崔建平，蒲治國，丁 湘，李 哲，曾一凡，紀(jì)卓辰，段東偉，孫國凱

(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)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；5.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

露天開采是我國煤炭資源開發(fā)的重要方式，由于其產(chǎn)能大、經(jīng)濟(jì)效益高，將在未來的煤炭產(chǎn)能中占據(jù)重要地位[1]。露天開采必須剝離煤層上覆巖土體，因此不可避免會擾動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采，我國的露天煤礦多采用疏排的方式對其進(jìn)行控制，長期的疏排地下水導(dǎo)致礦區(qū)地下水位下降，改變了地下水原始流場，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)是解決上述問題的有效手段，該技術(shù)于20世紀(jì)60年代初在國外露天礦山開始應(yīng)用，于1957年引入我國，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，但目前國內(nèi)外針對露天煤礦燒變巖水帷幕截流工作的研究較少，僅在將軍戈壁二號露天礦應(yīng)用過[3]。露天煤礦燒變巖水帷幕截流存在諸多難點，需要克服邊幫變形、爆破對帷幕體的擾動破壞等難題，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)計生產(chǎn)能力10.0Mt/a，設(shè)計服務(wù)年限58.9a，其中首采區(qū)設(shè)計服務(wù)年限為15.1a，首采區(qū)開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月份開始全面開工建設(shè)，于2019年5月通過驗收轉(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”補給風(fēng)化巖裂隙含水層，后向東潛流補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水平巖石平盤剝采至煤層自燃邊界附近時，多個穿爆孔均有水涌出，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，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月底測算，東端幫涌水量為698m3/h，此時自出水以來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對礦區(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量大，且在保德紅土天窗位置接受上部潛水含水層的補給，疏水降壓短期內(nèi)難以達(dá)到顯著效果，出于對地下水資源的保護(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，通過在來水方向施工一道注漿帷幕墻實現(xiàn)封堵過水通道、隔離水源補給的目的(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)的未開挖區(qū)域，東南側(cè)施工至礦坑內(nèi)排土場內(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遠(yuǎn)將大幅度增加無效注漿量且帷幕帶長度也要增加，結(jié)合礦坑地形條件，將帷幕帶布置在距開采邊界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，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)難點與解決方法

2.3.1 技術(shù)難點

1)柔性、抗震帷幕墻建造材料的選擇。帷幕墻距礦坑煤層開采邊界僅150m，距礦坑邊幫較近，礦坑邊幫在采剝作用下將會發(fā)生不同程度的變形，帷幕體也將隨之發(fā)生形變，其內(nèi)部就會產(chǎn)生一定的裂隙，這對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，在爆破引起的振動波作用下帷幕體將受到損傷，產(chǎn)生微裂隙，震動幅度越大、次數(shù)越多帷幕體的滲透系數(shù)越大(圖6)，會嚴(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，在爆破振動波的影響下容易開裂，若想提高帷幕墻抗變形、抗震能力，需要加大帷幕墻厚度，這會增加水泥用量，提高工程造價。

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，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，不僅造成漿液浪費而且會增加工期，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，我國于20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用在井筒地面預(yù)注漿中，隨后此類漿液在國內(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，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波形成的損傷裂隙的作用。根據(jù)前人試驗，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足阻水的需要，且具有流動性強(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，造價低廉等優(yōu)點[9-11]。綜上，黏土-水泥漿能夠滿足帷幕截流的要求，并具有柔性、抗震的特點，且可大幅度降低工程造價。

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[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，整體順序為外排一序孔、內(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，適用于黏土漿無法灌注至終壓的鉆孔，且可對黏土漿形成的帷幕進(jìn)行加固；對于連通性強(qiáng)、擴(kuò)散范圍無法控制，長時間灌注黏土-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 施工過程及工程量

該項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，動用鉆機(jī)4臺、各類注漿泵5臺，注漿管路2趟共計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。

圖9 施工期間單日注漿量變化情況

3 截水帷幕效果驗證

3.1 壓水試驗法

壓水試驗是用栓塞將鉆孔隔離出一定長度的孔段，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[17]，是定量檢驗帷幕墻透水能力的方法[18]，根據(jù)注漿孔布置及注漿情況，對注漿量較大的區(qū)域及注漿孔擴(kuò)散治理可能存在問題的區(qū)域施工了檢查孔，并對其進(jìn)行了三點壓水試驗，采用式(1)對帷幕體透水率進(jìn)行了計算，試驗成果見表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別，滲透系數(shù)K<10-4cm/s，達(dá)到了設(shè)計要求，透水率合格。

表1 檢查孔壓水試驗成果表

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

3.2 水位動態(tài)法

觀測帷幕墻兩側(cè)的水位變化情況是定性分析帷幕墻阻水效果的一個重要手段，當(dāng)帷幕墻阻水效果較好時，帷幕墻內(nèi)側(cè)水位將隨著涌水點的繼續(xù)出水水位逐漸降低、帷幕墻外側(cè)地下水由于無法繼續(xù)對帷幕墻內(nèi)側(cè)進(jìn)行補給，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)施工水位觀測孔及連續(xù)觀測的難度較大，本次僅對帷幕墻外側(cè)水位進(jìn)行了觀測(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)一步驗證了帷幕墻的截水效果。

圖10 帷幕墻外側(cè)觀測孔水位變化情況

3.3 堵水效果驗證

截水帷幕建造前后的水量變化情況是檢驗治理效果最直接有效的方法。在治理前綜合采用多種測算方法相互驗證與校核，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，個別出水點已不再涌水(圖11)。

圖11 煤層頂板處出水點涌水變化情況

工程竣工近4個月的時間內(nèi)，礦坑進(jìn)行了幾百次的爆破活動，但治理范圍內(nèi)未出現(xiàn)新的涌水點，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)，可見爆破震動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。

圖12 爆破震動裂隙再次被充填

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)場實際地質(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)針對露天礦邊幫變形、爆破振動波對帷幕體阻水效果構(gòu)成的不利因素，開創(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水資源造成的污染。

3)經(jīng)壓水量分析法、水試驗法、水位動態(tài)法綜合驗證，表明黏土基截水帷幕透水率為弱透水級別，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%。