影响煤10安全开采因素分析

姜华，邱法林；房孝春

(肥城查庄煤矿有限公司，山东肥城271612)

1  水文地质条件分析

    影响l0层煤开采的含水层主要是本溪组徐家庄灰岩和奥陶系灰岩。徐家庄灰岩厚5．5～10．58m，平均8．7m。上距10层煤14～27m，平均2l m，下距奥灰1．41～14．54m，一般10m左右，岩溶裂隙发育，单位涌水量q=0．0017～16．12L/s．m，富水性较强，且不均一，具有明显的分区性和垂直分带性。靠近井田东西边界，富水性相对中部强；倾向上一般深部岩溶发育趋于减弱，富水性弱，仅个别地段较强。—150m水平施工的五灰钻孔，单孔最大水量350m³／h，平均90rn³／h以上，—250m水平单孔最大水量250m³／h，平均水量75m³／h以上。由于五灰和奥灰间距小，受断裂构造发育影响，水力联系十分密切，水质、水位动态与奥灰基本相同。

    奥灰顶部30m左右岩溶裂隙一般不发育，局部发育，单位涌水量q=0．017～16．203L／s．m，井下施工l#水源井进入奥灰16．69m时，涌水量达450m³／h。奥灰原始水位+64m，由于奥灰地表出露广泛，直接受大气降水的补给，动水量十分丰富，平均2．88万m³／h。

    查庄矿在开采10层煤时发生过多次底板突水，最大突水量241m³／h，为了安全回采10层煤，在煤8、煤9对底板改造的基础上，针对注浆期间的薄弱区构造复杂块段合理布置钻孔，对10层煤底板五灰再一次进行注浆改造，使之变成弱含水层或隔水层，达到安全回采之目的。

2  煤10开采底板突水原因分析

2．1  上部煤层开采矿压对底板的迭加破坏

    开采煤7时，对矿压进行了观测，当工作面推采至距F一17观测孔五灰段29m时，水压由原来1．55MPa，增加到2．14MPa，水位上升59m，工作面推采超过钻孔五灰段5．0m时水压开始下降，由2．14MPa下降到1．2MPa，水位下降94m。从钻孔水位变化，可以看出煤7工作面开采矿压对底板的影响已达到五灰含水层。开采8、9煤时，观测证明，底板破坏也达到五灰。开采10煤层时，矿压对底板破坏在煤7、煤8、煤9开采的基础上，又进行了迭加破坏，导致出水量增加。

2．2  矿压对底板破坏导致隔水层裂隙增多

    10Ⅱ101工作面第二个机房内的检4孔，注浆量达到60m³，孔口压力4．8MPa时，出口巷道有一段发生底鼓，长度35m，高度0．1～0．45m，并出现漏浆，对隔水层造成进一步破坏。10103工作面地质条件复杂，西侧为F40断层，落差3～10m，东侧为落差4．0m的断层，注浆过程中6个钻孔相互串浆，注浆压力3．2MPa，串浆层位在底板以下13m，检2注浆过程中相距44m检3孔钻探时，在隔水层中出现串浆，相距76m检5孔，在钻探施工41m时孔内串浆严重，两孔均在隔水层中串漏浆，进一步说明了煤10底板大部分块段较为破碎，裂隙较多，降低了有效隔水层厚度，开采危险性较高。

2．3  浆液含砂量高  扩散半径小

    由于浆液含砂量高，在扩散过程中沉淀较快，扩散半径较小，降低了改造效果，开采过程中极易发生突水事故。如10100l#外小面、101004面均因含砂量高，浆液扩散半径小，工作面改造效果不理想而出水。

2．4  注浆过程泄压事故造成注浆不连续

    利用地面造浆系统将粘土水泥浆液通过泥浆泵将注浆管路和钻孔相连，直接注入五灰含水层中，这种注浆方式，管路较长，注浆站距注浆地点距离较远，(至少在2000m以上)，注浆过程中孔口压力临近结束时，注浆泵档位低，浆液流速慢，容易造成管路沉淀淤积，从

