注漿堵水技術(shù)在堡子公司的應(yīng)用

李 榮

(陽泉煤業(yè)集團(tuán)沙鋼礦業(yè)投資有限公司，山西 臨汾 043500)

0 引言

2017年1月17日，堡子公司2202工作面探巷出水，主要原因是底板奧陶系灰?guī)r水沿?cái)鄬恿严稁в咳胂锏?，?duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅，部分巷道被淹，同時(shí)也影響到礦井F36斷層兩側(cè)2#煤層煤炭資源的開采，為了確保2201、2202和2203工作面的順利回采，采用井下施工注漿加固鉆孔，對(duì)F36正斷層及破碎帶形成的充水通道及隔水層薄弱地帶進(jìn)行注漿加固與封堵，截?cái)嗥溲a(bǔ)給水源。

1 水文地質(zhì)及出水點(diǎn)概況

1.1 井田地層及可采煤層

堡子井田位于山西省沁水煤田晉城礦區(qū)西南部。根據(jù)地表出露、鉆孔勘探及井下揭露，井田地層由老到新發(fā)育有奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組，第四系中、上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)。

礦井可采煤層為2#和9#煤層，采區(qū)布置分煤層布置，目前主要開采2#煤層，開采位置位于二采區(qū)2201、2202、2203工作面。

1.2 二采區(qū)地質(zhì)概況

二采區(qū)2202工作面東為2201工作面、西為2203工作面(統(tǒng)稱為“二采區(qū)”)，2#煤層平均厚度4.5 m，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度1.0 m；老頂為粗粒砂巖，厚度3.0 m；直接底為泥巖，厚度2.0 m；老底為細(xì)砂巖，厚度2 m。二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)煤層底板標(biāo)高+790～+910 m，總體為一走向NW、傾向NE的單斜構(gòu)造。二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)采掘揭露斷層7條，其中斷層F36落差為37 m，產(chǎn)狀走向NE，傾向SE，井田內(nèi)延伸長(zhǎng)度1 100 m，其余均為小型正斷層，落差小于5 m，如圖1所示。

圖1 二采區(qū)采掘工程平面示意圖

根據(jù)B1-2、ZK601、ZK2號(hào)(未揭露奧灰)鉆孔資料，二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)2#煤層底板距離K2灰?guī)r頂板厚度分別為43.33 m、62.50 m、56.17 m，平均厚度54 m；2#煤層底板距離奧灰頂界面厚度分別為75.30 m、92.29 m，平均厚度約84 m。

1.3 二采區(qū)水文地質(zhì)概況

2#煤層充水水源主要為二疊系砂巖裂隙含水層水(K8砂巖)，其次為底板太灰水和奧灰水。其中二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)2#煤層底板標(biāo)高+790～+910 m，奧灰水水位標(biāo)高+944 m左右，2#煤層底板至奧灰頂界面平均厚度84 m，二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)奧灰水突水系數(shù)介于0.026～0.039 MPa/m。

1.4 二采區(qū)2202工作面探巷出水點(diǎn)情況

2202工作面探巷施工70 m時(shí)停掘，探道17°上山，停掘位置距F36斷層25 m。2017年1月17日21：20，探巷底板裂隙出水(裂縫約10～20 mm的寬度)，出水量達(dá)到150 m3/h。另外2203工作面回風(fēng)順槽穿越F36斷層時(shí)也出現(xiàn)出水，最大為2 m3/h，當(dāng)2202工作面探巷出水后，2203工作面回風(fēng)順槽穿越F36斷層位置出水量逐步衰減(如圖1)。

2202工作面探巷出水點(diǎn)處煤層底板標(biāo)高約+815 m，奧灰水位標(biāo)高+944 m，出水點(diǎn)奧灰水帶壓約1.3 MPa。

2 注漿治理方案

為了確保2201、2202和2203工作面的順利回采，采用井下施工鉆孔進(jìn)行注漿封堵，截?cái)嗥溲a(bǔ)給水源。

2.1 鉆探工程設(shè)計(jì)

