動水條件下遞增開放式涌水通道高效治理技術(shù)

蒲治國，丁 湘，李 哲，紀卓辰，閆 鑫，賀曉浪，馬建國

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.陜西神延煤炭有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000)

礦井突水是煤炭資源開采過程中5 大災(zāi)害之一，在各類導(dǎo)水通道的溝通下，大量地下水進入采礦區(qū)域，造成淹面甚至淹礦的事故[1]。起初，發(fā)生此類事故后礦井停產(chǎn)、不排水，任由地下水涌入礦井，礦井內(nèi)與含水層水壓差逐漸減小直至形成靜水條件，隨后采用水泥漿封堵過水通道，后進行排水復(fù)礦。后來，為降低損失，在突水后繼續(xù)排水將水位控制在某一水平之下，降低出水口淹沒深度甚至出水口出露，同時采用截流或堵源的方法在動水條件下注漿，這就是動水注漿的由來。動水注漿具有不停產(chǎn)或少停產(chǎn)、堵水效果易于觀察、技術(shù)經(jīng)濟合理等優(yōu)點，但動水條件下漿液利用率低，過水通道封堵難度大，給注漿技術(shù)帶來諸多挑戰(zhàn)。

1984 年6 月2 日，河北開灤范各莊礦2171 工作面發(fā)生采礦史上水量最大的突水，為控制事故蔓延，礦井保持排水能力，在動水條件下對巷道進行截流，對突水水源進行封堵[2]；1995 年，山東新安煤礦12161 工作面回風(fēng)巷發(fā)生奧陶系灰?guī)r含水層突水，礦井在保持600 m3/h 排水能力條件下，采用動水注漿技術(shù)封堵了導(dǎo)水通道[3]；2003 年，南生輝等[4]為解決河北東龐礦特大突水淹井災(zāi)害，提出了先通過灌注骨料和注漿施工建造阻水墻后再建造堵水塞封堵陷落柱的治理方案；2007 年，王鐵記等[5]針對河北牛兒莊礦短距離小斷面大流量動水巷道截流的難題，提出采用工業(yè)廢鐵鏈作主體骨料的截流技術(shù)；2010 年，劉人太等[6]研制了一種新型VCH 水泥基動水注漿材料，在動水條件下具有較好的抗分散性；2012 年，湛鎧瑜等[7]進行了裂隙動水注漿模型試驗，獲得滲流壓力場與注漿效果和注漿工藝之間的相關(guān)關(guān)系；2013 年，李術(shù)才等[8]研究了水泥?水玻璃漿液和高聚物改性水泥漿液這2 種常用動水注漿材料的黏度時變特征，得出注漿材料的適用性；2014 年，姬中奎[9]針對陜西桑樹坪煤礦大流量動水條件下堵水難題，利用水動力條件弱的特點采用細骨料砂子成功封堵了出水巷道；2015 年，朱明誠[10-11]研制了動水大通道封堵控制注漿專用鉆具和保漿袋囊等裝備，研發(fā)了速凝高強快速封堵注漿材料，設(shè)計了鉆孔控制注漿封堵施工工藝；2018 年，楊志斌等[12]針對動水大通道及地面無法施工直孔的治理技術(shù)難題，提出采用定向分支斜鉆孔同時對過水巷道截流和突水通道堵源的治理方案。2020 年，董書寧團隊[13-14]開發(fā)了一套過水巷道動水快速截流大型模擬實驗系統(tǒng)，研究過水巷道快速截流機理。

上述工程實踐與理論研究極大豐富和擴展了動水注漿堵水技術(shù)，使我國水害綜合治理水平位居世界前列。但上述動水注漿技術(shù)針對的是危害和損失極大的陷落柱、斷層所引發(fā)的大型甚至是特大型突水事故，治理時往往將治理效果放在第一位，其次才是治理成本和工期。相比上述案例而言，陜西榆神礦區(qū)西灣露天煤礦東端幫煤層頂板集中涌水點危害程度相對較小，應(yīng)將成本、工期與效果同等考慮，因此帶來了諸多需要平衡與解決的難題。此外，采剝爆破引發(fā)的遞增開放式涌水通道水流速度快，在此條件下的封堵技術(shù)尚無相關(guān)經(jīng)驗可借鑒。筆者以陜西西灣露天煤礦為例，提出針對爆破裂隙的探查方案和動水條件下遞增開放式涌水通道骨料截流技術(shù)，以期實現(xiàn)環(huán)保、效果、工期、成本及施工條件的綜合最優(yōu)化。

