西湾露天煤矿东边坡涌水因素分析及综合治理方法

刘 兴

（国家能源集团陕西神延煤炭有限责任公司，陕西榆林 719000）

西湾露天煤矿行政区划位于陕西省榆林市榆阳区的东北部、神木市的西南部。矿区处于陕北侏罗纪煤田榆神矿区中部，是目前榆神矿区规划中唯一适宜露天开采的矿田。西湾露天煤矿在开采过程中东边坡部分区域发生涌水现象，出现3 个较大涌水点，每个涌水点平均涌水量50 m3/h。随着露天矿坑外排工程的结束，采掘场将逐渐实现内排，如不能有效处理涌水，内排场底部台阶经水浸泡极易形成不稳定滑层，威胁矿坑安全[1]。

目前，露天矿坑边坡地下水涌水量预测、治理方法等已有大量研究[2-6]，但从矿坑实际条件出发，分析矿坑具体涌水因素，并提出有针对性的治理措施以指导生产，仍然具有较大现实意义。在分析西湾露天煤矿矿坑东边坡涌水因素的基础上，进行了有针对性的边坡涌水综合治理方法实验并取得良好效果，对以后同类问题的解决具有指导意义。

1 研究方法

西湾露天煤矿东边坡涌水区充水水源为煤层顶板烧变岩孔隙、裂隙水及第四系松散层潜水。松散层接受大气降水和矿界外潜水补给后，经导水通道补给风化岩裂隙含水层，最终潜流进入2-2 煤层顶部自燃区域，补给烧变岩潜水，最终在矿坑内涌水点处排泄。由于矿田内烧变岩发育厚度大，范围广，造成矿山边坡涌水治理难度及成本增加。

针对矿田地质条件，采用多种地球物理手段进行涌水区域范围及导水通道精确判断，对多种涌水治理方法进行综合分析应用，优化施工工艺，取得良好治水效果。

2 涌水区水文地质条件

西湾露天煤矿东边坡涌水区内含水层主要构成为全新统冲积层、上更新统萨拉乌苏组、侏罗系中统延安组。

全新统冲积层（风积层）岩性以粉砂土、细砂及中砂为主，厚度2～30 m 不等；上更新统萨拉乌苏组主要为黄褐色中、细砂，厚度较大，一般25 m 左右，结构疏松、孔隙率大，极易接受大气降水补给。冲积层（风积层）与萨拉乌苏组构成统一含水层，单位涌水量0.06 L/（s·m），渗透系数1.730 m/d，富水性弱。

延安组为本区的含煤地层，其第Ⅴ段在区内连续沉积，第Ⅴ段岩性整体以灰白色的中、细砂岩、泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩为主，结构致密，裂隙微发育，渗透性能较差，富水性弱；其顶部有1 段风化岩石，厚度约4 m，岩性主要为中砂岩、细砂岩，颜色多为灰黄色、黄绿色、黄褐色，结构疏松，裂隙较发育，单位涌水量0.004 01～0.170 8 L/（s·m），渗透系数0.011 45～1.287 2 m/d，富水性弱-中等；延安组2-2煤层为主要可采煤层，在其顶部发育1～5 m 厚的烧变岩，烧变边界形状不规则，主要以南北向延伸分布于矿田东部，其岩体为碎裂结构，透水性好，补给来源充分，单位涌水量9.217～16.337 6 L/（s·m），渗透系数28.27～28.29 m/d，富水性强。

涌水区内隔水层主要为新近系保德组红土隔水层，全区分布，平均厚度约20 m 左右，岩性为棕红色粉质黏土，大部分地段底部含钙质结核层。总体含水性极差，塑性大，分布较稳定。

3 涌水区域范围精确测定

采用瞬变电磁法进行控制并在异常部位部署高密度电阻率法测点，2 种方法相互佐证，以提高富水区域及导水通道控制准确度。

3.1 探测方法

1）瞬变电磁法。勘探区目的层埋深较浅，需要选取尽量大的发射频率及小匝数线框，以减少浅层盲区。另外由于勘探区东部外侧架设高压线，西部为露天矿坑，有众多施工车辆等，周边区域地电干扰较强，因此需要加强信号源，抑制地电干扰，尽可能采用大的供电电流，主机输入电压12 V，直流电发射机输入电压24～96 V，直流电发射机额定电流≤40 A，选定25 Hz 发射频率，发射线框（规格2 m×2 m）15 匝、接收线框（规格1.5 m×1.5 m）10 匝。

