神府礦區(qū)大型水庫旁燒變巖水保水開采技術(shù)研究

董書寧,楊志斌,姬中奎,王世東,高小偉,江 球

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013; 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054; 3.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

陜北侏羅紀(jì)煤田是國家《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)》確定的14個(gè)億噸級(jí)大型煤炭基地之一，是我國煤炭資源富集程度高、煤質(zhì)最優(yōu)、開發(fā)前景最好的大型煤田[1]。但是，近年來區(qū)內(nèi)煤炭資源的高強(qiáng)度開采對(duì)區(qū)內(nèi)本就脆弱的生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，其中水環(huán)境問題是區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境好壞的主控因素[2]。

神府礦區(qū)位于陜北黃土高原與毛烏素沙漠的接壤地帶，屬干旱半干旱區(qū)，區(qū)內(nèi)干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源短缺且生態(tài)環(huán)境脆弱。神府礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，區(qū)內(nèi)燒變巖大面積沿河谷呈條帶狀分布，是區(qū)內(nèi)主要地下含水層之一，在其下方和側(cè)方采煤時(shí)易造成燒變巖水涌入礦井，破壞燒變巖水資源并對(duì)礦井安全造成威脅。面對(duì)神府礦區(qū)這種富煤缺水、生態(tài)環(huán)境脆弱的現(xiàn)狀，范立民[4]早在1992年便提出了“保水采煤”的觀點(diǎn)，并在其隨后多年的煤田水文地質(zhì)勘探中提出了保水采煤的基本思路[5]，即合理布局、分散開發(fā)、適度規(guī)模的保水采煤思路。同時(shí)，從能源發(fā)展戰(zhàn)略來講，保水采煤也屬于綠色開采的重要范疇[7]，包括對(duì)水資源的保護(hù)、合理利用及對(duì)礦井水害的有效防治等。

近年來，針對(duì)西部干旱半干旱礦區(qū)的保水采煤研究成果豐碩，繆協(xié)興等[8]、黃慶享等[9]分別從不同視角提出了隔水關(guān)鍵層的定義、原理和穩(wěn)定性判據(jù)。張吉雄[11]、劉建功等[12]、馬立強(qiáng)等[13]研究了充填采煤技術(shù)方法，工程實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)了上覆含水層的保護(hù)。范立民等[14]、顧大釗[15]、李文平等[16]、鄭琳等[17]分別研究了地下水在采空區(qū)和含水層中的轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)技術(shù)。李文平等[18]、鄧念東等[19]研究了榆神府礦區(qū)保水采煤的工程地質(zhì)條件。王雙明等[3]根據(jù)榆神府礦區(qū)的保水開采地質(zhì)條件，對(duì)其保水開采分區(qū)進(jìn)行了劃分。韓冬梅等[20]、范立民等[21]分別對(duì)新疆大南湖煤田和榆神府礦區(qū)的燒變巖含水層水文地質(zhì)特征進(jìn)行了研究。張東升等[22]、徐智敏等[23]研究了新疆地區(qū)的保水采煤問題。侯恩科等[24]在分析榆神府礦區(qū)某礦燒變巖水文地質(zhì)特征和預(yù)測采前燒變巖需疏放水量的基礎(chǔ)上，提出了3種燒變巖水異地儲(chǔ)存的保水采煤途徑。孫亞軍等[25]根據(jù)神東礦區(qū)不同的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，提出了5種保水采煤關(guān)鍵技術(shù)。蔣澤泉等[26]研究了沙漠產(chǎn)流區(qū)過溝開采的保水采煤技術(shù)。馬雄德等[27]、王蘇建等[28]研究了底板承壓水上帶壓開采的保水采煤技術(shù)。李濤等[29]多位青年學(xué)者從松散含水層下采煤保護(hù)土層合理厚度、厚煤層保水采煤最大采高、隔水層采動(dòng)裂隙閉合機(jī)理等不同視角探討了保水采煤思路和方法。張東升等[32]凝練出了“西北煤田地層結(jié)構(gòu)特征與淺表層水循環(huán)作用機(jī)理、淺埋厚煤層采動(dòng)覆巖結(jié)構(gòu)與隔水層穩(wěn)定性時(shí)空演變規(guī)律、水資源保護(hù)性采煤機(jī)理與控制理論”3個(gè)西北煤炭保水開采的關(guān)鍵科學(xué)問題。范立民[33]通過對(duì)保水采煤提出的歷史背景和擬解決的科學(xué)問題梳理，給出了保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵。

