露天煤礦燒變巖黏土基注漿帷幕建造技術

崔建平，蒲治國，丁 湘，李 哲，曾一凡，紀卓辰，段東偉，孫國凱

(1.陜西神延煤炭有限責任公司，陜西 榆林 719000；2.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；3.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內蒙古 鄂爾多斯 017000；4.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054；5.中國礦業大學(北京) 國家煤礦水害防治工程技術研究中心，北京 100083)

露天開采是我國煤炭資源開發的重要方式，由于其產能大、經濟效益高，將在未來的煤炭產能中占據重要地位[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行控制，長期的疏排地下水導致礦區地下水位下降，改變了地下水原始流場，給礦區生態環境造成了很大影響，嚴重制約著露天煤礦的可持續發展。煤炭工業“十三五”發展規劃指出，煤炭生產的重點是建設安全綠色高效礦井[2]，帷幕截流技術是解決上述問題的有效手段，該技術于20世紀60年代初在國外露天礦山開始應用，于1957年引入我國，廣泛應用于水利水電工程、城市地下工程、建筑、環境、鐵路交通、礦山等領域，但目前國內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、裂隙極為發育，連通性強，帷幕墻建造的難度大。

本文以西灣露天煤礦為例，在前人的研究基礎上結合礦區工程地質與水文地質條件，采用黏土基復合漿液在礦坑外側燒變巖內建造了一道柔性、抗震截水帷幕墻，有效地阻止了礦坑東端幫燒變巖水涌入礦坑，工程應用效果顯著。

1 研究區概況

1.1 礦坑開發情況

西灣露天煤礦隸屬于陜西神延煤炭有限責任公司，地處陜北侏羅紀煤田榆神礦區的中部，目前露采首采區為侏羅系延安組2-2煤，該煤層厚9.07～12.16m，均厚11.13m。煤礦設計生產能力10.0Mt/a，設計服務年限58.9a，其中首采區設計服務年限為15.1a，首采區開采方案為中部拉溝由東向西推進，拉溝位置位于首采區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，于2019年5月通過驗收轉入正式生產。

1.2 地質及水文地質情況

礦區地層區劃屬華北地層區鄂爾多斯盆地分區，位于鄂爾多斯臺向斜東翼—陜北斜坡上，由于煤層埋藏較淺，發育有大面積的火燒區，主要位于礦坑邊界的東側。礦坑主要含水層包括薩拉烏蘇組孔隙潛水、延安組風化巖裂隙承壓水、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。首采區中北部地表發育季節性河流野雞河，由西邊界流入至燒變巖附近斷流。大氣降水及地表水經紅土“天窗”補給風化巖裂隙含水層，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化基巖裂隙承壓水。其中燒變巖含水層緊鄰首采區東側，抽水試驗顯示其富水性強～極強，是礦坑東幫主要充水水源，為防止燒變巖水直接涌入礦坑，首采區燒變巖附近留設了100m煤柱。

圖1 燒變巖邊界處水文地質結構

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，經水質分析與水位動態數據判斷水源為礦坑外側燒變巖水，自此以后隨著采剝的進行，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)。據統計，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的負擔，影響著企業效益，地下水位的下降同時對礦區生態環境造成一定的影響。

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，疏水降壓短期內難以達到顯著效果，出于對地下水資源的保護，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明確，為礦坑外側燒變巖含水層，且涌水通道為較為明確集中，2-2煤底板為砂質泥巖，巖層完整隔水性能較好，帷幕截流目標深度在80m以淺，地質構造簡單，根據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]，據西灣礦實際情況，結合燒變巖水文地質條件及各種帷幕墻的適用條件，綜合考慮技術、經濟，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的燒變巖內，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繞流，帷幕墻西北端施工至礦坑內側的未開挖區域，東南側施工至礦坑內排土場內。

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

根據前期勘查成果，燒變巖內空洞、裂隙極為發育，若帷幕帶距離燒變巖邊界過遠將大幅度增加無效注漿量且帷幕帶長度也要增加，結合礦坑地形條件，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 技術難點與解決方法

2.3.1 技術難點

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生不同程度的變形，帷幕體也將隨之發生形變，其內部就會產生一定的裂隙，這對帷幕體的阻水效果是不利的；且基巖采用爆破方式進行破碎，為了保證采剝進度必須進行頻繁的巖層爆破作業，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，產生微裂隙，震動幅度越大、次數越多帷幕體的滲透系數越大(圖6)，會嚴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變化

