郭二莊礦底板突水風險評價及注漿防治技術探究

索詠旭

(冀中能源股份有限公司邯鄲郭二莊礦，河北 邯鄲 056000)

受奧陶系地質變化影響，我國華北平原大多數(shù)煤層均會受到奧灰水的威脅。并且隨著開采深度的增加，底板水壓越來越大，所面臨的突水風險也隨之增大，嚴重制約了深部煤層的開采。郭二莊礦是一座具有70年開采歷史的老礦，其淺層可采儲量已基本枯竭，為了延續(xù)生產和進一步挖掘可采儲量，郭二莊礦對9#煤層下組煤進行了開采，確定四采區(qū)為二采區(qū)的接替采區(qū)。下組煤開采防治奧灰水是關鍵，需在礦井水文地質監(jiān)測系統(tǒng)基礎上加強下組煤水文地質研究工作，采取合理的防治水措施和帶壓開采措施，才能確保下組煤的安全順利開采。本文結合郭二莊礦9#煤層奧灰水防治實踐，對下組煤突水風險評價及注漿防水技術進行了探討。

1 郭二莊礦9#煤層四采區(qū)水文地質條件概況

郭二莊煤礦位于河北省武安市西北約13km處，行政隸屬主要位于武安市礦山鎮(zhèn)轄區(qū)。井田西鄰S222省級邢都公路、中部和南端分別有近東西向的東午支線鐵路，另外有連接各村鎮(zhèn)的村村通公路，縱橫遍布，交通便利。其中二坑屬郭二莊礦井田西北9#煤埋藏深度較淺的塊段，作為生產接續(xù)的四采區(qū)位于井田東部。采區(qū)南部以午汲鐵路為界；北至郭二莊井田北部邊界，西至-100m煤層底板等高線及南溝村保護煤柱線，東至-300m煤層底板等高線。采區(qū)南北走向長330m～1 700m，東西傾向長690m～2 300m，面積約3.59km2。采區(qū)資源儲量豐富，開采技術條件相對簡單，設計自-100m大巷開口向下至-300m布置采區(qū)下山生產系統(tǒng)，建立完善的運輸、通風、排水等系統(tǒng)。二坑井田范圍內，第四系普遍發(fā)育。根據(jù)區(qū)內鉆探揭露資料，地層由老至新依次為：奧陶系中統(tǒng)、石炭系中統(tǒng)本溪組、石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組1～4段以及第四系。其中奧陶系中統(tǒng)(O2f2)為主要的含水層，總厚約為600m，為強巖溶裂隙承壓含水層，是9#煤層下組煤開采時防范突水的主要對象。按照巖性特點和沉積旋回，該含水層可分為三組八段。峰峰組二段(O2f2)，即第七段：厚度83.16m～113.16m，出露在郭二莊井田西部，為深灰色巨厚層灰?guī)r及花斑灰?guī)r，裂隙巖溶發(fā)育，為強含水層。峰峰組三段(O2f3)，即第八段：平均厚度30.00m，以角礫狀灰?guī)r為主，裂隙多被方解石充填，裂隙面見褐黃色水蝕痕跡。

2 下組9#煤層突水風險的分析與評價

為了給下組9#煤層帶壓開采和突水防治提供必要的理論和數(shù)據(jù)支持，我們利用傳統(tǒng)的突水系數(shù)法和模糊神經網絡法對井田突水風險率和風險度進行了計算和評價。通過對奧灰水觀測孔數(shù)據(jù)的采集發(fā)現(xiàn)9#煤層底板隔水層下賦存有大量高承壓奧灰水。在煤層未開前，巖水間力學關系處于平衡狀態(tài)；煤層開采之后，隔水層巖體結構就會遭到破壞，隔水底板巖層的完整性和承壓性能顯著下降。在水壓和礦壓的多重作用力下，隔水底板上原有的閉合裂隙會再次活化，抑或是會出現(xiàn)新的破裂面。當裂隙溝通含水層或是與其相臨近時，含水層水體便會由裂隙和隔水層薄弱處涌出，形成突水事故淹沒礦井。數(shù)據(jù)分析認為，下組煤9#煤層開采時，底板突水的風險與威脅程度較大。需要在充分認識水文地質條件的前提下，科學設計開采方案，做好超前探測，客觀評價水情水患；對存在突水隱患的底板薄弱區(qū)域進行注漿加固，同時合理利用隔水層隔水性能，才能防范礦井突水事故，確保下組煤安全帶壓開采。