以上研究從地質(zhì)條件探測識(shí)別、采動(dòng)巖體滲流理論、巖層移動(dòng)控制理論、保水采煤技術(shù)方法等方面多角度對(duì)保水采煤進(jìn)行了理論研究和工程實(shí)踐，建立了保水采煤的基本技術(shù)理論框架。其中，關(guān)于燒變巖水的保水采煤技術(shù)有抑制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、留設(shè)防隔水煤柱、就地建立供水水源地和地面水庫、地下水庫(采空區(qū))及地表灌溉的轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)方式。但是，目前鮮有文獻(xiàn)報(bào)道通過燒變巖注漿帷幕截流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)保水開采的工程案例，因此系統(tǒng)研究該保水開采技術(shù)方法，不僅可滿足煤炭開發(fā)、水資源保護(hù)及礦井水害防治的需要，且豐富了保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵。

1 工程研究背景

張家峁井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田神府礦區(qū)南部，井田面積51.98 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量8.65億t，可采儲(chǔ)量5.43億t，礦井生產(chǎn)能力為1 000萬t/a，主采3-1,4-2,5-2煤層，采煤方法為綜采一次采全高，全部垮落法管理頂板。

井田地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，建設(shè)生產(chǎn)過程中未發(fā)現(xiàn)斷裂和撓曲構(gòu)造，井田整體上為向西緩傾的單斜構(gòu)造，地層傾角一般為1°。礦井劃分為一、二2個(gè)盤區(qū)生產(chǎn)，其中一盤區(qū)常家溝水庫以北區(qū)域?yàn)槭撞蓞^(qū)首采地段，設(shè)計(jì)布置14個(gè)5-2煤綜采工作面。

常家溝水庫位于井田東南部，建于烏蘭不拉河與老來河交匯處，是神木市最大的蓄水水庫，庫底標(biāo)高+1 111.74 m，歷史最高水位+1 138.17 m，正常水位+1 137 m，總庫容 1 295萬m3，正常蓄水量400～500萬m3，水庫蓄水不僅供下游3萬畝農(nóng)田灌溉和人畜飲用，還承擔(dān)華能公司自備電廠供水任務(wù)。

首采地段煤層埋藏淺，主采的3-1,4-2,5-2煤均不同程度存在燒變現(xiàn)象，其中4-2煤燒變巖與常家溝水庫存在直接接觸關(guān)系，4-2煤燒變巖水與常家溝水庫水存在直接水力聯(lián)系。首采地段的5-2煤先期開采工作面上覆4-2煤燒變巖底板標(biāo)高高于常家溝水庫水位標(biāo)高，5-2煤開采不受上覆4-2煤燒變巖水的影響。但是，隨著首采地段5-2煤開采不斷向西延伸，上覆4-2煤燒變巖底板標(biāo)高逐漸變低，4-2煤燒變巖水對(duì)5-2煤開采的影響開始顯現(xiàn)。因此，為了消除4-2煤燒變巖水對(duì)5-2煤開采的影響，同時(shí)保護(hù)常家溝水庫水資源，并最大限度地回采5-2煤資源，張家峁井田首采地段5-2煤保水開采勢在必行。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

不同的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是確定不同保水開采方法的前提，因此對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究是確定保水開采方法的研究重點(diǎn)之一。

首采地段絕大部分為黃土丘陵溝壑地貌，其中在常家溝水庫及其上下游為河谷地貌。根據(jù)張東升等[32]劃分的4類西部煤田生態(tài)-水資源及生態(tài)地質(zhì)環(huán)境類型，首采地段屬地表水溝谷河流綠洲型和地表徑流(黃土)溝壑型，水資源類型主要有地表水庫、季節(jié)性地表徑流、泉水、松散層水、風(fēng)化帶裂隙水和燒變巖水。

首采地段5-2煤上覆含隔水層段包括第四系風(fēng)積沙與沖積層弱富水含水層、離石組黃土與保德組紅土隔水層、延安組基巖風(fēng)化帶與基巖裂隙弱富水含水層和燒變巖強(qiáng)～極強(qiáng)富水含水層，連接陳家塔溝出水點(diǎn)(泉眼)、4-2煤火燒區(qū)及常家溝水庫的水文地質(zhì)剖面如圖1所示，剖面線位置如圖2所示。

