以覆巖離層注漿為主的保水采煤技術研究

晏 嘉，徐衛衛，齊 寬，王 康，王 淇，張絲諾

（1.中煤地生態環境科技有限公司，北京 100070； 2.陜西榆林能源集團郭家灘礦業有限公司，陜西榆林 719000）

0 引言

近年來，西北地區的神東、陜北、蒙西、寧東、新疆等地成為我國原煤主產地，2022 年，以上區域原煤產量占全國的70%以上。西北地區主要含水層多賦存在煤層之上，高強度開采導致上覆巖層破壞導通上部含水層，造成地下水水位下降［1-2］。據統計，20 世紀80 年代中后期以來，陜北薩拉烏蘇組潛水水位因煤炭開采高下降超過8m，影響區域超760km2；2015 年，榆神府礦區有2 204 個泉因煤炭開采而干涸斷流，占到了總泉數的85%。而西部沙漠半沙漠地區水資源緊缺，生態環境脆弱，淺層地下水對當地自然環境、經濟生活影響極大，如何在煤炭開采的同時保護好淺層地下水資源，防止生態環境退化，是當前煤炭開采前必須考慮的問題。1992年，范立民提出了保水采煤構想，即通過合理設計采煤工藝，優化接續計劃等，控制煤層開采對上部含水層破壞，降低采煤對生態環境的影響［3-5］。之后，王雙明院士團隊研究形成了基于保護生態水位為核心思想的“鄂爾多斯盆地生態脆弱區煤炭開發與生態環境保護關鍵技術”［6］。此后，經過多年的研究與實踐，逐步形成了在分析研究地質條件和覆巖破壞規律基礎上，對上部具有供水意義和生態價值的含水層穩定性進行有效控制，保護生態水位在合理范圍內的保水采煤技術方法，以實現煤炭開采與生態環境的協調發展［7-9］。

陜北侏羅紀煤田榆神礦區面積約5 265km2，已探明煤炭資源儲量733.45 億t，是國家重點建設的14 個大型煤炭基地之一。該區地處毛烏素沙漠東南，以風積沙漠為主，長年干旱少雨，區域蒸發強烈，地表徑流量小，屬干旱半干旱區，生態環境較為脆弱［10］。榆神礦區地質構造簡單，地下水主要含水層為薩拉烏蘇組潛水含水層，是礦區紅石峽水庫水源地、瑤鎮水庫水源地和紅堿淖自然保護區3 個以生態敏感區的主要供水支撐。如何控制、降低采礦活動對以生態敏感區的影響，保護當地脆弱的生態環境是當前面臨的重要問題［11-12］。

覆巖離層注漿技術基于錢鳴高院士的巖層移動與控制關鍵層理論，利用煤層開采后上覆軟硬巖層因撓度不同而形成的離層空間，通過施工鉆孔向離層內充注大量粉煤灰、煤矸石等漿液，形成“離層區充填體＋關鍵層＋煤柱”的復合支撐承載結構，控制關鍵層及以上地層不破斷，從而減少開采地面沉降［13-15］。該技術具有前期投資少、運行成本低、采充互不干擾等優勢，在控制沉降的同時還能消納大量粉煤灰、煤矸石等煤基固廢。近年來，該技術成功應用于山西、陜西、內蒙古等地的煤炭“三下開采”、煤基固廢無害化處置等領域，取得了良好的環境、經濟和社會效益。

本文以榆神礦區郭家灘井田為研究對象，以該區水文地質條件為依據，針對不同區域的采礦地質及覆巖特征，提出以分層開采、限制采寬為基礎，新型覆巖離層注漿技術控制上部含（隔）水層穩定為主，結合頂板隔水層再造（加固）、導冒裂隙帶（冒落帶和導水裂隙帶的合稱，下同。）封堵的保水采煤一體化技術體系，為西北生態環境脆弱地區保水采煤提供解決方案。

