煤礦巷道涌水勘探與地面成孔注漿加固治理

梁東 張昕 宋黑

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

某煤礦位于登封市，東臨白沙水庫(kù)，煤礦采區(qū)范圍南北寬0.4 km，東西長(zhǎng) 0.8 km，一對(duì)豎井，開(kāi)采②1煤層，主井口標(biāo)高286.8 m，落底標(biāo)高69.8 m(井深217 m)，副井口標(biāo)高272.0 m，見(jiàn)煤標(biāo)高192.0 m。年開(kāi)采能力在10萬(wàn)t左右，目前采煤深度在50 m～250 m之間。2004年自主井大巷向東北開(kāi)掘+60 m平巷接近北部井田邊界時(shí)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，造成井巷被淹事故。事故出現(xiàn)后，曾采取在地面相應(yīng)井下出水點(diǎn)位置成孔注漿，堵水初見(jiàn)成效，但排水未完成時(shí)，又出現(xiàn)二次涌水淹井，排水量達(dá)200 t/h，水混蝕，水量還有增大的趨勢(shì)。為盡快恢復(fù)礦井生產(chǎn)，對(duì)礦區(qū)分別進(jìn)行了二維地震勘探和瞬變電磁法控制富水帶分布特征勘探等兩項(xiàng)工作，之后根據(jù)勘探情況，針對(duì)性的進(jìn)行地面成孔注漿堵水的加固方案。

1.2 地質(zhì)條件

該煤礦礦區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，地表多被第四系覆蓋，局部有二疊系地層出露，淺表層有卵石層發(fā)育。本井田地表多為第四系所覆蓋，屬隱伏井田。根據(jù)鉆孔揭露，本區(qū)地層由老至新依次為:寒武系、奧陶系(O)、石炭系(C)、二疊系(P)和第四系(Q)，井田構(gòu)造趨勢(shì)總體為一單斜構(gòu)造。煤礦臨近白沙水庫(kù)，地面徑流自西向東，主要為表層水和第四系松散層孔隙水。深層地下水主要為碎屑巖類基巖裂隙水和②1煤底板下碳酸鹽巖類巖溶水。隔水層多為層狀泥巖、砂質(zhì)泥巖、薄層砂巖鋁土質(zhì)泥巖，裂隙不發(fā)育，透水性差，層位穩(wěn)定，巖性致密，隔水性能良好。

2 勘探成果應(yīng)用分析

2.1 二維地震成果

二維地震勘探控制的井田內(nèi)構(gòu)造特征，查出了主要的邊界斷層DF1及與井田相關(guān)的區(qū)內(nèi)落差大于5 m的小斷層3條。

地震控制中的DF1斷層主要表現(xiàn)為近東西向展部，斷層落差較大，西側(cè)(S3線以西)斷點(diǎn)斷面清晰可見(jiàn)，向東延展表現(xiàn)為多組斷裂所構(gòu)成，斷點(diǎn)復(fù)雜，向東出井田邊界有向東北偏移的趨勢(shì)。此斷層性質(zhì)的變化與井田內(nèi)②1煤底板構(gòu)造形態(tài)密切相關(guān)，②1煤層底板受斷層影響，總體上為一向斜形態(tài)，煤層走向NS～NE、傾向E～SE的，地層傾角15°～46°。向斜軸北翼地層最陡，地層傾角一般為35°～46°，局部可達(dá)50°;向斜軸南翼地層較緩，地層傾角一般為15°～25°，局部可達(dá)30°。②1煤埋藏最淺部位于西北部，標(biāo)高為235 m，最深部位于東部，標(biāo)高為－90 m。

從地震的分析成果來(lái)看，礦井開(kāi)采+60 m巷井沿走向接近DF1斷層，并且涉及到本次勘察斷層預(yù)留安全煤帶的禁地之內(nèi)，是造成本次井下出水的根本所在。

