注漿充填開采對地下水水質(zhì)的影響研究

曲秋揚(yáng)，樊振麗

(1. 天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

安徽作為村莊下壓煤集中的5省之一[1]，村下壓煤量巨大。若遷村開采，不但選址難、費(fèi)用高，而且村莊搬遷難度大、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)高。為解決村下壓煤問題，充填開采是其必走之路。淮北礦區(qū)海孜礦Ⅱ102采區(qū)開采的10煤層，村莊壓煤占采區(qū)總工業(yè)儲(chǔ)量90%以上。為了解決該采區(qū)的村莊壓煤問題，該礦設(shè)計(jì)采用離層注漿充填開采的方式，由地面鉆孔向采動(dòng)覆巖離層區(qū)高壓注入粉煤灰漿液，與隔離煤柱聯(lián)合形成支撐結(jié)構(gòu)，控制關(guān)鍵層的變形和破壞，從而控制采動(dòng)后地表沉降，實(shí)現(xiàn)不遷村采煤的目的[2，3]。然而，采用注漿充填開采的方式后，漿液對注漿區(qū)域水環(huán)境(特別是飲用水源)的影響尚不明確，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用埋下了隱患。通過搜集相關(guān)文獻(xiàn)，國內(nèi)學(xué)者對充填開采的研究集中在基礎(chǔ)理論、充填材料、工程設(shè)計(jì)、減沉材料等方面[4-10]，而針對充填可采對地下水水質(zhì)的影響鮮有研究。其中，樊振麗對離層充填開采的運(yùn)移通道和溶質(zhì)擴(kuò)散特征進(jìn)行了研究；朱衛(wèi)兵對離層充填的理論進(jìn)行了擴(kuò)展，提出了“充填體+關(guān)鍵層+分區(qū)隔離煤柱”的充填體減沉理論；吳吟等對充填技術(shù)現(xiàn)狀及材料進(jìn)行了分析與探討。因此，為解決該煤礦的實(shí)際問題，也為了填補(bǔ)國內(nèi)對此問題研究的空白，本文針對此項(xiàng)問題做了專項(xiàng)研究。

1 采區(qū)概況

1.1 煤層及頂?shù)装鍡l件

海孜礦Ⅱ102采區(qū)開采10煤層，平均采高2.8m，傾角平均8°，煤種為焦煤。直接頂為泥巖或粉砂巖，厚度為1.4～2.0m，硬度系數(shù)為3.6；基本頂為泥巖或細(xì)砂巖，厚度為6～15m，硬度系數(shù)為12；直接底為泥巖或粉砂巖，厚度為0.6～2.7，硬度系數(shù)為1.9；老底為粉砂巖或細(xì)砂巖，厚度為3.1～11m，硬度系數(shù)為5.9。此外，煤層頂板中部有一火成巖侵入體，據(jù)估算該火成巖侵入體不在覆巖破壞范圍內(nèi)。根據(jù)直接頂厚度及硬度系數(shù)，判斷該頂板覆巖屬堅(jiān)硬類型。

1.2 礦井水文地質(zhì)條件

該礦煤層頂板上方共4層含水層，分別為新生界第一、二、三、四層含水層，均為承壓水。在每兩層含水層間具有一層黃色、棕黃色的砂質(zhì)粘土隔水層，分別為第一、二、三隔水層。其中，第一、二隔水層層厚為13～15m，在薄弱地點(diǎn)，一、二、三含水層會(huì)有水流補(bǔ)給現(xiàn)象發(fā)生，而第三隔水層均厚為37m，斷絕了第一、二、三含水層與第四含水層的水力聯(lián)系。煤層底板具有二疊系砂巖裂隙含水層和太灰、奧灰?guī)r溶裂隙含水層，會(huì)以底板突水的形式向礦井排泄。該礦飲用水源為第一、二和三含水層的上段，其中，一含是目前海孜礦區(qū)及其周圍村莊生活用水及農(nóng)田灌溉的主要水源。