鉆孔布置：鉆場(chǎng)布置2個(gè)，位于2202切巷(Z1)和2203切巷(Z2)；鉆孔初步布置16個(gè)，Z1鉆場(chǎng)9個(gè)(K2灰?guī)r探查孔1個(gè))，Z2鉆場(chǎng)7個(gè)。其中K2灰?guī)r探查孔1個(gè)(表1、圖2)，落點(diǎn)進(jìn)入F36斷層下盤K2灰?guī)r含水層(二采區(qū)平均厚度11 m)，終孔距離K2灰?guī)r頂板5 m；奧灰注漿孔15個(gè)，落點(diǎn)水平間距20 m，目標(biāo)層為F36斷層下盤奧灰含水層，其中10個(gè)孔(表2、圖2)穿過斷層進(jìn)入下盤奧灰，終孔距離奧灰頂界面20 m，其余5個(gè)孔(表3、圖3)揭露斷層上盤K2灰?guī)r后，穿過斷層進(jìn)入下盤奧灰垂直距離20 m。施工鉆孔具體參數(shù)見表1～表4，鉆孔落點(diǎn)示意圖如圖5，井下注漿孔施工過程中根據(jù)揭露地層及其出水情況進(jìn)一步調(diào)整鉆探工程。注漿工程結(jié)束后，施工注漿檢查孔，設(shè)計(jì)5個(gè)(參數(shù)見表4、圖4)，要求全段取芯并進(jìn)行終孔壓水試驗(yàn)，了解巖石裂隙的充填程度及注漿后鉆孔水量大小，發(fā)現(xiàn)鉆孔裂隙發(fā)育水量大時(shí)要進(jìn)行補(bǔ)注漿液。

表1 K2-1探查孔參數(shù)一覽表

圖3 注漿孔和檢查孔布置示意圖

孔號(hào)方位角/(°)傾角/(°)垂距/m平距/m孔深/m孔口管?146 mm長(zhǎng)度/m止水套管?127 mm長(zhǎng)度/m裸孔段?108 mm長(zhǎng)度/mZ1-X1345-30671161341218116Z1-X2327-356794115121897Z1-X3315-386786109121891Z1-X4288-406780104121886Z1-X5275-386787110121892Z2-X1354-366793115121897Z2-X2330-43677198121880Z2-X3314-44677097121879Z2-X4287-386787110121892Z2-X5278-34671011211218103

表3 奧灰注漿孔參數(shù)一覽表

表4 奧灰檢查孔參數(shù)一覽表

圖4 注漿孔目標(biāo)層位示意圖

鉆孔設(shè)計(jì)：①Z1和Z2鉆場(chǎng)分別位于位于2202切巷和2203切巷，鉆場(chǎng)施工時(shí)必須清理底煤，鉆場(chǎng)施工于基巖面；②二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)2號(hào)煤層底板直接底約5.4 m的泥巖、間接底約8.6 m砂巖(根據(jù)B1-2、ZK601和ZK2鉆孔數(shù)據(jù))，因此綜合考慮奧灰注漿孔和K2灰?guī)r探查孔施工鉆孔傾角的變化和開孔位置泥巖的厚度；③K2灰?guī)r探查孔傾角-13°，設(shè)計(jì)孔口管一開進(jìn)入巷道底板基巖25 m，下入φ146 mm地質(zhì)孔口管，水泥固管；二開進(jìn)入巷道底板下28 m，下入φ127 mm止水套管，用水泥做止水固管；三開裸孔φ108進(jìn)入終孔層位，洗孔觀測(cè)孔內(nèi)靜止水位，注漿孔孔結(jié)構(gòu)如圖5(a)；④奧灰注漿鉆孔傾角最小-29°，設(shè)計(jì)孔口管一開進(jìn)入巷道底板基巖12 m，下入φ146 mm地質(zhì)孔口管，水泥固管；二開進(jìn)入巷道底板下18 m，下入φ127 mm止水套管，用水泥做止水固管；三開裸孔φ108進(jìn)入終孔層位，洗孔觀測(cè)孔內(nèi)靜止水位，注漿孔孔結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。

