4301工作面突水因素分析與注漿堵水工程

賈 佳

(山西長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047100)

能源賦存結(jié)構(gòu)決定了煤炭是我國(guó)的主要消費(fèi)能源，隨著煤炭需求量和開采強(qiáng)度的不斷增加，煤炭開采向深部轉(zhuǎn)移，我國(guó)中東部礦井開采深度已超過了1 000 m。近年來，隨著開采深度的不斷增加，工作面受底板高承壓水影響，突水事件時(shí)有發(fā)生，影響了礦井的正常生產(chǎn)，突水嚴(yán)重時(shí)將造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[1-5]。4301工作面位于一水平三采區(qū)，開采4號(hào)煤層，煤層厚度6.34 m，在4301工作面回采過程中發(fā)生了突水現(xiàn)象，突水水量約180 m3/h。

1 工作面充水條件與突水因素分析

1.1 工作面充水條件

1) 頂板直接充水含水層。山西某礦4301工作面開采煤層位于太原組頂部，頂板直接充水含水層主要為P1s、P1x、P2s組的K4、K5、K6砂巖含水層。鄰近工作面回采資料顯示，工作面回采前頂板涌水量為160～170 m3/h，工作面回采后，頂板涌水量逐漸衰減至100 m3/h，表明頂板含水層存在動(dòng)靜水量。

2) 煤層底板含水層組。據(jù)計(jì)算，4301工作面采動(dòng)底板破壞深度大于30 m。資料顯示，4301工作面與太原組K3砂巖層間距為7.43～28.68 m，因此，煤層底板含水層組為4301工作面直接充水含水層。

3) 太原組底部灰?guī)r、本溪灰?guī)r含水層組。太原組底部灰?guī)r厚度3.33 m，K1砂巖厚度6.17 m，本溪灰?guī)r厚度2.44 m，含水層組總厚11.94 m，工作面底板出水后施工的補(bǔ)期孔3號(hào)(2-0)鉆孔在本溪灰?guī)r層位出水100 m3/h，水壓4.3 MPa，并有噴渣現(xiàn)象。

4) 奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。工作面受奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層影響，屬于帶壓開采，帶壓約6 MPa。

1.2 突水因素分析

1) 突水水源分析。4301工作面回采過程中發(fā)生突水現(xiàn)象，突水水量約180 m3/h，突水水量長(zhǎng)期穩(wěn)定，表明突水水源補(bǔ)給源穩(wěn)定。4301工作面底板出水水質(zhì)類型與太原組含水層水及與奧陶系灰?guī)r水質(zhì)均有一定差異。因此，判斷4301工作面突水水源為混合型水源。

2) 突水通道分析。經(jīng)計(jì)算，4301工作面底板奧灰突水系數(shù)為0.052 MPa/m，突水點(diǎn)分散?？碧劫Y料顯示，試驗(yàn)工作面附近區(qū)域未發(fā)現(xiàn)陷落柱，根據(jù)近期鉆孔施工現(xiàn)場(chǎng)反饋，在試驗(yàn)工作面施工鉆孔時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重卡鉆現(xiàn)象，鉆孔涌水量顯著增加(100 m3/h)，并碰觸大量泥巖、細(xì)砂巖等巖石碎塊，因此，判斷突水通道為隱伏導(dǎo)水構(gòu)造。

2 注漿堵水工程與效果

2.1 注漿堵水工程

1) 鉆孔布置。 4301工作面注漿堵水工程共設(shè)計(jì)注漿堵水鉆孔15個(gè)，在4301工作面輔運(yùn)巷布置2個(gè)鉆場(chǎng)，共計(jì)6個(gè)鉆孔(具體包括1-1、1-5、2-0、2-3、2-4、2-5)，4301工作面膠帶巷布置2個(gè)鉆場(chǎng)，共計(jì)9個(gè)鉆孔(具體包括3-0、3-1、3-2、3-3、4-1、4-2、4-4、4-5、4-6)，設(shè)計(jì)鉆孔總進(jìn)尺2 514m，鉆孔具體參數(shù)見表1。