2)燒變巖空隙發育注漿量大。經前期勘查與試驗，燒變巖內空洞、裂隙發育(圖7)[7]，燒變巖段整體空隙率在15%～20%之間，個別區段甚至更大，孔隙連通性極強，0.5MPa壓力下串漿距離最大可達80m，漿液向燒變巖內側擴散特征明顯，漿液擴散范圍難以控制，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 燒變巖內空洞、裂隙窺視圖

2.3.2 解決方法

1)選用黏土基漿液。根據西灣露天礦實際地質條件，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-水泥漿液由前蘇聯發明，我國于20世紀90年代開始應用在井筒地面預注漿中，隨后此類漿液在國內得到了快速發展，并廣泛應用在礦山、地鐵、路基、水壩等工程建設中[8]。黏土-水泥漿與純水泥漿的最大區別在于結石體的彈性模量較小，屬柔性材料，可變形能力強。經試驗，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，形成的結石體在固結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。根據前人試驗，黏土-水泥漿液形成的帷幕體在強度、抗滲性、耐久性等方面可以滿足阻水的需要，且具有流動性強、穩定性好、結石率高，結石強度可調，環境污染小，造價低廉等優點[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驗[12-16]，本次提出了燒變巖內黏土基復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，注漿先從礦坑外側帷幕孔進行，整體順序為外排一序孔、內排一序孔、外排二序孔、內排二序孔。

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上盡可能的降低注漿成本，本次注漿根據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到1.2～1.3，結石率較低、強度小，適用于前期充填燒變巖內大空隙；加入少量水泥的黏土-水泥漿，比重能夠達到1.4左右，結石率及強度明顯提高，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行加固；對于連通性強、擴散范圍無法控制，長時間灌注黏土-水泥漿都不能達到終孔壓力的鉆孔，需要在漿液中添加水玻璃，縮短漿液凝結時間。

基于黏土基漿液以上特征本次采用以下原則進行注漿施工：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后達不到終孔壓力，采用換用黏土-水泥-水玻璃漿繼續灌注至終孔壓力。

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，采用日夜連續施工，共調集施工人員60余人，動用鉆機4臺、各類注漿泵5臺，注漿管路2趟共計1600m，并制定了科學高效的黏土基復合漿液的制漿流程，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，根據壓力與流量的關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]，根據注漿孔布置及注漿情況，對注漿量較大的區域及注漿孔擴散治理可能存在問題的區域施工了檢查孔，并對其進行了三點壓水試驗，采用式(1)對帷幕體透水率進行了計算，試驗成果見表1。根據表1結合《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50478—2008)[19]，判定帷幕墻屬弱透水級別，滲透系數K<10-4cm/s，達到了設計要求，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為作用于試驗段內的全壓力，MPa；L為試驗段長度，m。

3.2 水位動態法

觀測帷幕墻兩側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，當帷幕墻阻水效果較好時，帷幕墻內側水位將隨著涌水點的繼續出水水位逐漸降低、帷幕墻外側地下水由于無法繼續對帷幕墻內側進行補給，水位將逐漸抬升[20]。由于本次帷幕墻距離礦坑較近，在帷幕墻內側施工水位觀測孔及連續觀測的難度較大，本次僅對帷幕墻外側水位進行了觀測(圖10)，帷幕墻建造完成后，外側水位出現了大幅度上升，各觀測孔分別回升1～3m，截至2021年4月，水位仍在繼續上升，進一步驗證了帷幕墻的截水效果。

圖10 帷幕墻外側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，礦坑進行了幾百次的爆破活動，但治理范圍內未出現新的涌水點，僅在邊幫局部地段位置出現了少量爆破裂隙，且在未固結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，體現了黏土基漿液在露天礦邊幫爆破環境下帷幕截流的優勢。

圖12 爆破震動裂隙再次被充填

4 結 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燒變巖內建造截水帷幕的方法，結合現場實際地質條件將截水帷幕布置在礦坑外150m(燒變巖邊界內側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成的不利因素，開創性地提出了采用黏土配置漿液建造柔性、抗震帷幕墻的設想，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)經壓水量分析法、水試驗法、水位動態法綜合驗證，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，將治理范圍內涌水量由6983/h降至71m3/h，減水率達89%。