注漿充填開采對地下水水質的影響研究

曲秋揚，樊振麗

(1. 天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 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、費用高，而且村莊搬遷難度大、經濟風險高。為解決村下壓煤問題，充填開采是其必走之路。淮北礦區海孜礦Ⅱ102采區開采的10煤層，村莊壓煤占采區總工業儲量90%以上。為了解決該采區的村莊壓煤問題，該礦設計采用離層注漿充填開采的方式，由地面鉆孔向采動覆巖離層區高壓注入粉煤灰漿液，與隔離煤柱聯合形成支撐結構，控制關鍵層的變形和破壞，從而控制采動后地表沉降，實現不遷村采煤的目的[2，3]。然而，采用注漿充填開采的方式后，漿液對注漿區域水環境(特別是飲用水源)的影響尚不明確，為該技術的推廣應用埋下了隱患。通過搜集相關文獻，國內學者對充填開采的研究集中在基礎理論、充填材料、工程設計、減沉材料等方面[4-10]，而針對充填可采對地下水水質的影響鮮有研究。其中，樊振麗對離層充填開采的運移通道和溶質擴散特征進行了研究；朱衛兵對離層充填的理論進行了擴展，提出了“充填體+關鍵層+分區隔離煤柱”的充填體減沉理論；吳吟等對充填技術現狀及材料進行了分析與探討。因此，為解決該煤礦的實際問題，也為了填補國內對此問題研究的空白，本文針對此項問題做了專項研究。

1 采區概況

1.1 煤層及頂底板條件

海孜礦Ⅱ102采區開采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，硬度系數為3.6；基本頂為泥巖或細砂巖，厚度為6～15m，硬度系數為12；直接底為泥巖或粉砂巖，厚度為0.6～2.7，硬度系數為1.9；老底為粉砂巖或細砂巖，厚度為3.1～11m，硬度系數為5.9。此外，煤層頂板中部有一火成巖侵入體，據估算該火成巖侵入體不在覆巖破壞范圍內。根據直接頂厚度及硬度系數，判斷該頂板覆巖屬堅硬類型。

1.2 礦井水文地質條件

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，一、二、三含水層會有水流補給現象發生，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系。煤層底板具有二疊系砂巖裂隙含水層和太灰、奧灰巖溶裂隙含水層，會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及其周圍村莊生活用水及農田灌溉的主要水源。

2 Ⅱ102采區充填開采現狀

2.1 注漿材料的選取

淮北礦區離層注漿充填材料選擇臨渙煤泥矸石電廠粉煤灰。經過化驗，淮北臨渙煤泥矸石電廠的粉煤灰活性成分中，SiO2+Al2O3含量達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準》(GB 1596—91)中Ⅱ級灰標準。在本文的研究中，漿液水灰質量比為：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采區主要采用了離層帶注漿和采空區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行注漿充填，充填位置為導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，這里采用經驗公式法和數值計算方法計算導水裂縫帶發育高度。

2.2.1 經驗公式法“兩帶”高度預計

依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中堅硬覆巖類型“兩帶”預計經驗公式預計垮落帶和導水裂縫帶高度。即：

式中，Hm為垮落帶發育高度，m；Hli為導水裂縫帶發育高度，m；∑M為累計采厚，m；(單層采厚1～3m，累計采厚不超過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，導水裂縫帶高度為52.24m。

2.2.2 數值法“兩帶”高度預計

利用3DEC數值模擬對該煤礦的“兩帶”高度進行計算。大概過程如下：開采20m后，厚度為6m的細粒砂巖層下部巖層破斷，堆積進入采空區，中部以及上部巖層彎曲下沉量值加大，為懸頂狀態。此時，垮落帶高度為1m，導水裂縫帶高度約為6m。推進至25m時，細粒砂巖層發生破斷，上部巖層仍為懸頂狀態；厚度為9m粉砂巖層與下部的細粒砂巖層形成一定量值的水平離層區域，此時垮落帶高度為6m，導水裂縫帶高度約為8m。推進至45m時，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；巖層導水裂縫帶高度繼續向上向前發育；此時垮落帶高度為10m，導水裂縫帶高度約為23m。推進至100m時，細粒砂巖巖層隨采隨冒，呈周期性破斷并堆積進入采空區；位于距離煤層底板為46m以上區域以彎曲下沉為主，“兩帶”發育高度達到穩定，此時垮落帶高度為12m，導水裂縫帶高度約為46m。工作面不同推進度時覆巖移動變形特征如圖1所示。