2) 鉆孔結(jié)構(gòu)。注漿堵水鉆孔采用三徑套管結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：①一開D168 mm鉆進(jìn)11 m，下入D159 mm護(hù)管10 m；②二開D133 mm鉆進(jìn)36 m，下入D127 mm孔口管35 m；③三開D110 mm鉆進(jìn)61 m，下入D89 mm孔口管60 m；④以下用D75 mm鉆頭鉆進(jìn)至終孔層位。

表1 注漿鉆孔參數(shù)

3) 單孔鉆孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)體煤區(qū)域底板較完整塊段施工的鉆孔，注漿終壓采用底板巖溶含水層靜水壓力的1.5倍，在采空區(qū)附近及周邊底板破壞區(qū)施工的鉆孔，注漿終壓不宜太高，以免發(fā)生底板壓裂破壞事故?？紤]到工作面淺部底板破碎，巖石完整性差，注漿終壓根據(jù)實(shí)際情況來確定，一般比靜水水壓高0.5～1.5 MPa。

4) 注漿工藝。采用分段注漿和全孔段注漿方式注漿，具體如下：

分段注漿，適應(yīng)條件：①鉆孔出水量大，繼續(xù)鉆進(jìn)困難時(shí)；②塌孔嚴(yán)重，難以繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)。

全孔段注漿，適應(yīng)條件：鉆進(jìn)過程中鉆孔水量﹤20 m3/h；孔壁穩(wěn)定，無塌孔現(xiàn)象。

5) 漿液比重。①水泥漿：按照先稀后濃的原則，水泥漿比重為1.1～1.5，如受注層的可注性好，可考慮提高0.1個(gè)比重或摻加粘土漿，何時(shí)摻加粘土漿以及摻加比例要結(jié)合受注層的可注性和受注層單孔水量大小而定。②粘土水泥漿：粘土漿比重在1.12左右，最高不得超過1.16，最低不得低于1.08，按照先稀后濃的原則，分檔控制，如現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生跑漿、底鼓等特殊情況，要及時(shí)采取停止注漿、降低壓力、加入速凝劑、投入軟骨料、或改為引流注漿等可靠措施，防止事故擴(kuò)大。

2.2 注漿工程量與效果分析

注漿工程共施工井下注漿堵水鉆孔15個(gè)，實(shí)際進(jìn)尺2 514 m，累計(jì)注漿總干料3.9×103t，其中水泥2.2×103t，粘土1.7×103t。工作面排水資料顯示，注漿工程施工前，4301工作面底板涌水量180 m3/h，注漿工程施工后，工作面剩余水量32 m3/h，減少148 m3/h，詳見圖2和表2，注漿堵水率82%.同時(shí)，注漿工程施工后，揭露的底板太原組砂、灰?guī)r含水層水壓為2.7～3.6 MPa，相比提高了1.4 MPa，太原組底部灰?guī)r、本溪灰?guī)r含水層組水壓為4～5.6 MPa，相比提高了2.1 MPa，奧灰水水壓為5.4 MPa，相比提高了1.1 MPa，奧灰水水位已接近正常，綜上所述，注漿堵水工程取得了明顯的效果。

圖2 注漿工程施工前后工作面水量

表2 工作面注漿堵水率

3 結(jié) 語

文章總結(jié)了4301工作面的充水條件，分析了4301工作面的突水因素，認(rèn)為工作面突水水源為混合型水源，突水通道為隱伏導(dǎo)水構(gòu)造?；诖?，設(shè)計(jì)了注漿堵水工程，共設(shè)計(jì)鉆孔15個(gè)，設(shè)計(jì)總進(jìn)尺2 514 m，注漿堵水工程實(shí)施后工作面底板出水量由180 m3/h減小至32 m3/h，堵水率82%，奧灰水水位已接近正常，注漿堵水工程取得了明顯的效果。