1 研究區(qū)及治理工程概況

西灣露天煤礦地處陜北侏羅紀煤田榆神礦區(qū)中部，目前主采侏羅系延安組2-2煤，煤層均厚11.13 m。礦坑?xùn)|邊界外側(cè)存在大面積2-2煤火燒區(qū)，火燒區(qū)內(nèi)地層裂隙、空洞發(fā)育，在地下水的補給作用下形成富水性強?極強的燒變巖含水體。為防止燒變巖水直接涌入礦坑，采剝邊界留設(shè)100 m 防水煤柱。自2019 年礦坑采剝以來，東端幫開始出現(xiàn)燒變巖涌水點，隨著采剝的進行，在東端幫出現(xiàn)多個集中涌水點，其中煤層頂板處集中涌水點水量最大，造成東坑涌水量大幅增加，燒變巖水位急劇下降。大量的地下水涌入礦坑極大增加了排水系統(tǒng)的負擔(dān)，嚴重影響企業(yè)效益，且地下水位的大幅下降對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境形成的負效應(yīng)日趨嚴重。

為阻止燒變巖水繼續(xù)涌入礦坑，煤礦決定采用

“斷源截流”方案，即在燒變巖內(nèi)部(距出水邊幫150 m)采用黏土-水泥復(fù)合漿液構(gòu)筑一道截水帷幕墻(圖1)，注漿孔間距10 m，共施工2 排，排距3 m[15]。帷幕形成后東端幫零散出水點已不再出水，水位開始逐漸恢復(fù)，但煤層頂板集中出水點水量下降幅度較小，為盡快達到治理目標，減輕礦坑排水壓力，在帷幕墻繼續(xù)施工的同時，需針對煤層頂板集中涌水點進行封堵。

圖1 西灣露天煤礦帷幕墻及集中出水點位置Fig.1 Location of the curtain wall and centralized water outlet of Xiwan Open-pit Coal Mine

2 煤層頂板集中涌水點情況及成因分析

2.1 涌水點基本情況

煤層頂板集中涌水點位于邊幫與煤層頂界面交界處，屬礦坑開采范圍的最外側(cè)，該位置自爆破以后開始出水，水量較小，由于巖塊未剝離無法查清具體出水情況。2020 年8 月24 日完全剝離后出水口出露，出水口在煤層頂板上方約1 m 處的風(fēng)化巖內(nèi)，出水點高程1 105 m，出露位置涌水通道寬0.2 m，高約1 m(圖2、圖3)。8 月27 日下午涌水中短暫出現(xiàn)煤渣，水位出現(xiàn)小幅度下降，水量無明顯增大，至8 月28 日早水清；9月5 日該處出水中夾雜大量煤渣及少量煤塊，煤塊直徑達30 mm，煤塊無光澤、輕捏即碎，判斷為風(fēng)化/烘烤煤。煤塊集中出現(xiàn)時間持續(xù)約半天，同時伴隨水量大增，觀測孔B4 水位大幅度下降(圖4)，出水量峰值估計在700 m3/h，后穩(wěn)定在400 m3/h 左右，煤渣斷續(xù)出現(xiàn)。

圖2 煤層頂板集中涌水通道遠景Fig.2 Prospect of the centralized water inflow channel of coal seam roof

圖3 煤層頂板集中涌水通道近景Fig.3 Close view of the centralized water inflow channel of coal seam roof

圖4 治理前B4 孔自動觀測水位的變化情況Fig.4 Water level changes from automatic observation of B4 borehole before treatment

