露天煤礦燒變巖黏土基注漿帷幕建造技術(shù)

崔建平，蒲治國(guó)，丁 湘，李 哲，曾一凡，紀(jì)卓辰，段東偉，孫國(guó)凱

(1.陜西神延煤炭有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；3.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；4.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；5.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 國(guó)家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

露天開(kāi)采是我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)的重要方式，由于其產(chǎn)能大、經(jīng)濟(jì)效益高，將在未來(lái)的煤炭產(chǎn)能中占據(jù)重要地位[1]。露天開(kāi)采必須剝離煤層上覆巖土體，因此不可避免會(huì)擾動(dòng)剝離層地下水并使其進(jìn)入礦坑，為保障煤炭資源的順利開(kāi)采，我國(guó)的露天煤礦多采用疏排的方式對(duì)其進(jìn)行控制，長(zhǎng)期的疏排地下水導(dǎo)致礦區(qū)地下水位下降，改變了地下水原始流場(chǎng)，給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了很大影響，嚴(yán)重制約著露天煤礦的可持續(xù)發(fā)展。煤炭工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃指出，煤炭生產(chǎn)的重點(diǎn)是建設(shè)安全綠色高效礦井[2]，帷幕截流技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效手段，該技術(shù)于20世紀(jì)60年代初在國(guó)外露天礦山開(kāi)始應(yīng)用，于1957年引入我國(guó)，廣泛應(yīng)用于水利水電工程、城市地下工程、建筑、環(huán)境、鐵路交通、礦山等領(lǐng)域，但目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)露天煤礦燒變巖水帷幕截流工作的研究較少，僅在將軍戈壁二號(hào)露天礦應(yīng)用過(guò)[3]。露天煤礦燒變巖水帷幕截流存在諸多難點(diǎn)，需要克服邊幫變形、爆破對(duì)帷幕體的擾動(dòng)破壞等難題，且燒變巖空洞、裂隙極為發(fā)育，連通性強(qiáng)，帷幕墻建造的難度大。

本文以西灣露天煤礦為例，在前人的研究基礎(chǔ)上結(jié)合礦區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，采用黏土基復(fù)合漿液在礦坑外側(cè)燒變巖內(nèi)建造了一道柔性、抗震截水帷幕墻，有效地阻止了礦坑?xùn)|端幫燒變巖水涌入礦坑，工程應(yīng)用效果顯著。

1 研究區(qū)概況

1.1 礦坑開(kāi)發(fā)情況

西灣露天煤礦隸屬于陜西神延煤炭有限責(zé)任公司，地處陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)的中部，目前露采首采區(qū)為侏羅系延安組2-2煤，該煤層厚9.07～12.16m，均厚11.13m。煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0Mt/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限58.9a，其中首采區(qū)設(shè)計(jì)服務(wù)年限為15.1a，首采區(qū)開(kāi)采方案為中部拉溝由東向西推進(jìn)，拉溝位置位于首采區(qū)東部境界煤層潛伏露頭處。該礦自2015年8月份開(kāi)始全面開(kāi)工建設(shè)，于2019年5月通過(guò)驗(yàn)收轉(zhuǎn)入正式生產(chǎn)。

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

礦區(qū)地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)，位于鄂爾多斯臺(tái)向斜東翼—陜北斜坡上，由于煤層埋藏較淺，發(fā)育有大面積的火燒區(qū)，主要位于礦坑邊界的東側(cè)。礦坑主要含水層包括薩拉烏蘇組孔隙潛水、延安組風(fēng)化巖裂隙承壓水、延安組基巖裂隙承壓水、燒變巖裂隙孔洞潛水；隔水層主要為離石組黃土弱含水層及保德組紅土隔水層。首采區(qū)中北部地表發(fā)育季節(jié)性河流野雞河，由西邊界流入至燒變巖附近斷流。大氣降水及地表水經(jīng)紅土“天窗”補(bǔ)給風(fēng)化巖裂隙含水層，后向東潛流補(bǔ)給燒變巖孔洞裂隙潛水層(圖1)。受礦坑剝離的影響，露天區(qū)充水水源主要為第四系薩拉烏蘇組孔隙潛水、燒變巖孔洞裂隙潛水及風(fēng)化基巖裂隙承壓水。其中燒變巖含水層緊鄰首采區(qū)東側(cè)，抽水試驗(yàn)顯示其富水性強(qiáng)～極強(qiáng)，是礦坑?xùn)|幫主要充水水源，為防止燒變巖水直接涌入礦坑，首采區(qū)燒變巖附近留設(shè)了100m煤柱。