2 Ⅱ102采區(qū)充填開采現(xiàn)狀

2.1 注漿材料的選取

淮北礦區(qū)離層注漿充填材料選擇臨渙煤泥矸石電廠粉煤灰。經(jīng)過化驗(yàn)，淮北臨渙煤泥矸石電廠的粉煤灰活性成分中，SiO2+Al2O3含量達(dá)82.58%，CaO含量為4.25%，燒失量小于8%，符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)》(GB 1596—91)中Ⅱ級灰標(biāo)準(zhǔn)。在本文的研究中，漿液水灰質(zhì)量比為：1.4～2.5，漿液水灰體積比是：1.0～1.4。

2.2 注漿層位的確定

Ⅱ102采區(qū)主要采用了離層帶注漿和采空區(qū)注漿兩種充填開采方式。離層注漿充填開采主要是利用粉煤灰進(jìn)行注漿充填，充填位置為導(dǎo)水裂隙帶的離層空間。為了保證注漿漿液充填至正確位置，首先要分析煤層開采厚覆巖破壞范圍，這里采用經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。

2.2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法“兩帶”高度預(yù)計(jì)

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中堅(jiān)硬覆巖類型“兩帶”預(yù)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)計(jì)垮落帶和導(dǎo)水裂縫帶高度。即：

式中，Hm為垮落帶發(fā)育高度，m；Hli為導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度，m；∑M為累計(jì)采厚，m；(單層采厚1～3m，累計(jì)采厚不超過15m)。

將采高2.8m代入上述公式中，得出Ⅱ1026工作面垮落帶高度為12.80m，導(dǎo)水裂縫帶高度為52.24m。

2.2.2 數(shù)值法“兩帶”高度預(yù)計(jì)

利用3DEC數(shù)值模擬對該煤礦的“兩帶”高度進(jìn)行計(jì)算。大概過程如下：開采20m后，厚度為6m的細(xì)粒砂巖層下部巖層破斷，堆積進(jìn)入采空區(qū)，中部以及上部巖層彎曲下沉量值加大，為懸頂狀態(tài)。此時(shí)，垮落帶高度為1m，導(dǎo)水裂縫帶高度約為6m。推進(jìn)至25m時(shí)，細(xì)粒砂巖層發(fā)生破斷，上部巖層仍為懸頂狀態(tài)；厚度為9m粉砂巖層與下部的細(xì)粒砂巖層形成一定量值的水平離層區(qū)域，此時(shí)垮落帶高度為6m，導(dǎo)水裂縫帶高度約為8m。推進(jìn)至45m時(shí)，粉砂巖層中下部巖梁破斷，并與上部巖層形成較大的離層裂隙區(qū)；巖層導(dǎo)水裂縫帶高度繼續(xù)向上向前發(fā)育；此時(shí)垮落帶高度為10m，導(dǎo)水裂縫帶高度約為23m。推進(jìn)至100m時(shí)，細(xì)粒砂巖巖層隨采隨冒，呈周期性破斷并堆積進(jìn)入采空區(qū)；位于距離煤層底板為46m以上區(qū)域以彎曲下沉為主，“兩帶”發(fā)育高度達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)垮落帶高度為12m，導(dǎo)水裂縫帶高度約為46m。工作面不同推進(jìn)度時(shí)覆巖移動(dòng)變形特征如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬工作面不同推進(jìn)度時(shí)覆巖移動(dòng)變形規(guī)律

因此，綜合上述計(jì)算結(jié)果，當(dāng)采厚為2.8m時(shí)，垮落帶高度為12.0～12.8m，導(dǎo)水裂縫帶高度為46～52.24m。工程前期離層帶注漿粉煤灰漿液主要分布在頂板“兩帶”之上離層區(qū)域(火成巖下至裂縫帶頂部)，后期為了加強(qiáng)充填減沉效果，將鉆孔延伸至導(dǎo)水裂縫帶和垮落帶充注。

2.3 注漿鉆孔設(shè)計(jì)與施工

2.3.1 鉆孔的設(shè)計(jì)與布置

鉆孔施工時(shí)，松散段需要設(shè)置套管，以防塌孔；基巖段按裸孔設(shè)計(jì)。根據(jù)“兩帶”層位，為保證注漿減沉效果，注漿孔深最終進(jìn)入裂隙帶，甚至是垮落帶。