2.2 外露涌水通道與成因

根據(jù)對該集中出水通道的勘查，通道呈內(nèi)小外大(向礦坑方向規(guī)模遞增)近直立狀，走向與邊幫傾向夾角約58°，向采剝反方向延伸至邊幫內(nèi)部，延伸距離不明，根據(jù)該通道后期剝離后深度探測表明該裂隙垂向上向下發(fā)育至煤層頂板。裂隙兩壁為淺黃色風(fēng)化巖，較為粗糙，形態(tài)上可完整對接，未見明顯垂向錯位，除下半部分存在水泥漿留下的白色水漬外，與周圍風(fēng)化巖無其他區(qū)別。據(jù)以上描述判斷，該通道應(yīng)為近期受拉力作用形成，根據(jù)對礦坑采剝工程的分析，外力形成可能包括爆破和挖掘機破巖，其中挖掘機破巖能力弱，初步判斷應(yīng)為爆破作用形成。

根據(jù)爆破破巖理論，在炸藥爆炸后，爆炸沖擊波對圍巖產(chǎn)生高達上百兆帕的強烈壓縮作用，在徑向的壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力同時作用下，炮孔周圍巖石被壓碎，形成壓碎圈，壓碎圈外圍沖擊波衰減為應(yīng)力波，由于巖石抗拉能力遠小于抗壓能力，產(chǎn)生拉張破壞，形成徑向裂隙；在爆炸應(yīng)力產(chǎn)生的同時，形成幾千攝氏度的高溫、大于十萬個大氣壓的高壓，在擠壓和尖劈作用下裂隙發(fā)生繼續(xù)擴展和延伸，該區(qū)域稱為裂隙圈(圖5)[16]。根據(jù)研究區(qū)實際爆破參數(shù)[17]，結(jié)合學(xué)者經(jīng)驗與理論計算，研究區(qū)爆破裂隙圈半徑不大于3 m[18]，而且通過對礦坑邊幫其他位置裂隙發(fā)育情況的觀測，邊幫上由爆破造成的破碎巖體已被剝離，并未存在其他明顯由爆破形成的拉張式裂隙，也說明爆破裂隙圈發(fā)育范圍有限，判斷煤層頂板集中涌水通道不是單純的爆破裂隙。

圖5 圍巖爆破破壞Fig.5 Blasting damage of the surrounding rock

根據(jù)對通道周圍巖體的觀測發(fā)現(xiàn)，巖體內(nèi)部發(fā)育有層理裂隙和其他薄弱面，寬度較小，多在1 mm 左右，個別裂隙也存在向外滲水、噴水現(xiàn)象，推測發(fā)育長度較大。根據(jù)裂隙對巖體爆破的影響作用，裂隙在爆破作用時將首先發(fā)生破壞，并在裂隙的尖端形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，進而加劇爆破對裂隙的擴展作用[19]。據(jù)此推斷，本次煤層頂板集中涌水通道應(yīng)為原始薄弱面或者裂隙在爆破作用下擴展、延伸形成。根據(jù)裂隙延伸方向與采剝反向的特征，認為是由于采剝反向存在臨空面，而且此處位于邊幫向礦坑凸出位置，巖石圍壓小，有利于裂隙的擴張(圖6)。

圖6 原生裂隙爆破擴展模式Fig.6 Blasting expansion model of primary fractures

綜上，該裂隙的形成誘因是采剝破壞活動，延伸方向受控于原生裂隙(或薄弱面)和臨空面的位置，是多因素綜合作用的結(jié)果。

2.3 補給途徑及擴張原因

根據(jù)后期在1133 平臺(+1 131 m)施工的2 個導(dǎo)通鉆孔鉆進時出現(xiàn)掉鉆、負壓并伴隨水流聲等特征判斷，煤層頂板集中涌水點裂隙已延伸至探查鉆孔位置，說明其延伸距離大于65 m，但該裂隙繼續(xù)向邊幫內(nèi)延伸長度無法估測。