1 地質及水文地質特征

1.1 地質條件

郭家灘井田位于陜北侏羅紀煤田榆神礦區的南部，所處構造單元為華北地臺鄂爾多斯盆地之次級構造陜北斜坡北部，構造較為簡單，整體為一向北西緩傾單斜構造，平均傾角小于1°。井田內地表大部分被現代風積沙和第四系薩拉烏蘇組沙層覆蓋，僅在郭家窯梁至西營盤壕一帶局部出露有新近系保德組。地層由老到新依次有上三疊統永坪組，下侏羅統富縣組、中侏羅統延安組、直羅組、安定組，下白堊統洛河組，新近系上新統保德組，第四系中更新統離石組，第四系上更新統薩拉烏蘇組，第四系全新統風積層和沖洪積層。中侏羅統延安組為主要含煤地層，共有可采煤層12層。首采煤層2-2煤位于延安組第四段中上部或頂部，煤層厚度為0.82～14.03m，平均厚度為8.32m，埋藏深度在248.14～411.08m。

1.2 水文地質條件

井田內含水層主要分為新生界松散巖類含水層和中生界基巖含水層。新生界松散巖類含水層主要包括風積沙層和薩拉烏蘇組潛水含水層以及溝谷沖積層含水層，是當地主要供水水源，也是本次保水采煤的目標保護層?；鶐r類含水層除了洛河組砂巖富水性較好，具有一定的供水意義；安定組、直羅組、延安組僅部分層段砂巖富水性較好，且多以裂隙水為主。區內對保護水資源具有重要意義的隔水層主要有新近系上新統保德組紅土和侏羅系隔水巖組。井田內含（隔）水層位置見圖1。

圖1 2-2煤層頂含隔水層關系示意Figure 1 2-2 schematic diagram of the relationship between aquifer and aquiclude at the top of No.2-2 coal seam

區內地下水主要接受大氣降水入滲補給，補給量受降水量、降水強度、降水形式、地形地貌、含水層巖性等多種因素制約。區內多年平均降水量為394.6mm，并多以暴雨形式集中于每年7—9 月。此外沙漠區還有少量的凝結水補給?；鶐r承壓水主要通過側向補給，并以越流或發育至地表的導冒裂隙帶與潛水進行互補。地下水主要通過泉及垂向蒸發進行排泄。沙漠灘地及內流中心地帶，地下水水位埋深多小于3m，濕地及湖泊為地下水的蒸發排泄創造了條件。研究區水文地質單元屬于榆神礦區榆溪河水流系統，薩拉烏蘇組潛水含水層地下水徑流基本受地形地貌控制，總體從公火包兔—石拉特拉界—麻黃梁鄉分水嶺一帶沿北西—南東方向和北東—南西向榆溪河徑流。局部受白河、圪求河、五道河則、四道河則、二道河則及頭道河則影響，水流方向有一定改變。區內地勢較平坦，潛水徑流平緩，但在榆溪河河谷水力坡度有所增大，徑流速度較大。

2 保水采煤技術方案

2.1 總體思路

覆巖離層注漿作為采動巖層控制技術，有效實施可保持薩拉烏蘇組潛水含水層上部地層在采動過程中不破斷，從而減小開采對上部含水層的擾動破壞。但該技術具有一定的技術局限性，面對上覆巖層不具備關鍵層結構、煤層埋藏淺或地質構造復雜等情況時難以實施。本次保水采煤在全區實施大采高分層開采的基礎上，根據覆巖結構和井田地質條件對新型覆巖離層注漿技術、頂板隔水層再造（加固）等技術進行分區實施。同時，通過地下水檢測和地面沉降觀測對實施效果進行評價，若發現水質、水量變化，及時采取輔助手段在導冒裂隙帶注漿及時進行補救。保水采煤一體化技術貫穿于礦井設計、采前、采中、采后等開采全過程（圖2）。

圖2 保水采煤一體化技術路線Figure 2 Integrated technical route of coal mining under water containing

1）分層開采。郭家灘煤礦首采2-2煤層煤層平均厚度為8.32m，按照全煤厚進行開采計算，其導水裂隙帶高度為153.75～291.5m，而井田先期開采地段上覆基巖厚度為209.80～362.74m，致使開采后部分區域導水裂隙帶直接導通至薩拉烏蘇含水層，給煤炭開采帶來安全隱患的同時破壞了地下水資源。