2.2 瞬變電磁法成果

瞬變電磁法是根據(jù)大地電性和電磁反應(yīng)原理，通過(guò)對(duì)電磁反應(yīng)平面圖和剖面圖的解釋，較好地控制了井區(qū)內(nèi)②1煤底板灰?guī)r富水分布特征和斷層附近富水特征。井田內(nèi)的富水情況除井區(qū)內(nèi)東南部煤層底板下灰?guī)r的弱含水富水外，主要集中在DF1斷層帶附近形成富水帶。與地震所揭露的DF1表現(xiàn)形式一致，即在電法1240線以西，表現(xiàn)為斷層導(dǎo)水性質(zhì)，而1240線以東表現(xiàn)為強(qiáng)富水帶性質(zhì)，主要集中在DF1斷層1320線與1480線附近，而+60 m平巷北端點(diǎn)恰好落在電性反應(yīng)一富水帶中心附近，另斷層帶的復(fù)雜性是導(dǎo)致多次巷道出水的主要原因。

2.3 井下掘進(jìn)出水情況

當(dāng)回采21工作面僅3 m許時(shí)，上位角發(fā)生突水20 t/h～40 t/h(以下簡(jiǎn)稱突1)。前期亦曾發(fā)生距下位角以上約20余米處的下山夾水20 t/h(以下簡(jiǎn)稱突2)。為了治理突1，沿上位角向前掘巷3 m(巖層傾角驟然變大到35°～45°左右)，結(jié)果地下水又自煤層頂板的采動(dòng)空隙涌出。再?gòu)耐?退后8 m左右，在上覆巷上方開(kāi)切眼朝突水方向掘巷，放炮后，發(fā)現(xiàn)巖層雜亂無(wú)章，且有地下水溢出，同時(shí)工作面實(shí)施跳采。突水量則逐漸增加，決定放棄井下堵水，實(shí)施井口排水，水量達(dá)200 t/h，水仍混濁如故，水量還有增大的趨勢(shì)，因此決定地表打孔注漿堵水。

2.4 構(gòu)造位置和突水層位

根據(jù)前期注漿堵水資料:突水點(diǎn)位于DF1正斷層的上盤，斷距大于100 m，平距斷層約70 m～80 m。下盤為寒武系上統(tǒng)崮山組，白云巖、巖溶～裂隙發(fā)育，地下水量充沛，是②1煤層的間接充水含水層。后來(lái)的鉆孔揭露證實(shí)，是該斷層的支斷層(斷距約12 m～20 m)下盤太原組石灰?guī)r含水層(屬②1煤層底板直接充水含水層)突水。

2.5 前期注漿鉆孔布置

優(yōu)先考慮巖溶可能最發(fā)育、集中突水的部位，再考慮該點(diǎn)被堵以后，可能從其他最薄弱部位突水的危險(xiǎn)性，從而形成帷幕注漿，以達(dá)到治理斷層下盤太原組石灰?guī)r含水層水潰入生產(chǎn)礦井的危險(xiǎn)。

2.6 新突水點(diǎn)分析

在上位角突水點(diǎn)附近，已發(fā)現(xiàn)的大的突水通道已被堵死，但尚有隱蔽的，當(dāng)時(shí)由于巖溶～裂隙沉淀物的充填或斷層破碎帶的充填，注漿水泥也輻射不進(jìn)去，當(dāng)?shù)V井水位下降，它受的動(dòng)水壓水也在增大，從而突破充填物形成新的突水通道。支斷層導(dǎo)致②1煤層底板直接充水含水層水潰入巷道。大斷層往往構(gòu)成煤田或礦井的自然邊界，容易辯認(rèn)和重視，而其支斷層和沿?cái)鄬有纬傻膶?dǎo)水巖溶～裂隙發(fā)育帶，則比較隱蔽，即使斷距10 m左右，也會(huì)使上盤②1煤層的采空區(qū)與下盤的太原組石灰?guī)r含水層對(duì)接，致使下盤地下水潰入巷道，危及生產(chǎn)安全，這是本次突水的主要原因。沿?cái)鄬有纬傻膸r溶～裂隙發(fā)育帶是不均一的，即其形狀、大小和裂隙的寬度，延展長(zhǎng)度各不相同。就本次施工的鉆孔而言，1號(hào)鉆孔巖溶最發(fā)育，換言之為最薄弱環(huán)節(jié)，3，4孔巖溶～裂隙較發(fā)育，是次薄弱環(huán)節(jié)，2號(hào)孔巖溶～裂隙不發(fā)育，上盤②1煤層采空區(qū)與其對(duì)接，造成突水的可能性就小，上位角的突1正處于支斷層下盤巖溶最發(fā)育的薄弱環(huán)節(jié)，②1煤層底板直接充水含水層潰入巷道，已形成必須的條件，這是突水的第二個(gè)主要原因。