圖1 燒變巖邊界處水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

1.3 燒變巖涌水情況分析

2019年5月底，該礦東端幫+1125m水平巖石平盤(pán)剝采至煤層自燃邊界附近時(shí)，多個(gè)穿爆孔均有水涌出，涌水呈噴泉狀，微承壓，經(jīng)水質(zhì)分析與水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)判斷水源為礦坑外側(cè)燒變巖水，自此以后隨著采剝的進(jìn)行，出水點(diǎn)的逐漸增多，東坑涌水量大幅增加，燒變巖水位急劇下降(圖2)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年6月至12月平均涌水量約700m3/h，2020年1月至7月平均涌水量約900m3/h。經(jīng)2020年7月底測(cè)算，東端幫涌水量為698m3/h，此時(shí)自出水以來(lái)燒變巖水位降幅已超5m。大量的燒變巖水涌入礦坑增加了排水系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，影響著企業(yè)效益，地下水位的下降同時(shí)對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。

圖2 2019年4月—2020年7月燒變巖水位變化情況

2 燒變巖截水帷幕建造

2.1 截水帷幕建造方法選擇

考慮到燒變巖水靜儲(chǔ)量大，且在保德紅土天窗位置接受上部潛水含水層的補(bǔ)給，疏水降壓短期內(nèi)難以達(dá)到顯著效果，出于對(duì)地下水資源的保護(hù)，本次按照“源頭截流”的思路，綜合考慮，決定采用截水帷幕的方式防止采剝過(guò)程中燒變巖水大量涌入礦坑。此外，東端幫涌水水源已經(jīng)明確，為礦坑外側(cè)燒變巖含水層，且涌水通道為較為明確集中，2-2煤底板為砂質(zhì)泥巖，巖層完整隔水性能較好，帷幕截流目標(biāo)深度在80m以淺，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，根據(jù)露天煤礦建造截水帷幕必備及有利條件分析，具備帷幕墻建造的有利條件[4]。

目前截水帷幕墻建造方式通常為防滲墻法、旋噴樁隔水墻法及注漿帷幕隔水墻法[5]，據(jù)西灣礦實(shí)際情況，結(jié)合燒變巖水文地質(zhì)條件及各種帷幕墻的適用條件，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)，本次帷幕隔水墻建造方式采用注漿帷幕隔水墻法，通過(guò)在來(lái)水方向施工一道注漿帷幕墻實(shí)現(xiàn)封堵過(guò)水通道、隔離水源補(bǔ)給的目的(圖3、圖4)，帷幕墻位于礦坑外側(cè)的燒變巖內(nèi)，帷幕墻垂向上底部至2-2煤底板泥巖隔水層，頂部至保德組紅土隔水層，橫向上覆蓋出水范圍，為防止燒變巖水從帷幕墻兩側(cè)繞流，帷幕墻西北端施工至礦坑內(nèi)側(cè)的未開(kāi)挖區(qū)域，東南側(cè)施工至礦坑內(nèi)排土場(chǎng)內(nèi)。

圖3 帷幕墻平面位置

圖4 帷幕墻剖面位置

2.2 帷幕墻位置及參數(shù)

根據(jù)前期勘查成果，燒變巖內(nèi)空洞、裂隙極為發(fā)育，若帷幕帶距離燒變巖邊界過(guò)遠(yuǎn)將大幅度增加無(wú)效注漿量且帷幕帶長(zhǎng)度也要增加，結(jié)合礦坑地形條件，將帷幕帶布置在距開(kāi)采邊界150m(距燒變巖邊界線50m)附近(圖3)，考慮到保德紅土及煤層底板均為良好隔水層，帷幕帶上界為保德紅土隔水層、下界為完整煤層底板，高度約50m。借鑒以往經(jīng)驗(yàn)，帷幕采用雙排孔，鉆孔孔距10m，排距3m(圖5)，終孔壓力1MPa，漿液擴(kuò)散范圍5m，帷幕墻有效厚度7m[6]。

