隔水層巖性對底板含水層注漿改造的影響

摘要：本文根據(jù)焦作礦區(qū)煤層底板隔水層巖性組合的不同條件，詳細(xì)介紹了在不同的巖性組合對工作面底板突水的影響，提出了切實(shí)可行的應(yīng)對措施，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

關(guān)鍵詞：隔水層 巖性組合 注漿改造

1 焦作礦區(qū)水文地質(zhì)概況

焦作礦區(qū)位于華北煤田南端，太行山南麓，礦區(qū)北部出露約1800km2的奧陶系灰?guī)r，奧灰?guī)r溶水水量十分豐富，水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜。開采的主要是二疊系山西組二1煤，煤層距底板含水層L8灰?guī)r20～40m、L2灰?guī)r70～80m、O2灰?guī)r100～120m，受礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的中小斷層影響，L2灰?guī)r與O2灰?guī)r水同源、同壓。L8灰?guī)r平均厚8m左右，富水性強(qiáng)，是二1煤層的直接充水含水層，L2灰?guī)r與O2灰?guī)r水通過倒灌L8灰?guī)r而發(fā)生惡性突水事故。因此，在突水危險(xiǎn)區(qū)回采工作面，均對L8灰?guī)r進(jìn)行底板含水層注漿改造。

2 底板含水層注漿改造的原理

底板含水層注漿改造技術(shù)是近幾年來興起的一項(xiàng)注漿堵水技術(shù)，主要是通過對底板含水層進(jìn)行打鉆注漿，注漿高壓使?jié){液充分在含水層的巖溶裂隙中擴(kuò)散，將巖溶裂隙中的水置換，使強(qiáng)含水層變?yōu)槿鹾畬踊蚋羲畬印＝棺鞯V區(qū)大多是對L8灰?guī)r含水層進(jìn)行注漿改造，采取均勻布孔的原則，盡量使鉆孔垂直于構(gòu)造裂隙的方向，能多斜穿L8灰?guī)r裂隙。套管下至L8灰?guī)r頂板5m左右，條件允許的情況下，盡量提高注漿壓力，至少為L8灰?guī)r水壓的2.5～3倍，注漿材料選用粘土水泥漿。

3 隔水層的巖性組合

焦作礦區(qū)二1煤層的底板隔水層厚20～40m，巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、砂巖和L9灰?guī)r組成，但每個(gè)采區(qū)的巖性比例卻不盡相同。有的地區(qū)砂巖的比例比較大，比如古漢山礦的11采區(qū)，其砂巖厚度局部占隔水層厚度的55%以上。方莊二礦的23采區(qū)，其砂巖厚度平均占隔水層厚度的60%以上。而演馬莊礦的22采區(qū)、九里山礦的14、11采區(qū)，其砂巖厚度平均占隔水層厚度比例不到40%。

4 突水經(jīng)過

2009年5月，方莊礦的23052工作面在回采到距停采線100m左右的位置時(shí)，發(fā)生底板突水，最大水量5.0m³/min。該工作面為中層工作面，頂層工作面回采前已進(jìn)行了底板含水層注漿改造，未發(fā)生突水。2005年6月，古漢山礦11091工作面回采時(shí)發(fā)生底板L8灰?guī)r突水，水量最大為2.6m³/min，到2007年12月，11092中層工作面回采時(shí)，最大水量達(dá)到26m³/min，L2灰?guī)r水位下降，該工作面接受了深部含水層的補(bǔ)給。這兩個(gè)工作面的突水，都是中層突水量比頂層突水量大，其隔水層中砂巖均占到隔水層厚度比例的60%以上。

2006年6月，演馬莊礦22061工作面回采到40m時(shí)，由于礦壓的作用，發(fā)生底板突水，最大水量為20 m³/min。2009年5月，當(dāng)中層22062工作面回采時(shí)也發(fā)生了突水，但最大水量只有6.0m³/min，突水水源均為L8灰?guī)r水，沒有深部水的參與。該工作面隔水層中砂巖占隔水層厚度的比例不到40%。

5 隔水層巖性對底板含水層注漿改造的影響

縱觀以上突水情況，在底板隔水層巖性組合中，砂巖比例大的區(qū)域，工作面中層回采時(shí)易發(fā)生突水，且往往比第一次的突水量大，相反，砂巖比例小，泥巖比例大的區(qū)域，工作面中層回采時(shí)一般不會發(fā)生突水。經(jīng)分析研究，可能存在以下兩個(gè)方面的因素。

5.1 由于砂巖是脆性巖石，質(zhì)地堅(jiān)硬，不易發(fā)生底鼓變形，但其破壞深度大，頂層工作面注漿改造時(shí)，注漿的高壓將L8灰?guī)r含水層的水頂回到L8灰?guī)r底板以下，這使L8灰?guī)r底板所承受的壓力遠(yuǎn)大于正常的水壓，頂層工作面回采時(shí)，隔水層所受的破壞深度較小，沒有影響到L8灰?guī)r含水層，不會發(fā)生大的突水事故，而中層工作面回采時(shí)，隨著底板破壞深度的增加，砂巖形成的垂直裂隙進(jìn)一步延伸，有效隔水層的厚度減小，強(qiáng)度承受不了L8灰?guī)r底板高壓水的沖擊，產(chǎn)生新的導(dǎo)水通道而發(fā)生突水。如古漢山礦的11092工作面，頂層回采時(shí)水量僅2.6m³/min，中層回采時(shí)水量達(dá)到26m³/min。

5.2 頂層工作面回采時(shí)，由于底板砂巖垂直裂隙發(fā)育，注漿鉆孔的套管阻隔了漿液在砂巖層中的充填，砂巖水通過導(dǎo)水裂隙涌入工作面，回采后，頂板塌落，重新將底板砂巖裂隙壓實(shí)，形成新的隔水層。當(dāng)中層工作面回采后，再一次將隔水層破壞，由于砂巖水的補(bǔ)給有限，與下部強(qiáng)含水層水壓的壓力差增大，底板含水層的水就突破隔水層的薄弱帶而涌入工作面造成突水事故。如方莊二礦的23052工作面，頂層回采時(shí)水量僅2.0m³/min，中層回采時(shí)，卻突水5.0m³/min。

6 結(jié)論

6.1 底板隔水層巖性組合中砂巖占比例大的區(qū)域易發(fā)生垂直導(dǎo)水，中層工作面回采時(shí)突水的可能性大。

6.2 由于砂巖裂隙發(fā)育，在底板注漿改造時(shí)應(yīng)對砂巖層進(jìn)行注漿加固。

6.3 注漿鉆孔的終孔位置盡量布置在L8灰?guī)r底板下20m以下的巖層中，以增加隔水層的厚度。

6.4 注漿時(shí)在條件許可的情況下盡量加大注漿壓力，增加注漿量。

6.5 在注漿前期，加大漿液中粘土的比例，不僅可以增加漿液的擴(kuò)散半徑，而且可以提高巖石的柔韌性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉同鐵.基于礦區(qū)水文地質(zhì)條件及含水層分布特征分析[J].價(jià)值工程，2011（12）.

[2]王心義，王世東，劉白宙，白忠凱.礦井煤層底板含水層注漿改造技術(shù)[J]，礦業(yè)研究與開發(fā)，2005（06）.

[3]邢文平，張占全，劉白宙.焦作礦區(qū)底板含水層注漿改造技術(shù)研究與應(yīng)用[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（04）.