根據(jù)礦坑內(nèi)部煤層頂板其他出水點的觀測結(jié)合鉆孔窺視資料發(fā)現(xiàn)，煤層頂板附近地層破碎裂隙較為發(fā)育，并與燒變巖含水層連通，局部延伸至礦坑邊幫，這也是局部區(qū)域煤層頂板出現(xiàn)零散涌水點的原因。在施工帷幕墻期間發(fā)現(xiàn)的煤層頂板集中涌水點導(dǎo)通孔中可以灌注骨料，但骨料并不能從煤層頂板集中涌水點流出，說明帷幕墻與集中涌水點之間存在裂隙寬度較小的區(qū)域。

綜上，可以做出如下推斷：爆破形成的擴張裂隙并未直接延伸至燒變巖含水層，而是與燒變巖周圍包括煤層頂板裂隙帶在內(nèi)的裂隙密集區(qū)連通，其切割了眾多燒變巖周圍裂隙，燒變巖周圍裂隙以小角度裂隙為主，寬度小，骨料無法通過，僅有水流和漿液能夠通過，而近垂直的爆破擴張裂隙能使骨料通過(圖7)。

圖7 西灣露天煤礦東端幫集中出水通道Fig.7 Schematic diagram of the centralized water outlet channel at the east end of Xiwan Open-pit Coal Mine

此外，集中涌水點2 次出煤渣的現(xiàn)象說明，煤渣的源頭是在爆破擴張裂隙內(nèi)，不在帷幕墻附近。在爆破擴張裂隙形成后，由于風(fēng)化/烘烤煤強度低，在后期的爆破震動作用下發(fā)生破裂，在水的沖擊作用下隨水流涌出，同時將涌水通道擴大，導(dǎo)致水量大幅度增加。

2.4 集中涌水點治理技術(shù)難點

1) 主通道位置探查難度大

前期在燒變巖內(nèi)帷幕墻建造過程中對其中一個連通鉆孔進行了注漿，但發(fā)現(xiàn)煤層頂板出水口水量并未明顯衰減，分析判斷該通道為煤層頂板出水口的一個分支通道，導(dǎo)致堵水率較低。因此，主通道位置的探明是本次堵水的難點，也是成功與否的基礎(chǔ)。而該連通孔是通過出水點外側(cè)150 m 位置以10 m 間距施工近百個鉆孔發(fā)現(xiàn)的，說明常規(guī)探查方法對本次煤層頂板集中涌水通道的探查效果較差。

2) 動水條件下遞增開放式通道骨料留存率低

經(jīng)后期水動力條件測試，本次研究的涌水點雖然水量、水壓不及以往礦井巷道突水案例(單裂隙涌水案例較為缺乏，本文暫與巷道突水案例做對比)，但流速高達0.36 m/s，已大于多數(shù)突水巷道流速，水動力強度之大較為少見。與此同時，涌水通道具有外寬里窄的特點，本次將其定義為遞增開放式涌水通道，骨料存在“能進就能出”現(xiàn)象，骨料留存難度大。而且涌水點出露于礦坑，靠近集水坑，大量骨料堆積將影響水泵安全，并增加后期清理工程量和施工成本，影響正常的采剝進度。

3) 工期短，鉆進設(shè)備緊張

為降低涌水對地下水資源的破壞，同時降低排水費用，需盡快達到涌水治理目的，燒變巖內(nèi)帷幕墻在緊張施工的同時僅剩一臺鉆機可供使用，導(dǎo)致綜合鉆進效率低，增加了主涌水通道的探查難度。

4) 環(huán)保要求高，注漿材料可選范圍有限

化學(xué)注漿材料凝結(jié)時間可調(diào)，具備動水條件下抗分散等優(yōu)點，但化學(xué)漿液材料多數(shù)有毒，對環(huán)境危害大，而且研究區(qū)地處干旱少雨的陜北地區(qū)，礦坑涌水經(jīng)處理后用于環(huán)境綠化和農(nóng)業(yè)灌溉，不允許出現(xiàn)任何污染情況的發(fā)生，選取的漿液和骨料不能對地下水環(huán)境造成污染，應(yīng)避免大量使用化學(xué)漿液。

