高承壓水條件下工作面底板注漿堵水技術(shù)應(yīng)用研究

王棟任

（徐礦集團(tuán)有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

孟津井田11011 工作面距北側(cè)黃河小浪底水庫最近2.75 km，該工作面底板承壓水水壓一般在5.5 MPa左右，奧灰露頭在黃河小浪底庫區(qū)，奧灰含水層充水性與小浪底庫區(qū)直接相關(guān)。在11011 工作面回采到215 m位置時(shí)，工作面泵房水泵被淹，涌水從大巷排出，實(shí)測涌水量880 m3/h，3 天后，涌水量達(dá)到1 990 m3/h，之后水量緩慢下降。孟津煤礦11011 工作面突水情況，經(jīng)現(xiàn)場觀測，出水點(diǎn)位置為11011 膠帶底抽巷距底抽巷切眼外170~215 m 處，自底抽巷瓦斯抽放鉆孔及工作面采空區(qū)流出，經(jīng)過水質(zhì)化驗(yàn)：Ca2+、Mg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.6%，K+、Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.3%，確定水源成分以底板奧灰水為主。據(jù)此認(rèn)為系工作面底板發(fā)生突水，最大突水量1 990 m3/h，其后穩(wěn)定在1 600 m3/h左右，突水水源系奧陶系灰?guī)r承壓水，造成工作面被迫停產(chǎn)，損失較大，多項(xiàng)治理方案被否定。本文通過注漿方法將工作面底板巖層中的過水通道封閉，改造了底板隔水層的承壓強(qiáng)度，抵御透水率在90%以上，加強(qiáng)了底板抵抗突水的能力，實(shí)現(xiàn)了工作面安全回采。

1 方案設(shè)計(jì)

孟津井田內(nèi)地表水系不發(fā)育，僅有沖溝內(nèi)季節(jié)性溪流匯入西北側(cè)畛河，井田北部的范溝水庫旱季干涸無水。地表水對礦井開采沒有影響。孟津礦井主要含水層為奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶含水層，距離二1 煤層底板58~83 m，平均66 m，水壓4.7~5.5 MPa，為弱~中等富水性含水層，富水性極不均一。在煤層開采過程中，充水來源主要是煤層底板直接充水含水層的地下高承壓水，奧陶系石灰?guī)r在本井田為中等富水性含水層，距離二1 煤底板60 m 以上，由于巖溶裂隙發(fā)育不均，局部地段有強(qiáng)富水的可能，特別是由于構(gòu)造破壞造成煤層底板隔水層減薄的情況下，是礦井突水的主要水患，據(jù)此，提出治理方案。

11011工作面位于副井東北側(cè)，西側(cè)軌道運(yùn)輸順槽與東翼第一車場相連，東側(cè)膠帶運(yùn)輸順槽與東翼-322 膠帶大巷相連，對應(yīng)地面標(biāo)高+412~+438 m；工作面標(biāo)高-253~-320 m，順槽方位327°，回采二1煤層。工作面底板水防治應(yīng)當(dāng)采取區(qū)域治理與局部治理相結(jié)合的思路，根據(jù)礦井實(shí)際情況，采用井下注漿加固底板防治水措施，因此采用打鉆注漿加固并封堵工作面底板巖溶裂隙，切斷水力聯(lián)系，把含水層改造為隔水層或弱含水層，最終達(dá)到加固底板、加大有效隔水厚度、增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度的效果，從而達(dá)到治理效果［1］。注漿改造設(shè)計(jì)方案根據(jù)礦井水文地質(zhì)條件及11011工作面突水情況確定治理目標(biāo)層和布孔方式，并根據(jù)注漿擴(kuò)散半徑確定合理布置鉆孔間距，施工過程中逢漏必注，循環(huán)鉆進(jìn)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)終孔位置，實(shí)現(xiàn)探測、治理、驗(yàn)證“三位一體”的治理效果。

1.1 注漿改造隔水層厚度的確定

礦壓對底板的破壞深度可采用鉆探實(shí)測，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式求得。在斷層附近及構(gòu)造破碎地段，突水系數(shù)選0.06 MPa/m。根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算，破碎構(gòu)造地帶改造隔水層厚度為110 m，完整地塊改造隔水層厚度為74 m。考慮到煤層底板底抽巷及瓦斯抽放孔對工作面的影響（間距16 m），底抽巷以上巖層可視為破碎巖層，工作面注漿改造隔水層應(yīng)以底抽巷底板為起點(diǎn)，即完整塊段注漿改造隔水層厚度為底抽巷以下74 m，破碎構(gòu)造塊段注漿改造隔水層厚度為底抽巷以下110 m。