圖5 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 注漿工程設(shè)計(jì)

注漿方式：①注漿要邊打邊注，打一孔注一孔，以連續(xù)注漿為主；②為減少竄漿，應(yīng)交叉施工鉆孔；③視鉆探情況，出現(xiàn)明顯漏失后即可注漿；④為確保擴(kuò)散范圍，盡量采取稀漿灌注，吃漿量很大時(shí)考慮減小水灰比。

注漿材料：水泥采用325#普通硅酸鹽水泥，其質(zhì)量應(yīng)符合國(guó)家GB175-92標(biāo)準(zhǔn)，不得使用受潮結(jié)塊的水泥或過期水泥；造漿用水水質(zhì)須滿足國(guó)家混凝土拌合用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其SO4-2含量應(yīng)小于1%，pH應(yīng)大于4。水泥單液漿中可加入0.03%～0.05%三乙醇胺和0.3%～0.5%食鹽作為早強(qiáng)劑。

單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：①注漿壓力的大小直接影響到漿液的擴(kuò)散距離與有效的充填范圍。為使?jié){液有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散范圍，既不可將壓力定得過低，造成漏注，也不可將壓力定得太高，致使?jié){液擴(kuò)散太遠(yuǎn)，甚至刷大原有裂隙通道，出現(xiàn)新的突破口。根據(jù)以往注漿經(jīng)驗(yàn)，注漿總壓應(yīng)為受注含水層最大靜水壓力的1.5倍；二采區(qū)(2201、2202、2203工作面)煤層底板標(biāo)高+790～+910 m，奧灰含水層水位標(biāo)高約+944 m，K2灰?guī)r水位標(biāo)高約+972 m，Z1鉆場(chǎng)位置標(biāo)高約+830 m，Z2鉆場(chǎng)位置標(biāo)高約+880 m，據(jù)此推算，井下注漿孔口壓力(Pm)應(yīng)為2.73 MPa，即當(dāng)孔口壓力達(dá)到約2.8 MPa時(shí)，即可認(rèn)為受注層段注漿已達(dá)到壓力結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)；②當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行壓水試驗(yàn)，測(cè)得單位吸水率q小于0.005 L/min·m·m(相當(dāng)于粉砂巖的透水性)時(shí)，即可認(rèn)為受注層段注漿達(dá)到注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 物探設(shè)計(jì)

注漿前后采用瞬變電磁法對(duì)F36斷層注漿段進(jìn)行探測(cè)，主要目的：一是對(duì)比注漿前后物探資料，對(duì)富水異常區(qū)位置及范圍大小進(jìn)行對(duì)比分析，定性評(píng)價(jià)注漿治理效果；二是注漿前對(duì)F36斷層含(導(dǎo))水性和煤層底板異常富水區(qū)的探查，并根據(jù)物探結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化鉆探工程設(shè)計(jì)和注漿工程設(shè)計(jì)方案。

3 注漿完成工程量及注漿效果評(píng)價(jià)

3.1 注漿完成工程量

注漿總工程量：注漿工程實(shí)際總進(jìn)尺2 571.3 m，共注漿4 750.29 t，其中：2202探巷止?jié){墻注漿409 t；Z1鉆場(chǎng)進(jìn)尺1 428 m，注漿2 280.33 t；Z2鉆場(chǎng)進(jìn)尺1 143.3 m，注漿2 060.96 t。24個(gè)鉆孔中Z1-X4為全孔取芯，Y2、Y3鉆孔為分段取芯(各取芯20 m)，對(duì)其中18個(gè)鉆孔進(jìn)行了測(cè)斜，總測(cè)斜長(zhǎng)度為1 535.9 m，其余6個(gè)鉆孔因水量大、淺部易塌孔等原因未測(cè)斜。

