呂玉廣,孫 國(guó),王 勇,吳寶峰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 2.新礦內(nèi)蒙古能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299; 3.內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016299)

煤炭開(kāi)采是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)性工程,煤炭資源充分開(kāi)發(fā)利用必須與水土保持、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、礦山安全等因素耦合協(xié)同,以獲取綜合效益最大化。減少礦山排水量是保水采煤的一種表現(xiàn)形式也是必然結(jié)果,保水不是無(wú)條件的保,是在安全、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境“四位一體”綜合論證的基礎(chǔ)上,應(yīng)疏盡疏、應(yīng)保盡保。如果不得不疏的那部分水源能夠轉(zhuǎn)存于另外的儲(chǔ)水層內(nèi),則是對(duì)保水采煤一種創(chuàng)造性理解和嘗試。早在1981年,劉天泉院士團(tuán)隊(duì)[1]就做出過(guò)礦區(qū)水資源保護(hù)思想的論述,指出在需要保護(hù)水體下采煤的前提是不允許導(dǎo)水裂縫帶波及水體,對(duì)受護(hù)水體留設(shè)防水安全煤巖柱。1992年,范立民等[2-3]針對(duì)鄂爾多斯盆地北部侏羅紀(jì)煤田地質(zhì)條件,提出了保水采煤的思路和方法,并于1995年首次使用“保水采煤”一詞[4];王雙明[5-6]等建立了基于生態(tài)水位保護(hù)的保水開(kāi)采技術(shù)體系;馬雄德等[7]基于煤層底板注漿加固工程,實(shí)現(xiàn)了渭北巖溶含水層結(jié)構(gòu)保護(hù);常金源等[8]探討了厚煤層保水采煤的最大采高等問(wèn)題;張吉雄等[9-10]針對(duì)淺埋煤層保水問(wèn)題提出了充填采煤技術(shù)方法;張玉軍等[11]綜合考慮煤礦安全、經(jīng)濟(jì)合理以及低損害等因素,提出并發(fā)展了“控水采煤”的理念。

《煤礦防治水細(xì)則》[12]明確提出“推進(jìn)防治水工作由過(guò)程治理向源頭預(yù)防、局部治理向區(qū)域治理、井下治理向井上下結(jié)合治理、措施防范向工程治理、治水為主向治保結(jié)合的轉(zhuǎn)變”,帷幕截流是源頭治理、區(qū)域治理的技術(shù)方法之一。構(gòu)筑帷幕截?cái)嘌a(bǔ)給水源為疏干開(kāi)采創(chuàng)造條件,以最小的疏(排)水量實(shí)現(xiàn)煤炭資源最大化開(kāi)發(fā)利用,是實(shí)現(xiàn)保水采煤的有效途徑之一。國(guó)外安格連斯克煤礦、斯托林鐵礦、羅希亞煤礦等在砂層、煤層和卵石層中構(gòu)筑礦山截水帷幕,取得了良好的效果[13]。我國(guó)注漿堵水技術(shù)的研究和應(yīng)用在20世紀(jì)50年代初開(kāi)始起步[14],以后經(jīng)過(guò)近60年的發(fā)展,由單一的地面直鉆孔注漿發(fā)展為地面定向鉆孔注漿、井下鉆孔注漿、井上下聯(lián)合鉆孔注漿、樁排、連續(xù)墻、防滲膜等多種截水帷幕技術(shù),先后在 80 余座礦山成功應(yīng)用了半封閉式、封閉式、落底式和懸掛式截水帷幕,截水率大多在 60%以上,取得非常好的應(yīng)用效果,保護(hù)了礦山水資源和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[15-16]。

內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟農(nóng)乃廟井田為一獨(dú)立的聚煤盆地,火山凝灰?guī)r為盆地基底,盆地內(nèi)沉積的煤層層數(shù)多、厚度大、儲(chǔ)量豐富。同時(shí),覆蓋于盆地之上的新近系含水層滲透性強(qiáng)、靜儲(chǔ)量豐富、補(bǔ)給水源充足,弱膠結(jié)砂礫巖含水層具備水砂混合突涌條件[17],嚴(yán)重威脅開(kāi)采安全。此外,當(dāng)?shù)貧夂蚋珊瞪儆?生態(tài)條件脆弱,地帶性草甸草原不容破壞,保護(hù)生態(tài)水位尤為重要。安全、環(huán)保、資源充分利用等多重壓力之下,該礦井雖已建成多年、累計(jì)投資達(dá)52億元,至今政府有關(guān)部門(mén)仍未許投產(chǎn)?；诖?開(kāi)展本課題研究,以期化解相應(yīng)矛盾。

