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董书宁1,2,3,杨志斌1,2,3,姬中奎2,3,王世东2,3,高小伟2,江 球2
(1.煤炭科学研究总院，北京 100013; 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054; 3.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)
摘 要:神府矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区，同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区，烧变岩水是区内的主要地下水资源之一。为研究区内烧变岩水对采煤的影响和烧变岩水的保护问题，以张家峁井田首采区首采地段5-2煤开采为例，通过对水文地质结构系统和5-2煤顶板导水裂隙带的分析，查明了研究区的水资源类型和特征，确立了5-2煤保水开采对象，划分了5-2煤保水开采分区，提出了烧变岩注浆帷幕截流保水开采新技术。研究结果表明:研究区的水资源类型主要有6类，其中仅有4-2煤烧变岩水具有保水开采意义，5-2煤开采划分为4-2煤烧变岩水无水开采区和保水限采区。5-2煤保水限采区设计的帷幕墙空间形态、帷幕线位置及数量、注浆钻孔排间距及结构合理，制定的钻探和注浆施工工序和工艺科学，实施的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等注浆帷幕关键技术可行。保水限采区5-2煤工作面采前上覆4-2煤烧变岩水预疏放和采后工作面涌水量实测结果表明，保水限采区内4-2煤烧变岩水静储量约20 000 m3，动态补给量不足5 m3/h，注浆帷幕截流实现了帷幕内外4-2煤烧变岩水的有效隔离，大幅减少了4-2煤烧变岩水及与其有直接水力联系的常家沟水库水的排放，水资源保护性开采效果显著。
关键词:神府矿区;烧变岩水;保水开采;注浆帷幕
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董书宁，杨志斌，姬中奎，等.神府矿区大型水库旁烧变岩水保水开采技术研究[J].煤炭学报,2019,44(3):709-717.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6028
DONG Shuning，YANG Zhibin，JI Zhongkui，et al.Study on water-preserved mining technology of burnt rock aquifer beside the large reservoir in Shenfu mining area[J].Journal of China Coal Society,2019,44(3):709-717.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.6028
中图分类号:TD823.8
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)03-0709-09
收稿日期:2018
1113
修回日期:20181229
责任编辑:常 琛
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFC0804100);中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资助项目(2016XAYMS09)
作者简介:董书宁(1961—)，男，陕西蓝田人，研究员，博士生导师。E-mail:dongshuning@cctegxian.com
通讯作者:杨志斌(1985—)，男，江西抚州人，助理研究员，博士研究生。Tel:029-87869340，E-mail:yzbcumt@163.com
DONG Shuning1,2,3,YANG Zhibin1,2,3,JI Zhongkui2,3,WANG Shidong2,3,GAO Xiaowei2,JIANG Qiu2
(1.China Coal Research Institute，Beijing 100013,China; 2.Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corp,Xi’an 710054,China; 3.Shaanxi Key Lab of Mine Water Hazard Prevention and Control,Xi’an 710077,China)
Abstract:Shenfu mining area is a China’s important coal production base and a typical high intensity mining field,and also a typical fragile ecological environment of arid and semi-arid areas,in which the burnt rock aquifer is one of the main groundwater resources.In order to study the influence and the protection of the burnt rock aquifer,taking the 5-2 coal mining in the first mining area of Zhangjiamao Mine field as an example,by studying the hydrogeological structure system and the water flowing fractured zone of 5-2 coal roof,this paper investigates the types and characteristics of water resources,establishes the water-preserved mining target of 5-2 coal seam,divides the water-preserved coal mining partition of 5-2 coal seam,and puts forward a new water-preserved coal mining technology which is burnt rock grouting curtain interception method.The results show that there are six main types of water resources in the study area,where only the burnt rock aquifer of 4-2 coal seam has the significance of water-preserved mining and the 5-2 coal mining area is divided into anhydrous mining area and water-preserved limited mining area of the 4-2 coal burnt rock aquifer.In the water-preserved limited mining area of 5-2 coal seam,the designed curtain wall spatial morphology,the position and quantity of curtain line and the row spacing and structure of grouting drilling are reasonable.In addition,the procedure and processes of drilling and grouting planed are scientific,and the implemented key technologies of grouting curtain,such as dual-site bidirectional water diversion grouting,zoning grouting of burnt rock full section,immediate test of anti-seepage and interception effect,are feasible.The pre-drainage of the 4-2 coal burnt rock aquifer of the working face before mining,and the measurement of the working face water inflow after mining in the water-preserved limited mining area of 5-2 coal seam show that the static reserve and the dynamic recharge of the 4-2 coal burnt rock aquifer water quantity are about 20 000 m3 and less than 5 m3 per hour respectively.It means the grouting curtain closure realizes the effective isolation of the 4-2 coal burnt rock water inside and outside the curtain,and greatly reduces the water discharge of the 4-2 coal-burnt rock water and the Changjiagou reservoir water with which it has direct hydraulic connection,and the protective mining effect of water resources is remarkable.
