注漿充填保水置換煤炭技術(shù)實(shí)踐

魯亮

（1.濟(jì)南貝克礦山工程技術(shù)服務(wù)有限公司，濟(jì)南250031；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

注漿充填保水置換煤炭技術(shù)實(shí)踐

魯亮1,2

（1.濟(jì)南貝克礦山工程技術(shù)服務(wù)有限公司，濟(jì)南250031；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

新方礦井位于山東省濰坊市坊子區(qū)南部，區(qū)內(nèi)地表水缺乏，地下水嚴(yán)重不足。新方礦井4201下山采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，回采中斷層帶及附近易發(fā)生底板突水，影響工作面安全生產(chǎn)，需留設(shè)較多的斷層防水煤柱，煤柱內(nèi)壓煤量大。為充分開(kāi)采煤炭資源，同時(shí)有效保護(hù)煤層底板太古界花崗片麻巖水資源，確保礦井可持續(xù)發(fā)展，采用回采工作面超前注漿充填斷層破碎帶的措施，封堵底板導(dǎo)水裂隙，實(shí)現(xiàn)防止底板大量涌水，達(dá)到充分開(kāi)采置換煤炭資源的目的。以該采區(qū)3#工作面為例，介紹了注漿鉆孔的布置原則及施工過(guò)程，進(jìn)而對(duì)保水效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)?；夭勺C實(shí)，工作面注漿充填后，涌水量大幅降低，可確保工作面安全回采，同時(shí)有效保護(hù)了地下水資源，對(duì)減緩濰坊市“水量性缺水”現(xiàn)狀起到了積極的作用。

注漿充填；保水開(kāi)采；鉆孔布置；效果評(píng)價(jià)

0引言

我國(guó)的能源開(kāi)發(fā)和利用，尤其是以煤炭為主的能源供應(yīng)，支撐了經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，與此同時(shí)，也面臨著嚴(yán)峻的資源及環(huán)境挑戰(zhàn)。而煤炭開(kāi)采過(guò)程與水資源緊密相關(guān)，一方面，煤礦的開(kāi)采將直接破壞地下含水層結(jié)構(gòu)，隨著礦井水的排放將逐步形成地下水降落漏斗，對(duì)地下水形成不容易恢復(fù)的破壞；另一方面水又是煤礦開(kāi)采的五大災(zāi)害之一，在受水威脅的礦區(qū)，嚴(yán)重制約著煤礦安全生產(chǎn)。

近年來(lái)，不少煤炭企業(yè)在保護(hù)水資源方面做了大量工作，尤其是在充填開(kāi)采方面，為保水開(kāi)采提供了一條新途徑。目前國(guó)內(nèi)外保水開(kāi)采多圍繞頂板水進(jìn)行相關(guān)研究，底板高承壓含水層防治也進(jìn)行了相關(guān)研究，但通過(guò)注漿充填保水來(lái)置換煤炭資源的研究及實(shí)踐較少。本文擬通過(guò)新方礦業(yè)4201下山采區(qū)開(kāi)采，深入探討和研究注漿充填保水置換煤炭技術(shù)，通過(guò)工作面實(shí)際開(kāi)采情況對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1研究區(qū)水資源及煤炭開(kāi)采現(xiàn)狀

新方礦井位于山東省濰坊市坊子區(qū)南部，是濰坊市目前剩余的唯一一對(duì)生產(chǎn)礦井。坊子區(qū)水資源嚴(yán)重缺乏，年人均占有水資源可利用量249 m3，為全國(guó)平均水平的八分之一；年畝均分配水資源量175 m3，為全國(guó)平均水平的十分之一。區(qū)內(nèi)無(wú)大中型河道及攔蓄水工程，地表水缺乏，地下水嚴(yán)重不足，部分村莊出現(xiàn)了無(wú)水可用的現(xiàn)象。因此，保護(hù)地下水資源是坊子區(qū)保障人民生活、保持長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的重要戰(zhàn)略工程。

新方礦井4201下山采區(qū)東部靠近井田邊界，大致呈西北至東南向不規(guī)則長(zhǎng)條形，面積約1.33 km2。采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育。開(kāi)采煤層留設(shè)的斷層防水煤柱多，煤柱內(nèi)壓煤量大。受斷層影響，工作面多數(shù)按三角形布置，回采困難。特別是開(kāi)采煤層下距太古界花崗片麻巖平均間距43.37 m，回采中斷層帶及附近易發(fā)生底板突水，影響工作面安全生產(chǎn)。4201下山采區(qū)設(shè)計(jì)回采工作面16個(gè)（1#～16#工作面），其中1#工作面已回采結(jié)束，該面未超前采取底板裂隙注漿措施，工作面開(kāi)采時(shí)正常涌水量60 m3/h，涌水主要為底板太古界花崗片麻巖水。涌水原因是工作面采后圍巖破壞影響到了工作面周圍的斷層煤柱，導(dǎo)致煤層底板太古界花崗片麻巖水沿?cái)鄬印⒘严兜葘?dǎo)水通道涌入采空區(qū)。