圖1 CD線水文地質(zhì)剖面示意Fig.1 Diagram of hydrogeological profile of CD line

從圖1可以看出，4-2煤燒變巖與常家溝水庫直接接觸，存在直接水力聯(lián)系。以4-2煤火燒區(qū)+1 137 m燒變巖底板等高線為界，在分界線以上，4-2煤燒變巖為透水不含水地層，在分界線以下，4-2煤燒變巖為強(qiáng)～極強(qiáng)富水含水層，q值最大為10 L/(s·m)，K值最大為148.7 m/d。陳家塔溝泉眼消顯與常家溝水庫水位升降一致對(duì)應(yīng)關(guān)系、4-2煤燒變巖水與常家溝水庫水位及水化學(xué)特征一致對(duì)應(yīng)關(guān)系、15207工作面井下探放水孔開關(guān)與4-2煤燒變巖水水位升降一致對(duì)應(yīng)關(guān)系，也佐證了4-2煤燒變巖水與常家溝水庫存在直接水力聯(lián)系。

煤層開采過程中，導(dǎo)水裂隙帶高度是確定保水開采對(duì)象和保水開采方法的主要依據(jù)。鄒友峰等[34]對(duì)我國緩傾斜煤層開采導(dǎo)水裂隙帶高度研究結(jié)果表明，導(dǎo)水裂隙帶高度與采厚呈近似正相關(guān)關(guān)系，軟弱頂板時(shí)為采高的8～12倍，中硬頂板時(shí)為采高的12～18倍，堅(jiān)硬頂板時(shí)為采高的18～28倍。王雙明等[3]對(duì)陜北榆神府礦區(qū)煤層覆巖“三帶”高度發(fā)育規(guī)律的研究結(jié)果也證實(shí)了上述研究結(jié)論。

首采地段5-2煤埋深60～210 m，平均140 m，采高6 m，頂板中硬～堅(jiān)硬，采用裂采比18倍預(yù)計(jì)5-2煤導(dǎo)水裂隙帶高度為108 m，導(dǎo)水裂隙帶已發(fā)育至4-2煤上覆的基巖風(fēng)化帶中，局部溝谷深切處導(dǎo)水裂隙帶已發(fā)現(xiàn)貫穿至地表。

綜合首采地段5-2煤導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計(jì)高度和水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可知，5-2煤開采導(dǎo)水裂隙帶可波及的水體主要有季節(jié)性地表徑流、風(fēng)化帶裂隙水、基巖裂隙水和4-2煤燒變巖水4種，其中前3種水體水資源儲(chǔ)量微弱，先期開采的4-2煤火燒區(qū)+1 137 m燒變巖底板等高線以上的5-2煤工作面，單個(gè)工作面涌水量均不足10 m3/h，也佐證了該3種水體水資源儲(chǔ)量微弱，不具有供水意義和生態(tài)價(jià)值，可不進(jìn)行保水開采。但是，4-2煤火燒區(qū)+1 137 m燒變巖底板等高線以下的5-2煤工作面，其上覆4-2煤燒變巖不僅富水性強(qiáng)～極強(qiáng)，且與常家溝水庫有直接的水力聯(lián)系，其不但具有重大的供水意義和生態(tài)價(jià)值，還具有較大的社會(huì)效益，因此首采地段5-2煤必須對(duì)4-2煤燒變巖水進(jìn)行保水開采。

3 研究區(qū)保水開采分區(qū)

王雙明等[3]根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶高度能否波及到保護(hù)水體，對(duì)陜北榆神府礦區(qū)的煤炭開采提出了4種保水開采類型，分別為自然保水開采區(qū)、可控保水開采區(qū)、保水限采區(qū)(特殊開采區(qū))和無水開采區(qū)。

首采地段14個(gè)5-2煤綜采工作面布置如圖2所示，為了最大限度地回采5-2煤資源，5-2煤采用大采高一次采全高采煤工藝，預(yù)計(jì)的5-2煤導(dǎo)水裂隙帶已貫穿4-2煤燒變巖含水層，發(fā)育至上覆的基巖風(fēng)化帶中。根據(jù)王雙明等[3]提出的保水開采分區(qū)原則和分區(qū)類型，結(jié)合首采地段特定的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和探明的4-2煤火燒區(qū)邊界線，對(duì)首采地段5-2煤保水開采分區(qū)如圖2所示，簡述如下:

圖2 首采地段5-2煤保水開采分區(qū)Fig.2 Water-preserved mining partition map of 5-2 coal in the first mining section

(1)無水開采區(qū):① 4-2煤實(shí)體煤區(qū)域，區(qū)內(nèi)5-2煤上覆地層不存在4-2煤燒變巖，無4-2煤燒變巖水可保，具體包括4-2煤實(shí)體煤區(qū)域壓覆的15202～15212和15217工作面區(qū)域。② 4-2煤火燒區(qū)+1 137 m燒變巖底板等高線以上區(qū)域，區(qū)內(nèi)雖然導(dǎo)水裂隙帶完全貫穿4-2煤燒變巖，但區(qū)內(nèi)4-2煤燒變巖為透水不含水地層，4-2煤燒變巖也無水可保，具體包括4-2煤火燒區(qū)+1 137 m燒變巖底板等高線以上區(qū)域壓覆的試15201～15206工作面區(qū)域，其中在4-2煤火燒區(qū)邊界線與+1 137 m燒變巖底板等高線交點(diǎn)位置附近的15206工作面小范圍內(nèi)，雖然上覆4-2煤燒變巖底板標(biāo)高略低于+1 137 m，但是由于其西側(cè)陳家塔溝的存在，溝底的4-2煤燒變巖出水點(diǎn)對(duì)燒變巖水有更強(qiáng)的襲奪作用，因此該交點(diǎn)位置附近的15206工作面小范圍內(nèi)的5-2煤開采也無燒變巖水可保。

(2)保水限采區(qū):4-2煤火燒區(qū)+1 137 m燒變巖底板等高線以下區(qū)域，區(qū)內(nèi)導(dǎo)水裂隙帶完全貫穿4-2煤燒變巖，區(qū)內(nèi)燒變巖富水性強(qiáng)～極強(qiáng)，燒變巖水與常家溝水庫有直接的水力聯(lián)系，鑒于區(qū)內(nèi)5-2煤資源與4-2煤燒變巖水關(guān)系的重要性，在沒有研究出合理的保水開采方法前，應(yīng)當(dāng)限制開采，具體包括4-2煤火燒區(qū)+1 137 m燒變巖底板等高線以下區(qū)域壓覆的15207,15208工作面區(qū)域。

4 研究區(qū)保水開采技術(shù)

保水限采區(qū)15207工作面圈定以后，在工作面巷道和開切眼施工了7個(gè)4-2煤燒變巖水探放鉆孔(圖3)，鉆孔初始總出水量為280 m3/h，7 d以后鉆孔總出水量衰減為140 m3/h并保持穩(wěn)定，累積放水總量約4萬m3，探放水結(jié)果表明保水限采區(qū)4-2煤燒變巖水靜儲(chǔ)量和動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量都較大。

保水限采區(qū)15207,15208工作面開切眼距離常家溝水庫的最短水平距分別為286 m和190 m，4-2煤燒變巖水對(duì)其充水?dāng)嗝娑伎梢暈橐华M長廊道，形狀類似矩形，采用“集水廊道法”預(yù)測預(yù)先開采的15207工作面4-2煤燒變巖水充水量為651 m3/h，預(yù)后開采的15208工作面4-2煤燒變巖水充水量為1 064 m3/h。

綜合保水限采區(qū)4-2煤燒變巖水探放和充水量預(yù)測結(jié)果，最大限度地開采5-2煤資源不僅將破壞具有保水價(jià)值的4-2煤燒變巖水及與其有直接水力聯(lián)系的常家溝水庫水資源，還將威脅5-2煤的安全開采。

目前，針對(duì)燒變巖水的保水開采方法有特殊開采限制采高、留設(shè)防隔水煤柱、就地利用和轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)。但是，上述保水開采方法都不能同時(shí)滿足最大限度地解放首采地段保水限采區(qū)的5-2煤資源和保護(hù)4-2煤燒變巖水資源的目的。為此，筆者提出燒變巖注漿帷幕截流保水開采技術(shù)，通過地面鉆孔注漿建造帷幕墻，切斷4-2煤燒變巖水與常家溝水庫水的水力聯(lián)系，截?cái)?-2煤燒變巖水的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量，結(jié)合井下鉆孔對(duì)4-2煤燒變巖水靜儲(chǔ)量的預(yù)疏放，達(dá)到同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大限度地安全開采5-2煤資源和保護(hù)燒變巖水資源及常家溝水庫水資源的目的。