1 開(kāi)采技術(shù)條件簡(jiǎn)介

1.1 地層與可采煤層簡(jiǎn)介

農(nóng)乃廟井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟、興安盟和通遼市結(jié)合部,行政區(qū)劃隸屬錫林郭勒盟烏拉蓋管理區(qū)管轄。井田南北長(zhǎng)約8.6 km,東西寬約5.4 km,面積約28.78 km2。

(1)地層簡(jiǎn)介。地層(煤層)自下而上分述如下:①上侏羅統(tǒng)布拉根哈達(dá)組(J3b)。為煤系基底,最大揭露厚度457 m,上部為流紋巖、流紋斑巖;下部為凝灰?guī)r、珍珠巖、松脂巖、黑曜巖等。②下白堊統(tǒng)大磨拐河組(K1d)。內(nèi)陸山間盆地沼澤相含煤沉積,聚煤盆地似腎形,四周火山巖基底和煤層隱伏露頭控制。上部含煤巖段主要由礫巖、粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖等組成,最大厚度612.23 m;下部由泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖組成,巖性致密細(xì)膩,厚度230～530 m,盆地邊緣變薄至尖滅。③新近系(N2)五岔溝組。厚度48.93～130.28 m,均厚82.88 m。上段為灰色—雜色泥巖,下段為灰黃色砂礫巖。④第四系(Q)。厚度6.5～26.1 m,平均14.66 m。上部為松散沖洪積物粘土層,均厚1.19 m;下部為砂礫石層,均厚12.9 m。

(2)可采煤層簡(jiǎn)介。自上而下煤層編號(hào)為1—15,煤層總厚度42.8 m,盆地邊緣有分叉、合并現(xiàn)象。6、9、11、13等煤層為較穩(wěn)定的主采煤層,8、12、14等煤層為不穩(wěn)定的局部可采煤層,總資源量為91 108萬(wàn)t(表1)。

表1 可采煤層統(tǒng)計(jì)
Tab.1 Statistics of minable coal seams

1.2 含水層簡(jiǎn)介

含水層自上而下分述如下。

(1)第四系(Q)含水層。由第四系下部3～4層不同粒級(jí)砂構(gòu)成,厚度 5.92～16.58 m,均厚12.9 m。單位涌水量0.623～2.673 L/(s·m),平均1.421 L/(s·m);滲透系數(shù)8.422～25.02 m/d。水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Na·Ca型為主,水位埋深2.72～5.83 m。

(2)新近系含水層(N)。新近系下部灰黃色砂礫巖全區(qū)分布,厚度25.25～89.85 m,均厚59.24 m。單位涌水量0.315～1.023 L/(s·m),平均0.668 L/(s·m);滲透系數(shù)0.522～7.717 m/d,平均2.663 m/d。水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Na·Ca為主,水位埋深0.5～8.8 m。

(3)6煤頂板含水層。以砂礫巖為主,厚度5.22～61.38 m,均厚27.97 m。單位涌水量0.116 5～0.448 9 L/(s·m),平均0.233 8 L/(s·m);滲透系數(shù)0.249 5～8.629 4 m/d,平均2.712 4 m/d。水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Na·Ca型為主,水位埋深3.75～6.49 m。

(4)9煤頂板含水層。賦存不穩(wěn)定的中粗粒砂巖,均厚為34.23 m。單位涌水量為0.001～0.083 L/(s·m),滲透系數(shù)0.007～0.924 m/d。水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Na·Ca為主,水位埋深2.47～23.37 m。

(5)11煤頂板含水層。賦存不穩(wěn)定的中粗粒砂巖,厚度3.3～45.8 m,均厚30.99 m。單位涌水量0.000 9～0.088 5 L/(s·m),滲透系數(shù)0.004～0.832 m/d。水化學(xué)類(lèi)型以HCO3-Na為主,水位埋深4.32～41.05 m。

