電性異常，分析測(cè)區(qū)火燒區(qū)范圍及其富水性情況[8]。不同標(biāo)高視電阻率等值線疊合圖如圖1。

圖1 不同標(biāo)高視電阻率等值線疊合圖

由各巖層視電阻率等值線疊合圖可以看出：高程由上至下對(duì)應(yīng)層位的反演電阻率總體上呈“高阻-低阻-高阻”的變化趨勢(shì)；高程1 125 m 對(duì)應(yīng)紅黏土隔水層，整體呈現(xiàn)視電阻率高阻形態(tài)；高程1 110 m對(duì)應(yīng)砂巖含水層，整體呈現(xiàn)視電阻率中低阻形態(tài)；高程1 095 m 對(duì)應(yīng)煤層頂板及燒變巖富水層，整體呈現(xiàn)視電阻率中高阻形態(tài)，局部呈現(xiàn)低阻形態(tài)；高程1 080 m 對(duì)應(yīng)局部燒變巖富水層（測(cè)區(qū)北部）及泥質(zhì)砂巖，整體呈現(xiàn)視電阻率中高阻形態(tài)，局部呈現(xiàn)低阻形態(tài)；高程1 065 m 對(duì)應(yīng)泥質(zhì)砂巖，整體呈現(xiàn)視電阻率中高阻形態(tài)；不同高程的視電阻率等值線圖基本與地層對(duì)應(yīng)吻合，基本確定火燒區(qū)富水區(qū)。

2.2 水文地質(zhì)鉆探勘查成果

西灣露天煤礦為了查明東端幫涌水區(qū)域的地下水來源及流向，研究地下水補(bǔ)、徑、排條件，揭示含水層之間的水力聯(lián)系和地表水與地下水的相互作用，結(jié)合地面物探成果，布置5 個(gè)水文地質(zhì)鉆孔。

通過在鉆進(jìn)過程中沖洗液觀測(cè)，BK1 孔基本未漏液，鉆進(jìn)至19.8 m 處時(shí)鉆孔出水，出水量較大，煤層頂部存在燒變現(xiàn)象，BK2～BK5 號(hào)鉆孔鉆進(jìn)至煤層頂部時(shí)，出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象；BK2 號(hào)鉆孔觀測(cè)的潛水含水層與燒變巖含水層混合段的水位標(biāo)高為＋1 135.60 m，平均滲透系數(shù)6.43 m/d，單位涌水量為2.548 L/（s·m）。BK3 號(hào)鉆孔觀測(cè)的燒變巖含水層的水位為＋1138.15 m，平均滲透系數(shù)為25.77 m/d，單位涌水量為3.364 L/（s·m）；BK4 號(hào)鉆孔觀測(cè)的潛水含水層的水位為＋1 137.04 m，平均滲透系數(shù)為11.65 m/d，單位涌水量為0.582 L/（s·m）；BK5 號(hào)鉆孔觀測(cè)的潛水含水層與燒變巖含水層混合段的水位為＋1 138.08 m，平均滲透系數(shù)為3.99 m/d，單位涌水量為0.826 L/（s·m）。

西灣露天煤礦東北側(cè)區(qū)域受采坑外部區(qū)域古沖溝影響，保德組紅土相對(duì)隔水層缺失以及燒變巖的綜合作用，煤系地層燒變巖水以及古沖溝保德組紅土缺失區(qū)域的風(fēng)化裂隙滲水的綜合作用影響，使上部潛水含水層與下部煤系地層燒變巖含水層相互連通；由于采坑外部火燒區(qū)水靜儲(chǔ)量巨大，且上部潛水含水層補(bǔ)給充分，潛水含水層通過導(dǎo)水通道對(duì)燒變巖含水層形成了較為穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給。

2.3 充水條件

根據(jù)礦坑實(shí)際揭露和鉆孔抽水試驗(yàn)可知，礦坑內(nèi)主要含水層為第四系含水層、風(fēng)化基巖含水層以及燒變巖含水層，第四系含水層與風(fēng)化基巖含水層之間發(fā)育保德組紅土隔水層，對(duì)礦坑涌水量控制作用較強(qiáng)的為風(fēng)化基巖含水層及燒變巖含水層，根據(jù)勘探成果，風(fēng)化基巖含水層滲透系數(shù)在0.011 45～3.980 0 m/d 之間，單位涌水量在0.041 7～0.457 2 L/（s·m）之間；燒變巖含水層滲透系數(shù)3.99～111.03 m/d 之間，單位涌水量在0.826～24.720 L/（s·m）之間，2 個(gè)含水層在空間展布及水文地質(zhì)參數(shù)上極不均一。在紅土隔水層缺失區(qū)域第四系含水層可對(duì)風(fēng)化基巖含水層造成補(bǔ)給，向東潛流補(bǔ)給燒變巖含水層。煤層自燃邊界及富水區(qū)綜合物探勘查成果更加精確的劃定出了煤層自然邊界范圍，并給出了含水層富水異常區(qū)的位置，為后期治理提供了可靠依據(jù)。