3 邊幫爆破裂隙涌水通道快速探查方法

3.1 鉆探工程布置方案

本次煤層頂板集中涌水為采剝爆破引發(fā)的裂隙，根據(jù)礦坑內(nèi)部其他區(qū)域爆破裂隙的形態(tài)，結(jié)合出水口實際產(chǎn)狀，爆破裂隙主要傾向臨空面?zhèn)龋虼?，探查時以涌水點正上方為界，首先向采剝反向探查，后向采剝正向探查，探查鉆孔分三序，一序鉆孔間距20 m，二序10 m，三序5 m，探查順序為由涌水點正上方向兩側(cè)探查，探查范圍以涌水點正上方向兩側(cè)偏斜45°(圖8)。主涌水通道通常延伸距離有限，為提高鉆孔命中率，在施工條件允許和環(huán)境安全的情況下，探查位置盡量向出水點靠近。

圖8 涌水通道探查孔布置方式Fig.8 Schematic diagram of the exploratory boreholes layout of the water inflow channel

為提高探查效率，采用?91 mm 小口徑鉆孔，前期不下套管一次成孔。在經(jīng)連通試驗確認導(dǎo)通的鉆孔再下置?127 mm 套管。連通試驗在探查孔施工完成后立即進行，盡量避免采用需儀器測定才能識別的材料，應(yīng)以可通過視覺觀察到的材料為主，如環(huán)保無污染的紅黏土漿液，易于觀察且原料易于獲取。在對導(dǎo)通孔固管的同時在該孔兩側(cè)以5 m 間距增加探查孔，若未探出則減小間距，直至再次探查出第二個導(dǎo)通孔作為備用孔。

為提高命中率，本次選擇在涌水通道上方的第一個平臺1133 平臺(+1 131 m)采用本方法施工探查孔；按照20 m 間距向采剝反方向布置3 個涌水通道探測孔(圖9)，對第二個探測孔進行連通試驗時發(fā)現(xiàn)該孔與集中涌水點連通(圖10)，且存在水流聲及負壓現(xiàn)象，判斷該孔與主涌水通道相通，隨即在該孔兩側(cè)以5 m 間距布置2 個探查鉆孔，其中偏向采剝反向的JC27 孔與集中涌水點連通。

圖9 集中涌水通道探查孔實際布置Fig.9 Actual location of the exploratory boreholes of the centralized water inflow channel

圖10 探查孔連通試驗Fig.10 Connectivity test in exploratory boreholes

3.2 水動力條件測試

在對導(dǎo)通孔注漿封堵前需進行水動力條件測試，為封堵材料選擇提供依據(jù)。水動力條件測試方法為向?qū)變?nèi)依次投放由小到大粒徑不一的材料，投放時采用清水射流攜帶，根據(jù)材料流出情況及投放時的堵孔情況確定投放骨料的尺寸。JC24 孔確認導(dǎo)通后隨即對其進行水動力條件測試，試驗準備了粒徑不一且易于獲取的小麥、玉米粒、黃豆及石子，開始投入小麥隨后投玉米粒、黃豆，均能順利流出，最后投入的40 mm 左右的石子也能順利流出(圖11)，但開始出現(xiàn)堵孔的現(xiàn)象，說明該涌水通道水流速度大、攜帶骨料能力強，但投放骨料的尺寸不宜超過40 mm。

圖11 水動力條件測試材料Fig.11 Materials tested under hydrodynamic conditions

經(jīng)測算，不同粒徑的投擲物經(jīng)3 min 即可從出水口流出，灌注位置與出口位置平面距離為65 m，即等效流速為0.36 m/s，過水?dāng)嗝婷娣e約0.31 m2。對比部分巷道突水水動力條件(表1)表明，本次封堵涌水通道的水動力條件較強。

表1 巷道出水實例情況[20-22]Table 1 Examples of roadway water plugging[20-22]

4 動水條件下遞增開放式涌水通道快速高效封堵技術(shù)

4.1 “骨料攔阻網(wǎng)”布設(shè)

在以往進行的礦井巷道動水注漿中，為解決骨料流失問題，常常以量取勝，但由于骨料利用率低，往往工程投入高[23]。本次也曾嘗試采用上述常規(guī)方法進行封堵，但效果很差，大量骨料被水流帶出進入積水坑(圖12)，影響水泵安全，后期也會影響煤層的采剝工作。