圖5 帷幕注漿孔布置

2.3 技術(shù)難點(diǎn)與解決方法

2.3.1 技術(shù)難點(diǎn)

1)柔性、抗震帷幕墻建造材料的選擇。帷幕墻距礦坑煤層開(kāi)采邊界僅150m，距礦坑邊幫較近，礦坑邊幫在采剝作用下將會(huì)發(fā)生不同程度的變形，帷幕體也將隨之發(fā)生形變，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生一定的裂隙，這對(duì)帷幕體的阻水效果是不利的；且基巖采用爆破方式進(jìn)行破碎，為了保證采剝進(jìn)度必須進(jìn)行頻繁的巖層爆破作業(yè)，由于距離礦坑較近，在爆破引起的振動(dòng)波作用下帷幕體將受到損傷，產(chǎn)生微裂隙，震動(dòng)幅度越大、次數(shù)越多帷幕體的滲透系數(shù)越大(圖6)，會(huì)嚴(yán)重降低帷幕體截水有效性[7]。采用水泥注漿材料，水泥漿形成的結(jié)石體屬脆性材料，在爆破振動(dòng)波的影響下容易開(kāi)裂，若想提高帷幕墻抗變形、抗震能力，需要加大帷幕墻厚度，這會(huì)增加水泥用量，提高工程造價(jià)。

圖6 含注漿帷幕巖樣滲透系數(shù)變化

2)燒變巖空隙發(fā)育注漿量大。經(jīng)前期勘查與試驗(yàn)，燒變巖內(nèi)空洞、裂隙發(fā)育(圖7)[7]，燒變巖段整體空隙率在15%～20%之間，個(gè)別區(qū)段甚至更大，孔隙連通性極強(qiáng)，0.5MPa壓力下串漿距離最大可達(dá)80m，漿液向燒變巖內(nèi)側(cè)擴(kuò)散特征明顯，漿液擴(kuò)散范圍難以控制，單孔吃漿量大，不僅造成漿液浪費(fèi)而且會(huì)增加工期，注漿帷幕墻建造難度大。

圖7 燒變巖內(nèi)空洞、裂隙窺視圖

2.3.2 解決方法

1)選用黏土基漿液。根據(jù)西灣露天礦實(shí)際地質(zhì)條件，選用礦坑剝離出的保德組紅黏土作為漿液的主要材料，摻入少量水泥可制成黏土-水泥漿。黏土-水泥漿液由前蘇聯(lián)發(fā)明，我國(guó)于20世紀(jì)90年代開(kāi)始應(yīng)用在井筒地面預(yù)注漿中，隨后此類(lèi)漿液在國(guó)內(nèi)得到了快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用在礦山、地鐵、路基、水壩等工程建設(shè)中[8]。黏土-水泥漿與純水泥漿的最大區(qū)別在于結(jié)石體的彈性模量較小，屬柔性材料，可變形能力強(qiáng)。經(jīng)試驗(yàn)，黏土中含有蒙脫石，遇水具有膨脹性，且由于黏土-水泥漿水泥摻量較小，形成的結(jié)石體在固結(jié)后遇水依舊可以泥化，起到充填因爆破振動(dòng)波形成的損傷裂隙的作用。根據(jù)前人試驗(yàn)，黏土-水泥漿液形成的帷幕體在強(qiáng)度、抗?jié)B性、耐久性等方面可以滿(mǎn)足阻水的需要，且具有流動(dòng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、結(jié)石率高，結(jié)石強(qiáng)度可調(diào)，環(huán)境污染小，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)[9-11]。綜上，黏土-水泥漿能夠滿(mǎn)足帷幕截流的要求，并具有柔性、抗震的特點(diǎn)，且可大幅度降低工程造價(jià)。