Key words:Shenfu mining area;burnt rock aquifer;water-preserved mining;grouting curtain
陕北侏罗纪煤田是国家《能源发展战略行动计划(2014—2020)》确定的14个亿吨级大型煤炭基地之一，是我国煤炭资源富集程度高、煤质最优、开发前景最好的大型煤田[1]。但是，近年来区内煤炭资源的高强度开采对区内本就脆弱的生态环境构成严重威胁，其中水环境问题是区内生态环境好坏的主控因素[2]。
神府矿区位于陕北黄土高原与毛乌素沙漠的接壤地带，属干旱半干旱区，区内干旱少雨、蒸发强烈，水资源短缺且生态环境脆弱。神府矿区地质构造简单，区内烧变岩大面积沿河谷呈条带状分布，是区内主要地下含水层之一，在其下方和侧方采煤时易造成烧变岩水涌入矿井，破坏烧变岩水资源并对矿井安全造成威胁。面对神府矿区这种富煤缺水、生态环境脆弱的现状，范立民[4]早在1992年便提出了“保水采煤”的观点，并在其随后多年的煤田水文地质勘探中提出了保水采煤的基本思路[5]，即合理布局、分散开发、适度规模的保水采煤思路。同时，从能源发展战略来讲，保水采煤也属于绿色开采的重要范畴[7]，包括对水资源的保护、合理利用及对矿井水害的有效防治等。
近年来，针对西部干旱半干旱矿区的保水采煤研究成果丰硕，缪协兴等[8]、黄庆享等[9]分别从不同视角提出了隔水关键层的定义、原理和稳定性判据。张吉雄[11]、刘建功等[12]、马立强等[13]研究了充填采煤技术方法，工程实践中实现了上覆含水层的保护。范立民等[14]、顾大钊[15]、李文平等[16]、郑琳等[17]分别研究了地下水在采空区和含水层中的转移存储技术。李文平等[18]、邓念东等[19]研究了榆神府矿区保水采煤的工程地质条件。王双明等[3]根据榆神府矿区的保水开采地质条件，对其保水开采分区进行了划分。韩冬梅等[20]、范立民等[21]分别对新疆大南湖煤田和榆神府矿区的烧变岩含水层水文地质特征进行了研究。张东升等[22]、徐智敏等[23]研究了新疆地区的保水采煤问题。侯恩科等[24]在分析榆神府矿区某矿烧变岩水文地质特征和预测采前烧变岩需疏放水量的基础上，提出了3种烧变岩水异地储存的保水采煤途径。孙亚军等[25]根据神东矿区不同的水文地质结构类型，提出了5种保水采煤关键技术。蒋泽泉等[26]研究了沙漠产流区过沟开采的保水采煤技术。马雄德等[27]、王苏建等[28]研究了底板承压水上带压开采的保水采煤技术。李涛等[29]多位青年学者从松散含水层下采煤保护土层合理厚度、厚煤层保水采煤最大采高、隔水层采动裂隙闭合机理等不同视角探讨了保水采煤思路和方法。张东升等[32]凝练出了“西北煤田地层结构特征与浅表层水循环作用机理、浅埋厚煤层采动覆岩结构与隔水层稳定性时空演变规律、水资源保护性采煤机理与控制理论”3个西北煤炭保水开采的关键科学问题。范立民[33]通过对保水采煤提出的历史背景和拟解决的科学问题梳理，给出了保水采煤的科学内涵。
以上研究从地质条件探测识别、采动岩体渗流理论、岩层移动控制理论、保水采煤技术方法等方面多角度对保水采煤进行了理论研究和工程实践，建立了保水采煤的基本技术理论框架。其中，关于烧变岩水的保水采煤技术有抑制导水裂隙带发育高度、留设防隔水煤柱、就地建立供水水源地和地面水库、地下水库(采空区)及地表灌溉的转移存储方式。但是，目前鲜有文献报道通过烧变岩注浆帷幕截流技术来实现保水开采的工程案例，因此系统研究该保水开采技术方法，不仅可满足煤炭开发、水资源保护及矿井水害防治的需要，且丰富了保水采煤的科学内涵。