圖12 常規(guī)骨料灌注方式骨料流失情況Fig.12 Aggregate loss by the conventional aggregate pouring method

為克服常規(guī)骨料灌注方式下骨料留存率極低的缺點，提出在出水口處布設(shè)“骨料攔阻網(wǎng)”的方法。“骨料攔阻網(wǎng)”的作用是在骨料灌注時將骨料攔截、堆積在涌水通道內(nèi)，隨著骨料的堆積，過水?dāng)嗝嬷饾u減小，水流速度逐漸下降，為注漿加固提供適宜的水動力條件。由于“骨料攔阻網(wǎng)”需要承受骨料及水流的沖擊作用，需要借助一定外力固定，因而布設(shè)前需把涌水點處較為破碎、強度較低的巖石剝除，采用錨桿將鋼絲網(wǎng)固定在涌水點完整基巖上，并完全覆蓋涌水點，之后根據(jù)實際條件選用袋裝石子或石塊壓覆在鋼絲網(wǎng)之上起到加固作用。

本次動用挖掘機清理出完整基巖，根據(jù)現(xiàn)場條件和計劃灌注骨料的最小粒徑，選用10 目(孔徑2 mm)的鋼絲網(wǎng)作為“骨料攔阻網(wǎng)”，采用錨桿和袋裝碎石復(fù)合加固的方式將鋼絲網(wǎng)固定在出水口外(圖13)。

圖13 涌水通道清理及“骨料攔阻網(wǎng)”布置現(xiàn)場Fig.13 Water inflow channel cleaning and “aggregate blocking net” layout on site

4.2 高效骨料截流技術(shù)

1) 骨料投放方案

根據(jù)前期水動力條件測試結(jié)果確定投放骨料的尺寸應(yīng)小于40 mm。根據(jù)現(xiàn)場骨料條件并提高截流效果、加快截流速度，決定骨料采用兩序次投放，一序次投放大粒徑骨料，實現(xiàn)快速充填，投放時少投、勤投，保障投放速度均勻，直至鉆孔堵孔頻繁后，將骨料更換為小粒徑骨料，至堵孔頻繁時停止投放[24]。投放骨料時2 孔互為備用孔，其中一個孔發(fā)生堵孔后的掃孔期間，另一個孔繼續(xù)灌注骨料，直至2 個孔均無法繼續(xù)灌注骨料為止。

2) 骨料選擇

根據(jù)施工現(xiàn)場實際條件以“降本增效、低碳環(huán)?！睘樵瓌t，選擇將鎂渣核作為大粒徑骨料、鈣質(zhì)結(jié)核作為小粒徑骨料，其特征如下。

鎂渣為白云石提煉鎂后殘渣，據(jù)估計，全球每年煉鎂殘渣量達到400 余萬噸。為解決其對土地的占用和雨水淋濾造成的環(huán)境污染，目前主要用于水泥生產(chǎn)原料、新型墻體、替代部分細骨料拌制混凝土等[25-26]。以鎂渣為主要原料制成桃核形狀的鎂渣核強度大，與漿液結(jié)合能力強，大小可以根據(jù)需要定制。根據(jù)水動力條件測試本次選取的鎂渣結(jié)核長寬高分別為40、30、20 mm(圖14a)，真密度2.7 g/cm3，堆積密度1.0 g/cm3，孔隙率62 %，由于粒徑大可快速降低過水?dāng)嗝婷娣e。

鈣質(zhì)結(jié)核產(chǎn)于當(dāng)?shù)乇５陆M紅土內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場實測，紅土內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核占比為10 %，在前期黏土基帷幕墻建造期間篩離了大量鈣質(zhì)結(jié)核(圖14b)。經(jīng)破碎機粉碎、過濾后粒徑在2～20 mm，級配良好，真密度2.3 g/cm3，堆積密度1.3 g/cm3，孔隙率43%，可充填鎂渣核間的空隙，進一步縮小過水空間，經(jīng)計算，通過2 種骨料的充填，可將過水空間縮減至原先的27%，可大幅降低流速，為注漿加固提供適宜條件。