第四系含水層、新近系含水層、6煤頂板含水層等富水性中等—強(qiáng),新近系含水層與6煤頂板含水層水力聯(lián)系密切,可視為同一含水層(以下統(tǒng)稱(chēng)復(fù)合含水層);煤層頂板砂巖含水層富水性弱。淺部煤層開(kāi)采導(dǎo)水裂隙可波及復(fù)合含水層,此外,復(fù)合含水層向煤層頂板含水層以越流形式補(bǔ)給。地層沉積結(jié)構(gòu)與含水層補(bǔ)給路徑如圖1所示。

1.3 隔水層簡(jiǎn)介

主要隔水層有新近系上部泥巖隔水層、煤系地層內(nèi)厚度不等的泥巖、粉砂巖等。

(1)新近系上部泥巖隔水層。厚度23.70～65.15 m,厚度大于35 m的區(qū)域約占井田面積94%,分布穩(wěn)定,阻斷第四系與新近系含水層之間水力聯(lián)系。

(2)煤系隔水層。6煤與8煤之間主要為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,厚度1.85～24.50 m,均厚7.98 m;9煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖或粉砂巖,厚度1.85～14.25 m,均厚6.9 m,直接底板為泥巖或粉砂巖,厚度1.95～39.05 m,均厚11.96 m;11煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖,厚度2.40～39.05 m,均厚17.97 m,這些巖層具有一定的隔水性。

(3)基底阻水邊界。煤系基底火山巖與上覆沉積巖呈角度不整合接觸,火山巖含、導(dǎo)水性微弱,是聚煤盆地底部阻水邊界。

1.4 工程地質(zhì)簡(jiǎn)介

(1)6煤層。頂板巖層平均抗壓強(qiáng)度4.9MPa,平均抗拉強(qiáng)度0.88 MPa,平均黏聚力0.8 MPa,RQD值平均50%;底板巖層平均抗壓強(qiáng)度6.45 MPa,平均抗拉強(qiáng)度0.55 MPa,平均黏聚力0.7 MPa,平均泊松比0.4。

圖1 井田第10勘探線(xiàn)剖面Fig.1 Section of the 10th exploration line in the minefield

(2)9煤層。頂板巖層平均抗壓強(qiáng)度8.27 MPa,平均抗拉強(qiáng)度1.0 MPa,平均黏聚力0.4 MPa,平均泊松比0.15,RQD值平均63%;底板巖層平均抗壓強(qiáng)度9.53 MPa,平均抗拉強(qiáng)度0.76 MPa,平均黏聚力0.4 MPa,平均泊松比0.35,RQD值平均68%。

(3)11煤層。頂板巖層平均抗壓強(qiáng)度10.31 MPa,平均抗拉強(qiáng)度0.74 MPa,平均黏聚力0.6 MPa,平均泊松比0.22,RQD值平均65%;底板巖層平均抗壓強(qiáng)度11.59 MPa,平均抗拉強(qiáng)度0.8 MPa,平均黏聚力0.5 MPa,平均泊松比0.18,RQD值平均70%。

(4)13煤層。頂板巖層平均抗壓強(qiáng)度8.16 MPa,平均抗拉強(qiáng)度0.79 MPa,平均黏聚力0.5 MPa,平均泊松比0.19,RQD值平均72%;底板巖層平均抗壓強(qiáng)度11.53 MPa,平均抗拉強(qiáng)度0.82 MPa,平均黏聚力0.62 MPa,平均泊松比0.11,RQD值平均73%。

結(jié)合巖石水理性質(zhì),可以判定煤層頂、底板巖層屬極弱型軟巖,具有弱膠結(jié)、低強(qiáng)度、強(qiáng)膨脹、遇水易崩解等特點(diǎn),容易發(fā)生水—砂混合型突水。

1.5 生態(tài)環(huán)境簡(jiǎn)介

地表標(biāo)高+868～+892 m,地勢(shì)較為平坦,緩波狀起伏,為第四系全覆蓋。北溫帶大陸性半濕潤(rùn)、半干旱性氣候,年降雨量150～480 mm,多年平均降雨量342 mm,多年平均蒸發(fā)量1 552 mm,蒸發(fā)量為降雨量的3.8倍。草原是主要地帶性植被,草原可利用面積為4 597.3 km2,地形地貌如圖2所示。