3 注漿工藝

1)注漿施工順序:先施工巷道出水點(diǎn)相應(yīng)地面四周帷幕孔，再施工中間的注漿孔，注漿分兩次進(jìn)行。2)注漿過(guò)程:注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法，注漿開(kāi)始后，要定時(shí)觀測(cè)泵的吸漿量和泵壓，記錄注漿過(guò)程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，收集原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整注漿量和漿液濃度，為便于注漿質(zhì)量控制，實(shí)際注漿時(shí)可選稀、稠兩種配比的漿液進(jìn)行灌漿，稀漿灌注量取單孔注漿量的10%為宜，但平均水灰比不宜低于1∶1.2，當(dāng)注漿量較大時(shí)，可在漿液中加入水泥重量3%的速凝劑。注漿過(guò)程中應(yīng)根據(jù)泵壓、泵量變化，調(diào)整漿液濃度;注漿壓力宜控制在靜水壓力的2倍～4倍，注漿以稀漿開(kāi)始到稠漿再到稀漿結(jié)束;注漿過(guò)程中每10 min觀測(cè)記錄一次泵壓、泵量、漿液比重等數(shù)據(jù)，壓力變化時(shí)作觀測(cè)記錄;每個(gè)注漿段注漿次數(shù)不少于3次(初注和兩次復(fù)注);每次注漿結(jié)束后，壓力表無(wú)壓力時(shí)可起塞，透孔在24 h后進(jìn)行，復(fù)注在48 h后進(jìn)行。3)止?jié){方法:采用KWS-115型止?jié){塞止?jié){方式，止?jié){塞的位置選擇在受注段頂界5 m～7 m的巖體較完整孔段內(nèi)，上下止?jié){塞過(guò)程中要嚴(yán)格執(zhí)行KWS型止?jié){塞操作規(guī)程。還有一種孔口套管止?jié){:此方法用于當(dāng)鉆孔塌孔嚴(yán)重，孔壁強(qiáng)度不好，容易縮徑，鉆孔較深，鉆進(jìn)時(shí)需用套管跟進(jìn)的鉆孔，具體做法是用φ159 mm的注漿管跟管鉆進(jìn)至止漏點(diǎn)頂部，井口與φ159 mm止?jié){裝置以絲扣相接，頂部接注漿壓力表和輸漿管。4)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):各注漿孔段注漿標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)注漿次數(shù)、注入量、終壓、終量來(lái)衡量的，一般終壓達(dá)到設(shè)計(jì)值，終量100 L/min，并穩(wěn)定30 min即可結(jié)束注漿。5)壓水試驗(yàn):壓水試驗(yàn)是檢查注漿質(zhì)量的主要手段，是預(yù)計(jì)井筒剩余涌水量的重要依據(jù)，可根據(jù)壓水試驗(yàn)計(jì)算單位吸水量大小，確定漿液配比;壓水試驗(yàn)時(shí)間確定為15 min。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程針對(duì)某煤礦巷道出現(xiàn)的二次涌水淹井事故，進(jìn)行了地面成孔注漿加固，突水點(diǎn)經(jīng)過(guò)注漿加固后，排除了再次突水的危險(xiǎn)，說(shuō)明二次注漿堵水取得成功，經(jīng)濟(jì)效益明顯。工程實(shí)踐表明，地面成孔注漿無(wú)論從施工條件和實(shí)施效果來(lái)看，都是一種行之有效的涌水治理技術(shù)，但這種技術(shù)對(duì)注漿效果的判斷上不夠直觀，因此在鉆進(jìn)和注漿過(guò)程中要認(rèn)真做好施工記錄，以保證注漿施工連續(xù)進(jìn)行。

[1]張先哲，尚照順.某煤礦+60巷道地面成孔注漿堵水設(shè)計(jì)方案[R］.河南豫中地質(zhì)勘察工程公司，2005.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，煤田鉆探技術(shù)規(guī)程[S］.

[3]YSJ 211-92，YBJ 44-92，注漿技術(shù)規(guī)程[S］.

[4]彭振斌.注漿工程設(shè)計(jì)計(jì)算與施工[M］.武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1997.