3 帷幕注漿治理燒變巖涌水

由于火燒區(qū)水靜儲(chǔ)量大，接受上部潛水含水層的補(bǔ)給，疏水降壓短期內(nèi)難以達(dá)到效果，對(duì)生態(tài)影響較大，出水區(qū)域位于露天采場(chǎng)境界線附近，不具備剝挖空間。綜合考慮，對(duì)該區(qū)段進(jìn)行帷幕隔離，防止采剝過程中，火燒區(qū)水大量涌入礦坑，對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。帷幕注漿通過在來水方向燒變巖區(qū)域施工帷幕墻實(shí)現(xiàn)封堵導(dǎo)水通道、隔離水源補(bǔ)給的目的。

3.1 帷幕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）注漿孔布局。根據(jù)《礦山帷幕注漿規(guī)范》可知，帷幕帶厚度在非可溶巖地層中不宜小于5 m[9]。由于西灣露天煤礦東端幫涌水區(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，為保障此次堵水效果，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度綜合考慮設(shè)計(jì)帷幕帶厚度6 m 左右[10]。帷幕帶布置2 排鉆孔，注漿半徑按5 m 計(jì)算，鉆孔間距10 m，成2 排3 花布置，鉆孔排距為4 m。帷幕注漿孔布置示意圖如圖2。

圖2 帷幕注漿孔布置示意圖

2）帷幕帶深度設(shè)計(jì)。由前期施工鉆孔數(shù)據(jù)可知，煤層頂板高程在1 100 m 附近，本次設(shè)計(jì)施工帷幕位置標(biāo)高平均值為1 156 m，風(fēng)化基巖標(biāo)高在1 140 m 左右，考慮到火燒區(qū)邊界附近煤層上覆風(fēng)化砂巖存在過水通道，同時(shí)地下水位季節(jié)性波動(dòng)因素。設(shè)計(jì)帷幕帶上限為到風(fēng)化巖頂界，帷幕帶底部進(jìn)入煤層下伏完整砂巖不小于5 m。帷幕帶下限深度50 m，帷幕帶高度在40 m 左右，重點(diǎn)層段為燒變巖及風(fēng)化基巖帶。設(shè)計(jì)注漿鉆孔垂深為71 m。考慮到地層的起伏情況，實(shí)際孔深、注漿層段及帷幕帶深度根據(jù)地層揭露情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，帷幕注漿構(gòu)建方式示意圖如圖3。

圖3 帷幕注漿構(gòu)建方式示意圖

3）注漿孔結(jié)構(gòu)及參數(shù)。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；鉆孔開孔采用φ150 mm 鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至風(fēng)化帶頂部以下2 m 左右；下置φ108 mm×4 mm 套管，注漿、固管，待凝固后進(jìn)行掃孔；采用φ91 mm 鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至燒變巖底板以下5 m，之后進(jìn)行洗孔、壓水、注漿，注漿孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 注漿孔結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 注漿材料與工藝

3.2.1 注漿材料

注漿材料在選擇時(shí)要在滿足注漿效果要求的基礎(chǔ)上兼顧環(huán)保原則，不得對(duì)地下水資源與環(huán)境造成污染。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出水情況以及《礦山帷幕注漿規(guī)范》，本次帷幕注漿材料選擇以黏土水泥復(fù)合漿液為主，復(fù)合漿液中加入助（速）凝劑、早強(qiáng)劑、發(fā)泡劑等材料為輔助，若燒變巖中空隙發(fā)育，便加入骨料進(jìn)行充填，骨料材料選用黏土中碎石結(jié)核、矸石、粉煤灰、鋸末、綠豆（黃豆）、海帶等，最終形成骨料－黏土－水泥－速凝劑的柔性混凝土。

