西灣露天煤礦東邊坡涌水因素分析及綜合治理方法

劉 興

（國家能源集團(tuán)陜西神延煤炭有限責(zé)任公司，陜西榆林 719000）

西灣露天煤礦行政區(qū)劃位于陜西省榆林市榆陽區(qū)的東北部、神木市的西南部。礦區(qū)處于陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)中部，是目前榆神礦區(qū)規(guī)劃中唯一適宜露天開采的礦田。西灣露天煤礦在開采過程中東邊坡部分區(qū)域發(fā)生涌水現(xiàn)象，出現(xiàn)3 個較大涌水點，每個涌水點平均涌水量50 m3/h。隨著露天礦坑外排工程的結(jié)束，采掘場將逐漸實現(xiàn)內(nèi)排，如不能有效處理涌水，內(nèi)排場底部臺階經(jīng)水浸泡極易形成不穩(wěn)定滑層，威脅礦坑安全[1]。

目前，露天礦坑邊坡地下水涌水量預(yù)測、治理方法等已有大量研究[2-6]，但從礦坑實際條件出發(fā)，分析礦坑具體涌水因素，并提出有針對性的治理措施以指導(dǎo)生產(chǎn)，仍然具有較大現(xiàn)實意義。在分析西灣露天煤礦礦坑?xùn)|邊坡涌水因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了有針對性的邊坡涌水綜合治理方法實驗并取得良好效果，對以后同類問題的解決具有指導(dǎo)意義。

1 研究方法

西灣露天煤礦東邊坡涌水區(qū)充水水源為煤層頂板燒變巖孔隙、裂隙水及第四系松散層潛水。松散層接受大氣降水和礦界外潛水補(bǔ)給后，經(jīng)導(dǎo)水通道補(bǔ)給風(fēng)化巖裂隙含水層，最終潛流進(jìn)入2-2 煤層頂部自燃區(qū)域，補(bǔ)給燒變巖潛水，最終在礦坑內(nèi)涌水點處排泄。由于礦田內(nèi)燒變巖發(fā)育厚度大，范圍廣，造成礦山邊坡涌水治理難度及成本增加。

針對礦田地質(zhì)條件，采用多種地球物理手段進(jìn)行涌水區(qū)域范圍及導(dǎo)水通道精確判斷，對多種涌水治理方法進(jìn)行綜合分析應(yīng)用，優(yōu)化施工工藝，取得良好治水效果。

2 涌水區(qū)水文地質(zhì)條件

西灣露天煤礦東邊坡涌水區(qū)內(nèi)含水層主要構(gòu)成為全新統(tǒng)沖積層、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、侏羅系中統(tǒng)延安組。

全新統(tǒng)沖積層（風(fēng)積層）巖性以粉砂土、細(xì)砂及中砂為主，厚度2～30 m 不等；上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組主要為黃褐色中、細(xì)砂，厚度較大，一般25 m 左右，結(jié)構(gòu)疏松、孔隙率大，極易接受大氣降水補(bǔ)給。沖積層（風(fēng)積層）與薩拉烏蘇組構(gòu)成統(tǒng)一含水層，單位涌水量0.06 L/（s·m），滲透系數(shù)1.730 m/d，富水性弱。

延安組為本區(qū)的含煤地層，其第Ⅴ段在區(qū)內(nèi)連續(xù)沉積，第Ⅴ段巖性整體以灰白色的中、細(xì)砂巖、泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，結(jié)構(gòu)致密，裂隙微發(fā)育，滲透性能較差，富水性弱；其頂部有1 段風(fēng)化巖石，厚度約4 m，巖性主要為中砂巖、細(xì)砂巖，顏色多為灰黃色、黃綠色、黃褐色，結(jié)構(gòu)疏松，裂隙較發(fā)育，單位涌水量0.004 01～0.170 8 L/（s·m），滲透系數(shù)0.011 45～1.287 2 m/d，富水性弱-中等；延安組2-2煤層為主要可采煤層，在其頂部發(fā)育1～5 m 厚的燒變巖，燒變邊界形狀不規(guī)則，主要以南北向延伸分布于礦田東部，其巖體為碎裂結(jié)構(gòu)，透水性好，補(bǔ)給來源充分，單位涌水量9.217～16.337 6 L/（s·m），滲透系數(shù)28.27～28.29 m/d，富水性強(qiáng)。

涌水區(qū)內(nèi)隔水層主要為新近系保德組紅土隔水層，全區(qū)分布，平均厚度約20 m 左右，巖性為棕紅色粉質(zhì)黏土，大部分地段底部含鈣質(zhì)結(jié)核層。總體含水性極差，塑性大，分布較穩(wěn)定。

3 涌水區(qū)域范圍精確測定

采用瞬變電磁法進(jìn)行控制并在異常部位部署高密度電阻率法測點，2 種方法相互佐證，以提高富水區(qū)域及導(dǎo)水通道控制準(zhǔn)確度。

3.1 探測方法

1）瞬變電磁法。勘探區(qū)目的層埋深較淺，需要選取盡量大的發(fā)射頻率及小匝數(shù)線框，以減少淺層盲區(qū)。另外由于勘探區(qū)東部外側(cè)架設(shè)高壓線，西部為露天礦坑，有眾多施工車輛等，周邊區(qū)域地電干擾較強(qiáng)，因此需要加強(qiáng)信號源，抑制地電干擾，盡可能采用大的供電電流，主機(jī)輸入電壓12 V，直流電發(fā)射機(jī)輸入電壓24～96 V，直流電發(fā)射機(jī)額定電流≤40 A，選定25 Hz 發(fā)射頻率，發(fā)射線框（規(guī)格2 m×2 m）15 匝、接收線框（規(guī)格1.5 m×1.5 m）10 匝。

