底板破碎條件下高承壓水快速堵水技術(shù)研究

王 迪，趙相朋

（義煤集團(tuán)孟津煤礦有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000）

近年來，隨著我國淺部煤炭資源的逐漸消耗和枯竭，開始逐漸向地下深部獲取資源。目前，我國東部多個(gè)礦井已進(jìn)入1 000～2 000 m 深度開采，隨著開采深度的增加，來自底板高承壓水的威脅日趨嚴(yán)重，在我國華北石炭二疊系煤田由于受到深部高承壓灰?guī)r水的危害，突水事故頻繁發(fā)生。

國內(nèi)外關(guān)于底板高承壓水治理研究很多，但是底板高度破碎、高水壓、多水源條件下快速堵水技術(shù)研究較少，缺乏有效的技術(shù)手段和較成熟的經(jīng)驗(yàn)。因此，底板高度破碎條件下高承壓水快速堵水技術(shù)研究，不僅對(duì)孟津煤礦保護(hù)地下水資源、消除礦井安全隱患具有重要的意義，也為其他礦井類似堵水工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 概 況

孟津煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要受煤層下伏奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層和太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層影響。奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層總厚度281 m，該含水層頂界面距二1 煤層底板58.20～82.99 m，一般65.84 m，距二2 煤層底板約83 m，頂界面水壓5.26～6.18 MPa，屬具有突水威脅的間接充水含水層，其間有2 層主要隔水層阻止奧灰水進(jìn)入礦井。太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層的主要含水層段為L1～L4灰?guī)r。L1～L4灰?guī)r平均厚度7.6 m，距二1 煤層底板平均35 m，距二2 煤底板平均53 m，該含水層屬礦井直接充水含水層，一般巖溶裂隙發(fā)育不佳，厚度不大，大部分區(qū)域富水性較弱，以靜儲(chǔ)量為主，對(duì)工作面生產(chǎn)構(gòu)成一定影響，但不威脅礦井安全，但在構(gòu)造發(fā)育地段則可能與奧灰含水層發(fā)生水力聯(lián)系，具有突水危險(xiǎn)性。

二2-11030 工作面開采二2 煤層，工作面中間下伏巖層中布置有11030 中間底抽巷，如圖1 所示，該巷道上距二2 煤層底板約32 m，下距太原組L1～ L4灰?guī)r頂界面約21 m，距奧陶系灰?guī)r含水層頂界面約51 m。

圖1 工作面布置及突水點(diǎn)位置平面圖Fig.1 Plane of working face layout and water outburst point position

2 突水過程

2022 年3 月5 日二2-11030 工作面回采109 m時(shí)，11030 中間底抽巷與切眼底抽巷交叉口（圖1，a 點(diǎn)）巷道底板出現(xiàn)涌水，水量28 m3/h，水溫34℃，水質(zhì)分析結(jié)果K+、Na+毫克當(dāng)量百分比為48.9%，Ca2+、Mg2+毫克當(dāng)量百分比為51.1%。綜合水溫、水質(zhì)、出水位置，初步判定水源為奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層水向上越流補(bǔ)給太原組L1～L4灰?guī)r，在回采擾動(dòng)下由L1～L4灰?guī)r進(jìn)入井下空間。3 月11 日開始在11030 中間底抽巷距交叉口51 m處施工D1 探查治理孔，該孔設(shè)計(jì)垂深80 m，三級(jí)套管結(jié)構(gòu)，鉆孔落底層位進(jìn)入奧灰頂界面下30 m，目的是探查突水水源，并從根部奧灰含水層對(duì)突水通道進(jìn)行堵截，在源頭上進(jìn)行治理。D1 施工至垂深30 m 時(shí)鉆孔涌水50 m3/h，交叉口水量隨之降到5 m3/h。鉆孔涌水過程中帶出大量碎石，隨即組織對(duì)D1 孔進(jìn)行了預(yù)注漿，在預(yù)注漿過程中，D1 孔孔口附近巷道底板出現(xiàn)多個(gè)新出水點(diǎn)，鉆孔以里15 m 處（圖1，b 點(diǎn)）巷道底板涌水量達(dá)20 m3/h。該現(xiàn)象表明D1 孔附近巷道底板已高度破碎，與太原組L1～L4灰?guī)r間的導(dǎo)水通道敞開，為避免巷道底板進(jìn)一步破壞，D1 孔停止注漿，保持放水狀態(tài)，將鉆機(jī)外撤至11030 中間底抽巷距交叉口97 m 處施工D2 孔，該孔設(shè)計(jì)垂深80 m，鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆孔落底層位及設(shè)計(jì)目的與D1 相同。D2 孔施工至垂深36 m 時(shí)鉆孔涌水51 m3/h，遂停止鉆進(jìn)組織注漿，注漿過程中發(fā)現(xiàn)漿液沿D1 孔及周邊巷道底板跑漿嚴(yán)重，為保證安全，停止注漿，D2 孔臨時(shí)封孔。至此，D1 孔涌水量約50 m3/h，已不具備進(jìn)一步施工條件，其他出水點(diǎn)涌水量合計(jì)約20 m3/h，巷道總出水量約70 m3/h。