水泥選用強(qiáng)度等級(jí)為P32.5 的普通硅酸鹽水泥；黏土選用露天礦剝離出的保德組紅土經(jīng)篩網(wǎng)篩分，除去內(nèi)部結(jié)核及塊體。經(jīng)檢測(cè)需滿足塑性指數(shù)不小于14，黏粒含量不少于25%；水玻璃選用Na2O·nSiO2，模數(shù)2.4～3.2，波美度（比重）為30°～45°Bé；骨料優(yōu)先選擇紅土內(nèi)篩分出的結(jié)核，其次為煤矸石，破碎至粒徑5～10 mm；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況可選用助（速）凝劑、早強(qiáng)劑、減水劑、膨脹劑等外加劑。

3.2.2 注漿工藝

本次帷幕注漿的鉆孔數(shù)量較多，深度較小，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，帷幕注漿的注漿工藝為孔口封閉下行分段間歇式注漿工藝[11]。注漿中若吃漿量大，及時(shí)調(diào)整漿液配比，用稠漿進(jìn)行打底或采用間歇式注漿法。若吃漿量小，及時(shí)調(diào)整漿液，采用稀漿進(jìn)行注漿。單回次注漿起壓等凝后，要進(jìn)行掃孔再注漿，若能吃漿還需繼續(xù)注漿，然后再掃孔，如此反復(fù)，直至掃孔后不吃漿停止單孔注漿[12]。漿液施工工藝流程圖如圖5。

圖5 漿液施工工藝流程圖

通過控制系統(tǒng)將黏土和水送入一級(jí)攪拌池，攪拌均勻后，加入水泥及助凝劑進(jìn)行二次攪拌，采用注漿泵通過φ50mm 注漿管注漿。水泥黏土復(fù)合漿液站選用1 m3大小的移動(dòng)式注漿池。整個(gè)注漿過程中，先用清水或稀漿壓入孔內(nèi)，將正常配比漿液注入孔內(nèi)，注漿管路進(jìn)入孔內(nèi)采用孔口加蓋加壓注漿。

3.2.3 注漿壓力

注漿壓力的影響因素十分復(fù)雜，目前多用經(jīng)驗(yàn)公式，由地下水靜水壓力確定最大允許注漿壓力：

式中：p 為最大允許注漿壓力，MPa；p1為注漿段地下水靜壓力（根據(jù)含水層厚度確定），MPa。

為確保帷幕墻的抗壓能力及防滲能力，防止?jié){液水平擴(kuò)散太遠(yuǎn)，且不破壞地層原生孔隙，結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)定、公式計(jì)算，本次注漿方案＋1 140～＋1 100 m 水平段注漿壓力選擇1.7 MPa，孔口壓力1 MPa。施工時(shí)需根據(jù)測(cè)試結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.2.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，每米注入量不大于2 L/min 時(shí)，繼續(xù)注漿30 min 即可結(jié)束注漿，施工過程中根據(jù)測(cè)試結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整[13]。

注漿采用間歇式注漿，即在注漿段一次注入達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，使?jié){液脫水、固化后再一次注漿，使受注裂隙多次充填，裂隙斷面逐漸減小，直至達(dá)到終壓、終量，持續(xù)穩(wěn)定一段時(shí)間后結(jié)束注漿，使裂隙充填飽滿、脫水、密實(shí)、硬化[14]。

3.3 帷幕注漿效果檢驗(yàn)

3.3.1 鉆孔壓水試驗(yàn)

根據(jù)注漿孔布置及注漿情況，對(duì)注漿量較大的區(qū)域及注漿孔擴(kuò)散治理可能存在問題的區(qū)域施工了檢查孔，并對(duì)其進(jìn)行了壓水試驗(yàn)[15]。

JC1 檢查孔位于Z1－12 和Z2－12 注漿孔中間位置，由于該段注漿量較大，為了檢查注漿效果在該位置設(shè)置檢查孔，該孔18 m 見基巖，47.1 m 處開始漏水，至58 m 處見煤。JC1 壓水試驗(yàn)成果表見表1。

表1 JC1 壓水試驗(yàn)成果表

JC2 檢查孔位于Z1－24 和Z2－24 注漿孔中間位置，該段在對(duì)Z2－24 鉆孔進(jìn)行注漿時(shí)串漿至東端幫1131 平臺(tái)邊幫，串漿距離達(dá)到了43.60 m，說明該處裂隙相對(duì)發(fā)育，因此在注漿結(jié)束后有必要對(duì)該段布置檢查孔檢查注漿效果。JC2 鉆孔19 m 見基巖，全程返水，JC2 壓水試驗(yàn)成果表見表2。