张家峁井田位于陕北侏罗纪煤田神府矿区南部，井田面积51.98 km2，地质储量8.65亿t，可采储量5.43亿t，矿井生产能力为1 000万t/a，主采3-1,4-2,5-2煤层，采煤方法为综采一次采全高，全部垮落法管理顶板。
井田地质构造条件简单，建设生产过程中未发现断裂和挠曲构造，井田整体上为向西缓倾的单斜构造，地层倾角一般为1°。矿井划分为一、二2个盘区生产，其中一盘区常家沟水库以北区域为首采区首采地段，设计布置14个5-2煤综采工作面。
常家沟水库位于井田东南部，建于乌兰不拉河与老来河交汇处，是神木市最大的蓄水水库，库底标高+1 111.74 m，历史最高水位+1 138.17 m，正常水位+1 137 m，总库容 1 295万m3，正常蓄水量400～500万m3，水库蓄水不仅供下游3万亩农田灌溉和人畜饮用，还承担华能公司自备电厂供水任务。
首采地段煤层埋藏浅，主采的3-1,4-2,5-2煤均不同程度存在烧变现象，其中4-2煤烧变岩与常家沟水库存在直接接触关系，4-2煤烧变岩水与常家沟水库水存在直接水力联系。首采地段的5-2煤先期开采工作面上覆4-2煤烧变岩底板标高高于常家沟水库水位标高，5-2煤开采不受上覆4-2煤烧变岩水的影响。但是，随着首采地段5-2煤开采不断向西延伸，上覆4-2煤烧变岩底板标高逐渐变低，4-2煤烧变岩水对5-2煤开采的影响开始显现。因此，为了消除4-2煤烧变岩水对5-2煤开采的影响，同时保护常家沟水库水资源，并最大限度地回采5-2煤资源，张家峁井田首采地段5-2煤保水开采势在必行。
不同的水文地质结构系统是确定不同保水开采方法的前提，因此对研究区水文地质结构系统的研究是确定保水开采方法的研究重点之一。
首采地段绝大部分为黄土丘陵沟壑地貌，其中在常家沟水库及其上下游为河谷地貌。根据张东升等[32]划分的4类西部煤田生态-水资源及生态地质环境类型，首采地段属地表水沟谷河流绿洲型和地表径流(黄土)沟壑型，水资源类型主要有地表水库、季节性地表径流、泉水、松散层水、风化带裂隙水和烧变岩水。
首采地段5-2煤上覆含隔水层段包括第四系风积沙与冲积层弱富水含水层、离石组黄土与保德组红土隔水层、延安组基岩风化带与基岩裂隙弱富水含水层和烧变岩强～极强富水含水层，连接陈家塔沟出水点(泉眼)、4-2煤火烧区及常家沟水库的水文地质剖面如图1所示，剖面线位置如图2所示。
图1 CD线水文地质剖面示意
Fig.1 Diagram of hydrogeological profile of CD line
从图1可以看出，4-2煤烧变岩与常家沟水库直接接触，存在直接水力联系。以4-2煤火烧区+1 137 m烧变岩底板等高线为界，在分界线以上，4-2煤烧变岩为透水不含水地层，在分界线以下，4-2煤烧变岩为强～极强富水含水层，q值最大为10 L/(s·m)，K值最大为148.7 m/d。陈家塔沟泉眼消显与常家沟水库水位升降一致对应关系、4-2煤烧变岩水与常家沟水库水位及水化学特征一致对应关系、15207工作面井下探放水孔开关与4-2煤烧变岩水水位升降一致对应关系，也佐证了4-2煤烧变岩水与常家沟水库存在直接水力联系。