圖2 井田草場(chǎng)地貌Fig.2 Minefield grassland landform

2 構(gòu)筑阻水帷幕必要性分析

2.1 突水潰砂危險(xiǎn)性分析

綜合鄰近礦區(qū)井工煤礦資料,導(dǎo)水裂隙帶高度約為采高的12.5倍,按照一次采全高估算,各層煤全部或局部范圍內(nèi)導(dǎo)水裂隙波及復(fù)合含水層,受水威脅的煤炭資源量為49 431萬(wàn)t,約占井田總資源量54.3%(表2)。

表2 受水威脅資源量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of water threatened resources

復(fù)合含水層富水性好、靜儲(chǔ)量大、補(bǔ)給水源豐富,疏干開(kāi)采不可行,導(dǎo)水裂隙一旦波及勢(shì)必釀成嚴(yán)重的突水事故;巖層具有低強(qiáng)度、弱膠結(jié)、遇水崩解等特點(diǎn),突水形式將會(huì)是水—砂混合性突涌,淹面埋架情況難以避免,危害性大。因此,有必要構(gòu)筑阻水帷幕截?cái)嘀苓呇a(bǔ)給路徑,然后進(jìn)行徹底疏放,從源頭上消除突水潰砂災(zāi)害。

2.2 原開(kāi)發(fā)利用方案分析

根據(jù)前期編制的礦井開(kāi)發(fā)利用方案分析:6、8、9等煤層,整層棄采,共損失煤炭資源19 994萬(wàn)t。主采的11煤層資源利用情況如圖3所示。綠色部分為綜放不限采高開(kāi)采,可利用資源為8 510萬(wàn)t;黃色部分為綜放限采高6 m開(kāi)采,可利用資源為4 560萬(wàn)t;粉紅色部分為限高3 m綜采,可利用資源為730萬(wàn)t;紅色部分作為防水煤柱留設(shè),則11煤可利用資源為13 800萬(wàn)t,占11煤總資源量的45%。

圖3 11煤資源利用方案Fig.3 No.11 coal resource utilization plan

12煤綜放不限采高,可利用資源為1 526萬(wàn)t,防水煤柱資源量為1 150萬(wàn)t;13煤綜放不限采高,可利用資源為20167萬(wàn)t,淺部防水煤柱資源量為7 850萬(wàn)t;14煤綜放不限采高,可利用資源為9 101萬(wàn)t,防水煤柱資源量為900萬(wàn)t。

煤層被劃分成不限采高開(kāi)采和限采高開(kāi)采2部分,可利用部分形狀不規(guī)則,采場(chǎng)布置困難、采煤工藝轉(zhuǎn)換不暢。井田總資源量91 108萬(wàn)t,可利用資源(工業(yè)儲(chǔ)量)僅44 594萬(wàn)t,損失率達(dá)到51.5%,從提高資源利用率、增加礦井服務(wù)年限、降低噸煤投資成本等角度考慮,有必要采取措施從源頭上消除水患。

2.3 人文生態(tài)環(huán)境分析

區(qū)內(nèi)草甸草原是當(dāng)?shù)刂饕貛灾脖?占總面積的91.7%,以二、三、四等草地為主,產(chǎn)量以3、4、5級(jí)屬多。植物類(lèi)型多樣,有62科501種,除牧草以外,大黃、桔梗、甘草、柴胡等中蒙醫(yī)藥用野生植物較多。原始草原、湖泊、水庫(kù)、濕地和泉水、白樺林、野豬溝、芍藥溝、黃花溝等自然景觀優(yōu)美。布林廟、農(nóng)乃廟、成吉思汗邊墻、古人類(lèi)活動(dòng)遺址等歷史遺跡、烏珠穆沁部落等文化遺產(chǎn)展現(xiàn)了蒙古族獨(dú)特的民俗風(fēng)情文化內(nèi)涵,與自然景觀融為一體,是良好度假避暑圣地。

