三道溝煤礦地表水害治理工程設(shè)計(jì)研究

杜蘭寶

(神東煤炭集團(tuán)三道溝煤礦，陜西府谷 719407)

0 引言

陜北神府礦區(qū)是我國五大煤田基地之一，蘊(yùn)含豐富的煤炭資源，也是我國少有的特低－低硫、低灰、低磷煤，具有較高的開采價(jià)值。近年來，由于開采的面積越來越大，開采深度逐漸加深，地表水隨開采裂隙滲入井下造成淹井災(zāi)害也時(shí)有發(fā)生。我國諸多學(xué)者在此方面已做出較豐富的成果。2007年王洪林［1］等針對(duì)不同的水害采取不同方式的防治技術(shù);2008年周勝利等確定了貴州地方煤礦水害危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)方法即改進(jìn)的危險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法，確定了量化煤礦水害的評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)結(jié)果的方法;2010年徐建文［2］等通過分析各種突水現(xiàn)象的機(jī)理，針對(duì)不同突水征兆確定水源，選擇合適的防水措施，避免突水災(zāi)害;2009年王雙明［3］等通過研究，揭示了區(qū)內(nèi)合理生態(tài)地下水位埋深為1．5～5．0 m，煤層開采的導(dǎo)水裂隙導(dǎo)致地下水位下降，表明生態(tài)退化，控制地下水位是生態(tài)脆弱礦區(qū)科學(xué)開采的核心;2009年陳元良［4］等在分析各類礦井水水質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，闡明了我國礦井水處理利用現(xiàn)狀，分析了各類礦井水處理存在的問題，提出了相應(yīng)的處理方法;2010年甘建東［5］等通過簡明地介紹礦井水害的分布、種類、形成原因等，提出了針對(duì)礦井水害的一些有效、前沿的防治方法。然而，對(duì)地表水害的治理仍停留在探索階段，文中以陜北神府礦區(qū)三道溝煤礦為例，分析礦區(qū)地質(zhì)條件，確定變形參數(shù)，完成地表水害治理措施，為今后更為有效地治理礦區(qū)地表水害奠定基礎(chǔ)。

1 礦區(qū)地質(zhì)與采礦條件

1．1 礦區(qū)地質(zhì)條件

三道溝礦區(qū)地處以侵蝕為主的黃土梁峁區(qū)，地形破碎，溝壑縱橫，海拔標(biāo)高1 000～1 340 m。全區(qū)地勢北高南低，梁的延伸方向受水系的控制，基本上是以大圪塔(1 397．0 m)為中心，向四周展布，梁面多以風(fēng)積沙及黃土覆蓋。

礦區(qū)下伏侏羅系下統(tǒng)富縣組(J1f)泥巖和中統(tǒng)延安組(J2y)砂泥巖互層，延安組巖層傾向305°～330°，傾角1°～5°。其間夾多層可采煤層，本區(qū)開采的5－2煤為該巖組。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，紅石墕及南部支溝局部地區(qū)有第三系出露，厚度變化較大。其與下伏延安組不整合接觸，之上多被中更新統(tǒng)離石組覆蓋，兩者間呈角度不整合接觸關(guān)系。上覆的第四系分布范圍廣、厚度變化大、成因類型復(fù)雜，巖性變化顯著，根據(jù)巖性成因的不同，地層可劃分為上更新統(tǒng)(Q3)及全新統(tǒng)(Q4)，上更新統(tǒng)主要分布于黃土梁峁溝壑區(qū)的梁、峁頂部，巖性為灰白、灰黃色砂質(zhì)風(fēng)積馬蘭黃土，土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，具濕陷性。全新統(tǒng)巖性為灰黃色粉土、粉質(zhì)粘土、粉、細(xì)砂及淤泥質(zhì)土。下部為砂礫石層，由砂巖碎塊和鈣質(zhì)結(jié)核組成，磨圓較好。

礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地，構(gòu)造上屬華北地臺(tái)，天環(huán)向斜東翼伊陜斜坡地帶。區(qū)內(nèi)出露中生界地層，基巖起伏較小，為單斜地層，微向西傾，傾角1°～3°，形成單斜構(gòu)造。鄂爾多斯地塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以升降運(yùn)動(dòng)為主，振蕩幅度小，構(gòu)造簡單，無大型褶皺和斷層。