注漿工程序次：①為F36斷層加固鉆孔注漿過程中起到了節(jié)約水泥材料、創(chuàng)造靜水注漿條件的作用先施工了2個(gè)不同標(biāo)高的堵水墻(分別距下巷口24 m和35 m)，規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)=4.0 m×1.2 m×1.5 m；在2202探巷下口向上18 m(外墻位置)2202探巷止?jié){墻，止?jié){墻里進(jìn)行了注漿加固，累計(jì)注漿409 t；②第一序次完成了設(shè)計(jì)中16個(gè)鉆孔的鉆探施工，實(shí)際進(jìn)尺781.3 m，共注漿2 522.78 t，見表5；③第二序次5個(gè)鉆孔的鉆探施工，主要針對(duì)注漿前物探異常區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充和對(duì)斷層及K2灰?guī)r設(shè)計(jì)2個(gè)淺層鉆孔(Z1-t1、Z2-t1)，實(shí)際進(jìn)尺518 m，注漿1 654.11 t，見表6；④完成前2次注漿后進(jìn)行了第二次物探探測(cè)，根據(jù)物探成果修改設(shè)計(jì)，施工3個(gè)檢查孔。實(shí)際進(jìn)尺272 m，注漿164.4 t，見表7。

3.2 注漿前后2次物探

第一次物探：采用瞬變電磁超前探測(cè)和側(cè)向測(cè)深2種方法，瞬變電磁超前探測(cè)布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于2203回風(fēng)順槽及切巷交叉點(diǎn)、2202回風(fēng)順槽與切巷交叉點(diǎn)、2202探巷以里45 m及2202探巷口向下45 m處，探測(cè)0°、30°、60°、90°4個(gè)方向；瞬變電磁側(cè)向測(cè)深目的是探查Z1、Z2兩個(gè)鉆場(chǎng)附近底板富水性，為鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，設(shè)計(jì)在2202切巷、2203切巷分別布置一條測(cè)線，測(cè)線總長(zhǎng)度約200 m，點(diǎn)距10 m，測(cè)點(diǎn)20個(gè)，探測(cè)0°、30°、60°、90°4個(gè)方向。

第二次物探：采用瞬變電磁超前探測(cè)一種方法，因2202探巷已打止?jié){墻封閉，所以比第一次物探減少1個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于2203回風(fēng)順槽及切巷交叉點(diǎn)、2202回風(fēng)順槽與切巷交叉點(diǎn)及2202探巷口向下45m處，探測(cè)0°、30°、60°、90°4個(gè)方向。

3.3 注漿前后異常形態(tài)變化

第二次物探發(fā)現(xiàn)4處相對(duì)低阻異常區(qū)，位置基本與第一次物探異常區(qū)相對(duì)應(yīng)，與注漿前1、2、3號(hào)異常相比，異常范圍均有較為明顯的縮小，且異常區(qū)之間出現(xiàn)了相對(duì)高阻的區(qū)域，4號(hào)異常區(qū)表現(xiàn)為視電阻率明顯升高。Z2鉆場(chǎng)的注漿孔主要以封堵1、2號(hào)異常之間水利聯(lián)系及通道而設(shè)計(jì)，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)1、2號(hào)異常之間出現(xiàn)了相對(duì)高阻的區(qū)域，在淺層(Z2-t1落點(diǎn))異常有向外側(cè)推移且范圍變小的特征。Z1鉆場(chǎng)的注漿孔主要以封堵2、3號(hào)異常之間水利聯(lián)系及通道而設(shè)計(jì)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)2、3號(hào)異常之間出現(xiàn)了相對(duì)高阻的區(qū)域，且2號(hào)異常有向外側(cè)推移且范圍變小的特征；但該處出現(xiàn)了淺部的低阻異常，推測(cè)可能受到注漿的影響將裂隙水轉(zhuǎn)移至淺部。3號(hào)異常區(qū)可能為局部構(gòu)造相對(duì)發(fā)育且相對(duì)富水所致。4號(hào)異常在注漿范圍區(qū)域內(nèi)，視電阻率明顯升高，但在該異常東北側(cè)仍存在一由淺部沿?cái)鄬訑嗝嫦蛏畈堪l(fā)育的條帶狀低阻異常區(qū)，該異常在注漿前探測(cè)中亦有反應(yīng)，存在向2201回風(fēng)巷東部繼續(xù)發(fā)育的可能。