3 巖體注漿防水機理

巖體注漿防水是通過將防水材料填充注入隔水層裂隙、含水層和斷裂破碎帶等部位，利用材料的膠結性、隔水性使之與圍巖密切結合，形成更具整體穩(wěn)定性的隔水層，從而增強巖石強度和隔水性能，起到堵塞過水通道、防止水層突出的作用；防水漿料同時還具有隔絕空氣，防止圍巖風化的作用，使圍巖穩(wěn)定性得到改善。實踐證明，在做好超前探測和水情預測的基礎上，通過對突水隱患部位進行超前注漿加固，可有效封堵和阻隔可能的過水通道，變含水層為隔水層，從而預防礦井突水事故，減少礦井排水量。

4 預注漿防水施工方案及相關技術要求

4.1 注漿防水施工方案

為了防范可能出現(xiàn)的隱伏突水點突水，超前預注漿技術在掘進施工前即對隔水層薄弱部位進行注漿封堵，采用注漿與掘進循環(huán)作業(yè)的方式向前推進。超前預注漿每向前85m，允許掘進面向前推進60m，注漿作業(yè)始終保持25m以上的超前距離，從而確保掘進施工的安全。通過對超前探查孔、注漿引流孔、預注漿孔等鉆孔間連通情況，以及對鉆孔施工過程中出水部位及水壓、水量的分析，判斷巷道掘進前方出水水源主要是砂巖裂隙水。結合裂隙分布、裂隙連通性等巖性特征，采取了分階段預注漿的策略，并制定了不同的施工方案。

4.2 注漿施工技術要求

根據(jù)注漿擴散半徑和超前距離，每個循環(huán)施工注漿鉆孔4個～5個。注漿鉆孔開孔直徑168mm，鉆進6.5m后沿孔下入159mm孔徑的孔口管6m，用水泥填充鉆孔與孔口管間隙，待水泥干涸孔管穩(wěn)固后，清掃孔管并通水進行耐壓試驗。通水試壓30min以上，保持壓力不小于4MPa，觀察孔管周圍有無跑冒水現(xiàn)象，如有則需要重新固管后再次做耐壓實驗，直到孔管四周無跑冒水后方視為各格。159mm孔口管固管完成后，更換127mm鉆頭鉆進，施工25.5m后，下入108mm孔口管25m。按照前述流程再次注漿固管、掃孔和進行耐壓試驗，試驗壓力8MPa以上，穩(wěn)壓30min以上，鉆孔四周無跑冒水方視為各格。108mm孔口管下設好后，首先在孔口安裝與管徑相符合的10MPa高壓閥門，然后用90mm孔徑鉆進至設計孔深，取出孔底巖芯；安設測量裝置測量鉆孔出水量和水壓，探明水情后，沿注漿孔注入水泥漿，即完成注漿加固施工。整個施工過程可概括為：鉆孔→下管→固管→耐壓試驗→掃孔鉆進→測量水量、水壓。在鉆孔鉆進的過程中應注意，遇到含水層和孔內冒水現(xiàn)象時，應立即停止鉆進，并進行注漿封堵。漿液應按照一定比例拌和成純水泥稀漿，使泥漿具有較強的流動性，以增大水泥漿的擴散范圍。待注漿結束后2d凝固后，在繼續(xù)掃孔鉆進。

5 結束語

分段超前預注漿技術在郭二莊9#下組煤開采中得到成功的應用，成為下組煤帶壓開采中防治奧灰水的關鍵性技術，有效提高了底板的隔水性能，避免了因巷道掘進直接揭露含水層而導致的突水事故，保證了巷道的安全掘進，同時也降低了井下排水量，體現(xiàn)出良好的經濟效益。