煤层开采过程中，导水裂隙带高度是确定保水开采对象和保水开采方法的主要依据。邹友峰等[34]对我国缓倾斜煤层开采导水裂隙带高度研究结果表明，导水裂隙带高度与采厚呈近似正相关关系，软弱顶板时为采高的8～12倍，中硬顶板时为采高的12～18倍，坚硬顶板时为采高的18～28倍。王双明等[3]对陕北榆神府矿区煤层覆岩“三带”高度发育规律的研究结果也证实了上述研究结论。
首采地段5-2煤埋深60～210 m，平均140 m，采高6 m，顶板中硬～坚硬，采用裂采比18倍预计5-2煤导水裂隙带高度为108 m，导水裂隙带已发育至4-2煤上覆的基岩风化带中，局部沟谷深切处导水裂隙带已发现贯穿至地表。
综合首采地段5-2煤导水裂隙带预计高度和水文地质结构系统可知，5-2煤开采导水裂隙带可波及的水体主要有季节性地表径流、风化带裂隙水、基岩裂隙水和4-2煤烧变岩水4种，其中前3种水体水资源储量微弱，先期开采的4-2煤火烧区+1 137 m烧变岩底板等高线以上的5-2煤工作面，单个工作面涌水量均不足10 m3/h，也佐证了该3种水体水资源储量微弱，不具有供水意义和生态价值，可不进行保水开采。但是，4-2煤火烧区+1 137 m烧变岩底板等高线以下的5-2煤工作面，其上覆4-2煤烧变岩不仅富水性强～极强，且与常家沟水库有直接的水力联系，其不但具有重大的供水意义和生态价值，还具有较大的社会效益，因此首采地段5-2煤必须对4-2煤烧变岩水进行保水开采。
王双明等[3]根据导水裂隙带高度能否波及到保护水体，对陕北榆神府矿区的煤炭开采提出了4种保水开采类型，分别为自然保水开采区、可控保水开采区、保水限采区(特殊开采区)和无水开采区。
首采地段14个5-2煤综采工作面布置如图2所示，为了最大限度地回采5-2煤资源，5-2煤采用大采高一次采全高采煤工艺，预计的5-2煤导水裂隙带已贯穿4-2煤烧变岩含水层，发育至上覆的基岩风化带中。根据王双明等[3]提出的保水开采分区原则和分区类型，结合首采地段特定的水文地质结构系统和探明的4-2煤火烧区边界线，对首采地段5-2煤保水开采分区如图2所示，简述如下:
图2 首采地段5-2煤保水开采分区
Fig.2 Water-preserved mining partition map of 5-2 coal in the first mining section
(1)无水开采区:① 4-2煤实体煤区域，区内5-2煤上覆地层不存在4-2煤烧变岩，无4-2煤烧变岩水可保，具体包括4-2煤实体煤区域压覆的15202～15212和15217工作面区域。② 4-2煤火烧区+1 137 m烧变岩底板等高线以上区域，区内虽然导水裂隙带完全贯穿4-2煤烧变岩，但区内4-2煤烧变岩为透水不含水地层，4-2煤烧变岩也无水可保，具体包括4-2煤火烧区+1 137 m烧变岩底板等高线以上区域压覆的试15201～15206工作面区域，其中在4-2煤火烧区边界线与+1 137 m烧变岩底板等高线交点位置附近的15206工作面小范围内，虽然上覆4-2煤烧变岩底板标高略低于+1 137 m，但是由于其西侧陈家塔沟的存在，沟底的4-2煤烧变岩出水点对烧变岩水有更强的袭夺作用，因此该交点位置附近的15206工作面小范围内的5-2煤开采也无烧变岩水可保。
