西灣露天煤礦東邊坡涌水因素分析及綜合治理方法

劉 興

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

西灣露天煤礦行政區(qū)劃位于陜西省榆林市榆陽區(qū)的東北部、神木市的西南部。礦區(qū)處于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)中部，是目前榆神礦區(qū)規(guī)劃中唯一適宜露天開采的礦田。西灣露天煤礦在開采過程中東邊坡部分區(qū)域發(fā)生涌水現(xiàn)象，出現(xiàn)3 個(gè)較大涌水點(diǎn)，每個(gè)涌水點(diǎn)平均涌水量50 m3/h。隨著露天礦坑外排工程的結(jié)束，采掘場將逐漸實(shí)現(xiàn)內(nèi)排，如不能有效處理涌水，內(nèi)排場底部臺(tái)階經(jīng)水浸泡極易形成不穩(wěn)定滑層，威脅礦坑安全[1]。

目前，露天礦坑邊坡地下水涌水量預(yù)測、治理方法等已有大量研究[2-6]，但從礦坑實(shí)際條件出發(fā)，分析礦坑具體涌水因素，并提出有針對(duì)性的治理措施以指導(dǎo)生產(chǎn)，仍然具有較大現(xiàn)實(shí)意義。在分析西灣露天煤礦礦坑?xùn)|邊坡涌水因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了有針對(duì)性的邊坡涌水綜合治理方法實(shí)驗(yàn)并取得良好效果，對(duì)以后同類問題的解決具有指導(dǎo)意義。

1 研究方法

西灣露天煤礦東邊坡涌水區(qū)充水水源為煤層頂板燒變巖孔隙、裂隙水及第四系松散層潛水。松散層接受大氣降水和礦界外潛水補(bǔ)給后，經(jīng)導(dǎo)水通道補(bǔ)給風(fēng)化巖裂隙含水層，最終潛流進(jìn)入2-2 煤層頂部自燃區(qū)域，補(bǔ)給燒變巖潛水，最終在礦坑內(nèi)涌水點(diǎn)處排泄。由于礦田內(nèi)燒變巖發(fā)育厚度大，范圍廣，造成礦山邊坡涌水治理難度及成本增加。

針對(duì)礦田地質(zhì)條件，采用多種地球物理手段進(jìn)行涌水區(qū)域范圍及導(dǎo)水通道精確判斷，對(duì)多種涌水治理方法進(jìn)行綜合分析應(yīng)用，優(yōu)化施工工藝，取得良好治水效果。

2 涌水區(qū)水文地質(zhì)條件

西灣露天煤礦東邊坡涌水區(qū)內(nèi)含水層主要構(gòu)成為全新統(tǒng)沖積層、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、侏羅系中統(tǒng)延安組。

全新統(tǒng)沖積層（風(fēng)積層）巖性以粉砂土、細(xì)砂及中砂為主，厚度2～30 m 不等；上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組主要為黃褐色中、細(xì)砂，厚度較大，一般25 m 左右，結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大，極易接受大氣降水補(bǔ)給。沖積層（風(fēng)積層）與薩拉烏蘇組構(gòu)成統(tǒng)一含水層，單位涌水量0.06 L/（s·m），滲透系數(shù)1.730 m/d，富水性弱。

延安組為本區(qū)的含煤地層，其第Ⅴ段在區(qū)內(nèi)連續(xù)沉積，第Ⅴ段巖性整體以灰白色的中、細(xì)砂巖、泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，結(jié)構(gòu)致密，裂隙微發(fā)育，滲透性能較差，富水性弱；其頂部有1 段風(fēng)化巖石，厚度約4 m，巖性主要為中砂巖、細(xì)砂巖，顏色多為灰黃色、黃綠色、黃褐色，結(jié)構(gòu)疏松，裂隙較發(fā)育，單位涌水量0.004 01～0.170 8 L/（s·m），滲透系數(shù)0.011 45～1.287 2 m/d，富水性弱-中等；延安組2-2煤層為主要可采煤層，在其頂部發(fā)育1～5 m 厚的燒變巖，燒變邊界形狀不規(guī)則，主要以南北向延伸分布于礦田東部，其巖體為碎裂結(jié)構(gòu)，透水性好，補(bǔ)給來源充分，單位涌水量9.217～16.337 6 L/（s·m），滲透系數(shù)28.27～28.29 m/d，富水性強(qiáng)。