Ⅱ102采區(qū)共布置6個(gè)注漿孔，注1孔煤層埋深592m，原始孔深431m，終孔層位為火成巖下20m，后經(jīng)透孔延深至582 m；注2孔煤層埋深595m，原始孔深478m，終孔層位為火成巖下65m，后經(jīng)透孔延深至601m；注3孔煤層埋深612m，準(zhǔn)備在441.87m花管上部開始造斜進(jìn)行離層注漿。在實(shí)際施工中鉆具下至320m處受阻，后經(jīng)透孔至441.47m停止透孔；注4孔煤層埋深636.1m，鉆孔深度636m；注5孔煤層埋深647.8m，孔深651.75m，層位在10煤下，孔內(nèi)花管位置在507.55m以下，該位置位于火成巖下40 m。所有鉆孔的注漿層位均進(jìn)入了垮落帶。注漿孔布置如圖2所示。

圖2 Ⅱ102采區(qū)注漿充填鉆孔位置圖

2.3.2 現(xiàn)場注漿施工

粉煤灰通過汽車運(yùn)輸至Ⅱ102采區(qū)地面注漿站，并存放于堆灰場。堆灰場的灰通過鏟車鏟運(yùn)至一級攪拌池進(jìn)行攪拌制漿，然后通過砂漿泵泵送至二級攪拌池進(jìn)行二次攪拌，之后進(jìn)入鉆孔進(jìn)行注漿充填。大部分工藝流程露天完成。

2.4 注漿效果分析

通過對不同層位、不同鉆孔的注漿量進(jìn)行分析表明：采區(qū)的注采比已經(jīng)達(dá)到51.3%；離層帶有效支撐區(qū)域面積占整個(gè)采空區(qū)面積的78%；垮落帶有效支撐區(qū)域面積占整個(gè)采空區(qū)面積的70%；疊加后，離層帶與垮落帶均有效支撐區(qū)域面積占整個(gè)采空區(qū)面積的70%，說明火成巖下采空區(qū)主體已經(jīng)充滿，能夠形成有效支撐作用。

3 粉煤灰漿液運(yùn)移通道測試

該礦粉煤灰漿液通過管道輸送到地下巨厚火成巖層下部離層帶和10煤垮落帶內(nèi)，漿液進(jìn)入注漿層位(離層帶和垮裂帶)后，下部垮落帶注漿體形成支撐體，并影響注漿區(qū)域含水層，上部由于巨厚火成巖作為蓋層，很好地承受了注漿形成的上向托頂力，分析認(rèn)為注漿漿液不會(huì)影響松散層含水層(如圖3所示)。但是，在離層注漿充填開采過程中，注漿漿液是否對煤系地層含水層水質(zhì)造成影響，不得而知，故設(shè)計(jì)并實(shí)施了注漿區(qū)漿液運(yùn)移通道示蹤試驗(yàn)。

圖3 海孜礦井下受影響的含水層層位

3.1 試驗(yàn)過程

化學(xué)示蹤試驗(yàn)分析法是示蹤試驗(yàn)常用的手段[11，12]。本次試驗(yàn)采用KI作為示蹤劑，水樣中I-和K+濃度采用PXD-12型數(shù)字式離子計(jì)測定。為了探究漿液和煤層巷道的連通性，選擇注3孔作為投放孔，并選擇86大巷和采區(qū)軌道巷102巷口作為試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)(取樣點(diǎn))，如圖4所示。

圖4 投源孔與井下監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

將KI晶體25kg倒入提前準(zhǔn)備好的塑料桶中，注入清水50L，充分?jǐn)嚢枋筀I晶體完全溶解，溶解完成后，直接將溶解液泵送至投源孔孔底，泵送功率為106L/min，示蹤劑投放后重新向投源孔注入清水，持續(xù)19min后停止。至此整個(gè)投放過程完成，共用時(shí)25min。隨后注漿工作繼續(xù)進(jìn)行。

在隨后的半個(gè)月中，對兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)每天取樣1次，采取水樣后及時(shí)交付測試人員，現(xiàn)場測試人員在室內(nèi)進(jìn)行測試。現(xiàn)場測試的項(xiàng)目為I-濃度，K+濃度的測定由安徽煤田地質(zhì)測試中心完成。