原生態(tài)草原是自然景觀最重要的組成部分,在降雨量稀少的環(huán)境下,將礦井水補(bǔ)給涵養(yǎng)草原的淺層地下水,對(duì)生態(tài)人文環(huán)境更有裨益。

3 保水采煤基本方案

3.1 指導(dǎo)思想

(1)堅(jiān)持辦礦先治災(zāi)的理念,從源頭上防范水害事故的發(fā)生,確保礦井安全生產(chǎn)。

(2)堅(jiān)持今天浪費(fèi)資源就是對(duì)后人犯罪的理念,最大化利用自然資源。

(3)堅(jiān)持生態(tài)友好型發(fā)展理念,保護(hù)生態(tài)環(huán)境就是保護(hù)人類(lèi)共同的家園。

(4)堅(jiān)持技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理原則。

3.2 構(gòu)筑帷幕墻可行性分析

(1)構(gòu)筑阻水帷幕條件分析。盆地基底火山巖富水性弱、滲透性差,是天然的隔水邊界;新近系上部全區(qū)發(fā)育的泥巖層具有良好的隔水性,可以阻斷復(fù)合含水層與第四系含水層之間水力聯(lián)系;新近系下部礫巖層為水源補(bǔ)給通道;盆地四周基巖埋藏淺,帷幕墻工程量小,易于施工。設(shè)計(jì)沿盆地周邊(煤層隱伏露頭)構(gòu)筑一道落底式封閉性帷幕墻,阻斷井田內(nèi)外新近系含水層水力聯(lián)系,復(fù)合含水層由開(kāi)放性補(bǔ)給邊界變?yōu)楣铝⒌乃牡刭|(zhì)單元,為疏干開(kāi)采創(chuàng)造條件。

(2)保護(hù)第四系含水層。第四系含水層對(duì)生態(tài)環(huán)境影響巨大,是重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。注漿孔在第四系含水層內(nèi)下入止水套管,避免漿液進(jìn)入第四系松散含水層內(nèi),防止水源受到污染。以盆地基底火山巖為墻體底界,以新近系上部隔水泥巖為墻體頂界,截?cái)嘈陆岛畬觽?cè)向補(bǔ)給路徑,不影響第四系含水層水自然徑流。

(3)水資源轉(zhuǎn)儲(chǔ)。帷幕墻構(gòu)筑后,在井田上方以井群形式施工水源井,主動(dòng)抽排復(fù)合含水層水,排到地表后以滲透方式轉(zhuǎn)入第四系松散含水層。第四系松散含水層厚度較大、孔隙度高,儲(chǔ)水能力大;滲透性好,抽排到地表的水容易入滲到第四系含水層內(nèi);含水層小范圍內(nèi)飽和后,可以通過(guò)周邊開(kāi)放性滲透邊界向更大范圍內(nèi)滲流。如此,復(fù)合含水層水資源以轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存空間方式保存在第四系含水層內(nèi)(圖4)。2種水源水化學(xué)類(lèi)型一致,有毒有有害元素均不超標(biāo),符合“良水回灌”的原則,于環(huán)保政策可行。早期抽排的水基本可以被第四系含水層吸納,后期部分水可以通過(guò)烏拉蓋河排入30 km外的烏拉蓋水庫(kù)。井下開(kāi)采面積達(dá)到一定規(guī)模后地面必將形成沉陷盆地,地表將形成新的水庫(kù),礦井水經(jīng)過(guò)處理后直接排入水庫(kù),利好于氣候環(huán)境。

圖4 水資源轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存空間示意Fig.4 Schematic diagram of water resources transfer and storage space

3.3 帷幕墻設(shè)計(jì)

(1)確定幕址的方法。井田含煤面積約28 km2,平面形狀似腎形,長(zhǎng)軸走向N45°的。垂直于盆地長(zhǎng)軸方向共有13條勘探線(xiàn),平行于長(zhǎng)軸方向有1條勘探線(xiàn)。