圖1 數值模擬工作面不同推進度時覆巖移動變形規律

因此，綜合上述計算結果，當采厚為2.8m時，垮落帶高度為12.0～12.8m，導水裂縫帶高度為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”之上離層區域(火成巖下至裂縫帶頂部)，后期為了加強充填減沉效果，將鉆孔延伸至導水裂縫帶和垮落帶充注。

2.3 注漿鉆孔設計與施工

2.3.1 鉆孔的設計與布置

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

Ⅱ102采區共布置6個注漿孔，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，后經透孔延深至601m；注3孔煤層埋深612m，準備在441.87m花管上部開始造斜進行離層注漿。在實際施工中鉆具下至320m處受阻，后經透孔至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入了垮落帶。注漿孔布置如圖2所示。

圖2 Ⅱ102采區注漿充填鉆孔位置圖

2.3.2 現場注漿施工

粉煤灰通過汽車運輸至Ⅱ102采區地面注漿站，并存放于堆灰場。堆灰場的灰通過鏟車鏟運至一級攪拌池進行攪拌制漿，然后通過砂漿泵泵送至二級攪拌池進行二次攪拌，之后進入鉆孔進行注漿充填。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行分析表明：采區的注采比已經達到51.3%；離層帶有效支撐區域面積占整個采空區面積的78%；垮落帶有效支撐區域面積占整個采空區面積的70%；疊加后，離層帶與垮落帶均有效支撐區域面積占整個采空區面積的70%，說明火成巖下采空區主體已經充滿，能夠形成有效支撐作用。

3 粉煤灰漿液運移通道測試

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，漿液進入注漿層位(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，分析認為注漿漿液不會影響松散層含水層(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造成影響，不得而知，故設計并實施了注漿區漿液運移通道示蹤試驗。

圖3 海孜礦井下受影響的含水層層位

3.1 試驗過程

化學示蹤試驗分析法是示蹤試驗常用的手段[11，12]。本次試驗采用KI作為示蹤劑，水樣中I-和K+濃度采用PXD-12型數字式離子計測定。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大巷和采區軌道巷102巷口作為試驗監測點(取樣點)，如圖4所示。

圖4 投源孔與井下監測點位置示意圖

將KI晶體25kg倒入提前準備好的塑料桶中，注入清水50L，充分攪拌使KI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19min后停止。至此整個投放過程完成，共用時25min。隨后注漿工作繼續進行。

在隨后的半個月中，對兩個監測點每天取樣1次，采取水樣后及時交付測試人員，現場測試人員在室內進行測試。現場測試的項目為I-濃度，K+濃度的測定由安徽煤田地質測試中心完成。

3.1.1 86大巷監測點的測試結果

I-示蹤劑從注3孔到86大巷監測點的時間為5d，第6d達到峰值，說明漿液與礦坑水具有水力聯系。當試驗進行到第9d時，K+濃度達到最大值。然后，K+濃度隨時間呈波動式下降，其濃度變化于4.57～5.48mg/L之間，平均5.1mg/L，與試驗前期K+濃度值相近(如圖5所示)。

圖5 86大巷監測點的示蹤粒子的檢測結果

3.1.2 采區巷道監測點的測試結果

I-測試結果表明示蹤劑到達Ⅱ102采區軌道巷監測點的時間為5d，試驗進行到第10d，K+濃度達到最大峰值，示蹤劑到達Ⅱ102采區軌道巷監測點時間為10d(如圖6所示)。

圖6 采區軌道巷監測點的示蹤離子的檢測結果

3.2 測試結論

86運輸大巷、Ⅱ102采區軌道巷監測點I-、K+濃度變化特征表明，試驗期間，監測點水中I-、K+濃度均出現明顯峰值，示蹤劑從投源孔水地下水進入到礦坑，漿液與巷道具有一定水力聯系。