(2)保水限采区:4-2煤火烧区+1 137 m烧变岩底板等高线以下区域，区内导水裂隙带完全贯穿4-2煤烧变岩，区内烧变岩富水性强～极强，烧变岩水与常家沟水库有直接的水力联系，鉴于区内5-2煤资源与4-2煤烧变岩水关系的重要性，在没有研究出合理的保水开采方法前，应当限制开采，具体包括4-2煤火烧区+1 137 m烧变岩底板等高线以下区域压覆的15207,15208工作面区域。
保水限采区15207工作面圈定以后，在工作面巷道和开切眼施工了7个4-2煤烧变岩水探放钻孔(图3)，钻孔初始总出水量为280 m3/h，7 d以后钻孔总出水量衰减为140 m3/h并保持稳定，累积放水总量约4万m3，探放水结果表明保水限采区4-2煤烧变岩水静储量和动态补给量都较大。
保水限采区15207,15208工作面开切眼距离常家沟水库的最短水平距分别为286 m和190 m，4-2煤烧变岩水对其充水断面都可视为一狭长廊道，形状类似矩形，采用“集水廊道法”预测预先开采的15207工作面4-2煤烧变岩水充水量为651 m3/h，预后开采的15208工作面4-2煤烧变岩水充水量为1 064 m3/h。
综合保水限采区4-2煤烧变岩水探放和充水量预测结果，最大限度地开采5-2煤资源不仅将破坏具有保水价值的4-2煤烧变岩水及与其有直接水力联系的常家沟水库水资源，还将威胁5-2煤的安全开采。
目前，针对烧变岩水的保水开采方法有特殊开采限制采高、留设防隔水煤柱、就地利用和转移存储。但是，上述保水开采方法都不能同时满足最大限度地解放首采地段保水限采区的5-2煤资源和保护4-2煤烧变岩水资源的目的。为此，笔者提出烧变岩注浆帷幕截流保水开采技术，通过地面钻孔注浆建造帷幕墙，切断4-2煤烧变岩水与常家沟水库水的水力联系，截断4-2煤烧变岩水的动态补给量，结合井下钻孔对4-2煤烧变岩水静储量的预疏放，达到同时实现最大限度地安全开采5-2煤资源和保护烧变岩水资源及常家沟水库水资源的目的。
注浆帷幕墙建造的目的是帷幕截流，截断或减少墙体外的地下水向矿坑的渗入量。因此，注浆帷幕墙建造的首要条件是查清矿坑充水的补给来源和补给通道，其次是查清帷幕墙建造地段的构造条件和其两端及顶底板的围岩性质，以确保帷幕墙建成以后，地下水不会通过帷幕墙与嵌入的围岩接缝裂隙或其它构造绕流入渗对矿坑充水[35]，最后是查清受注体是否具备可注性。
首采地段保水限采区5-2煤开采的充水水源为4-2煤烧变岩水，主要补给来源为常家沟水库水，补给通道为4-2煤烧变岩空隙介质，充水断面为4-2煤烧变岩全过水断面，断面顶底板为延安组稳定基岩，断面两端分别为4-2煤烧变岩的隐伏露头和直接露头，帷幕区构造条件简单，无断裂等其它导水构造。4-2煤烧变岩受注体为砖红色碎裂结构岩石，无泥质充填，空隙发育且连通性较好，空隙率为8%～15%，渗透系数为65.3～148.7 m/d，受注体可注性好。
综合上述3个帷幕墙建造条件分析认为，通过地面钻孔注浆建造帷幕墙，可保证墙体四周嵌入稳定的隔水层中，形成闭合隔水墙体，实现保水限采区5-2煤的保水开采目标。
注浆帷幕墙建造设计如图3,4所示，其考虑的主要技术指标包括:
图3 钻孔注浆帷幕墙建造设计平面