涌水區(qū)內(nèi)隔水層主要為新近系保德組紅土隔水層，全區(qū)分布，平均厚度約20 m 左右，巖性為棕紅色粉質(zhì)黏土，大部分地段底部含鈣質(zhì)結(jié)核層?？傮w含水性極差，塑性大，分布較穩(wěn)定。

3 涌水區(qū)域范圍精確測定

采用瞬變電磁法進(jìn)行控制并在異常部位部署高密度電阻率法測點(diǎn)，2 種方法相互佐證，以提高富水區(qū)域及導(dǎo)水通道控制準(zhǔn)確度。

3.1 探測方法

1）瞬變電磁法?？碧絽^(qū)目的層埋深較淺，需要選取盡量大的發(fā)射頻率及小匝數(shù)線框，以減少淺層盲區(qū)。另外由于勘探區(qū)東部外側(cè)架設(shè)高壓線，西部為露天礦坑，有眾多施工車輛等，周邊區(qū)域地電干擾較強(qiáng)，因此需要加強(qiáng)信號(hào)源，抑制地電干擾，盡可能采用大的供電電流，主機(jī)輸入電壓12 V，直流電發(fā)射機(jī)輸入電壓24～96 V，直流電發(fā)射機(jī)額定電流≤40 A，選定25 Hz 發(fā)射頻率，發(fā)射線框（規(guī)格2 m×2 m）15 匝、接收線框（規(guī)格1.5 m×1.5 m）10 匝。

2）高密度電阻率法。測線（G1）布置位置與瞬變電磁法測線位置相同。由于冬季施工區(qū)內(nèi)發(fā)育一定厚度凍土層，接地條件差，試驗(yàn)過程中對(duì)每個(gè)測點(diǎn)澆足夠鹽水，個(gè)別接地條件不好的地方采用多個(gè)電極并用的方式以保證電極接地條件。采用轉(zhuǎn)換電極120 路，最大工作電壓±450 V，最大工作電流±2.5 A，以保證探測深度和供電電流。

3.2 成果分析

瞬變電磁法視電阻率斷面圖如圖1，由圖1 可以看出，點(diǎn)距750 m 以小區(qū)域，深度約-40 m 以淺，視電阻率值變化相對(duì)較大，是基巖燒變后的電性反映，燒變巖富水異常區(qū)具有視電阻率值明顯低于周圍其他區(qū)域的電性特征。點(diǎn)距750 m 以大區(qū)域泥巖、砂質(zhì)泥巖隔水層發(fā)育明顯，視電阻率變化特征較小，明顯有別于富水區(qū)域，屬于隔水區(qū)域。高密度電阻率法G1 線視電阻斷面圖如圖2，高密度電阻率法勘探結(jié)果與瞬變電磁法結(jié)果一致。

圖1 瞬變電磁法視電阻率斷面圖

圖2 G1 線視電阻斷面圖

勘探區(qū)位于采區(qū)東部側(cè)幫，低阻異常區(qū)集中于勘探區(qū)南部、中部，且中部最為明顯，區(qū)內(nèi)燒變巖裂隙孔洞潛水層富水性具有不均勻性，導(dǎo)致其涌水范圍及強(qiáng)度規(guī)律不明顯，變化較大。分析認(rèn)為，燒變巖富水異常區(qū)主要集中于勘探區(qū)南段和中部，且中部的燒變巖富水異常最為明顯，為重點(diǎn)治理區(qū)域。