含水層主要包括第四系全新統(tǒng)沖－洪積孔隙潛水含水層、中更新統(tǒng)黃土孔隙裂隙潛水含水層。淺水層主要分布于梁峁頂部及溝谷邊坡地段，厚度變化較大，一般厚度為20～40 m;裂隙含水層均廣泛出露于溝谷中，巖性主要為細(xì)、中、粗粒砂巖、泥巖及煤。本區(qū)隔水層主要為第三系上新統(tǒng)靜樂組紅土隔水層，斷續(xù)出露于溝腦、分水嶺地段，厚度變化大。巖性為淺紅色—褐紅色粘土，亞粘土，夾多層白色鈣質(zhì)結(jié)核，底部常見一層1～2 m厚的礫石層，多已膠結(jié)成礫巖。受地下采礦活動(dòng)影響，該層在紅石墕及南部支溝中已破壞，隔水性能降低。

1．2 三道溝采礦條件

三道溝煤礦于2004年建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力900 萬 t/a，礦井設(shè)計(jì)開采 4－3、4－4、5－2、5－2上煤層，主采5－2煤。2012—2013年，85201及85203工作面主要開采5－2煤層，采厚6．2 m，紅石墕及南部支溝煤層埋深70～120 m，平均埋深約90 m，工作面月推進(jìn)速度245～265 m。

2 礦區(qū)地表水害發(fā)育特征

2．1 三道溝地表水特征

三道溝井田區(qū)域內(nèi)溝道縱橫，地表水系較發(fā)育，且部分溝道存在常年流水，其中三道溝煤礦紅石墕溝，流域面積17．13 km2，主溝長度 9．4 km，溝道平均比降25．3‰，流域內(nèi)支溝縱橫，共設(shè)計(jì)有支溝38條，支溝密度2．2條/km2，除紅石墕溝常年流水外，支溝南支也存在常年流水溝谷，流域面積1．32 km2，溝長2．2 km，溝道平均比降 81．7‰。

2．2 巖層移動(dòng)參數(shù)

煤礦采用長壁式機(jī)械化綜采，頂板全垮落管理方法，隨工作面不斷推進(jìn)，地表變形加劇，溝底底部及兩側(cè)山峁發(fā)生大量不均勻沉降，產(chǎn)生大量的地面塌陷和地裂縫，河流或溝道的地表水將沿采動(dòng)裂隙滲入井下，威脅煤礦井下安全開采。

根據(jù)85201首采工作面地表沉降觀測規(guī)律研究成果，該礦區(qū)綜合裂縫角:下山裂縫角82．1°;上山和走向裂縫角 80．8°。

2．3 “三帶”發(fā)育特征

通過對(duì)85201及85203工作面進(jìn)行鉆孔勘探，利用洗液消耗量觀測、巖體波速測試、鉆孔窺視等方法，勘探“三帶”發(fā)育高度及特征如下:①第四系粉土及砂礫石，厚度0～9．0 m，平均厚度5．0 m;②頂板基巖巖性為砂巖、泥巖及砂泥巖互層組成，厚度63．5 ～77．7 m，平均厚度約 70．9 m，煤層頂板以泥巖為主，局部為砂巖，以水平層理為主，巖體相對(duì)破碎，巖芯多呈短柱狀或碎塊狀，巖芯采取率較低;③5－2煤層采空區(qū)其埋深在 68．5 ～86．7 m，平均埋深為75．9 m，綜合各方面資料，5－2煤采空區(qū)高度6.2 m，采空區(qū)段出現(xiàn)掉鉆、卡鉆、進(jìn)尺快，嚴(yán)重孔口吸風(fēng)現(xiàn)象，采空導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育明顯，冒落嚴(yán)重。

總之，三道溝煤礦85201及85203工作面冒落帶高度7．3 ～10．3 m，裂隙帶高度58．2 ～79．4 m，導(dǎo)水裂隙帶直接發(fā)育至地表，有效隔水巖組缺失。紅石墕及南部支溝地表洪水可通過地表裂縫直接涌入井下。

3 治理工程措施

3．1 治理方案

考慮到采空區(qū)尚未完全沉降穩(wěn)定，若采用混凝土、砌石等剛性結(jié)構(gòu)則易于破壞。注漿技術(shù)是封堵采動(dòng)裂縫的有效方法，但由于采動(dòng)后地層破碎，常規(guī)注漿漿液易于從地表直接冒出，且漿液流動(dòng)方向不易控制，治理效果難以控制。依據(jù)三道溝煤礦采空區(qū)的地表變形特征、工程地質(zhì)條件、采礦特征等因素，結(jié)合該地區(qū)成功的工程經(jīng)驗(yàn)，擬對(duì)85201、85203工作面導(dǎo)水裂隙帶(地表下25～35 m)采用袖閥管注漿工藝對(duì)采動(dòng)裂縫(隙)進(jìn)行工程治理。