4.1 注漿帷幕墻建造條件分析

注漿帷幕墻建造的目的是帷幕截流，截?cái)嗷驕p少墻體外的地下水向礦坑的滲入量。因此，注漿帷幕墻建造的首要條件是查清礦坑充水的補(bǔ)給來源和補(bǔ)給通道，其次是查清帷幕墻建造地段的構(gòu)造條件和其兩端及頂?shù)装宓膰鷰r性質(zhì)，以確保帷幕墻建成以后，地下水不會(huì)通過帷幕墻與嵌入的圍巖接縫裂隙或其它構(gòu)造繞流入滲對(duì)礦坑充水[35]，最后是查清受注體是否具備可注性。

首采地段保水限采區(qū)5-2煤開采的充水水源為4-2煤燒變巖水，主要補(bǔ)給來源為常家溝水庫水，補(bǔ)給通道為4-2煤燒變巖空隙介質(zhì)，充水?dāng)嗝鏋?-2煤燒變巖全過水?dāng)嗝?，斷面頂?shù)装鍨檠影步M穩(wěn)定基巖，斷面兩端分別為4-2煤燒變巖的隱伏露頭和直接露頭，帷幕區(qū)構(gòu)造條件簡單，無斷裂等其它導(dǎo)水構(gòu)造。4-2煤燒變巖受注體為磚紅色碎裂結(jié)構(gòu)巖石，無泥質(zhì)充填，空隙發(fā)育且連通性較好，空隙率為8%～15%，滲透系數(shù)為65.3～148.7 m/d，受注體可注性好。

綜合上述3個(gè)帷幕墻建造條件分析認(rèn)為，通過地面鉆孔注漿建造帷幕墻，可保證墻體四周嵌入穩(wěn)定的隔水層中，形成閉合隔水墻體，實(shí)現(xiàn)保水限采區(qū)5-2煤的保水開采目標(biāo)。

4.2 注漿帷幕墻建造設(shè)計(jì)

注漿帷幕墻建造設(shè)計(jì)如圖3,4所示，其考慮的主要技術(shù)指標(biāo)包括:

圖3 鉆孔注漿帷幕墻建造設(shè)計(jì)平面Fig.3 Floor plan for construction design of drilling grouting curtain wall

圖4 鉆孔注漿帷幕墻建造設(shè)計(jì)剖面示意Fig.4 Schematic diagram of construction design profile of drilling grouting curtain wall

(1)墻體寬度、高度、深度和厚度:① 4-2煤燒變巖水接受常家溝水庫水的補(bǔ)給方向?yàn)槟媳狈较?，?duì)5-2煤工作面的充水?dāng)嗝鏋闁|西方向的全過水?dāng)嗝妫虼嗽O(shè)計(jì)帷幕墻整體為東西方向的“一字型”形態(tài)，東接4-2煤燒變巖的直接露頭，西接4-2煤燒變巖的隱伏露頭，其中東邊界直接露頭處4-2煤燒變巖頂板標(biāo)高不得低于帷幕墻頂界面設(shè)計(jì)標(biāo)高，平面上形成全封閉帷幕。② 為防止地下水通過帷幕墻頂端翻墻入滲，設(shè)計(jì)帷幕墻頂界面標(biāo)高不得低于常家溝水庫水位標(biāo)高+1 137 m。③ 4-2煤燒變巖空隙介質(zhì)空隙率大、連通性好，為防止帷幕墻底端生根不穩(wěn)，設(shè)計(jì)帷幕墻底界面嵌入4-2煤燒變巖底板基巖5 m，垂向上形成接底式帷幕。④ 保水限采區(qū)4-2煤燒變巖底板標(biāo)高最低為+1 127 m，帷幕墻需承受的燒變巖水水壓差為10 m，為保證帷幕墻截流防滲效果，設(shè)計(jì)雙排帷幕線AA＇和BB＇，確保帷幕墻厚度可抵抗墻體內(nèi)外水壓差。