3.1.1 86大巷監(jiān)測點(diǎn)的測試結(jié)果

I-示蹤劑從注3孔到86大巷監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)間為5d，第6d達(dá)到峰值，說明漿液與礦坑水具有水力聯(lián)系。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到第9d時(shí)，K+濃度達(dá)到最大值。然后，K+濃度隨時(shí)間呈波動(dòng)式下降，其濃度變化于4.57～5.48mg/L之間，平均5.1mg/L，與試驗(yàn)前期K+濃度值相近(如圖5所示)。

圖5 86大巷監(jiān)測點(diǎn)的示蹤粒子的檢測結(jié)果

3.1.2 采區(qū)巷道監(jiān)測點(diǎn)的測試結(jié)果

I-測試結(jié)果表明示蹤劑到達(dá)Ⅱ102采區(qū)軌道巷監(jiān)測點(diǎn)的時(shí)間為5d，試驗(yàn)進(jìn)行到第10d，K+濃度達(dá)到最大峰值，示蹤劑到達(dá)Ⅱ102采區(qū)軌道巷監(jiān)測點(diǎn)時(shí)間為10d(如圖6所示)。

圖6 采區(qū)軌道巷監(jiān)測點(diǎn)的示蹤離子的檢測結(jié)果

3.2 測試結(jié)論

86運(yùn)輸大巷、Ⅱ102采區(qū)軌道巷監(jiān)測點(diǎn)I-、K+濃度變化特征表明，試驗(yàn)期間，監(jiān)測點(diǎn)水中I-、K+濃度均出現(xiàn)明顯峰值，示蹤劑從投源孔水地下水進(jìn)入到礦坑，漿液與巷道具有一定水力聯(lián)系。

示蹤離子I-、K+在地下水中的運(yùn)移速度有所差別，K+運(yùn)移滯后于I-運(yùn)移。

4 注漿充填漿液運(yùn)移規(guī)律研究

采用粉煤灰制成的漿液中，在注漿后是否會(huì)沿裂隙隨地下水滲入到坑道或進(jìn)入到其他含水層中，漿液的運(yùn)移特征就成為需要探討的問題。為此，根據(jù)采礦地質(zhì)、水文地質(zhì)特征，并結(jié)合地下水現(xiàn)場示蹤試驗(yàn)研究成果，以探究漿液在天然及采動(dòng)裂隙中的運(yùn)移規(guī)律以及其是否會(huì)對礦坑水及淺部含水層水質(zhì)產(chǎn)生影響。

利用GMS數(shù)值模擬軟件對漿液在天然及采動(dòng)裂隙中的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行模擬。

4.1 天然滲流條件下模擬結(jié)果

圖7 Ⅱ102采區(qū)在天然條件下不同時(shí)間段內(nèi)漿液分布范圍圖

4.2 開采條件下模擬結(jié)果

圖8 Ⅱ102采區(qū)開采條件下漿液在注漿層運(yùn)移范圍

模擬結(jié)果表明，無論是開采條件還是天然條件下，由于火成巖的有效阻隔作用，注漿液對火成巖以上含水層無影響，對埋藏深的太灰含水層不產(chǎn)生影響。

5 注漿區(qū)地下水環(huán)境狀況及影響因素研究

5.1 注漿前地下水水質(zhì)

海孜礦一含、二含和三含上段含水層水質(zhì)除氟化物和總硬度部分區(qū)域小幅超標(biāo)外，全區(qū)地下水水質(zhì)基本滿足地下水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，適合作為生活飲用水。四含水樣測試結(jié)果表明，四含水酸堿度(pH值)偏大，甚至大于Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)，且K++Na+和Cl-超標(biāo)，不適合飲用。

研究小組在海孜礦Ⅱ102采區(qū)注漿站周圍5個(gè)取樣點(diǎn)以及井下3個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行水樣采集，采取量為1.2L/采樣點(diǎn)，地面采樣點(diǎn)位置如圖9所示。