a-注漿前物探成果圖；b-注漿后物探成果圖圖6 物探成果圖

表5 第一序次16個(gè)加固注漿鉆孔成果一覽表

表6 第二序次5個(gè)加固注漿鉆孔成果一覽表

表7 第三序次3個(gè)檢查孔成果一覽表

3.4 F36斷層注漿效果分析

從3個(gè)序次鉆孔成果資料來看，隨著加固鉆孔注漿過程的不斷推進(jìn)，鉆孔涌水量呈遞減的趨勢(shì)，第一序次鉆孔涌水量最大達(dá)48 m3/h，第二序次鉆孔不超過20 m3/h，第三序次檢查孔水量最大僅為3 m3/h。說明隨著注漿工程開展，含水層水源及導(dǎo)水通道逐漸被封堵。

從鉆孔注漿量來看，通過第一序次鉆孔注漿和第二序次補(bǔ)充注漿，第三序次3個(gè)檢查孔有2個(gè)為不可注鉆孔，治理區(qū)域有效強(qiáng)度得到了注漿補(bǔ)強(qiáng)。1個(gè)可注Y2鉆孔位于物探異常區(qū)，與第二次物探結(jié)果較為相符。另外，對(duì)Y2、Y3鉆孔取芯也證明與上述情況一致，Y3鉆孔取芯可見水泥充填物，Y2鉆孔雖看不到明顯水泥充填，但部分巖芯(破碎帶粉砂巖)滴稀鹽酸有少量氣泡產(chǎn)生，說明Y2鉆孔附近前期注漿不充分。通過對(duì)Y2鉆孔注漿163.15 t對(duì)該異常區(qū)進(jìn)行了加固。

通過前2個(gè)序次鉆孔的注漿過程可以看出，水量大或注漿量大的鉆孔均位于注漿前物探異常區(qū)，鉆探、物探成果較為一致，奧灰含水層、斷層破碎帶、K2灰?guī)r含水層均有鉆孔探制。注漿后進(jìn)行了二次物探及第三序次檢查孔的施工，檢查孔成果與二次物探成果同樣較為一致，一方面2次物探可靠程度及準(zhǔn)確性都較高，另一方面通過相互驗(yàn)證說明鉆探注漿工程逐步起到了加固治理區(qū)域的目的，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)語

帶壓開采礦井導(dǎo)水?dāng)鄬油凰堑V井采掘中最常見的突水災(zāi)害事故之一，一般都會(huì)造成較大的危害，經(jīng)常造成掘進(jìn)頭或工作面停產(chǎn)，甚者可至礦井被淹。而通過注漿封堵技術(shù)，對(duì)充水通道進(jìn)行加固與封堵，截?cái)嗥溲a(bǔ)給水源，可以有效解放帶壓區(qū)因充水通道而不能開采的煤炭資源。鉆探注漿堵水工程的施工驗(yàn)證了治理區(qū)域內(nèi)奧灰含水層頂部巖溶裂隙發(fā)育、富水性強(qiáng)，K2灰?guī)r局部富水且與奧灰含水連通，F(xiàn)36斷層破碎帶發(fā)育形成了局部導(dǎo)水通道，通過注漿對(duì)治理區(qū)域奧灰含水層頂部、K2灰?guī)r及F36斷層破碎進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固，出水通道及出水水源得到了有效封堵。