(2)帷幕線位置、排距和注漿孔間距、結(jié)構(gòu):① 由于受注體燒變巖空隙介質(zhì)的復(fù)雜性和漿液擴(kuò)散本構(gòu)方程的復(fù)雜性，很難根據(jù)已有注漿理論預(yù)測漿液擴(kuò)散半徑。因此參考新疆大黃山七號(hào)井燒變巖帷幕注漿經(jīng)驗(yàn)，在注漿總壓為4 MPa時(shí)，漿液在燒變巖中的擴(kuò)散半徑可確保在5 m以上，故設(shè)計(jì)單排帷幕線上注漿孔間距為10 m，雙排帷幕線上注漿孔呈梅花形布置，各相鄰注漿孔間呈邊長為10 m的正三角形，雙排帷幕線的排間距為8.66 m。② 張家峁井田實(shí)測5-2煤開采頂板基巖巖層移動(dòng)角為74°，松散層巖層移動(dòng)角為45°，4-2煤燒變巖因其空隙率大、連通性好，取其巖層移動(dòng)角介于兩者之間為60°，依據(jù)5-2煤頂板至設(shè)計(jì)帷幕墻頂界面的層間距，預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育至與5-2煤工作面外延的設(shè)計(jì)帷幕墻頂界面交點(diǎn)時(shí)，距5-2煤工作面開切眼的水平距為27.28 m，為防范帷幕墻被采動(dòng)裂隙所破壞，內(nèi)排帷幕線距該交點(diǎn)間應(yīng)留設(shè)足夠的安全距，為方便現(xiàn)場施工取14.06 m，計(jì)算外排帷幕線距5-2煤工作面開切眼的水平距為50 m。③ 為確保帷幕墻頂界在+1 137 m以上，設(shè)計(jì)注漿孔套管底界不得低于+1 137 m，為防止帷幕墻底端地下水繞流入滲，設(shè)計(jì)注漿孔終孔層位進(jìn)入4-2煤燒變巖底板基巖5 m，以保證注漿孔的注漿段滿足設(shè)計(jì)帷幕墻的頂?shù)捉缑嬉蟆?/p>

(3)鉆探和注漿施工:① 為充分利用15207工作面采前對(duì)4-2煤燒變巖水靜儲(chǔ)量的預(yù)疏放，設(shè)計(jì)先施工內(nèi)排注漿孔后施工外排注漿孔，實(shí)施井上下南北方向的引流注漿。② 單排帷幕線上注漿孔按3個(gè)序次施工，一序孔間距40 m，二序孔間距20 m，三序孔間距10 m，后序孔的鉆探注漿特征可以檢查前序孔的注漿效果。③ 帷幕線西邊界4-2煤燒變巖隱伏露頭處，4-2煤燒變不充分，頂板巖層由于4-2煤實(shí)體煤的超前支撐作用，頂板不能完全坍塌，致使西邊界處燒變巖空洞發(fā)育，過水?dāng)嗝娲?。帷幕線東邊界4-2煤直接露頭裸露在陳家塔溝西側(cè)，注漿過程中易跑漿漏漿。東西邊界間區(qū)域?yàn)闊儙r完全坍塌常規(guī)注漿區(qū)。針對(duì)帷幕區(qū)燒變巖斷面在不同區(qū)塊的發(fā)育特征差異，設(shè)計(jì)采用分區(qū)注漿技術(shù)，采用水泥-粉煤灰混合漿、水泥-水玻璃雙液漿、水泥單液漿3種注漿材料，其中西邊界隱伏露頭處采用水泥-粉煤灰混合漿，水固比為1∶1，水泥與粉煤灰質(zhì)量比為2∶3～3∶2;東邊界直接露頭處采用水泥-水玻璃雙液漿，W∶C為1∶1，C∶S為6∶1～8∶1;東西邊界間區(qū)域采用水泥單液漿，W∶C為1∶1。④ 注漿孔的注漿工藝采用孔口封閉止?jié){、靜壓分段下行式注漿法，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為孔口起壓4 MPa，注漿量60 L/min并維持15 min，一般情況下注漿孔都為設(shè)計(jì)的注漿段全段注漿，但當(dāng)注漿孔在鉆進(jìn)過程中遇見大的漏失或空洞掉鉆時(shí)，采用分段注漿，分段注漿時(shí)未達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，不得進(jìn)行下段施工。⑤ 為確保鉆探和注漿參數(shù)的合理性，在大規(guī)模注漿工程開始前，設(shè)計(jì)先在A區(qū)、C區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)性注漿，根據(jù)試驗(yàn)性注漿結(jié)果調(diào)整鉆探和注漿設(shè)計(jì)參數(shù)。⑥ 為檢查帷幕墻的截流防滲效果，在帷幕帶上和帷幕內(nèi)外，設(shè)計(jì)一定數(shù)量的檢查和抽水孔，利用15207工作面采前對(duì)4-2煤燒變巖水靜儲(chǔ)量的預(yù)疏放和抽水孔的抽水，實(shí)施井上下東西方向的引流注漿。