鑒于上述開(kāi)采地質(zhì)條件及水資源缺乏的現(xiàn)狀，本次研究設(shè)計(jì)在4201下山采區(qū)采用回采工作面超前注漿充填底板斷層破碎帶的措施，封堵底板導(dǎo)水裂隙，防止底板大量涌水，達(dá)到充分開(kāi)采置換煤炭資源的目的。

2研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)

區(qū)內(nèi)所見(jiàn)地層有第四系、白堊系、侏羅系、太古界泰山群。煤系屬中生代侏羅系坊子組，含煤5層，其中可采煤層為上、中、下共3層煤，均為中厚煤層，可采區(qū)內(nèi)總平均厚度6.23 m，主要開(kāi)采上、中兩層煤。研究區(qū)整體呈東北高西南低的單斜構(gòu)造，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)落差（H）≥5 m的斷層18條，其中5 m≤落差（H）＜30 m的斷層14條，落差（H）≥30 m的斷層4條。

區(qū)內(nèi)充水含水層為侏羅系坊子組上、中、下層煤基本頂含水層和煤系基地太古界泰山群花崗片麻巖裂隙含水層。據(jù)2014年在4201下山運(yùn)輸巷內(nèi)施工水文觀測(cè)孔資料，水壓1.5 MPa，富水性較好，含水性不均勻，為主要充水含水層。礦井出水點(diǎn)受斷層控制，大的出水點(diǎn)發(fā)生在斷裂帶附近或斷裂復(fù)合部位。

根據(jù)礦井生產(chǎn)規(guī)劃，4201下山采區(qū)未采工作面2015年至2020年生產(chǎn)。本次研究方案對(duì)2#～16#工作面涌水量采用1#工作面回采時(shí)實(shí)測(cè)資料，利用面積類比法進(jìn)行了預(yù)測(cè)。1#工作面回采面積22040 m2，斷層1條，正常涌水量60 m3/h。預(yù)測(cè)各工作面涌水量28～140 m3/h（表1）。

3底板裂隙注漿充填保水開(kāi)采設(shè)計(jì)

3.1注漿充填保水開(kāi)采技術(shù)方法

4201下山采區(qū)開(kāi)采中層煤，煤層厚度0.49～2.28 m，平均1.30 m。采煤工藝為炮采、高檔普采或綜采，采用單體液壓支柱與交接頂梁聯(lián)合配套或綜采支架支撐頂板。

表1　4201下山采區(qū)工作面涌水量預(yù)測(cè)表Table 1 No.4201 dip stoping area production face water inflow prediction

根據(jù)采區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，保水開(kāi)采技術(shù)方法為：對(duì)回采工作面采取采前底板裂隙注漿充填的方法，封堵導(dǎo)水通道，減少工作面涌水，實(shí)現(xiàn)采動(dòng)條件下保護(hù)底板太古界花崗片麻巖水資源、確保工作面安全回采的目的。

3.2工作面底板裂隙注漿充填

本采區(qū)中層煤至底部花崗片麻巖含水層間距33.74～52.51 m，平均43.37 m，受開(kāi)采影響，斷層可能導(dǎo)致底板水突出。

根據(jù)兗州礦區(qū)楊村煤礦太原組煤層（厚度1.2～1.3 m）采后底板破壞深度實(shí)測(cè)資料［1］及坊子煤礦以往開(kāi)采數(shù)據(jù)，煤層采后底板破壞深度不大于20 m。目前，花崗片麻巖水壓1.5 MPa，斷層破碎帶突水系數(shù)按0.06 MPa/m計(jì)算，該區(qū)隔水段巖層厚度25 m，故底板斷層帶注漿堵水加固段為煤層底板向下20～45 m。

根據(jù)工作面地質(zhì)情況和生產(chǎn)接續(xù)計(jì)劃，以3#工作面為例對(duì)設(shè)計(jì)布置注漿孔進(jìn)行介紹。

3#工作面位于采區(qū)南部，中層煤底板標(biāo)高-701.50～-708.10 m，工作面大致為一向東傾斜的單斜構(gòu)造。工作面南北兩側(cè)分別發(fā)育一條與工作面大致平行的正斷層，回風(fēng)巷北側(cè)有F4-51斷層，落差8～10 m，進(jìn)風(fēng)巷南側(cè)有F4-49斷層，落差18 m。