示蹤離子I-、K+在地下水中的運移速度有所差別，K+運移滯后于I-運移。

4 注漿充填漿液運移規律研究

采用粉煤灰制成的漿液中，在注漿后是否會沿裂隙隨地下水滲入到坑道或進入到其他含水層中，漿液的運移特征就成為需要探討的問題。為此，根據采礦地質、水文地質特征，并結合地下水現場示蹤試驗研究成果，以探究漿液在天然及采動裂隙中的運移規律以及其是否會對礦坑水及淺部含水層水質產生影響。

利用GMS數值模擬軟件對漿液在天然及采動裂隙中的運移規律進行模擬。

4.1 天然滲流條件下模擬結果

圖7 Ⅱ102采區在天然條件下不同時間段內漿液分布范圍圖

4.2 開采條件下模擬結果

圖8 Ⅱ102采區開采條件下漿液在注漿層運移范圍

模擬結果表明，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生影響。

5 注漿區地下水環境狀況及影響因素研究

5.1 注漿前地下水水質

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

研究小組在海孜礦Ⅱ102采區注漿站周圍5個取樣點以及井下3個取樣點進行水樣采集，采取量為1.2L/采樣點，地面采樣點位置如圖9所示。

圖9 Ⅱ102采區注漿站水樣采取點位置示意圖

5.2 注漿后地面及井下水質分析

根據采集后的水質化驗結果，海孜礦注漿后堆灰場附近區域地下水水質良好，1號和2號取樣點水質達標；0號取樣點為造紙企業排出的污水溝，水質相對較差，出現氨氮、COD和BOD5超標現象；3號取樣點超標成分為汞和硫酸鹽，為粉煤灰浸泡液中超標特征組分，疑似受到粉煤灰堆灰場的輕微影響，但是現場調查顯示3號取樣點距離堆灰場較遠，且距堆灰場更近的1、2號水樣均合標，分析認為3號水樣汞的小幅超標來自農藥或其它因素，最終分析認為3號取樣點水樣汞超標與粉煤灰堆灰場關聯不大；4號取樣點距離堆灰場最遠，水質中只有氟含量超標，與含水層原始背景值一致，不認為受粉煤灰堆灰場影響。

因此，綜合分析認為海孜礦地面堆灰場對地下松散層水水質基本無影響。

由于煤系地層砂巖裂隙含水層水質較差，超標離子較多，硫酸鹽、氟化物背景值高，判斷Ⅱ102采區機巷取樣點水樣受注漿漿液影響不明顯，而86運輸大巷取樣點出現了粉煤灰浸泡液中特征離子成分砷的成分，由砷元素超標判定該取樣點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，漿液進入了砂巖裂隙含水層并流入采空區，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#鉆孔灰巖水質的檢測顯示，只有氨氮、氟化物和氯化物指標超標，汞、砷等漿液標志性指標無異常和超標現象，表明漿液對灰巖水無影響。

對井下水倉水質檢測顯示，礦井混合水中僅氯化物和氟化物超標，說明局部區域原先受注漿漿液影響的砂巖含水層水經過礦井水的稀釋，原本超標的礦井水進入水倉后相應的離子均符合標準。

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 論

1)覆巖破壞特征模擬研究結果表明：導水裂縫帶隨著工作面推進尺寸和時間的增加呈現先增大后穩定的趨勢，在此期間伴隨著離層帶的發生、發展、壓縮、消失的過程，且離層帶發育層位高度也呈現由低至高的趨勢，但范圍在不斷擴大，始終保持在導水裂縫帶上部主、亞關鍵層附近區域。

2)示蹤試驗表明，86運輸大巷監測點、Ⅱ102采區軌道巷監測點水中I-、K+濃度均出現明顯峰值，示蹤劑從投源孔泵送至地下并經注漿層段進入到采掘空間，注漿漿液與井下采掘巷道具有一定的水力聯系。

3)Ⅱ102采區注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移，這與地下水示蹤試驗在井巷監測點接收到示蹤粒子的結果所得到的認識一致。影響范圍主要在距注漿孔1km范圍內。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生影響。

4)地面堆灰場大部分區域不受影響，只有3號取樣點受輕微影響。