圖9 Ⅱ102采區(qū)注漿站水樣采取點(diǎn)位置示意圖

5.2 注漿后地面及井下水質(zhì)分析

根據(jù)采集后的水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，海孜礦注漿后堆灰場附近區(qū)域地下水水質(zhì)良好，1號和2號取樣點(diǎn)水質(zhì)達(dá)標(biāo)；0號取樣點(diǎn)為造紙企業(yè)排出的污水溝，水質(zhì)相對較差，出現(xiàn)氨氮、COD和BOD5超標(biāo)現(xiàn)象；3號取樣點(diǎn)超標(biāo)成分為汞和硫酸鹽，為粉煤灰浸泡液中超標(biāo)特征組分，疑似受到粉煤灰堆灰場的輕微影響，但是現(xiàn)場調(diào)查顯示3號取樣點(diǎn)距離堆灰場較遠(yuǎn)，且距堆灰場更近的1、2號水樣均合標(biāo)，分析認(rèn)為3號水樣汞的小幅超標(biāo)來自農(nóng)藥或其它因素，最終分析認(rèn)為3號取樣點(diǎn)水樣汞超標(biāo)與粉煤灰堆灰場關(guān)聯(lián)不大；4號取樣點(diǎn)距離堆灰場最遠(yuǎn)，水質(zhì)中只有氟含量超標(biāo)，與含水層原始背景值一致，不認(rèn)為受粉煤灰堆灰場影響。

因此，綜合分析認(rèn)為海孜礦地面堆灰場對地下松散層水水質(zhì)基本無影響。

由于煤系地層砂巖裂隙含水層水質(zhì)較差，超標(biāo)離子較多，硫酸鹽、氟化物背景值高，判斷Ⅱ102采區(qū)機(jī)巷取樣點(diǎn)水樣受注漿漿液影響不明顯，而86運(yùn)輸大巷取樣點(diǎn)出現(xiàn)了粉煤灰浸泡液中特征離子成分砷的成分，由砷元素超標(biāo)判定該取樣點(diǎn)水中含有粉煤灰漿液成分。另外，由粉煤灰基巖注漿層位分析，漿液進(jìn)入了砂巖裂隙含水層并流入采空區(qū)，因此，注漿漿液對海孜礦礦井水有影響。

對海孜礦-1000m水平大巷14#鉆孔灰?guī)r水質(zhì)的檢測顯示，只有氨氮、氟化物和氯化物指標(biāo)超標(biāo)，汞、砷等漿液標(biāo)志性指標(biāo)無異常和超標(biāo)現(xiàn)象，表明漿液對灰?guī)r水無影響。

對井下水倉水質(zhì)檢測顯示，礦井混合水中僅氯化物和氟化物超標(biāo)，說明局部區(qū)域原先受注漿漿液影響的砂巖含水層水經(jīng)過礦井水的稀釋，原本超標(biāo)的礦井水進(jìn)入水倉后相應(yīng)的離子均符合標(biāo)準(zhǔn)。

因此，綜合分析離層注漿開采對海孜礦礦井水整體上影響較小。

6 結(jié) 論

1)覆巖破壞特征模擬研究結(jié)果表明：導(dǎo)水裂縫帶隨著工作面推進(jìn)尺寸和時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢，在此期間伴隨著離層帶的發(fā)生、發(fā)展、壓縮、消失的過程，且離層帶發(fā)育層位高度也呈現(xiàn)由低至高的趨勢，但范圍在不斷擴(kuò)大，始終保持在導(dǎo)水裂縫帶上部主、亞關(guān)鍵層附近區(qū)域。

2)示蹤試驗(yàn)表明，86運(yùn)輸大巷監(jiān)測點(diǎn)、Ⅱ102采區(qū)軌道巷監(jiān)測點(diǎn)水中I-、K+濃度均出現(xiàn)明顯峰值，示蹤劑從投源孔泵送至地下并經(jīng)注漿層段進(jìn)入到采掘空間，注漿漿液與井下采掘巷道具有一定的水力聯(lián)系。

3)Ⅱ102采區(qū)注3孔注漿模擬表明，污染物主要在火成巖之下煤系含水層中運(yùn)移，這與地下水示蹤試驗(yàn)在井巷監(jiān)測點(diǎn)接收到示蹤粒子的結(jié)果所得到的認(rèn)識一致。影響范圍主要在距注漿孔1km范圍內(nèi)。無論是開采條件還是天然條件下，由于火成巖的有效阻隔作用，注漿液對火成巖以上含水層無影響，對埋藏深的太灰含水層不產(chǎn)生影響。

4)地面堆灰場大部分區(qū)域不受影響，只有3號取樣點(diǎn)受輕微影響。