Fig.3 Floor plan for construction design of drilling grouting curtain wall
图4 钻孔注浆帷幕墙建造设计剖面示意
Fig.4 Schematic diagram of construction design profile of drilling grouting curtain wall
(1)墙体宽度、高度、深度和厚度:① 4-2煤烧变岩水接受常家沟水库水的补给方向为南北方向，对5-2煤工作面的充水断面为东西方向的全过水断面，因此设计帷幕墙整体为东西方向的“一字型”形态，东接4-2煤烧变岩的直接露头，西接4-2煤烧变岩的隐伏露头，其中东边界直接露头处4-2煤烧变岩顶板标高不得低于帷幕墙顶界面设计标高，平面上形成全封闭帷幕。② 为防止地下水通过帷幕墙顶端翻墙入渗，设计帷幕墙顶界面标高不得低于常家沟水库水位标高+1 137 m。③ 4-2煤烧变岩空隙介质空隙率大、连通性好，为防止帷幕墙底端生根不稳，设计帷幕墙底界面嵌入4-2煤烧变岩底板基岩5 m，垂向上形成接底式帷幕。④ 保水限采区4-2煤烧变岩底板标高最低为+1 127 m，帷幕墙需承受的烧变岩水水压差为10 m，为保证帷幕墙截流防渗效果，设计双排帷幕线AA＇和BB＇，确保帷幕墙厚度可抵抗墙体内外水压差。
(2)帷幕线位置、排距和注浆孔间距、结构:① 由于受注体烧变岩空隙介质的复杂性和浆液扩散本构方程的复杂性，很难根据已有注浆理论预测浆液扩散半径。因此参考新疆大黄山七号井烧变岩帷幕注浆经验，在注浆总压为4 MPa时，浆液在烧变岩中的扩散半径可确保在5 m以上，故设计单排帷幕线上注浆孔间距为10 m，双排帷幕线上注浆孔呈梅花形布置，各相邻注浆孔间呈边长为10 m的正三角形，双排帷幕线的排间距为8.66 m。② 张家峁井田实测5-2煤开采顶板基岩岩层移动角为74°，松散层岩层移动角为45°，4-2煤烧变岩因其空隙率大、连通性好，取其岩层移动角介于两者之间为60°，依据5-2煤顶板至设计帷幕墙顶界面的层间距，预计导水裂隙带发育至与5-2煤工作面外延的设计帷幕墙顶界面交点时，距5-2煤工作面开切眼的水平距为27.28 m，为防范帷幕墙被采动裂隙所破坏，内排帷幕线距该交点间应留设足够的安全距，为方便现场施工取14.06 m，计算外排帷幕线距5-2煤工作面开切眼的水平距为50 m。③ 为确保帷幕墙顶界在+1 137 m以上，设计注浆孔套管底界不得低于+1 137 m，为防止帷幕墙底端地下水绕流入渗，设计注浆孔终孔层位进入4-2煤烧变岩底板基岩5 m，以保证注浆孔的注浆段满足设计帷幕墙的顶底界面要求。
(3)钻探和注浆施工:① 为充分利用15207工作面采前对4-2煤烧变岩水静储量的预疏放，设计先施工内排注浆孔后施工外排注浆孔，实施井上下南北方向的引流注浆。② 单排帷幕线上注浆孔按3个序次施工，一序孔间距40 m，二序孔间距20 m，三序孔间距10 m，后序孔的钻探注浆特征可以检查前序孔的注浆效果。③ 帷幕线西边界4-2煤烧变岩隐伏露头处，4-2煤烧变不充分，顶板岩层由于4-2煤实体煤的超前支撑作用，顶板不能完全坍塌，致使西边界处烧变岩空洞发育，过水断面大。帷幕线东边界4-2煤直接露头裸露在陈家塔沟西侧，注浆过程中易跑浆漏浆。东西边界间区域为烧变岩完全坍塌常规注浆区。