表2 JC2 壓水試驗(yàn)成果表

JC3 檢查孔位于帷幕墻收口位置Z1－34 鉆孔附近，主要針對(duì)帷幕墻收口位置進(jìn)行注漿效果檢查。JC3 鉆孔19m 見基巖，全程返水，JC3 簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)成果表見表3。

表3 JC3 簡(jiǎn)易壓水試驗(yàn)成果表

3.3.2 水位變化情況

注漿施工前在設(shè)計(jì)帷幕墻外側(cè)施工6 個(gè)水位監(jiān)測(cè)孔，內(nèi)側(cè)施工2 個(gè)水位監(jiān)測(cè)孔，并對(duì)帷幕墻內(nèi)外側(cè)水位變化情況進(jìn)行了高密度、連續(xù)的水位觀測(cè)[16]。根據(jù)注漿施工前后水位監(jiān)測(cè)孔水位變化情況可知，SW8 水位最高為1 140.415 m，其次為SW7 水位標(biāo)高為1 135.077 m，SW6、SW4、ZSY1 和BK5 水位標(biāo)高均穩(wěn)定在1 134.40 m 左右。

施工結(jié)束后，帷幕墻內(nèi)側(cè)水文監(jiān)測(cè)孔SW9 水位相較于成孔時(shí)水位下降了3.08 m，水文監(jiān)測(cè)孔SW10 水位相較于成孔時(shí)水位下降了0.26 m，SW10水文監(jiān)測(cè)孔較SW9 水文監(jiān)測(cè)孔下降幅度小是因?yàn)镾W10 鉆孔成孔時(shí)間較近，水位下降歷時(shí)時(shí)間短。帷幕墻墻體內(nèi)SW9 鉆孔水位標(biāo)高約為1 134.62 m，對(duì)應(yīng)帷幕墻墻體外SW8 鉆孔水位標(biāo)高為1 140.415 m，SW9 鉆孔水位低于SW8 鉆孔水位5.80 m；帷幕墻墻體內(nèi)SW10 鉆孔水位標(biāo)高約為1 130.95 m，對(duì)應(yīng)帷幕墻墻體外SW7 鉆孔水位標(biāo)高為1 135.077 m，SW10 鉆孔水位低于SW7 鉆孔水位4.13 m。根據(jù)帷幕墻外側(cè)水文監(jiān)測(cè)孔和墻內(nèi)水文監(jiān)測(cè)孔水位數(shù)據(jù)分析可知，本次治理范圍已形成連續(xù)帷幕墻，治理效果顯著。

3.3.3 出水量變化情況

治理范圍內(nèi)1 142 m 水平巖土交界面存在零星出水點(diǎn)，注漿前1142 平盤巖土交界面平均抽排水量為24 m3/h；注漿結(jié)束后1142 平盤巖土交界面水量為17.71 m3/h；注漿前后1142 平盤巖土交界面平均抽排水量減少6.29 m3/h，平均水量減少26.21%。

治理范圍內(nèi)1131 平臺(tái)東端幫上存在3 處出水點(diǎn)，出水點(diǎn)分散水量較小，經(jīng)治理后基本不再零星出水且下方水溝中以往積水已干涸。

根據(jù)采坑抽排水情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，帷幕注漿施工前東坑平均排水量為461.19 m3/h。注漿施工完畢后排水量已降至329.38 m3/h，水量衰減明顯。

4 結(jié)語

1）經(jīng)過物探、鉆探勘查確定了燒變巖富水性，劃分出燒變巖富水區(qū)，明確了礦坑充水條件，主要充水水源，為工程治理提供了可靠的地質(zhì)資料。

2）采用黏土－水泥復(fù)合漿液構(gòu)建的帷幕墻不僅節(jié)省了大量注漿成本，而且黏土－水泥漿凝固以后形成類似膠體的物質(zhì)，具有很強(qiáng)的可塑性，大大提高了帷幕墻的持久性、抗震性。

3）本次帷幕治理位置選擇在燒變巖邊界附近，有利于漿液的擴(kuò)散，確保帷幕墻構(gòu)建的連續(xù)性和完整性，從而使帷幕墻的抗?jié)B性、耐久性和可靠性程度大大提高。

4）帷幕墻鉆孔布局孔間距10 m，排距4 m，在注漿時(shí)發(fā)生多次串漿，說明設(shè)計(jì)的漿液擴(kuò)散半徑是足夠的，注漿孔之間已完全被漿液充填。治理后東端幫上出水點(diǎn)已明顯減少，只有零星少量出水點(diǎn)，采坑水量由461.19 m3/h 降至329.38 m3/h，水量衰減明顯。