圖14 選擇的2 種充填骨料Fig.14 Two selected types of slag cores

3) 骨料灌注介質(zhì)及其流量

根據(jù)前人研究成果[27-28]，為降低骨料灌注時堵孔概率，應(yīng)當(dāng)使灌注介質(zhì)流速大于骨料在靜止介質(zhì)中自由下落速度，其中骨料在介質(zhì)中自由下落速度與其粒徑及密度呈正相關(guān)，與介質(zhì)的密度呈負相關(guān)，因此，為降低鎂渣核投放時堵孔概率，采用相對密度大的黏土漿射流方式灌注，黏土漿相對密度不小于1.2，流量不小于30 m3/h，鈣質(zhì)結(jié)核投放時，采用清水射流方式灌注，流量不小于15 m3/h。

采用上述骨料投放技術(shù)，自下午3 點開始投放鎂渣核，至次日早上6 點鈣質(zhì)結(jié)核投放結(jié)束時，水量已明顯減少至100 m3/h 左右，流量、流速降低明顯，已具備注漿加固的條件。

4.3 雙液漿注漿加固

涌水通道經(jīng)骨料充填后水量、水流速度衰減明顯，為防止水位升高后流速增加或沖垮構(gòu)建的“骨料墻”，需及時采用漿液將骨料固結(jié)，注漿加固時采用水泥?水玻璃雙液漿，水泥型號P.O 42.5，水灰比1∶1，水玻璃模數(shù)41，注漿時水玻璃添加量為水泥漿的5%～30%。注漿結(jié)束后水量衰減至6.6 m3/h，該涌水通道封堵成功(圖15)。

圖15 用水泥-水玻璃雙液漿加固后集中出水點情況Fig.15 Condition of the concentrated water gushing point after consolidation with cement-water glass slurry

4.4 治理效果

在上述技術(shù)方案的指導(dǎo)下，歷時6 d 將研究區(qū)東端幫煤層頂板集中涌水點水量由400 m3/h 封堵至6.6 m3/h，為煤礦企業(yè)節(jié)省3 000 萬元/a 的排水及水處理費用，同時實現(xiàn)了“保水采煤”，治理后東端幫外側(cè)燒變巖水位持續(xù)回升，其中封堵當(dāng)天觀測孔最大升幅達1.205 m(圖16)，對保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有重要意義。

圖16 煤層頂板出水點最近處BK5 孔水位變化情況Fig.16 Changes of the water level at the nearest point BK5 borehole of the coal seam roof water outlet

5 結(jié) 論

a.全面詳細分析研究區(qū)邊幫煤層頂板集中涌水通道的特征，結(jié)合施工資料，判斷該涌水通道為礦坑采剝爆破擴張原有薄弱面或裂隙形成，呈遞增開放式出露于礦坑內(nèi)部，向礦坑外側(cè)延伸距離大于65 m，與燒變巖周圍煤層頂板裂隙帶溝通。

b.針對爆破擴張裂隙向采剝反向延伸的特征，開創(chuàng)性地提出了邊幫爆破裂隙探查方案，并成功采用該方案探查出2 個與主涌水通道連通鉆孔，經(jīng)連通試驗與水動力條件試驗表明，煤層頂板集中涌水通道水動力條件較強，流速達0.36 m/s。

c.提出了“骨料攔阻網(wǎng)”概念，可提高骨料利用率、減少礦坑內(nèi)骨料堆積量，并采取先用黏土漿攜帶大粒徑鎂渣核后用清水?dāng)y帶小粒徑鈣質(zhì)結(jié)核的骨料灌注方案，實際灌注效果良好，降低工程成本、縮短骨料灌注時間，為注漿加固提供適宜條件。

d.采用“骨料攔阻網(wǎng)”后煤層頂板涌水點水流速度衰減明顯，通過水泥-水玻璃雙液漿封堵剩余過水空間，將涌水點水量由400 m3/h 封堵至6.6 m3/h，自導(dǎo)水通道探查至封堵成功前后僅用6 d，開創(chuàng)注漿堵水速度的新紀錄。