通過分層開采方式限制一次開采高度，控制導水裂縫帶發育高度，防止煤層開采后導水裂隙帶與上部薩拉烏蘇組溝通。參照附近榆樹灣、杭來灣、金雞灘等礦井，當開采厚度為6m 時，2-2煤層導水裂隙帶最大高度為165m（裂采比取附近煤礦最大值：采高的27.5 倍），采煤時導水裂隙帶高度大多發育在直羅組基巖里，有部分區域導水裂隙帶發育至安定組底部，第四系潛水含水層下部保德組紅土隔水層結構未受明顯破壞。

基于以上研究分析并結合鄰近礦井生產實踐，首先在全區采用2-2煤層采用分層大采高綜采采煤法開采，為保險起見，進一步控制覆巖破壞，本次上分層開采高度確定為5m。

2）離層注漿充填。覆巖離層注漿技術適用于煤層埋藏較深、上覆基巖較厚、構造簡單的水平或緩傾斜地層，且該地層中存在關鍵層結構，根據工程經驗，其位置處于0.3～0.7H（H為煤層埋深）時，離層空間才具備注漿充填條件。當厚硬巖層埋深小于0.3H時，離層很容易發育到地表，而且注漿也會污染地下水源，當厚硬巖層埋深距離“兩帶”高度太近時，因為兩帶中發育橫向和縱向裂隙，如果在此層位離層空間注漿，可能將漿液或地下水導入采空區。

通過合理設置工作面采寬、留設一定寬度的區段隔離煤柱，確保相鄰兩工作面在采中采后處于非充分采動狀態，利用地面鉆孔對主關鍵層或目標關鍵層下方的采動離層區進行高壓注漿充填，向下壓實采空區形成一定強度的承載區，向上支撐主關鍵層或目標關鍵層，形成“覆巖關鍵層結構-充填壓實承載區-區段隔離煤柱”的復合支撐承載結構，對上覆巖層進行控制，避免上覆巖層發生破斷，保護主關鍵層或目標關鍵層上部含（隔）水層結構及地下水位穩定，達到保水采煤目的。覆巖離層注漿保水采煤機理見圖3、圖4。

圖3 采煤對上部含水層破壞示意Figure 3 Indication of destruction of upper aquifer by coal mining

圖4 覆巖離層注漿保水采煤機理示意Figure 4 Schematic diagram of mechanism of grouting into overburen abscission layer and coal mining under water containing

天然條件下，上下含水層之間夾有弱透水層，由于其仍具有一定的透水性，在水頭壓力的作用下，地下水通過弱透水層進行越流。離層空間中的大量漿液在沉淀壓實后形成的壓實體可使下部巖層滲透系數降低，減少上部含水層水越流補給。

3）頂板隔水層再造。該技術適用于地層為砂質泥質互層結構，導水裂隙帶上部發育多層隔水巖層，且未導通上部主要含水層的情況。導水裂隙帶雖然有一定厚度的基巖保護帶，但其厚度較小，不存在關鍵層結構，無法實施離層注漿充填。此類情況則可選擇隔水性能較差的隔水層段，通過施工定向水平鉆孔將水泥、粉煤灰、水玻璃等材料按比例制成漿液注入地層，漿液可以沿著裂縫滲流，充填裂隙帶，在該位置形成一定厚度的隔水層，阻隔上部薩拉烏蘇組含水層水通過導水裂縫帶導通進入工作面，實現保水采煤［16］。

4）導冒裂隙帶封堵。在對煤炭開采后形成的“三帶”進行研究探查的基礎上，通過實施鉆孔，添加特殊注漿材料封堵采動形成的局部斷裂、裂隙等導水通道，阻滯上部地下水進入礦井。該技術手段作為輔助和補救措施，可根據實際配合離層注漿、頂板隔水層再造等技術共同使用。

