龍泉礦4301工作面鉆孔注漿防治水技術

李高鵬

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司地質測量部，山西 太原 030006）

隨著煤炭開采深度的不斷延伸，煤礦水害已成為影響安全開采的重要因素之一，其危害程度僅次于瓦斯危害［1］。目前，龍泉礦許多煤層開采受奧灰水影響，在開采過程中，一旦發(fā)生突水，可能帶來災難性后果。為了避免工作面底板突水，安許良［2］針對趙固一礦18031工作面底板進行了定向水平鉆孔注漿處理，有效地解決了工作面底板突水；袁輝［3］針對辛安礦216采區(qū)具體地質條件選定了16個鉆孔及相關注漿參數(shù)。筆者借鑒他人經驗，針對龍泉礦底板突水的防治進行研究。

1 工程概況

太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司位于婁煩縣，寧武煤田東南緣，屬典型黃土梁峁地貌。龍泉煤礦共有煤層11層，太原組4、7、9號煤層為井田內穩(wěn)定可采煤層，其余為不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定煤層、均不可采。其中太原組上部4號煤厚3.92～8.20 m，均厚6.74 m，煤層結構復雜，夾矸1～5層，下與7號煤層間距51.6 m；7號煤厚0.75～2.0 m，均厚1.10 m，結構簡單，下與9號煤層間距23.5 m；太原組中下部9號煤厚5.35～15.48 m，均厚11.68 m，為本區(qū)最厚煤層，煤層結構復雜，夾矸2～5層。礦井生產能力為4 Mt/a，礦井采用斜-立井聯(lián)合開拓方案，中央并列式通風。礦井初步設計為兩個水平開拓，前期一水平(副立井車場+786 m水平)開采4號煤層，劃分為六個采區(qū)；后期二水平（+695 m水平）開采7、9號煤層。

1.1 4301工作面概況

龍泉煤礦4301工作面位于三采區(qū)，工作面傾斜長度為715 m，工作面走向長度為1200 m。北側為4302工作面，南側為4202、4201工作面，西側為回風、輔運、膠帶大巷，東側為保護煤柱。4301工作面開采4號煤層，煤層平均厚度6.34 m，偽頂為砂質泥巖，平均厚度0.23 m；直接頂板為K4砂巖，平均厚度3.53 m；老頂為砂質泥巖，平均厚度7.3 m；直接底板為中砂巖，平均厚度0.45 m；老底為細砂巖，平均厚度6.06 m。

1.2 4301工作面充水條件分析

（1）頂板直接充水含水層

開采4號煤時，礦坑充水水源主要為P1s、P1x、P2s組的K4、K5、K6砂巖含水層，均屬承壓裂隙含水層，成為4號煤采空區(qū)的頂板主要涌水水源，受補給條件及徑流通道的影響。據(jù)4201工作面回采資料，采前頂板出水量達160～170 m3/h，回采時頂板最大涌水量132 m3/h，回采后逐漸衰減至目前100 m3/h，表明頂板水有一定的動、靜水量。

（2）煤層底板K3砂巖、太灰（L3、L2、L1）含水層組

根據(jù)地質報告，4301工作面底板破壞深度的最大計算值29.82 m。由于4號煤層與下伏太原組K3砂巖及L1、L2、L3灰?guī)r的距離較近（4號煤層底板距K3砂巖頂面7.43～28.68 m），若K3砂巖裂隙含水層及L1、L2、L3灰?guī)r巖溶裂隙含水層局部裂隙發(fā)育，富水性增強，受底板破壞及各含水層承壓影響，該底板含水層組水會直接進入4號煤層開采空間。

（3）奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層

本井田目前奧灰動水位在+1081.22～+1125.95 m，工作面出水前奧灰水水位穩(wěn)定在+1123～+1125 m左右。4號煤層底板標高在+100～+1100 m，均低于太灰水位標高，屬太灰水帶壓開采，帶壓約6 MPa。奧灰水有可能沿構造薄弱帶，破壞或加劇破壞隔水層的完整性，通過構造裂隙薄弱帶進入礦坑。

2 瞬變電磁法物探

2018年，對4301工作面外部實施瞬變電磁勘探，劃分4301工作面異常區(qū)域。

圖1 4301工作面瞬變電磁勘探成果平面

瞬變電磁法分8個角度進行了探測，分別為巷道 外 幫-60°、-40°和 里 幫-90°、-75°、-60°、-45°、-30°、-15°，探測膠帶順槽420 m、輔運順槽380 m，共計800 m。共圈定了3處異常區(qū)：S1異常區(qū)、S2異常區(qū)、S3異常區(qū)，3個異常區(qū)均存在低阻異常反應。

表1 有疑必探鉆孔水文情況

為了進一步確定其真實性，對3個異常區(qū)進行了鉆孔探測。經鉆探驗證，探查S3號異常區(qū)的Y8、Y9、Y10等3個鉆孔出水8.5～12 m3/h，出水層位為太原組K1砂巖到L2灰?guī)r，說明該異常區(qū)富水性弱～中等；其他鉆孔無水，說明S1、S2異常區(qū)相對不富水,見表1。

3 鉆孔注漿防治水技術

3.1 工作面出水狀況

目前正在回采的三采區(qū)首采4301工作面因受底板水害威脅，底板承受太灰水壓高達5.4～6.4 MPa。據(jù)最近OW2鉆孔水位標高+1078 m，工作面切巷底板標高+520 m，底板水頭壓力在5.53 MPa。4301工作面底板隔水層承受奧陶系灰?guī)r水壓6.14～7.04 MPa。工作面回采后初次來壓即發(fā)生底板涌水，具體出水過程見表2。2017年3月23日達到最大值190 m3/h，最后穩(wěn)定在180 m3/h。