2)燒變巖內(nèi)黏土基漿液注漿工藝。借鑒檸條塔煤礦、張家峁煤礦、新疆白楊河礦燒變巖帷幕注漿經(jīng)驗(yàn)[12-16]，本次提出了燒變巖內(nèi)黏土基復(fù)合漿液的注漿新工藝：

①注漿分排分序。首先將注漿孔分為兩個(gè)序次，一序次注漿孔間距20m，二序次為剩余注漿孔，注漿先從礦坑外側(cè)帷幕孔進(jìn)行，整體順序?yàn)橥馀乓恍蚩住?nèi)排一序孔、外排二序孔、內(nèi)排二序孔。

②漿液稀稠搭配。燒變巖空隙率大，為了在保證帷幕截流效果的基礎(chǔ)上盡可能的降低注漿成本，本次注漿根據(jù)黏土基漿液的特性差異采用三階段注漿法。黏土漿原料易于獲取，制漿成本低，但受制于黏土漿的黏度大及注漿泵吸漿能力，黏土漿液比重僅能達(dá)到1.2～1.3，結(jié)石率較低、強(qiáng)度小，適用于前期充填燒變巖內(nèi)大空隙；加入少量水泥的黏土-水泥漿，比重能夠達(dá)到1.4左右，結(jié)石率及強(qiáng)度明顯提高，但成本較黏土漿有一定增加，適用于黏土漿無(wú)法灌注至終壓的鉆孔，且可對(duì)黏土漿形成的帷幕進(jìn)行加固；對(duì)于連通性強(qiáng)、擴(kuò)散范圍無(wú)法控制，長(zhǎng)時(shí)間灌注黏土-水泥漿都不能達(dá)到終孔壓力的鉆孔，需要在漿液中添加水玻璃，縮短漿液凝結(jié)時(shí)間。

基于黏土基漿液以上特征本次采用以下原則進(jìn)行注漿施工：所有孔先期灌注比重為1.2～1.3的黏土漿，至12h后換比重為1.4的黏土水泥漿，或提前起壓至0.5MPa則提前換用黏土-水泥漿。若注黏土-水泥漿3h后達(dá)不到終孔壓力(1MPa)，則沖孔、間歇2d后再次灌注黏土-水泥漿，若3h后達(dá)不到終孔壓力，采用換用黏土-水泥-水玻璃漿繼續(xù)灌注至終孔壓力。

圖8 紅黏土及黏土基漿液

2.4 施工過(guò)程及工程量

該項(xiàng)治理工程為了縮短工期、盡快形成截水帷幕，采用日夜連續(xù)施工，共調(diào)集施工人員60余人，動(dòng)用鉆機(jī)4臺(tái)、各類(lèi)注漿泵5臺(tái)，注漿管路2趟共計(jì)1600m，并制定了科學(xué)高效的黏土基復(fù)合漿液的制漿流程，保證了日平均注漿量在400m3左右(圖9)。至治理工程結(jié)束該工程注漿量共計(jì)29821m3，使用黏土7176m3，水泥4181t，水玻璃157t；若采用純水泥漿，水泥用量大，采用黏土基復(fù)合漿液可大大降低工程造價(jià)。

圖9 施工期間單日注漿量變化情況

3 截水帷幕效果驗(yàn)證

3.1 壓水試驗(yàn)法

壓水試驗(yàn)是用栓塞將鉆孔隔離出一定長(zhǎng)度的孔段，并向該孔段壓水，根據(jù)壓力與流量的關(guān)系確定巖體滲透特性的一種原位滲透試驗(yàn)[17]，是定量檢驗(yàn)帷幕墻透水能力的方法[18]，根據(jù)注漿孔布置及注漿情況，對(duì)注漿量較大的區(qū)域及注漿孔擴(kuò)散治理可能存在問(wèn)題的區(qū)域施工了檢查孔，并對(duì)其進(jìn)行了三點(diǎn)壓水試驗(yàn)，采用式(1)對(duì)帷幕體透水率進(jìn)行了計(jì)算，試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。根據(jù)表1結(jié)合《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50478—2008)[19]，判定帷幕墻屬弱透水級(jí)別，滲透系數(shù)K<10-4cm/s，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，透水率合格。