1.2 治水鉆孔布置規(guī)則

通過對工作面水害成因的分析，11011工作面堵水方案以外圍堵源、重點(diǎn)封堵涌水通道為主，結(jié)合添加骨料封堵過水通道為手段［2］，進(jìn)行堵水作業(yè)。高承壓水條件下治水思路的鉆孔布置使其在平面上呈放射狀展布，以俯角孔為主，在剖面上深淺孔相結(jié)合，使鉆孔穿過的底板含水層段盡量加長。盡量保持鉆孔與裂隙走向垂直或斜交，以穿過多個(gè)含水層為宜，保證漿液盡可能把裂隙充填完全。終孔層位進(jìn)入奧陶系灰?guī)r含水層30~50 m。臨近鉆場的鉆孔布置呈平面交叉，避免出現(xiàn)注漿擴(kuò)散空白區(qū)。立體上把煤層底板改造成多個(gè)隔水單元，從而阻斷工作面底板與深部奧灰含水層的水力聯(lián)系，達(dá)到治理效果。

1.3 注漿鉆孔終孔平面間距的確定

高承壓水條件下注漿鉆孔終孔間距設(shè)計(jì)方式以外圍堵源、重點(diǎn)堵涌水通道為主，形成一個(gè)帷幕，將水源封堵在帷幕之外，對突水點(diǎn)附近地層進(jìn)行加固，從而達(dá)到突水減小的目的，要根據(jù)可擴(kuò)散半徑并參照其他因素進(jìn)行確定。該鉆孔的布置形式在平面和剖面均成扇形，根據(jù)相鄰礦井底板注漿改造的經(jīng)驗(yàn)公式，漿液擴(kuò)散半徑在22 m，為了使?jié){液在整個(gè)工作面或需改造范圍的覆蓋率達(dá)到100%，為保證注漿效果，本次底板注漿改造鉆孔終孔層位為奧灰系灰?guī)r上部30~50 m，平面間距確定為32 m。

2 施工情況

鉆孔布置及施工實(shí)踐。在施工過程中，所有鉆場布置在回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的兩側(cè)，鉆場間距在100 m左右，每個(gè)鉆場按設(shè)計(jì)施工4~5 個(gè)注漿鉆孔，鉆孔方向盡可能地與裂隙發(fā)育方向斜交或垂直，并且均以俯角孔為主，使鉆孔接觸含水層長度盡量增大，多穿過導(dǎo)水裂隙，提高注漿擴(kuò)散效果。工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的注漿鉆孔相互重疊搭接，不留盲區(qū)。對裂隙較為發(fā)育的地帶、斷層破碎地帶、物探富水區(qū)域、地質(zhì)構(gòu)造隔水層變薄區(qū)域及巷道底鼓變形段應(yīng)重點(diǎn)布孔，優(yōu)化布孔。為確保治理方案，采用鉆探驗(yàn)證法，工程最后結(jié)合實(shí)際增加了20%的鉆孔作為注漿效果檢驗(yàn)孔。鉆孔參數(shù)的標(biāo)定，施工前要由測量人員及防治水專業(yè)人員到現(xiàn)場共同標(biāo)定，施工過程要嚴(yán)格按照標(biāo)定的方位角、傾角施工，誤差小于±1°。注漿孔要按序號(hào)施工，因水壓較高，鉆孔成孔后要求立即進(jìn)行注漿，防止鉆孔坍塌和孔間串漿。每個(gè)鉆場1號(hào)鉆孔注漿完成后，再依次施工 2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)鉆孔，視鉆孔水量和注漿情況確定是否補(bǔ)孔。鉆孔需要進(jìn)行防斜糾偏，按照鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工每20~50 m測斜一次，及時(shí)繪制鉆孔軌跡曲線，發(fā)現(xiàn)孔斜超標(biāo)要采取措施及時(shí)糾偏。鉆孔進(jìn)入奧灰后，終孔深度為奧陶系灰?guī)r頂板下30~50 m，在奧灰含水層內(nèi)須進(jìn)行不小于30 min 的壓水洗孔，之后觀測終孔靜止水位。成孔后，必須進(jìn)行放水沖孔，以使孔內(nèi)巖粉隨水沖出來，保證注漿工作的質(zhì)量。鉆機(jī)過程中全孔要求清水鉆進(jìn)，必須認(rèn)真做好現(xiàn)場小班記錄，準(zhǔn)確記錄初始涌水量、最大涌水量、出水巖層層位、換層深度、進(jìn)入含水層后巖溶裂隙的發(fā)育程度、水壓等。