3.2.1注漿孔布置原則

（1）工作面內(nèi)外采動(dòng)影響范圍內(nèi)落差（H）≥5 m的斷層均布孔注漿，對(duì)落差（H）≥30 m的斷層，其下降盤(pán)注漿孔垂向按扇形布置，每組孔數(shù)2～3個(gè)。

（2）注漿孔布置在工作面軌道巷或運(yùn)輸巷內(nèi)。

（3）注漿水泥漿擴(kuò)散半徑25 m。根據(jù)斷層長(zhǎng)度，結(jié)合水泥漿擴(kuò)散半徑確定注漿鉆孔數(shù)量，并確保各注漿孔漿液擴(kuò)散對(duì)接。

（4）俯角注漿孔垂深為各開(kāi)孔點(diǎn)中層煤底向下30 m，終孔位置進(jìn)入斷層破碎帶（圖1）。

圖1　F4-51斷層3B1號(hào)注漿孔設(shè)計(jì)剖面示意圖Figure 1 A schematic diagram of fault F4-51 No.3B1 grouting borehole designed configuration

（5）注漿覆蓋率確保90%以上。

（6）每條斷層注漿后，注漿段需布置質(zhì)量檢查孔。檢查孔對(duì)注漿段質(zhì)量要有控制性，孔數(shù)一般不少于2個(gè)。

3.2.2注漿孔布置數(shù)量

3#工作面設(shè)計(jì)斷層注漿長(zhǎng)度600 m（進(jìn)風(fēng)巷外側(cè)F4-49斷層480 m，回風(fēng)巷外側(cè)F4-51斷層120 m），注漿孔12個(gè)，質(zhì)量檢查孔4個(gè)，總工程量648 m。

4底板裂隙注漿充填保水開(kāi)采實(shí)踐

4201下山采區(qū)需注漿的回采工作面15個(gè)（2#～16#面），設(shè)計(jì)注漿孔331個(gè)，鉆進(jìn)工程量12215 m。設(shè)計(jì)質(zhì)量檢查孔70個(gè)（需注漿斷層共35條，每條斷層施工2個(gè)檢查孔），單孔平均深度39 m，工程量2730 m。合計(jì)鉆孔401個(gè)，總工程量14945 m。

下面以3#工作面為例對(duì)注漿施工及效果進(jìn)行說(shuō)明。

4.1工作面底板斷層注漿施工

4.1.1注漿施工

注漿施工與注漿孔施工交叉進(jìn)行。先施工回風(fēng)巷的3B1、3B2號(hào)孔，注漿結(jié)束后施工3J1號(hào)質(zhì)量檢查孔，而后施工進(jìn)風(fēng)巷的3A10～3A1號(hào)注漿孔，注漿孔注漿結(jié)束后，施工了3J2～3J4號(hào)質(zhì)量檢查孔。注漿鉆孔于2015年6月22日至9月20日施工，歷時(shí)91 d，共施工注漿孔12個(gè)，質(zhì)量檢查孔4個(gè)（圖2）。12個(gè)注漿孔注漿完成后，3#工作面總注漿量1707 m3，水泥用量1437.2 t。施工時(shí)各環(huán)節(jié)均嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求施工，注漿時(shí)未出現(xiàn)設(shè)計(jì)外的異?，F(xiàn)象。

通過(guò)3J1、3J2、3J3、3J4號(hào)質(zhì)量檢查孔取樣及鉆孔壓水等方法對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查，檢查孔出水量（Q）均小于1 m3/h，斷層帶及巖層裂隙水泥充填好，達(dá)到注漿效果。4個(gè)質(zhì)量檢查孔不需補(bǔ)注漿，隨即封孔，注漿施工結(jié)束。

4.2生產(chǎn)過(guò)程及采出煤量

3#工作面走向長(zhǎng)120 m，平均傾斜長(zhǎng)275 m，面積33000 m3。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。于2015年6月25日至10月31日回采，歷時(shí)129 d，共采出煤炭155031 t。

4.3保水效果評(píng)價(jià)

4.3.1工作面涌水量

3#工作面回采過(guò)程中僅局部出現(xiàn)少量頂板淋水，底板未出現(xiàn)涌水。面內(nèi)首次出現(xiàn)少量淋水為工作面推進(jìn)35 m后，初始涌水量1 m3/h，而后涌水量稍有增加，至工作面回采結(jié)束穩(wěn)定涌水量9 m3/h（表2），對(duì)生產(chǎn)無(wú)影響。