针对帷幕区烧变岩断面在不同区块的发育特征差异，设计采用分区注浆技术，采用水泥-粉煤灰混合浆、水泥-水玻璃双液浆、水泥单液浆3种注浆材料，其中西边界隐伏露头处采用水泥-粉煤灰混合浆，水固比为1∶1，水泥与粉煤灰质量比为2∶3～3∶2;东边界直接露头处采用水泥-水玻璃双液浆，W∶C为1∶1，C∶S为6∶1～8∶1;东西边界间区域采用水泥单液浆，W∶C为1∶1。④ 注浆孔的注浆工艺采用孔口封闭止浆、静压分段下行式注浆法，注浆结束标准统一为孔口起压4 MPa，注浆量60 L/min并维持15 min，一般情况下注浆孔都为设计的注浆段全段注浆，但当注浆孔在钻进过程中遇见大的漏失或空洞掉钻时，采用分段注浆，分段注浆时未达到注浆结束标准，不得进行下段施工。⑤ 为确保钻探和注浆参数的合理性，在大规模注浆工程开始前，设计先在A区、C区进行试验性注浆，根据试验性注浆结果调整钻探和注浆设计参数。⑥ 为检查帷幕墙的截流防渗效果，在帷幕带上和帷幕内外，设计一定数量的检查和抽水孔，利用15207工作面采前对4-2煤烧变岩水静储量的预疏放和抽水孔的抽水，实施井上下东西方向的引流注浆。
4.3.1 工程实施
注浆帷幕工程除了西边界4-2煤烧变岩隐伏露头处增加了火烧区边界验证孔外，其余钻探和注浆工程全部按照设计施工，注浆帷幕墙地表建造痕迹如图5所示。共施工各类钻孔134个，孔深平均60 m，其中内外排帷幕线上各施工注浆孔59个，西边界4-2煤烧变岩隐伏露头处施工火烧区边界验证孔6个，帷幕带上施工检查孔4个，帷幕内外施工检查和抽水孔6个。共注入水泥42 208 t，粉煤灰4 777 t，水玻璃77 t。建造的帷幕墙东西宽632 m，南北厚8.66 m，顶底高15 m，墙体内边界距15207，15208工作面开切眼水平距41.34 m，墙体顶界面标高在+1 137 m以上，墙体底界面进入4-2煤烧变岩底板基岩5 m，墙体西边界嵌入4-2煤实体煤，墙体东边界搭接在4-2煤烧变岩顶板标高+1 137 m之上。
图5 注浆帷幕墙地表建造痕迹
Fig.5 Surface construction trace map of grouting curtain wall
4.3.2 质量控制
对帷幕墙防渗截流效果的检验是确保注浆帷幕工程质量的关键，也是保水限采区能否实现5-2煤保水开采目标的依据。帷幕注浆截流工程不同于突水灾害注浆治理工程，前者为预注浆工程，后者为后注浆工程。后注浆工程是一种即时响应性注浆，虽然注浆难度往往很大，但其注浆效果却很直观，通过注浆前后的涌突水量变化可以较易地判断注浆效果。但是，预注浆工程由于具有时空超前性，不具备后注浆工程的即时响应性属性，注浆效果往往难以判断，而且也不允许在帷幕截流工程具有安全隐患的前提下，冒然地进行生产验证。因此，笔者提出了即时检验技术，即在钻孔注浆建造帷幕墙的过程中，通过分析帷幕带和帷幕区内外的水文地质信息，即时地分析注浆帷幕效果，并根据分析结果即时地对帷幕墙防渗薄弱地段进行补充注浆，确保整个帷幕墙达到预期的防渗截流效果。
注浆帷幕工程采用的即时检验技术包括:
(1)帷幕带即时检验技术:① 钻探特征差异分析:后续注浆孔可发现前序注浆孔的浆液充填体，后续注浆孔冲洗液消耗量明显小于前序注浆孔，前序注浆孔水位与常家沟水库水位相近，但后续注浆孔水位却明显高于常家沟水库水位。② 注浆特征差异分析:后续注浆孔吃浆量和注浆时间明显小于前序注浆孔，前序注浆孔注浆经常出现孔间串浆现象，但后续注浆孔串浆现象逐渐减小直至消失。③ 检查孔压水试验结果分析:帷幕注浆段单位吸水率都小于0.005 L/(min·m2)，帷幕墙体渗透性能等级属极微～微透水。
(2)帷幕内外即时检验技术:① 帷幕内侧的陈家塔沟出水点注浆前出水量约20 m3/h，随着帷幕墙的建造出水点出水量逐渐减小，帷幕墙建造结束时出水点已干涸无水。② 帷幕内外的抽水孔和检查孔，注浆帷幕前钻孔水位与常家沟水库水位相近且保持同步上升的变化趋势，注浆帷幕后帷幕外钻孔水位仍保持该变化规律，但帷幕内钻孔水位却呈现出持续下降的变化趋势。③ 注浆帷幕工程结束后，帷幕外侧W5抽水孔抽水时，外侧检查孔水位下降，内侧检查孔水位不变。帷幕内侧W2,W3抽水孔抽水时，内侧检查孔水位下降，外侧检查孔水位不变。④ 根据帷幕内外抽水孔抽水试验，估算帷幕外侧4-2煤烧变岩含水层渗透系数为78.5 m/d，渗透性能等级属强透水，帷幕内侧4-2煤烧变岩含水层渗透系数为2.8 m/d，渗透性能等级属中等透水。
综合注浆帷幕工程在帷幕带和帷幕内外的即时检验效果，分析认为帷幕墙截流防渗效果良好，实现了5-2煤保水开采目标。
4.3.3 工程效果
15207工作面采前，在工作面巷道和开切眼对4-2煤烧变岩水静储量共施工了9个预疏放钻孔(图3)，钻孔初始总出水量为503 m3/h，10 d以后钻孔总出水量衰减为16 m3/h并有进一步的衰减趋势(图6)，累积预疏放水总量约1.97万m3，期间帷幕内侧4-2煤烧变岩水位大幅下降且不回弹，但帷幕外侧4-2煤烧变岩水位却不受预疏放水影响，预疏放水结果进一步佐证了帷幕墙防渗截流效果良好，切断了墙体内外烧变岩水的水力联系，截断了墙体内侧烧变岩水的动态补给量。
图6 15207工作面采前预疏放水量衰减
Fig.6 Attenuation chart of pre-drainage water quantity in 15207 working face before mining
目前，15207工作面已回采结束，15208工作面也已推采过了保水限采区进入无水开采区开采，工作面涌水量都不超过5 m3/h，实现了首采地段5-2煤保水开采目标。
(1)通过水文地质结构系统分析，查明了研究区水资源类型及特征，结合导水裂隙带预计高度，将4-2煤烧变岩水确立为研究区5-2煤保水开采对象。
(2)根据榆神府矿区保水开采分区研究成果，结合研究区5-2煤采掘布置，将研究区5-2煤工作面划分为无水开采区和保水限采区。
(3)为同时实现最大限度回采5-2煤资源和保护4-2煤烧变岩水资源的保水开采目标，提出了烧变岩注浆帷幕截流保水开采新技术，在分析研究区烧变岩注浆帷幕建造条件的基础上，给出了帷幕墙建造设计和井上下平行和垂直帷幕线的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等关键技术。
(4)研究区5-2煤保水限采区采前和采后实践证明，注浆帷幕截流技术是实现烧变岩水保水开采的一种新的有效技术，研究成果对煤炭开发、水资源保护及矿井水害防治具有一定的理论和实践意义。
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