注漿加固方法。采用鉆孔有效布置、連續(xù)注漿、加固與封堵相結(jié)合的原則，對底板進(jìn)行了注漿加固改造。在注漿加固過程中，如鉆孔吃漿量過大，在單孔注漿量超過2 000 m3時(shí)，一般采用間歇注漿法，既節(jié)省了注漿材料，又提高了注漿效果［3］。但也有個(gè)別鉆孔，采用間歇注漿方式注漿壓力仍然達(dá)不到起壓要求，注入的材料隨裂隙被沖走或跑掉，注漿壓力長時(shí)間不上升，并出現(xiàn)巷道底板跑漿現(xiàn)象，則采用加入骨料鋸末、海帶絲和大豆的方法。其手段是在地面將鋸末均勻地撒入漿液池，并控制攝入量，采取點(diǎn)注措施，注漿壓力很快便可升高。通過實(shí)踐，該注漿效果良好，對加固、封堵工作面底板作用較大。鉆孔注水泥漿或骨料結(jié)束后，根據(jù)鉆孔注漿量，決定是否進(jìn)行二次注漿，若進(jìn)行二次注漿，則需要進(jìn)行掃孔。

注漿終壓標(biāo)準(zhǔn)。止水套管固好后，在套管上安設(shè)閥門，頂板孔閘閥耐壓不小于6 MPa，底板孔閘閥耐壓不小于15 MPa。鉆孔至目的層之前，如若孔內(nèi)出水，根據(jù)需要可進(jìn)行注漿，等漿液凝固后方可繼續(xù)鉆進(jìn)，以免造成固管困難、固管不牢、串漿導(dǎo)致巷道底鼓等現(xiàn)象。為防止注漿孔內(nèi)有殘留水，必須進(jìn)行封孔，壓力不小于15 MPa。一般要進(jìn)行兩次封孔。一是注漿終壓前利用孔內(nèi)注水泥漿封孔，如不能完全封孔，二次在井下孔口處拌漿封孔，水泥漿比重1.5~1.7至終壓。在施工過程中，嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)注漿終壓為14 MPa，井下達(dá)到注漿設(shè)計(jì)壓力后，改為緩慢低壓注入法，并穩(wěn)壓保持30 min以上，后續(xù)驗(yàn)證效果良好。

3 效果驗(yàn)證

通過該治理方案的工程實(shí)踐，孟津煤礦11011工作面注漿堵水注漿工程共計(jì)施工86 個(gè)鉆孔，鉆探工程量12 433 m，總注漿量為44 669 m3，其中黏土干料2 285 m3，水泥干料8 043 t，透孔工程量3 958 m。該堵水注漿工程干料比為3.3∶1，滿足設(shè)計(jì)思路要求。通過在東翼水倉測水站采用矩形堰方法測定工作面涌水量為210 m3/h。進(jìn)行堵水之前水量為1 680 m3/h，堵水率達(dá)到90%，工作面底板導(dǎo)水裂隙得到了充填、加固。工作面底板奧灰?guī)r弱含水層得到有效改造，將奧灰含水層上部20 m 破碎帶含水層變?yōu)橄鄬Ω羲畬樱?］。

4 結(jié)語

通過合理布孔、有效注漿加固，11011 工作面底板未回采段采取了“充填裂隙、加固底板”改造措施，相當(dāng)于增加了底板隔水層的有效厚度，加強(qiáng)了底板抵抗突水的能力，驗(yàn)證了高承壓水條件下間歇注漿有效封堵高承壓奧灰突水技術(shù)的可行性［5］，同時(shí)也驗(yàn)證了在構(gòu)造復(fù)雜高承壓水區(qū)域設(shè)計(jì)和實(shí)施底板注漿改造，將奧灰含水層改造成為隔水層是行之有效的堵水手段［6］，能可靠實(shí)現(xiàn)工作面的安全回采。該項(xiàng)治理技術(shù)為同類礦井高承壓水條件下煤炭資源的高效開采利用提供了一定借鑒意義，為煤礦工作面防治水提供了較為成功的治理技術(shù)。