2）高密度電阻率法。測線（G1）布置位置與瞬變電磁法測線位置相同。由于冬季施工區(qū)內(nèi)發(fā)育一定厚度凍土層，接地條件差，試驗過程中對每個測點澆足夠鹽水，個別接地條件不好的地方采用多個電極并用的方式以保證電極接地條件。采用轉(zhuǎn)換電極120 路，最大工作電壓±450 V，最大工作電流±2.5 A，以保證探測深度和供電電流。

3.2 成果分析

瞬變電磁法視電阻率斷面圖如圖1，由圖1 可以看出，點距750 m 以小區(qū)域，深度約-40 m 以淺，視電阻率值變化相對較大，是基巖燒變后的電性反映，燒變巖富水異常區(qū)具有視電阻率值明顯低于周圍其他區(qū)域的電性特征。點距750 m 以大區(qū)域泥巖、砂質(zhì)泥巖隔水層發(fā)育明顯，視電阻率變化特征較小，明顯有別于富水區(qū)域，屬于隔水區(qū)域。高密度電阻率法G1 線視電阻斷面圖如圖2，高密度電阻率法勘探結(jié)果與瞬變電磁法結(jié)果一致。

圖1 瞬變電磁法視電阻率斷面圖

圖2 G1 線視電阻斷面圖

勘探區(qū)位于采區(qū)東部側(cè)幫，低阻異常區(qū)集中于勘探區(qū)南部、中部，且中部最為明顯，區(qū)內(nèi)燒變巖裂隙孔洞潛水層富水性具有不均勻性，導(dǎo)致其涌水范圍及強(qiáng)度規(guī)律不明顯，變化較大。分析認(rèn)為，燒變巖富水異常區(qū)主要集中于勘探區(qū)南段和中部，且中部的燒變巖富水異常最為明顯，為重點治理區(qū)域。

4 治理方法

涌水治理方法主要有疏排法、隔離法等[7-8]，西灣露天煤礦東端幫區(qū)域上部潛水含水層與下部煤系地層燒變巖含水層相互連通，形成了較為穩(wěn)定的動態(tài)補(bǔ)給。疏水降壓短期內(nèi)難以達(dá)到效果，對生態(tài)影響較大，且出水區(qū)域位于露天采場邊界附近，不具備剝挖空間，因此綜合考慮對涌水區(qū)進(jìn)行帷幕注漿隔離地下水。選取點距700～750 m 處的涌水點進(jìn)行帷幕注漿堵水實驗，采用φ48 mm 袖閥管（管壁厚3 mm，耐壓值大于等于2 MPa），全孔一次性注漿。

1）注漿孔布置。注漿區(qū)施工注漿孔30 個，平均孔深20 m。注漿孔布置于涌水區(qū)域上部巖石剝離平臺，施工2 排垂直注漿孔，孔距4 m 呈梅花狀布置，注漿孔布置如圖3。

圖3 注漿孔平面布置圖（左）及注漿孔立面圖（右）

2）注漿材料。注漿材料采用純水泥漿+水玻璃雙液。注漿設(shè)計配比為水泥漿∶水玻璃=1∶0.5（體積比），其中水泥漿的水灰比為1∶1（質(zhì)量比）。水泥漿拌制采用P.42.5 級普通硅酸鹽水泥，水玻璃模數(shù)為2.4～3.4，波美度30～40°Bé，通過使用帶單向閥的漿液混合器混合。水泥、水用量誤差允許范圍為±5%，水玻璃用量誤差允許范圍為±1%。水泥漿攪拌時間為3～5 min，最長不超過30 min。

3）注漿參數(shù)。注漿的壓力0.4～0.8 MPa，注漿速度30～70 L/min，終止標(biāo)準(zhǔn)為達(dá)到設(shè)計壓力時注入量小于5～10 L/min，穩(wěn)壓10 min。

4）注漿原則。①二序跳孔注漿原則：一序注漿孔之間相隔1 個注漿孔，二序注漿孔為一序孔中間加密的孔；②定量-定壓相結(jié)合原則：對先序孔采取定量注漿，對后續(xù)孔采取定壓注漿。先期注漿孔的注漿量大于后期孔，外圍注漿孔的注漿量大于內(nèi)部孔；③多孔少注動態(tài)調(diào)整原則：注漿過程中，根據(jù)不同地質(zhì)、時序、部位、壓力、流量變化等，對注漿參數(shù)進(jìn)行不斷的動態(tài)調(diào)整。

4）注漿效果。注漿堵水試驗工期17 d，共計施工注漿孔30 個，鉆孔進(jìn)尺400 m，使用水泥400 t，水玻璃120 t，注漿效果明顯，涌水點涌水量減小至15 m3/h，涌水點涌水量明顯減少。

5 結(jié)語

1）瞬變電磁法、高密度電阻率法勘探結(jié)果顯示，燒變巖區(qū)電阻率差異較明顯，基巖燒變后視電阻率值大部分相對較高，燒變巖富水異常區(qū)視電阻率值具有明顯低于周圍電性的特征。隔水區(qū)域視電阻率變化特征不明顯。

2）涌水區(qū)內(nèi)燒變巖裂隙孔洞含水層富水性分布具有不均勻性，其涌水范圍及強(qiáng)度規(guī)律不明顯，變化較大。區(qū)內(nèi)燒變巖富水異常區(qū)主要集中于勘探區(qū)南段和中部，以中部最為集中，為重點治理區(qū)域。

3）對涌水區(qū)進(jìn)行帷幕注漿隔離治理方法，采用水泥水玻璃雙液、袖閥管、多孔少注、定量定壓相結(jié)合、多孔序、全孔一次注漿工藝，堵水效果良好。