在勘探線(xiàn)剖面圖上,從煤層露頭處作2條垂線(xiàn),與盆地基底交于2點(diǎn);以相鄰鉆孔為基準(zhǔn)點(diǎn),將剖面圖上的交點(diǎn)投繪到平面圖上;在平面圖上量取該點(diǎn)坐標(biāo)即該剖面線(xiàn)上帷幕墻的坐標(biāo)點(diǎn)。共可獲得28個(gè)基點(diǎn)坐標(biāo),以平滑曲線(xiàn)連接各基點(diǎn)得到閉合曲線(xiàn),該閉合曲線(xiàn)即為完整的帷幕墻址。

地表至盆地基底的豎直高度即為注漿孔深度(為防止幕底繞流,注漿孔宜深入基底5 m),平均孔深113 m;新近系隔水層到盆地基底的豎直高度為帷幕墻有效高度(吃漿段),平均59.2 m。

帷幕圈定面積約28.8 m2,帷幕周長(zhǎng)約23 608 m,注漿孔平均深度113 m,吃漿段高度平均59.2 m(圖4)。

(2)帷墻有效厚度。理論上帷幕的安全性取決于注漿材料所能容許的滲透比降(J0)和帷幕所承受的最大水頭高度(HS),可采用式(1)計(jì)算:

T=J0/HS

(1)

式中,T為帷幕有效厚度;J0為滲透比降,無(wú)量綱;HS為最大水頭高度。

參照河南焦作演馬莊煤礦、內(nèi)蒙古呼倫貝爾煤礦、敏東一礦、陜西神木檸條塔煤礦、陜西咸陽(yáng)雅店煤礦、山東濟(jì)寧蔡園煤礦等數(shù)十對(duì)礦井工程實(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn),帷幕墻有效厚度設(shè)定為10 m。

(3)確定漿液擴(kuò)散半徑。注漿孔漿液擴(kuò)散半徑的影響因素較多,可參考式(2)確定擴(kuò)散半徑。

(2)

式中,R為漿液擴(kuò)散半徑;K為巖層滲透系數(shù);t為注漿延續(xù)時(shí)間;r為輸漿管半徑;μ1、μ2為水與漿液粘滯系數(shù);P為注漿壓力;n為巖層的孔隙率。

通常擴(kuò)散半徑不大于15 m時(shí)工程上容易實(shí)現(xiàn),實(shí)際擴(kuò)散半徑需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具體確定。

(4)注漿壓力。注漿壓力一般按式(3)

P0=Pm+(Hγ-h)/100

(3)

式中,P0為注漿總壓力;Pm為孔口壓力;H為孔口至受注層段1/2處的高度;γ為漿液密度;h為注漿前注漿層段1/2處的水柱高度。

工程實(shí)施時(shí),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定H和h值。

(5)確定注漿孔間距。孔間距由帷幕墻有效厚度和擴(kuò)散半徑共同確定,同時(shí)更要考慮注漿綜合成本,孔距小交圈容易、但鉆探工程量大;孔距過(guò)大則需要的擴(kuò)散半徑大,注漿材料消耗量大、交圈難度大。墻體有效厚度為10 m時(shí),按25、20、15 m孔間距分別確定所需要的孔間距(圖5)。

圖5 三種孔間距擴(kuò)散半徑與交圈示意Fig.5 Three types of hole spacing,diffusion radius, and intersection diagram

孔間距為25 m時(shí),需要擴(kuò)散半徑為13.46 m,有效注漿量占注漿總量的38.5%;孔間距為20 m時(shí),需要擴(kuò)散半徑為11.18 m,注漿材料有效率為50.9%;孔間距為15 m時(shí),需要擴(kuò)散半徑為9.01 m,注入漿液有效率為58.76%?？梢?jiàn),帷幕墻厚度一定時(shí),孔間距越大、漿液材料浪費(fèi)越多、所需要的擴(kuò)散半徑越大,交圈的難度增加。