2.2 技術分區

根據井田內薩拉烏蘇組含水層條件、2-2煤層頂板隔水層厚度和導水裂隙帶發育高度等，結合覆巖物理力學性質，判斷煤層開采后薩拉烏蘇組含水層的影響程度，井田先期開采地段為非自然保水采煤區，需采取保水采煤措施。

通過對井田GK4-4等24個鉆孔進行統計計算，選擇主關鍵層為離層注漿目標關鍵層，并繪制薩拉烏蘇組至注漿關鍵層等值線圖以及主關鍵層至煤層頂板等值線圖（圖5、圖6）?？梢钥闯?，薩拉烏蘇組至注漿關鍵層地層厚度在先期開采地段中部、西南部及東北部等區域較薄，但區內均大于60m；注漿關鍵層至煤層頂板之間的地層厚度110～260m，在先期開采地段中部、西南部等局部區域較薄。

圖5 薩拉烏蘇組至注漿關鍵層等值線Figure 5 Isoline from Salawusu Formation to grouting key

圖6 注漿關鍵層至煤層頂板高度等值線Figure 6 Height isoline from grouting key layer to coal seam roof

根據工程經驗，實施離層注漿技術需滿足注漿關鍵層至含水層厚度至少10 倍的采高（本區即50m），且必須位于導水裂隙帶高度之上（導水裂隙帶高度可參照鄰近榆樹灣礦井的最大裂采比27.66進行計算為138.3m）。 基于此，盡管先期開采地段中部及西南部局部地區薩拉烏蘇組含水層底部基巖厚度符合條件，但其離層注漿目標關鍵層距煤層距離小于導水裂隙帶最大高度，無法有效實施離層注漿，故將此區域劃分為頂板隔水層再造技術區，其他區域為離層注漿技術區（圖7）。另外，根據礦井設計和生產計劃，可在大巷東翼規劃保水采煤示范區。

圖7 保水采煤技術分區Figure 7 Technical zoning of coal mining under water containing

3 保水采煤效果預計

煤層回采后在采空區上方依次形成冒落帶和導水裂隙帶，引起來自直接充水含水層的地下水由四周向冒裂帶匯集，進而形成礦井涌水。同時，分布于冒裂帶上部的含水層在水壓的作用下，部分通過巖石孔隙垂向越流補給，形成礦井涌水量。由于煤層上方存在多層砂泥巖復合隔水層，在其阻水作用下，來自冒裂帶發育范圍之外的垂向補給量一般較小。但在含水層垂向水勢差的作用下，含水層之間仍存在微弱的越流補給作用。

3.1 示范區注漿充填前涌水量預計

根據《榆神礦區三期規劃區礦井開發地下水環境影響研究報告》，采用比擬法（對比附近的生產礦井金雞灘煤礦）確定郭家灘煤礦產能為7.0Mt/h，離層注漿充填示范區涌水量為550.38m3/h。

對保護上部水資源具有重要意義的隔水層主要有新近系上新統保德組土層隔水層和侏羅系粉砂泥巖互層隔水巖組。受到采動影響后，隔水巖組發生結構性破壞，且先期試驗示范區內土層隔水層分布不均，存在薄弱地帶。由于隔水性能的區域不均一性，造成第四系松散含水層向下越流量增加。通過收集周邊金雞灘、杭來灣等煤礦涌水量的實測數據值，第四系涌水量占總涌水量為15%～35%，綜合周邊礦井第四系涌水量實測值進行比擬計算，確定第四系越流補給量占比25%，為137.59 m3/h。

3.2 示范區注漿充填后涌水量計算

特定的隔水層結構不受破壞是保水采煤的前提，通過實施離層注漿，避免關鍵層以上巖層受到采動影響發生結構性破壞，保護上部隔水層結構。保德組與侏羅系隔水層組穩定情況下，上部第四系含水層產生微弱越流補給，根據達西定律，計算示范區垂向入滲補給量，公式如下：

式中：K為垂向滲透系數，m/d；A為產生越流的面積，km2；I為隔水層兩側含水層的水力坡度，m/m；I0為隔水層起始水力坡度，m/m；δH為水頭差，m；L為垂向上的越流距離，m。