與傳統(tǒng)注漿工藝相比，袖閥管注漿方法具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn):①根據(jù)需要可灌注任何一個(gè)注漿段，還可重復(fù)注漿;②可使用較高的注漿壓力，注漿時(shí)冒漿和串漿的可能性較小;③鉆孔和注漿分開，提高了鉆孔、注漿設(shè)備的利用率;④可在一個(gè)孔內(nèi)灌注幾種漿液材料;⑤在被加固的地層中，進(jìn)行多點(diǎn)、定量、均衡的注漿，注漿體在地層中均勻分布、均勻連接，可提高被加固地層段的整體穩(wěn)定性。

3．2 治理范圍確定

注漿治理長度:結(jié)合《三下采煤規(guī)程》等相關(guān)規(guī)定，本研究確定治理長度為河溝走向上采空區(qū)實(shí)際分布長度與覆巖移動(dòng)角影響范圍長度之和。根據(jù)煤礦沉降觀測資料，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，對(duì)采空區(qū)治理長度進(jìn)行了綜合確定。計(jì)算公式L=D+2B+2Hcotθ，其中，D—河道長度;B—維護(hù)帶寬度，取20 m;H—采空區(qū)上覆地層厚度;θ—綜合裂縫角;經(jīng)計(jì)算，紅石墕溝采空區(qū)長度706 m，河道治理段長度775 m;南支支溝采空區(qū)長度301 m，治理長度351 m。

注漿治理寬度:注漿治理寬度根據(jù)河溝底部形態(tài)確定，治理寬度為溝底過水?dāng)嗝娴娜糠秶?0～120 m。

注漿治理深度:根據(jù)以往的工程治理經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)治理深度為地面以下15～20 m。

3．3 注漿總量

注漿總量主要由采空區(qū)實(shí)際采空體積及充填覆巖裂隙量組成，由于勘察條件局限，計(jì)算量不能精確計(jì)算，本研究對(duì)其進(jìn)行預(yù)測估算。

裂隙體積估算:①治理范圍內(nèi)煤層平均開采厚度6．2 m，目前85201及85203地表已發(fā)生平均沉降量約3．0 m(最大達(dá)3．8 m)，地下巖層中采動(dòng)裂隙體積可等效為3．2 m煤層體積;②地下巖層中采動(dòng)裂隙分布在冒落帶及裂隙帶中。根據(jù)注漿工程經(jīng)驗(yàn)，裂隙帶中采動(dòng)裂隙體積約占地下巖層中采動(dòng)裂隙體積的1/2～3/5。按照1/2(取偏小值)進(jìn)行估算，則裂隙帶中采動(dòng)裂隙體積可等效為1．6 m煤層;③項(xiàng)目區(qū)裂隙帶平均發(fā)育高度按60 m進(jìn)行估算，而本工程治理深度為地表以下15～20 m的裂隙帶，考慮到漿液易于向下流入采空區(qū)中，治理深度按20 m估算，則可將本工程治理范圍內(nèi)采動(dòng)裂隙體積等效為0．533 m煤層。

漿液損失系數(shù):考慮在注漿過程中，漿液向采空區(qū)上覆地層、裂隙及附近巖層的滲透損失、施工過程中因注漿工藝與注漿參數(shù)的調(diào)整，而造成注漿漿液的損失，因此，在采空區(qū)剩余空洞體積的基礎(chǔ)上，考慮15%漿液損失，漿液消耗系數(shù)A=1．15。

漿液結(jié)石率:根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定漿液結(jié)石率為C=75%。

充填系數(shù):漿液對(duì)采空區(qū)及上覆巖層中的裂隙、縫隙的充填系數(shù)為η=85%。

注漿總量:Q總=A×S×ΔV×η/c;式中，A—注漿總量漿液消耗系數(shù)，取值1．0～1．2之間;S—治理面積，m2;ΔV—裂隙體積，取0．533 m;η—漿液充填系數(shù)，取值0．85;C—漿液結(jié)石率，取值75%，根據(jù)各煤礦采空區(qū)治理面積、采厚、回采率等綜合分析計(jì)算，各煤礦采空區(qū)治理總注漿量見表1。

表1 治理注漿量計(jì)算表

單孔設(shè)計(jì)最大注漿量:進(jìn)行單孔注漿設(shè)計(jì)時(shí)，Q單=A·π·R2·ΔV·η/C;式中，Q單—單孔注漿量，m3;A—單孔注漿量漿液耗散系數(shù)，取1．0～1．2之間;R—漿液有效擴(kuò)散半徑，按孔距的一半計(jì)算，m;ΔV—裂隙體積，取值0．533;η—注漿充填系數(shù)，取值在0．80～0．95之間;C—漿液結(jié)石率，取值在0.7～0．85之間。一般經(jīng)驗(yàn)確定:單孔注漿量漿液耗散系數(shù)1．15，空隙率10%，注漿充填系數(shù)85%，漿液結(jié)石率75%，漿液有效擴(kuò)散半徑分別按照5 m、7.5 m、10 m計(jì)算，則單孔注漿量分別為55 m3、122 m3、218 m3。施工過程中，為確保帷幕孔止?jié){效果，帷幕孔的注漿量可根據(jù)具體的孔內(nèi)情況進(jìn)行調(diào)整。單孔注漿設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)第一序次鉆孔，其注漿量可根據(jù)鉆孔資料，按上述理論計(jì)算量的1．3～1．5倍考慮。