2）高密度电阻率法。测线（G1）布置位置与瞬变电磁法测线位置相同。由于冬季施工区内发育一定厚度冻土层，接地条件差，试验过程中对每个测点浇足够盐水，个别接地条件不好的地方采用多个电极并用的方式以保证电极接地条件。采用转换电极120 路，最大工作电压±450 V，最大工作电流±2.5 A，以保证探测深度和供电电流。

3.2 成果分析

瞬变电磁法视电阻率断面图如图1，由图1 可以看出，点距750 m 以小区域，深度约-40 m 以浅，视电阻率值变化相对较大，是基岩烧变后的电性反映，烧变岩富水异常区具有视电阻率值明显低于周围其他区域的电性特征。点距750 m 以大区域泥岩、砂质泥岩隔水层发育明显，视电阻率变化特征较小，明显有别于富水区域，属于隔水区域。高密度电阻率法G1 线视电阻断面图如图2，高密度电阻率法勘探结果与瞬变电磁法结果一致。

图1 瞬变电磁法视电阻率断面图

图2 G1 线视电阻断面图

勘探区位于采区东部侧帮，低阻异常区集中于勘探区南部、中部，且中部最为明显，区内烧变岩裂隙孔洞潜水层富水性具有不均匀性，导致其涌水范围及强度规律不明显，变化较大。分析认为，烧变岩富水异常区主要集中于勘探区南段和中部，且中部的烧变岩富水异常最为明显，为重点治理区域。

4 治理方法

涌水治理方法主要有疏排法、隔离法等[7-8]，西湾露天煤矿东端帮区域上部潜水含水层与下部煤系地层烧变岩含水层相互连通，形成了较为稳定的动态补给。疏水降压短期内难以达到效果，对生态影响较大，且出水区域位于露天采场边界附近，不具备剥挖空间，因此综合考虑对涌水区进行帷幕注浆隔离地下水。选取点距700～750 m 处的涌水点进行帷幕注浆堵水实验，采用φ48 mm 袖阀管（管壁厚3 mm，耐压值大于等于2 MPa），全孔一次性注浆。

1）注浆孔布置。注浆区施工注浆孔30 个，平均孔深20 m。注浆孔布置于涌水区域上部岩石剥离平台，施工2 排垂直注浆孔，孔距4 m 呈梅花状布置，注浆孔布置如图3。

图3 注浆孔平面布置图（左）及注浆孔立面图（右）

2）注浆材料。注浆材料采用纯水泥浆+水玻璃双液。注浆设计配比为水泥浆∶水玻璃=1∶0.5（体积比），其中水泥浆的水灰比为1∶1（质量比）。水泥浆拌制采用P.42.5 级普通硅酸盐水泥，水玻璃模数为2.4～3.4，波美度30～40°Bé，通过使用带单向阀的浆液混合器混合。水泥、水用量误差允许范围为±5%，水玻璃用量误差允许范围为±1%。水泥浆搅拌时间为3～5 min，最长不超过30 min。

3）注浆参数。注浆的压力0.4～0.8 MPa，注浆速度30～70 L/min，终止标准为达到设计压力时注入量小于5～10 L/min，稳压10 min。

4）注浆原则。①二序跳孔注浆原则：一序注浆孔之间相隔1 个注浆孔，二序注浆孔为一序孔中间加密的孔；②定量-定压相结合原则：对先序孔采取定量注浆，对后续孔采取定压注浆。先期注浆孔的注浆量大于后期孔，外围注浆孔的注浆量大于内部孔；③多孔少注动态调整原则：注浆过程中，根据不同地质、时序、部位、压力、流量变化等，对注浆参数进行不断的动态调整。

4）注浆效果。注浆堵水试验工期17 d，共计施工注浆孔30 个，钻孔进尺400 m，使用水泥400 t，水玻璃120 t，注浆效果明显，涌水点涌水量减小至15 m3/h，涌水点涌水量明显减少。

5 结语

1）瞬变电磁法、高密度电阻率法勘探结果显示，烧变岩区电阻率差异较明显，基岩烧变后视电阻率值大部分相对较高，烧变岩富水异常区视电阻率值具有明显低于周围电性的特征。隔水区域视电阻率变化特征不明显。

2）涌水区内烧变岩裂隙孔洞含水层富水性分布具有不均匀性，其涌水范围及强度规律不明显，变化较大。区内烧变岩富水异常区主要集中于勘探区南段和中部，以中部最为集中，为重点治理区域。

3）对涌水区进行帷幕注浆隔离治理方法，采用水泥水玻璃双液、袖阀管、多孔少注、定量定压相结合、多孔序、全孔一次注浆工艺，堵水效果良好。