4.3 注漿帷幕工程實(shí)施及截流效果檢驗(yàn)

4.3.1 工程實(shí)施

注漿帷幕工程除了西邊界4-2煤燒變巖隱伏露頭處增加了火燒區(qū)邊界驗(yàn)證孔外，其余鉆探和注漿工程全部按照設(shè)計(jì)施工，注漿帷幕墻地表建造痕跡如圖5所示。共施工各類鉆孔134個(gè)，孔深平均60 m，其中內(nèi)外排帷幕線上各施工注漿孔59個(gè)，西邊界4-2煤燒變巖隱伏露頭處施工火燒區(qū)邊界驗(yàn)證孔6個(gè)，帷幕帶上施工檢查孔4個(gè)，帷幕內(nèi)外施工檢查和抽水孔6個(gè)。共注入水泥42 208 t，粉煤灰4 777 t，水玻璃77 t。建造的帷幕墻東西寬632 m，南北厚8.66 m，頂?shù)赘?5 m，墻體內(nèi)邊界距15207，15208工作面開切眼水平距41.34 m，墻體頂界面標(biāo)高在+1 137 m以上，墻體底界面進(jìn)入4-2煤燒變巖底板基巖5 m，墻體西邊界嵌入4-2煤實(shí)體煤，墻體東邊界搭接在4-2煤燒變巖頂板標(biāo)高+1 137 m之上。

圖5 注漿帷幕墻地表建造痕跡Fig.5 Surface construction trace map of grouting curtain wall

4.3.2 質(zhì)量控制

對(duì)帷幕墻防滲截流效果的檢驗(yàn)是確保注漿帷幕工程質(zhì)量的關(guān)鍵，也是保水限采區(qū)能否實(shí)現(xiàn)5-2煤保水開采目標(biāo)的依據(jù)。帷幕注漿截流工程不同于突水災(zāi)害注漿治理工程，前者為預(yù)注漿工程，后者為后注漿工程。后注漿工程是一種即時(shí)響應(yīng)性注漿，雖然注漿難度往往很大，但其注漿效果卻很直觀，通過注漿前后的涌突水量變化可以較易地判斷注漿效果。但是，預(yù)注漿工程由于具有時(shí)空超前性，不具備后注漿工程的即時(shí)響應(yīng)性屬性，注漿效果往往難以判斷，而且也不允許在帷幕截流工程具有安全隱患的前提下，冒然地進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。因此，筆者提出了即時(shí)檢驗(yàn)技術(shù)，即在鉆孔注漿建造帷幕墻的過程中，通過分析帷幕帶和帷幕區(qū)內(nèi)外的水文地質(zhì)信息，即時(shí)地分析注漿帷幕效果，并根據(jù)分析結(jié)果即時(shí)地對(duì)帷幕墻防滲薄弱地段進(jìn)行補(bǔ)充注漿，確保整個(gè)帷幕墻達(dá)到預(yù)期的防滲截流效果。

注漿帷幕工程采用的即時(shí)檢驗(yàn)技術(shù)包括:

(1)帷幕帶即時(shí)檢驗(yàn)技術(shù):① 鉆探特征差異分析:后續(xù)注漿孔可發(fā)現(xiàn)前序注漿孔的漿液充填體，后續(xù)注漿孔沖洗液消耗量明顯小于前序注漿孔，前序注漿孔水位與常家溝水庫水位相近，但后續(xù)注漿孔水位卻明顯高于常家溝水庫水位。② 注漿特征差異分析:后續(xù)注漿孔吃漿量和注漿時(shí)間明顯小于前序注漿孔，前序注漿孔注漿經(jīng)常出現(xiàn)孔間串漿現(xiàn)象，但后續(xù)注漿孔串漿現(xiàn)象逐漸減小直至消失。③ 檢查孔壓水試驗(yàn)結(jié)果分析:帷幕注漿段單位吸水率都小于0.005 L/(min·m2)，帷幕墻體滲透性能等級(jí)屬極微～微透水。