其中，水頭差由實際測量得到，垂向滲透系數采用導水裂隙帶高度以上所有含隔水層復合滲透系數。根據前期水文地質勘查結果、《水文地質手冊》經驗值、試驗示范區各層位分布及等厚線圖，厚度采用加權平均法取各層位均值，滲透系數取各組最大值及最小值兩種極值情況，計算綜合垂向滲透系數K。

將相關系數代入公式（1）可知，實施離層注漿，維持上部巖體穩定情況下，第四系越流補給量為49.5～61.9 m3/h，占總涌水量9.0%～11.2%。

4 保水采煤效果監測

煤礦開采對礦區地下水、地表水和地面都將產生一定的影響，為了能夠了解以離層注漿為主的保水采煤一體化技術在具體實施過程中的效果，擬進行對礦井涌水量、地表水及含水層水位和水質的變化，地表下沉等監控，如果礦井涌水量不大、水質也沒有明顯的變化、地表沉降數據在允許范圍內，則可以說明該方案實施的效果，充分了解對薩拉烏蘇組含水層保水的效果，并根據監測數據對保水采煤方案進行調整，若發現異常情況（涌水量變大或水質異常），及時采用輔助措施導冒裂隙帶封堵技術進行補救。

4.1 巖層移動監測

采用光纖監測技術，在工作面上方提前布置監測鉆孔，將光纖安裝在鉆孔內。采用封孔安裝光纖的方式，通過光纖測點與巖層的耦合，感知巖層移動變形，通過孔口監測儀器進行采集，反映不同深度層段的巖層移動信息。當工作面回采至采動影響范圍前開始監測巖移數據，直至地層穩定。

4.2 地下水監測

1）淺層地下水。在工作面切眼、工作面結束處各布置1個鉆孔，在工作面走向三分之一、三分之二處工作面外側各布置1 個鉆孔，共計4 個鉆孔，將來開采其它工作面時可適時進行封孔處理，也可作為水文長觀孔使用。通過布設鉆孔采取水樣，使用同位素進行地下水流示蹤，每7d采取水樣進行分析測試，持續監測水質變化狀況及薩拉烏蘇組淺層地下水漏失情況。

2）地下水動態。每7d 對礦井排水取樣進行化驗，水樣分析項目跟監測井相同；水量監測主要利用礦井井下監測系統，按照相關要求對礦井涌水量進行監測，登記涌水量臺賬。觀測頻率及時間同淺層地下水監測一致。

4.3 地表沉陷監測

在保水采煤試驗示范區工作面布設1條觀測線A，傾向上布設3 條觀測線B1，B2，B3（圖8），測點間距取25m，在特殊地段可以適當放寬或減小。在開采前即開始定期測量，測量地面塌陷的速率、沉降值等特征值，開采結束后繼續測量到地面變形穩定。通過對地表沉陷動態監測指導離層注漿充填、頂板隔水層再造（加固）工程實施，確保對上部含水層支撐穩定。

圖8 工作面測線及測點布置Figure 8 Layout of survey lines and measuring points in working face

5 結論

1）根據榆神礦區郭家灘井田地質及水文地質條件，初步形成了在分層開采、限制導水裂隙帶發育高度的基礎上，以覆巖離層注漿充填控制含（隔）水層穩定為主，結合頂板隔水層再造（加固）、導冒裂隙帶注漿封堵、保水采煤效果動態監測等技術的榆神礦區保水采煤一體化技術體系，并對不同的保水采煤技術進行了適用性分區研究。

2）對保水采煤試驗示范工作面在注漿充填前后的第四系潛水含水層水越流補給進行了預計對比分析。實施離層注漿充填后，預計第四系潛水含水層越流補給量為49.5～61.9 m3/h，比不實施離層注漿正常開采情況下降低了55%～64%。

3）提出了保水采煤效果動態綜合監測理念。在實施保水采煤過程中，通過對礦井涌水量、地表水及含水層水位和水質，以及巖層移動變形、地表下沉等進行動態監測，根據監測結果分析評價保水效果，及時調整技術工藝，必要時采取補救措施，確保保水采煤效果。