西灣露天煤礦剝采邊幫涌水超前治理技術研究與應用

馬建國，蒲治國，丁 湘，紀卓辰，李 哲，賀曉浪，閆 鑫，李文強

(1.陜西神延煤炭有限責任公司西灣露天煤礦，陜西省榆林市，719000；2.中煤能源研究院有限責任公司，陜西省西安市，710054；3.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內蒙古自治區鄂爾多斯市，017200；4.陜西永明煤礦有限公司，陜西省延安市，717300)

我國是全球最大的煤炭生產國，2022年煤炭產量達45億t，占世界煤炭總產量的51%，其中露天煤礦煤炭產量9.5億t，占煤炭總產量的21.1%[1]，煤炭保供和碳達峰相關政策的推進實施將有效促進煤炭生產在短期處于較高水平[2]。榆神礦區位于鄂爾多斯盆地東北部，該礦區具有煤層埋藏淺、開采條件好、煤質優及資源量豐富等特點，區內除去井工煤礦外還存在1處露天煤礦。由于露天煤礦在開采過程中需對回采煤層上覆地層進行剝離，這使得地下水直接在礦坑邊幫涌出。近年來，隨著露天煤礦產量的逐年增加，導致礦坑面臨抽排水工作量大、機械作業環境差、邊坡失穩滑塌和地下水位下降等一系列問題[3-6]。目前露天煤礦水害采用構建隔水帷幕墻進行治理，以及利用地面施工常規鉆孔進行孔內注漿或通過開挖溝槽后澆筑(鋪設)不透水材料對涌水通道進行封堵的方法[7-9]。前者在動水條件下存在漿液留存率低的現象，治理效果不甚理想；后者存在工程量大、施工成本高等缺點。因此，有必要進行超前預注漿構建帷幕墻，在未剝采時即地下水處于相對靜水條件下進行預注漿，在提高漿液留存率同時保證工程施工周期短、造價成本低，將礦坑被動堵水轉變為水害主動防治。

筆者以西灣露天煤礦為例，在分析水文地質條件和燒變巖邊界裂隙發育特征基礎上，確定了帷幕墻設計參數、施工工藝流程，并對注漿壓力進行動態控制，最終形成了露天煤礦采剝邊幫涌水超前治理技術，有效隔斷地下水對礦坑的強補給，保證了露天煤礦高效、安全和綠色開采。

1 西灣露天煤礦概況

西灣露天煤礦位于陜西省榆林市榆陽區東北部、神木市西南部，井田主要可采煤層為2-2、3-1、4-3和5-3上號煤層，次可采煤層為5-3下號煤層，其中2-2號煤層為露天開采煤層，井田面積約為76.56 km2，生產規模10.0 Mt/a。區內地表大部被第四系風積沙覆蓋，局部地段有紅土出露，井田的偏南部和東南部有常年性溝流白瑤則溝和紅崖溝。

1.1 礦坑主要充水來源

西灣露天煤礦開采煤層上覆含水層主要為第四系松散層孔隙潛水含水層，延安組風化基巖裂隙承壓水含水層、延安組正常基巖裂隙承壓水含水層和燒變巖孔洞裂隙潛水含水層。延安組風化基巖裂隙承壓含水層涌水量為0.004 01～0.457 20 L/(s·m)，富水性弱到中等；燒變巖孔洞裂隙潛水含水層單位涌水量為1.009～24.720 L/(s·m)，富水性強到極強。礦坑在進行剝采時風化基巖水和燒變巖水直接在邊幫涌出，是礦坑的主要充水含水層。礦坑主要充水含水層及其充水方式如圖1所示。

圖1 礦坑主要充水含水層及其充水方式

1.2 礦坑面臨水害問題

根據井田煤層自燃邊界水文補勘成果可知，高程+1 125 m平面上中南部和中北部電阻率整體呈現中低阻形態，結合基巖層頂界面和附近鉆孔確定+1 125m高程地層為風化基巖，視電阻低阻異常區是由標高在+1 125 m附近的風化基巖裂隙含水層富水導致。風化基巖富水異常區分布如圖2所示。高程+1 095 m平面上北部和南部視電阻率呈現中低阻形態，同樣根據燒變巖頂界面層位判斷該標高附近中低阻異常區由燒變巖富水導致，砂巖燒變后孔隙增多成為良好的地下儲水區。燒變巖富水異常區分布如圖3所示。

圖2 風化基巖富水異常區分布

圖3 燒變巖富水異常區分布

西灣露天煤礦采用穿孔爆破對巖體進行剝離，邊幫在爆破震動荷載和地震慣性力反復作用下巖體結構面粘結力和內摩擦角降低[10-11]，邊幫直觀表現為巖體破碎、垂向裂隙發育且部分巖體發生崩落。在富水異常區裂隙直接溝通風化基巖和燒變巖含水層，風化基巖水和燒變巖水在邊幫涌出。西灣露天煤礦涌(積)水情況現場如圖4所示。為了有效避免上述工程地質和生態環境問題，急需對邊幫進行超前預注漿治理。