(2)帷幕內(nèi)外即時(shí)檢驗(yàn)技術(shù):① 帷幕內(nèi)側(cè)的陳家塔溝出水點(diǎn)注漿前出水量約20 m3/h，隨著帷幕墻的建造出水點(diǎn)出水量逐漸減小，帷幕墻建造結(jié)束時(shí)出水點(diǎn)已干涸無水。② 帷幕內(nèi)外的抽水孔和檢查孔，注漿帷幕前鉆孔水位與常家溝水庫水位相近且保持同步上升的變化趨勢，注漿帷幕后帷幕外鉆孔水位仍保持該變化規(guī)律，但帷幕內(nèi)鉆孔水位卻呈現(xiàn)出持續(xù)下降的變化趨勢。③ 注漿帷幕工程結(jié)束后，帷幕外側(cè)W5抽水孔抽水時(shí)，外側(cè)檢查孔水位下降，內(nèi)側(cè)檢查孔水位不變。帷幕內(nèi)側(cè)W2,W3抽水孔抽水時(shí)，內(nèi)側(cè)檢查孔水位下降，外側(cè)檢查孔水位不變。④ 根據(jù)帷幕內(nèi)外抽水孔抽水試驗(yàn)，估算帷幕外側(cè)4-2煤燒變巖含水層滲透系數(shù)為78.5 m/d，滲透性能等級(jí)屬強(qiáng)透水，帷幕內(nèi)側(cè)4-2煤燒變巖含水層滲透系數(shù)為2.8 m/d，滲透性能等級(jí)屬中等透水。

綜合注漿帷幕工程在帷幕帶和帷幕內(nèi)外的即時(shí)檢驗(yàn)效果，分析認(rèn)為帷幕墻截流防滲效果良好，實(shí)現(xiàn)了5-2煤保水開采目標(biāo)。

4.3.3 工程效果

15207工作面采前，在工作面巷道和開切眼對(duì)4-2煤燒變巖水靜儲(chǔ)量共施工了9個(gè)預(yù)疏放鉆孔(圖3)，鉆孔初始總出水量為503 m3/h，10 d以后鉆孔總出水量衰減為16 m3/h并有進(jìn)一步的衰減趨勢(圖6)，累積預(yù)疏放水總量約1.97萬m3，期間帷幕內(nèi)側(cè)4-2煤燒變巖水位大幅下降且不回彈，但帷幕外側(cè)4-2煤燒變巖水位卻不受預(yù)疏放水影響，預(yù)疏放水結(jié)果進(jìn)一步佐證了帷幕墻防滲截流效果良好，切斷了墻體內(nèi)外燒變巖水的水力聯(lián)系，截?cái)嗔藟w內(nèi)側(cè)燒變巖水的動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量。

圖6 15207工作面采前預(yù)疏放水量衰減Fig.6 Attenuation chart of pre-drainage water quantity in 15207 working face before mining

目前，15207工作面已回采結(jié)束，15208工作面也已推采過了保水限采區(qū)進(jìn)入無水開采區(qū)開采，工作面涌水量都不超過5 m3/h，實(shí)現(xiàn)了首采地段5-2煤保水開采目標(biāo)。

5 結(jié) 論

(1)通過水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析，查明了研究區(qū)水資源類型及特征，結(jié)合導(dǎo)水裂隙帶預(yù)計(jì)高度，將4-2煤燒變巖水確立為研究區(qū)5-2煤保水開采對(duì)象。

(2)根據(jù)榆神府礦區(qū)保水開采分區(qū)研究成果，結(jié)合研究區(qū)5-2煤采掘布置，將研究區(qū)5-2煤工作面劃分為無水開采區(qū)和保水限采區(qū)。

(3)為同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大限度回采5-2煤資源和保護(hù)4-2煤燒變巖水資源的保水開采目標(biāo)，提出了燒變巖注漿帷幕截流保水開采新技術(shù)，在分析研究區(qū)燒變巖注漿帷幕建造條件的基礎(chǔ)上，給出了帷幕墻建造設(shè)計(jì)和井上下平行和垂直帷幕線的雙位雙向引流注漿、燒變巖全斷面分區(qū)注漿、防滲截流效果即時(shí)檢驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)。

(4)研究區(qū)5-2煤保水限采區(qū)采前和采后實(shí)踐證明，注漿帷幕截流技術(shù)是實(shí)現(xiàn)燒變巖水保水開采的一種新的有效技術(shù)，研究成果對(duì)煤炭開發(fā)、水資源保護(hù)及礦井水害防治具有一定的理論和實(shí)踐意義。