表2 4301工作面出水過程

綜合分析4號煤層埋深、頂?shù)装搴畬痈凰浴?301工作面出水的水量、水壓、水化學特征，認為4301工作面出水的水源為太原組砂巖和灰?guī)r含水層組水，本溪灰?guī)r含水層水及煤層頂板砂巖水的混合型水源，后期奧灰水作為間接補充水源進入了開采空間。

本次底板水害探查治理鉆探注漿工程的目的：快速封堵4301工作面出水點，減少工作面涌水，滿足工作面恢復生產條件。

3.2 鉆探方案設計

根據(jù)3號鉆場4個鉆孔水量、注漿量相對較小的情況，認為堵水的關鍵還是在2-0鉆孔周邊區(qū)域。為提高堵水效率，以最小的工程量達到工作面堵水效果，將治理方式由全面探查治理改為重點封堵出水通道，將施工重點調整到1號鉆場、4號鉆場，重點對采空區(qū)出水區(qū)域進行探查及封堵。最終施工鉆孔個數(shù)為15個，其中輔運巷1號鉆場2個孔，2號鉆場4個孔；膠帶巷3號鉆場4個孔，4號鉆場5個孔。

圖2 4301工作面優(yōu)化設計鉆孔布置

3.3 鉆孔結構

實體煤區(qū)域施工的鉆孔采用二徑套管結構；采空區(qū)周邊、奧灰鉆孔及過巷鉆孔采用三徑套管結構。結構參數(shù)如下：

一開Ф168 mm鉆進11 m，下入Ф159 mm護管10 m。

二開Ф133 mm鉆進36 m，下入Ф127 mm孔口管35 m。

三開Ф110 mm鉆進61 m，下入Ф89 mm孔口管60 m。

以下用Ф75 mm鉆頭鉆進至終孔層位。本工程為堵水工程，工作面采空區(qū)內底板受礦壓、水壓雙重破壞，破壞深度可能會加大，因此在施工中要根據(jù)實際情況，合理調整鉆孔結構，以保證鉆探注漿的順利進行。

3.4 鉆探注漿工程

本次15個鉆孔，實際參數(shù)和注漿量見表3。15個鉆孔共進尺25547 m，注漿量為17668.13 m3。

從15個鉆孔出水層位來看，大部分鉆孔出水位置在本溪灰?guī)r層位，僅有后期施工的1-1、4-2鉆孔在太原組砂巖、灰?guī)r含水層出水稍大，說明通過前期注漿堵水施工，出水量減少，降落漏斗影響范圍也隨之變小。

4 注漿堵水效果分析

4.1 4301工作面注漿堵水效果分析評價

2017年3月23日4301工作面出水量最大增至190 m3/h，最后穩(wěn)定在180 m3/h。根據(jù)礦地測部門提供的工作面排水資料，4301工作面底板涌水量在堵水前一周平均182.14 m3/h，2018年6月8日開始對各鉆孔進行注漿，截止到2018年8月19日，4301工作面底板涌水量在32 m3/h，注漿堵水率82%。到目前為止工作面底板涌水量仍穩(wěn)定在30 m3/h左右。

表3 4301工作面底板水害治理項目井下鉆探注漿成果

圖3 4301工作面周涌水量注漿堵水變化曲線

4.2 水位分析

根據(jù)礦井OW1、OW2、SW6、SW7四個觀測孔，太灰水位分別為+746 m、+806 m，奧灰水位分別為+1090 m、+1112 m。按2號鉆場附近標高+540 m計算，太灰水壓為2.06～2.66 MPa，奧灰水壓為5.5～5.72 MPa。

4301工作面開采太原組頂部4號煤層，頂板主要充水為（K4）砂巖含水層水，隨著煤層采掘而疏放。在工作面底板出水后施工的補充探查孔中，4號煤層底板太原組砂、灰?guī)r含水層組（K3、L3、L2、L1）水壓為0.5～2.2 MPa；太原組底部灰?guī)r、K1砂巖、本溪灰?guī)r含水層組水壓為2.9～3.5 MPa。奧陶系灰?guī)r含水層水壓3.9～4.3 MPa。奧灰含水層的水壓和觀測孔不一致，分析其原因主要有兩方面：一是工作面出水降落漏斗的影響；二是通過鉆孔本溪灰?guī)r含水層和奧灰含水層、出水通道相互連通，水量混合，水壓中和。

通過施工鉆孔，可以得到4號煤層底板太原組砂、灰?guī)r含水層（K3、L3、L2、L1）含水層水壓為2.7～3.6 MPa，比堵水前高1.4 MPa；太原組底部灰?guī)r、K1砂巖、本溪灰?guī)r含水層組，水壓為4～5.6 MPa，比堵水前高2.1 MPa；奧陶系灰?guī)r含水層水壓為5.4 MPa，比堵水前高1.1 MPa。說明通過鉆孔注漿堵水，工作面出水量大大減少，降落漏斗隨之減小，尤其奧灰含水層水壓（水位）已接近正常水位。

5 結語

針對龍泉礦4301工作面底板突水等問題，采用瞬變電磁物探分析了工作面存在3處異常區(qū)，其中S3異常區(qū)存在出水現(xiàn)象。進一步鉆孔揭露層位從4號煤層底板至奧陶系灰?guī)r間46.84 m，最高水壓4.3 MPa，水量最大100 m3/h。根據(jù)經驗選用鉆孔注漿進行工作面防治水，設計施工了鉆孔15個，確定了各個鉆孔的用了參數(shù)。最終通過底板注漿，4301工作面底板涌水量在32 m3/h，注漿堵水率82%。到目前為止工作面底板水仍穩(wěn)定在30 m3/h左右，保證了工作面的安全生產。