3．4 注漿鉆孔布設(shè)

帷幕孔布設(shè):沿軸線兩側(cè)邊緣布設(shè)帷幕孔，帷幕孔孔距10～15 m，用于封堵漿液，防治漿液注入外側(cè)采空區(qū)或非加固區(qū)，鉆孔進(jìn)入基巖段不少于20 m。帷幕孔應(yīng)向河溝外側(cè)傾斜，傾角75°～90°，傾向與河溝走向垂直。

一般注漿孔布設(shè):一般注漿孔根據(jù)溝道及采空區(qū)分布特點(diǎn)沿溝道軸線布設(shè)，孔距為15～20 m，原則上按梅花型布置。鉆孔進(jìn)入基巖段不少于15 m。

3．5 注漿設(shè)計(jì)

注漿工藝:依據(jù)本研究區(qū)采空區(qū)特點(diǎn)，治理工程注漿工藝確定采用一次成孔、自下而上，一次全孔段袖閥管注漿工藝。

注漿配比:注漿材料由漿液組成，地表以下0～5 m范圍內(nèi)，注入水泥漿液，水固相配合比1∶1;地表5 m以下范圍內(nèi)，注入水泥粉煤灰漿，漿液水固相配合比 1∶1 ～1∶1．2;粉煤灰配合比:帷幕孔為 3∶7;一般注漿孔為2∶8。帷幕孔摻加水泥重量的2%，當(dāng)注漿量超過單孔注漿量且仍未達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力時(shí)，在漿液中摻加水泥重量的2%。在施工前，注漿材料配比應(yīng)按施工時(shí)使用的水泥、粉煤灰，通過試驗(yàn)室及現(xiàn)場試驗(yàn)確定(配比分別為 1∶1，1∶1．1，1∶1．2)。試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)包括每立方米漿液干料含量、漿液密度、初終凝時(shí)間、結(jié)石率、結(jié)石體強(qiáng)度等指標(biāo)。

注漿壓力:注漿壓力宜通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)確定，原則上注漿壓力控制在1～1．5 MPa。

注漿施工順序:①施工順序應(yīng)按照帷幕孔→順序進(jìn)行施工;②鉆孔應(yīng)采用“分序次、間隔”的原則進(jìn)行。分二序間隔施工，一序次孔對(duì)采空區(qū)可以起到補(bǔ)勘的作用，根據(jù)實(shí)際地層及采空區(qū)情況對(duì)后序孔的孔位、孔距、孔數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，彌補(bǔ)均勻布孔不足;③注漿應(yīng)采用“間隔式、分次序”的原則進(jìn)行，一次序孔漿液可能擴(kuò)散范圍較大，二序次將使前序次未充填的空洞得到再次充填，從而提高充填率;④若同一序孔之間串漿，則可取消相應(yīng)之間的二序孔施工。同一次序鉆孔施工應(yīng)遵循先產(chǎn)狀低后產(chǎn)狀高的原則進(jìn)行施工。不同次序的孔，在前一次序的孔全部注漿完成后，方可進(jìn)行后一次序孔的鉆孔施工。

4 結(jié)論

(1)三道溝煤礦紅石墕溝流域面積17．13 km2，主溝長度9．4 km，溝道平均比降25．3‰，支溝南支常年流水溝谷，流域面積 1．32 km2，溝長2．2 km，溝道平均比降81．7‰。

(2)根據(jù)85201首采工作面地表沉降觀測規(guī)律研究成果，該礦區(qū)綜合裂縫角:下山裂縫角82．1°;上山和走向裂縫角80．8°。

(3)三道溝煤礦85201及85203工作面冒落帶高度7．3 ～10．3 m，裂隙帶高度58．2 ～79．4 m，導(dǎo)水裂隙帶直接發(fā)育至地表，有效隔水巖組缺失。

(4)擬對(duì)85201、85203工作面導(dǎo)水裂隙帶(地表下25～35 m)采用袖閥管注漿工藝對(duì)采動(dòng)裂縫(隙)進(jìn)行工程治理，并確定了治理長度、治理寬度、漿液注入量以及注漿工藝。