圖4 西灣露天煤礦涌(積)水情況現場

2 超前治理可行性分析及帷幕墻設計

2.1 超前治理構建帷幕墻可行性分析

巖體受煤層自燃烘烤或燒熔后，其自身會產生大量的氣孔、裂隙和孔洞，成為良好的儲水體[12]，可以通過鉆孔電視成像儀對治理區域工程地質條件和煤層自燃區發生垮塌后裂隙發育情況進行探查。

利用鉆孔電視成像儀對治理區域地層進行全孔段窺視，如圖5所示。由圖5可以看出，淺部風化基巖段主要以橫向和縱向細小裂隙為主；深部燒變巖上部出現斜交裂隙和部分孔洞，下部則以孔洞為主且孔洞較大。

圖5 治理層位裂隙、孔洞發育情況窺視

2.2 帷幕墻設計參數

帷幕墻主要對礦坑東側邊幫外側風化基巖水和燒變巖水進行阻隔，設計遵循“因地制宜、安全可靠、經濟合理和保護環境”的原則。為避免帷幕墻距燒變巖邊界過遠，帷幕墻布置在采坑內一平臺上。依據劃定治理范圍為350 m，設計帷幕帶長度約為400 m，包括西側需與燒變巖邊界搭接的20 m，實際長度根據具體施工情況進行動態調整。帷幕墻平面布置如圖6所示。設計帷幕墻上限為風化基巖頂界面，其標高約為+1 140 m，帷幕墻底部進入煤層下伏完整砂巖5 m，墻體高度在40 m左右。西灣露天煤礦東側邊幫涌水區域揭露的巖石主要以砂巖、泥質砂巖等為主，皆非可溶性巖石，結合以往施工經驗，為保障此次堵水效果，從技術經濟角度考慮，綜合考慮設計帷幕帶厚度為6 m左右。

圖6 帷幕墻平面布置

3 超前預注漿施工工藝

3.1 注漿材料的選取及漿液配比確定

漿液類型在綜合考慮露天煤礦剝采方式(爆破剝采)、結石率和膠凝時間后進行確定，本次漿液類型包括黏土單液漿、黏土-水泥雙液漿和水泥-水玻璃雙液漿。黏土屬低強度注漿材料，除本身具有較強隔水性外，在爆破震動荷載作用下還具有較強自愈性和重塑性等特點[13-14]；黏土漿液中加入水泥將增加其自身的結石率，當黏土-水泥雙液漿在注漿過程中長時間達不到注漿結束標準時，采用水泥-水玻璃雙液漿，漿液類型、配比(水固比)及相應比重見表1。

表1 漿液類型配比與相應比重

需說明的是水泥-水玻璃雙液漿的漿液配比為水和水泥質量比，水玻璃需按照一定比例摻入其中。

3.2 鉆孔施工及注漿順序

利用ZDY1900S型鉆機在地面施工常規鉆孔，采用Φ150 mm的PDC鉆頭開孔，鉆進至風化基巖頂界面下2 m左右下Φ108 mm×4 mm套管，注漿、固管帶凝固后進行掃孔，采用Φ94 mm的PDC鉆頭繼續鉆進至燒變巖底板以下5 m，預計孔深71 m。本次施工布置2排鉆孔為外排孔和內排孔，靠近礦坑側為內排孔，鉆孔間距為10 m，成兩排三花布置，鉆孔排距為4 m。帷幕墻平面孔位布置如圖7所示。

圖7 帷幕墻平面孔位布置

鉆孔施工和注漿采取“跳打跳注、先外排后內排”的順序原則，即先施工Z1-1、Z1-3、Z1-5、Z1-7鉆孔，再施工Z2-1、Z2-3、Z2-5、Z2-7鉆孔，在施工Z1-3鉆孔時即可對Z1-1鉆孔開始注漿，二序孔施工時可對一序孔施工及注漿質量進行檢驗，必要時施工檢查孔對注漿量異常區進行檢測，最后根據實際施工及帷幕墻效果檢查情況對注漿孔進行調整。

3.3 注漿壓力動態控制

西灣露天煤礦邊幫水害超前治理屬于升壓滲透注漿，漿液通過壓力對裂隙和孔洞中的地下水進行驅替。注漿是從孔口無壓到滿足注漿結束標準的一個壓力增長過程，該過程先后歷經微壓鋪底-充填、低-中壓擴散和終壓加固3個階段[15-16]，3個階段的切換通過注漿壓力、注入漿量和注漿時間共同確定，具體參數和切換標準可依據前期堵水治理工程注漿經驗。

(1)微壓鋪底-充填階段。孔口未起壓時采用比重為1.2的黏土單液漿進行灌注，注漿壓力達到0.2 MPa或注入漿量已累計200 m3，以上條件需控制在8.0 h內，若滿足上述條件則進入下一個階段，否則進行間歇注漿。