3 堵水方案

3.1 堵水策略

通過D1、D2 鉆孔出水情況，進(jìn)一步印證了“突水水源為奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層水向上越流補(bǔ)給太原組L1～L4灰?guī)r，在回采擾動(dòng)下由L1～L4灰?guī)r進(jìn)入井下空間”的結(jié)論，同時(shí)也探明了11030中間底抽巷在該區(qū)域內(nèi)巷道底板巖層高度破碎，與太原組L1～L4灰?guī)r間的導(dǎo)水通道敞開，在巷道底板加固前已不適宜再施工堵水鉆孔，強(qiáng)行施工可能造成災(zāi)害擴(kuò)大。

基于以上情況，礦決定調(diào)整堵水策略：第一步，遠(yuǎn)距離施工疏水鉆孔，將D1 孔及周邊涌水分流，使D1 孔具備施工條件；第二步，從D1 孔注聚氨酯堵水材料，對(duì)D1 孔附近L1～L4灰?guī)r及巷道底板進(jìn)行快速封堵加固；第三步，利用遠(yuǎn)距離疏水鉆孔注水泥漿對(duì)D1 孔外圍L1～L4灰?guī)r及巷道底板進(jìn)行注漿加固；第四步，在D1 孔附近淺層加固的基礎(chǔ)上，將D2 孔落底層位施工至奧灰頂界面下30 m，注水泥漿將奧灰含水層改造為隔水層；第五步，將遠(yuǎn)距離疏水鉆孔延伸至奧灰頂界面下30 m，注水泥漿擴(kuò)大奧灰含水層改造范圍，鞏固堵水成果，必要時(shí)補(bǔ)充鉆孔。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)井下現(xiàn)場(chǎng)施工條件，在11030 工作面切眼底抽巷距交叉口93 m 處布置了D3、D4、D5 鉆孔，在11030 中間底抽巷距交叉口101 m 處布置了D6孔，如圖2 所示，鉆孔參數(shù)見表1。

表1 堵水鉆孔參數(shù)Table 1 Parameter table of water plugging borehole

圖2 堵水鉆孔設(shè)計(jì)平面圖Fig.2 Plane of water plugging borehole design

要求鉆孔一級(jí)套管孔口處外壁纏麻皮，孔內(nèi)注漿，孔外充分返漿，耐壓試驗(yàn)壓力5 MPa，以備在下二級(jí)套管前出水提前進(jìn)行預(yù)注漿，二級(jí)套管采用環(huán)狀間隙注漿，耐壓試驗(yàn)壓力12 MPa，便于淺層堵水后對(duì)奧灰含水層進(jìn)行注漿改造，根據(jù)具體施工情況下三級(jí)套管。

在實(shí)際施工中，D4 孔鉆桿斷，未施工至設(shè)計(jì)終孔，D6 孔下三級(jí)套管，D2 孔補(bǔ)下四級(jí)套管。鉆孔采用下行式注漿，施工過程中若鉆孔涌水量≥10 m3/h 則停止鉆進(jìn)，進(jìn)行預(yù)注漿，預(yù)注漿結(jié)束后透孔繼續(xù)向下鉆進(jìn)。

3.3 堵水過程

D3 孔施工至78.5 m（垂深53.5 m）時(shí)鉆孔出水56 m3/h，D1 孔涌水量隨之減少至20 m3/h，巷道出其他水點(diǎn)不再涌水。在保持D3 孔放水狀態(tài)下，施工了D4 孔，D4 孔施工至73 m（垂深45 m）出水35 m3/h，D1 孔涌水量進(jìn)一步減少至10 m3/h。D3、D4 孔施工達(dá)到了將D1 孔及周邊涌水分流的目的，D1 孔已具備施工條件。