4 治理方法

涌水治理方法主要有疏排法、隔離法等[7-8]，西灣露天煤礦東端幫區(qū)域上部潛水含水層與下部煤系地層燒變巖含水層相互連通，形成了較為穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)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，且出水區(qū)域位于露天采場邊界附近，不具備剝挖空間，因此綜合考慮對(duì)涌水區(qū)進(jìn)行帷幕注漿隔離地下水。選取點(diǎn)距700～750 m 處的涌水點(diǎn)進(jìn)行帷幕注漿堵水實(shí)驗(yàn)，采用φ48 mm 袖閥管（管壁厚3 mm，耐壓值大于等于2 MPa），全孔一次性注漿。

1）注漿孔布置。注漿區(qū)施工注漿孔30 個(gè)，平均孔深20 m。注漿孔布置于涌水區(qū)域上部巖石剝離平臺(tái)，施工2 排垂直注漿孔，孔距4 m 呈梅花狀布置，注漿孔布置如圖3。

圖3 注漿孔平面布置圖（左）及注漿孔立面圖（右）

2）注漿材料。注漿材料采用純水泥漿+水玻璃雙液。注漿設(shè)計(jì)配比為水泥漿∶水玻璃=1∶0.5（體積比），其中水泥漿的水灰比為1∶1（質(zhì)量比）。水泥漿拌制采用P.42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，水玻璃模數(shù)為2.4～3.4，波美度30～40°Bé，通過使用帶單向閥的漿液混合器混合。水泥、水用量誤差允許范圍為±5%，水玻璃用量誤差允許范圍為±1%。水泥漿攪拌時(shí)間為3～5 min，最長不超過30 min。

3）注漿參數(shù)。注漿的壓力0.4～0.8 MPa，注漿速度30～70 L/min，終止標(biāo)準(zhǔn)為達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)注入量小于5～10 L/min，穩(wěn)壓10 min。

4）注漿原則。①二序跳孔注漿原則：一序注漿孔之間相隔1 個(gè)注漿孔，二序注漿孔為一序孔中間加密的孔；②定量-定壓相結(jié)合原則：對(duì)先序孔采取定量注漿，對(duì)后續(xù)孔采取定壓注漿。先期注漿孔的注漿量大于后期孔，外圍注漿孔的注漿量大于內(nèi)部孔；③多孔少注動(dòng)態(tài)調(diào)整原則：注漿過程中，根據(jù)不同地質(zhì)、時(shí)序、部位、壓力、流量變化等，對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4）注漿效果。注漿堵水試驗(yàn)工期17 d，共計(jì)施工注漿孔30 個(gè)，鉆孔進(jìn)尺400 m，使用水泥400 t，水玻璃120 t，注漿效果明顯，涌水點(diǎn)涌水量減小至15 m3/h，涌水點(diǎn)涌水量明顯減少。

5 結(jié)語

1）瞬變電磁法、高密度電阻率法勘探結(jié)果顯示，燒變巖區(qū)電阻率差異較明顯，基巖燒變后視電阻率值大部分相對(duì)較高，燒變巖富水異常區(qū)視電阻率值具有明顯低于周圍電性的特征。隔水區(qū)域視電阻率變化特征不明顯。

2）涌水區(qū)內(nèi)燒變巖裂隙孔洞含水層富水性分布具有不均勻性，其涌水范圍及強(qiáng)度規(guī)律不明顯，變化較大。區(qū)內(nèi)燒變巖富水異常區(qū)主要集中于勘探區(qū)南段和中部，以中部最為集中，為重點(diǎn)治理區(qū)域。

3）對(duì)涌水區(qū)進(jìn)行帷幕注漿隔離治理方法，采用水泥水玻璃雙液、袖閥管、多孔少注、定量定壓相結(jié)合、多孔序、全孔一次注漿工藝，堵水效果良好。