表1 檢查孔壓水試驗(yàn)成果表

式中，q為透水率，Lu；Q為壓入流量，L/min；P為作用于試驗(yàn)段內(nèi)的全壓力，MPa；L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m。

3.2 水位動(dòng)態(tài)法

觀測(cè)帷幕墻兩側(cè)的水位變化情況是定性分析帷幕墻阻水效果的一個(gè)重要手段，當(dāng)帷幕墻阻水效果較好時(shí)，帷幕墻內(nèi)側(cè)水位將隨著涌水點(diǎn)的繼續(xù)出水水位逐漸降低、帷幕墻外側(cè)地下水由于無(wú)法繼續(xù)對(duì)帷幕墻內(nèi)側(cè)進(jìn)行補(bǔ)給，水位將逐漸抬升[20]。由于本次帷幕墻距離礦坑較近，在帷幕墻內(nèi)側(cè)施工水位觀測(cè)孔及連續(xù)觀測(cè)的難度較大，本次僅對(duì)帷幕墻外側(cè)水位進(jìn)行了觀測(cè)(圖10)，帷幕墻建造完成后，外側(cè)水位出現(xiàn)了大幅度上升，各觀測(cè)孔分別回升1～3m，截至2021年4月，水位仍在繼續(xù)上升，進(jìn)一步驗(yàn)證了帷幕墻的截水效果。

圖10 帷幕墻外側(cè)觀測(cè)孔水位變化情況

3.3 堵水效果驗(yàn)證

截水帷幕建造前后的水量變化情況是檢驗(yàn)治理效果最直接有效的方法。在治理前綜合采用多種測(cè)算方法相互驗(yàn)證與校核，獲得了治理前的涌水量為698m3/h，治理后的涌水量為71m3/h，減水率達(dá)到89%，帷幕截水效果顯著，個(gè)別出水點(diǎn)已不再涌水(圖11)。

圖11 煤層頂板處出水點(diǎn)涌水變化情況

工程竣工近4個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，礦坑進(jìn)行了幾百次的爆破活動(dòng)，但治理范圍內(nèi)未出現(xiàn)新的涌水點(diǎn)，僅在邊幫局部地段位置出現(xiàn)了少量爆破裂隙，且在未固結(jié)黏土漿的充填作用下再次被封堵(圖12)，可見(jiàn)爆破震動(dòng)未影響帷幕堵水效果，體現(xiàn)了黏土基漿液在露天礦邊幫爆破環(huán)境下帷幕截流的優(yōu)勢(shì)。

圖12 爆破震動(dòng)裂隙再次被充填

4 結(jié) 論

1)為解決西灣露天煤礦東端幫燒變巖涌水問(wèn)題，提出了采用帷幕注漿的方式在礦坑外側(cè)燒變巖內(nèi)建造截水帷幕的方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件將截水帷幕布置在礦坑外150m(燒變巖邊界內(nèi)側(cè)50m)，布置兩排鉆孔，間距10m、排距3m，注漿終孔壓力1MPa。

2)針對(duì)露天礦邊幫變形、爆破振動(dòng)波對(duì)帷幕體阻水效果構(gòu)成的不利因素，開(kāi)創(chuàng)性地提出了采用黏土配置漿液建造柔性、抗震帷幕墻的設(shè)想，并通過(guò)注漿分排分序、黏土漿、黏土-水泥漿、黏土-水泥-水玻璃漿相互配合的燒變巖內(nèi)注漿工藝，大幅度減少了水泥的使用，降低了治理成本及對(duì)水資源造成的污染。

3)經(jīng)壓水量分析法、水試驗(yàn)法、水位動(dòng)態(tài)法綜合驗(yàn)證，表明黏土基截水帷幕透水率為弱透水級(jí)別，帷幕墻外水位升幅明顯，帷幕阻水效果良好，將治理范圍內(nèi)涌水量由6983/h降至71m3/h，減水率達(dá)89%。