經(jīng)測(cè)算,鉆孔費(fèi)用約占工程造價(jià)的9%,注漿費(fèi)用約占68%,據(jù)此確定注漿孔間距以15 m為宜。

(6)工程造價(jià)估算。帷幕墻周長(zhǎng)約23 608 m,按孔間距15 m布孔,注漿孔總數(shù)約1 600個(gè)(含試驗(yàn)孔);平均孔深113 m,總鉆探進(jìn)尺約180 800 m,預(yù)計(jì)鉆孔費(fèi)用約1.4億元。圍巖可注性孔隙率最大按10%估算,帷幕墻所需注漿材料體積=帷幕墻周長(zhǎng)×帷幕墻體厚×帷幕墻高×巖體可注性孔隙率/注漿材料有效率≈190萬(wàn)m3。根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r,選擇水泥、粉煤灰2種材料作為注漿材料,按質(zhì)量比1∶2混合,3 t干料可形成1.115 m3結(jié)石體,所需注漿材料質(zhì)量為511.2萬(wàn)t。其中,水泥約為170.4萬(wàn)t,粉煤灰約為340.8萬(wàn)t。當(dāng)?shù)厮嗍袌?chǎng)價(jià)約500元/t,粉煤灰市價(jià)約24元/t,則注漿材料總費(fèi)用為9.34億元。注漿操作費(fèi)按80元/t估算,約需1.36億元。其他費(fèi)用(稅費(fèi)、協(xié)調(diào)費(fèi))按直接費(fèi)用的30%計(jì)算,約需3.63億元。帷幕工程概算費(fèi)用共計(jì)約為15.7億元。

4 效益簡(jiǎn)析

4.1 安全效益簡(jiǎn)析

通過(guò)地面打孔注漿構(gòu)建阻水帷幕,復(fù)合含水層由側(cè)向無(wú)限補(bǔ)給水源變成封閉性水源,為疏干開(kāi)采創(chuàng)造條件;疏干煤層頂板含水層,則從源頭上消除了頂板突水潰砂風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 儲(chǔ)量增減簡(jiǎn)析

通過(guò)帷幕截流+水資源轉(zhuǎn)儲(chǔ)工程后,大大減少了防水煤柱占用的資源(僅井田西部煤層露頭附近需留設(shè)第四系防隔水煤柱,約8 276萬(wàn)t),較原開(kāi)發(fā)利用方案,工業(yè)儲(chǔ)量增加了38 238萬(wàn)t。

4.3 噸煤投資和服務(wù)年限簡(jiǎn)析

礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500萬(wàn)t/a,井上下生產(chǎn)系統(tǒng)已具備了生產(chǎn)條件,因受到頂板水害威脅,安全設(shè)施設(shè)計(jì)未能通過(guò)政府部門(mén)審批,至今未能投入試生產(chǎn)。

目前礦井總投資約52億元,按原開(kāi)發(fā)利用方案計(jì)算,折合噸煤基本建設(shè)投資11.67元;工程實(shí)施后礦井總投資約為67.7億元,折合噸煤基本建設(shè)投資8.17元。原開(kāi)發(fā)利用方案設(shè)計(jì)礦井服務(wù)年限45年,工程實(shí)施后礦井服務(wù)年限為82.8年。

5 結(jié)論

(1)農(nóng)乃廟井田復(fù)合含水層具有富水性強(qiáng)、滲透性好、靜儲(chǔ)量大、側(cè)向開(kāi)放性補(bǔ)給等特點(diǎn),巖層具有弱膠結(jié)、低強(qiáng)度、遇水崩解等特點(diǎn),容易發(fā)生水—砂混合突涌地質(zhì)災(zāi)害,井田約51.5%的煤炭資源受水威脅。

(2)特殊的盆地構(gòu)造和地層沉積結(jié)構(gòu),為構(gòu)筑截流帷幕提供了有利的空間條件;井田內(nèi)復(fù)合含水層補(bǔ)給邊界被截?cái)嗪?為疏干開(kāi)采創(chuàng)造了條件;第四系松散層厚度大、滲透性好、開(kāi)放性邊界,為消納疏干水提供了空間條件;地下水水質(zhì)優(yōu)良性和相似性,符合“良水回灌”原則,可以在不污染水源的情況下進(jìn)行水資源轉(zhuǎn)儲(chǔ)。

(3)通過(guò)帷幕截流—主動(dòng)抽排水—水資源轉(zhuǎn)儲(chǔ)的工程路線(xiàn),礦井工業(yè)儲(chǔ)量可增加38 238萬(wàn)t,礦井服務(wù)年限可延長(zhǎng)37.8年,噸煤基本建設(shè)投資降低了3.50元,同時(shí)從源頭上消除了頂板突水潰砂威脅,人文和生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步得到改善。