4.3.2含水層水位變化

表2　3#工作面涌水量表Table 2 Production face No.3 water inflow

（1）采前水位。據(jù)2014年在4201下山運(yùn)輸巷內(nèi)（1#工作面北西200 m處，孔口標(biāo)高-684 m）施工的水文觀測(cè)孔（G1號(hào)孔）資料，水壓1.5 MPa，換算水位-534 m。

（2）采動(dòng)水位。2015年1月至11月，3#工作面開(kāi)采時(shí)對(duì)G1號(hào)孔觀測(cè)，水位無(wú)明顯下降（表3）。證明由于工作面回采過(guò)程中涌水量較小，下部花崗片麻巖水的疏放量小，對(duì)水位未造成影響，注漿起到了保護(hù)花崗片麻巖含水層水的作用。

表3　G1號(hào)孔水位觀測(cè)資料Table 3 Data sheet of borehole G1 water-level observation

4.3.3含水層水質(zhì)分析

根據(jù)3#工作面開(kāi)采前1#工作面水質(zhì)資料，花崗片麻巖含水層礦化度1 852.65 mg/L，pH值8.64，水化學(xué)類型為CI-Na型。3#工作面開(kāi)采中分別對(duì)工作面采集了水樣，送濰坊市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所化驗(yàn)室進(jìn)行了水質(zhì)分析。通過(guò)資料對(duì)比，2個(gè)工作面涌水特征基本相同（表4），證明注漿施工對(duì)工作面充水含水層水質(zhì)無(wú)影響。

表4　1#工作面與3#工作面水質(zhì)對(duì)比Table 4 Water quality comparison between in production faces No.1 and No.3mg/L

5結(jié)論及建議

（1）3#工作面開(kāi)采前對(duì)受煤層采動(dòng)影響的斷層帶進(jìn)行了注漿充填，起到了加固煤層頂?shù)装宓貙拥淖饔?。開(kāi)采過(guò)程中，受中層煤頂板砂巖局部含少量構(gòu)造裂隙水影響，局部出現(xiàn)少量頂板淋水，但底部片麻巖水未進(jìn)入工作面，確保了工作面安全回采。

（2）3#工作面于2015年10月末回采結(jié)束，工作面總涌水量穩(wěn)定在9 m3/h左右。按原回采工藝進(jìn)行回采，預(yù)計(jì)總涌水量74 m3/h。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，涌水量減少65 m3/h。即采用注漿保水生產(chǎn)工藝，有效保護(hù)地下水資源65 m3/h，置換煤炭155031 t，說(shuō)明本次注漿充填保水置換煤炭技術(shù)是可行的，而且效果較好。未來(lái)可在全礦加快推廣，以解放大量的煤炭資源，有效延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，同時(shí)可減少地下水資源流失，減緩濰坊市“水量性缺水”現(xiàn)狀。

（3）加強(qiáng)注漿充填材料的研究工作，在保證不污染底板含水層水情況下，進(jìn)一步降低注漿充填成本。

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Practices of Grout Filling Water Conservation Coal Replacement Technology

Lu Liang1，2
（1.Jinan Baker Mining Engineering Technology Co.Ltd.，Jinan，Shandong 250031；2.College of Geoscience and Surveying Engineering，CUMTB，Beijing 100083）

The Xinfang coalmine is situated in the southern Fangzi District，Weifang City，Shandong Province；surface water in the area is insufficient，groundwater serious shortage.The No.4201 dip stoping area has complicated structures，in faulted zone and periphery can easily cause floor water bursting during winning and impact working face safety in production.Thus more fault water barrier is needed and caused large amount of protecting coal.To fully exploit coal resources and effectively protect Archean granite gneiss water resources under coal measures floor，ensuring coalmine sustainable development，thus production face advanced grout filling in shattered fault zone is used to plug floor water conducted fractures，prevent floor water gushing，and realize full coal resources replacement target.Taking the No.3 production face in the stoping area as an example，introduced grouting boreholes layout principle and operation procedure，and then assessed water conservation effect.The coal winning has confirmed that after production face grouting，largely reduced water inflow，ensured safety in winning，meanwhile effectively protected groundwater resources，and actively mitigated the“quantitative water shortage”status in Weifang City.

grout filling；water conservation mining；boreholes layout；effect assessment

P641.4+61；TD745+.2

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2016.09.12

1674-1803（2016）09-0058-04

魯亮（1985—），男，山東臨沂人，工程師，礦井地質(zhì)和水文地質(zhì)方向。

2016-03-11

責(zé)任編輯：樊小舟