在保持D3、D4 孔分流的條件下，沿D1 孔注聚氨酯5 t，聚氨酯在地層中遇水發(fā)泡膨脹，進(jìn)行二次滲透，將D1 附近巷道底板及巷幫可見的20多處裂隙充分充填，D1 孔及孔口附近不再涌水，但D1 孔以里15 m 處（圖1，b 點(diǎn)）水量增大至40 m3/h。通過注聚氨酯材料，將D1 孔進(jìn)行了封堵，將管道流變成了滲流，基本達(dá)到了預(yù)期目的。

在將D1 孔由管道流改造成滲流后，通過淺層注漿堵水成了可能，于是利用D3、D4 孔對(duì)淺層進(jìn)行注漿，D3 孔反復(fù)透孔注漿6 次，累計(jì)注海帶305 kg，水泥425 t，G2-2 孔累計(jì)注海帶698 kg，鋸末125 kg，水泥105.9 t。通過G3、G4 鉆孔注水泥及骨料后巷道總涌水量由70 m3/h 減至6.7 m3/h。在總涌水量得到有效控制、D1 孔周邊被聚氨酯充分充填加固的前提下，將D2 孔落底層位施工至奧灰頂界面下30 m，注水泥565 t，巷道總涌水量減至0.3 m3/h。

為擴(kuò)大奧灰含水層改造范圍，鞏固堵水成果，又將D3 孔進(jìn)行了延伸，并施工了D5、D6 孔，落底層位施工至奧灰頂界面下30 m，對(duì)奧灰含水層進(jìn)行了注漿改造。

4 結(jié) 論

此次孟津煤礦底板破碎條件下高承壓水快速堵水工程施工堵水鉆孔總進(jìn)尺683 m，累計(jì)注水泥3 014.64 t，海帶1 038 kg，鋸末280 kg。巷道總涌水量由70 m3/h 減至0.3 m3/h，堵水率99.6%，實(shí)現(xiàn)了堵水率高、用時(shí)短、成本低的目的，堵水效果顯著。通過總結(jié)分析，獲得如下結(jié)論。

（1）突水水源快速判定。礦井通過以往水質(zhì)分析成果，對(duì)K+、Na+、Ca2+、Mg2+毫克當(dāng)量百分比等關(guān)鍵化學(xué)特征、水溫進(jìn)行了聚類分析，繪制了Piper 三線圖，建立了標(biāo)準(zhǔn)水樣數(shù)據(jù)庫，對(duì)奧陶系灰?guī)r水、太原組灰?guī)r水、煤層頂板砂巖水等不同水源進(jìn)行快速對(duì)比判定，是實(shí)現(xiàn)快速堵水的前提。

（2）科學(xué)布置堵水鉆孔。鉆孔布置按照多層次、立體交叉式原則，堅(jiān)持一孔多用，疏、堵、截相結(jié)合，疏水先行，堵截為主，探注結(jié)合的堵水技術(shù)路線。

（3）聚氨酯漿液使用。聚氨酯漿液分為非水溶性聚酯（簡稱PM型漿液）和水溶性聚氨酯（簡稱WPU 型漿液），PM型漿液遇水開始反應(yīng)，不易被地下水沖稀或沖失，反應(yīng)時(shí)間可以控制，WPU型漿液可均勻地分散或溶解在大量水中，容易被沖失，凝膠時(shí)間難以隨意控制，因此此次堵水選用非水溶性聚氨酯。為同時(shí)避免聚氨酯在孔內(nèi)過早反應(yīng)將注漿通道堵塞和反應(yīng)時(shí)間過長注入漿液被動(dòng)水沖失，施工過程中將注漿管路設(shè)計(jì)為“Y”型，使A料和B 料在孔底混合開始反應(yīng)，結(jié)合裂隙發(fā)育和底板破碎情況，將漿液開始反應(yīng)時(shí)間精確至40～45 s，終凝時(shí)間精確至60～90 s，膨脹倍數(shù)定為2～3 倍。

（4）合理的注漿工藝。此次采用了間歇式、立體注漿、二次滲透注漿和控制性注漿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)注漿的大流量和連續(xù)性，有效控制了突水點(diǎn)跑漿和漿液無限擴(kuò)散的問題，達(dá)到攔截突水水源和封堵導(dǎo)水通道的目的。施工過程中出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象時(shí)，漿液中加入了鋸末、海帶等骨料，添加順序按照骨料粒徑先細(xì)后粗再變細(xì)，水泥漿比重范圍采用1.1～1.3，先稀后稠再到稀，注漿泵由高檔到低檔。