(2)低壓擴散階段。孔口壓力達到0.2 MPa后進入低壓擴散階段，在原有黏土單液漿基礎上摻入水泥，使得漿液比重達到1.3及以上，該階段隨著壓力不斷上升，漿液在裂隙和孔洞中的擴散距離逐漸增大，注漿地層進一步被加固，若注入漿量達到200 m3或注漿時間達到3.0 h后仍未滿足終孔壓力(1 MPa)，則進入到終壓加固階段。

(3)終壓加固階段。孔口壓力在持續3.0 h后未能達到終孔標準則使用清水洗孔0.5 h，間歇8.0 h后繼續采用黏土-水泥雙液漿進行加固，若3.0 h后仍不能達到終孔壓力則采用水泥-水玻璃雙液漿繼續注入直至達到孔口表顯1 MPa，結束該孔的注漿工作。

4 帷幕墻注漿效果檢驗

本次西灣露天煤礦超前預注漿工程共施工注漿孔82個、檢查孔3個，累計進尺6 803.9 m；注漿量共計21 835.9 m3，使用黏土5 460.0 t、水泥920.2 t、水玻璃26.5 t。

帷幕墻注漿質量直接影響工程的治理效果，因此需對注漿效果進行檢驗[17]。本次西灣露天煤礦構建帷幕墻采用壓水試驗法對整個施工過程中墻體重點區段進行檢驗[18]，采用礦坑水量觀測法和開挖后邊幫涌水情況對工程竣工后帷幕墻的整體隔水性能進行檢驗。

4.1 壓水試驗法

檢查孔的壓水試驗可對裂隙巖體滲透性進行測定，是檢驗帷幕注漿質量的有效手段之一[19]。

本次采用單級壓力、雙分段壓水進行試驗，壓力不超過終孔壓力的80%(0.8 MPa)。在遵循帷幕線上均勻分布的基礎上，針對注入漿量異常區施工了3個檢查孔，檢查孔測定結果見表2。

表2 檢查孔壓水測定相關參數成果

根據《壓水試驗規程》(YS/T5216-2020)中巖土體透水性分級可知，當1 Lu≤透水率q<10 Lu時巖土體透水性為弱透水，對應0.000 01 cm/s≤滲透系數K<0.000 10 cm/s，達到了設計要求。

4.2 礦坑水量觀測法

本次帷幕注漿施工超前礦坑剝采進度，在注漿治理中后期礦方在帷幕起點附近進行剝采，注漿治理工程結束時已完成了近一半治理區剝采。通過礦方提供的礦坑東側邊幫水量抽排資料可知，2020年9月5日東側邊幫出現較大出水點后礦坑排水量最大達27 727 m3/d，前期堵水治理階段于2020年11月結束，結束時礦坑東側抽排水量11 903 m3/d；隨后進入超前預注漿階段，預注漿結束后，礦坑在對超前治理范圍進行剝采過程中礦坑抽排水量處于波動狀態，基本穩定在10 884 m3/d(東坑水量)，表明超前預注漿構建的帷幕墻對風化基巖水和燒變巖水進行了有效阻隔。礦坑抽排水量變化如圖8所示。

圖8 礦坑抽排水量變化

4.3 開挖后邊幫涌水情況

截至2022年6月，西灣露天煤礦基巖段已剝采至距超前注漿治理終點前40 m處，對治理段巖體基本已全部揭露。350 m治理范圍內僅存在1處出水位置，位于1 130 m平盤，出水點相對零散且單個出水點水量小，通過對出水點附近水槽進行修整，選取水槽面較為平整且相對規整的區段(長度為6 m)采用浮標法進行涌水量測量。水流流速測試記錄見表3。

表3 水流流速測試記錄

流量計算公式如下：

Q=3 600SVA

(1)

式中：Q——流量，m3/h；

S——截面面積，m2；

V——水流流速，m/s；

A——經驗系數，取0.6。

利用式(1)得到該出水點水量為55 m3/h，前期堵水階段各出水點水量為698 m3/h，減水率達92.12%，超前預注漿施工效果顯著。

5 結論

(1)對露天煤礦剝采面臨的水害類型進行了分析，針對礦坑受風化基巖水和燒變巖水雙重水害威脅，提出了進行超前預注漿對風化基巖和燒變巖地層進行加固，通過構建帷幕墻對地下水進行阻隔。

(2)僅采用水泥單液漿難以滿足經濟性要求，綜合考慮黏土本身特性和爆破震動荷載作用，選取具備較強自愈性和重塑性的黏土單液漿和黏土-水泥雙液漿為主，輔以水泥-水玻璃雙液漿，對漿液類型、配比和比重進行了確定。

(3)對注漿壓力、注入漿量和注漿時間進行閾值劃分，將超前預注漿過程劃分為微壓鋪底-充填、低-中壓擴散和終壓加固3個階段。超前預注漿治理結束后，通過采用壓水試驗法、礦坑水量觀測法進行邊幫涌水超前治理，確定本次預注漿技術構建的帷幕墻質量可靠、阻水效果顯著，可有效保障煤礦安全、高效進行剝采作業。