而导致注浆过程中地面和孔口压力悬殊较大，出现地面泥浆泵泵压较高，造成管路中途打垫子泄压漏浆现象。在长期注浆过程中，由于管路压力持续时间较长，管路处在拉紧状态，一旦泄压拆开连接头时难以合拢，从而造成处理管路时间较长，影响钻孔进浆，难以保持注浆的连续性，从而影响注浆改造效果。

2．5  钻孔注浆控制阀关闭不严造成浆液回流泄漏

    井下施工的钻孔所用的控制阀为四寸闸板式，钻孔注浆时容易造成孑L口控制阀下的闸板槽被泥浆沉淀淤实，注浆达到终孔压力时，没有向孔内压水注纯水泥浆进行封孔，由于孔口闸阀关闭不严造成浆液回流，使钻孔出现残留水，从而使钻孔成为导水通道。如中井10层1#工作面推采过程中，推采305m时机巷以上11m处底板出水，水量为5．0m³／h，随即揭露中井9层l#工作面注17钻孔，发现封堵不实。又如10l005#机巷掘进时，当掘至机巷门子口以里99m和115m时，掘进迎头顶板以下1．3m处煤体出水，水量7．6 m³／h，

经打钻探查出水点上部下部无异常，继续掘进2．0m时，揭露了8层的两个钻孔，发现钻孔导水所致。

图l  10115工作面注浆改造平面图

3  改进注浆存在问题

3．1  10115工作面底板含水层注浆改造情况

    10_Ⅱ115工作面上覆8层煤开采前对底板五灰承压含水层进行了注浆改造，共布置注浆检查孑L 23个，单孔最大涌水量l84m³／h，最小涌水量1．0m³／h，共注人干料712．6t，水量与干料之比l：0．61。两工作面推采过程中底板未发生突水事故，实现了安全回采。10_Ⅱ115工作面上覆9层煤开采前对五灰又进行了注浆改造。9115工作面施工五灰注浆、检查孔26孔，单孔最大涌水量38m³／h、最小涌水量0．1m³／h，共注入粘土1344．t，水泥861．5t，合计注入干料2205．5t，平均每孔注入干料84．83t，水量与干料之比1：9．63，工作面推采48m时，底板出水量6m³／h。

    10_Ⅱ115工作面共施工五灰检查孔20个，总工程量1340．2m。进入奥灰孔两个，工程量74m。单孔最大涌水量25m³／h，最小涌水量0．2m³／h，共注入粘土水泥浆5232m³，单孔平均进浆261．6m³，平均注浆59．4m³，注入粘土1 347．5t，水泥1537．3t，合计注入干料2884．8t，平均每孔注入干料144．24t，水量与干料之比1：32．74，该工作面实现了安全开采。

3．2  查清钻孔漏浆层位

钻孔开孔直径110mm，下一级套管，套管直径108mm，套管深度40m，然后反循环注浆封堵，凝固48h以后扫孔，扫孔深度超过套管长度0．5m进行打压试验，合格后用Φ73钻头施工，穿过五灰0．5m结束。按照常规耐压试验的标准，钻孔下好套管，注浆后扫孔深度超过套管长度0．5m，试压合格后为整个钻孔试压合格，钻孔结束后开始利用钻孔对含水层进行注浆改造。而本工作面钻孔试压由原来的常规一次试压改为现在的多次试压，第一次耐压试验是套管注浆封固后扫孔距套管底口1．5m时，对套管的密封性进行第一次耐压试验，重点检查套管的完好程度；第二次耐压试验是扫孔深度超过孔底套管0．5～1．0m时，进行第二次耐压试验，重点检查套管底口的密封程度；第三次耐压试验是在前两次试压合格的基础上进行，第二次耐压试验合格后，开始钻探进尺，钻探深度达到五灰顶部砂岩时，进行第三次耐压试验，重点是检查套管底口到五灰顶部砂岩的完整性。

    原来常规耐压试验，无法查出套管底口到含水层上部隔水层的完整性，利用粘土水泥浆进行注浆，浆液将进入隔水层，对隔水层的裂隙进行充填，从而对隔水层造成破坏，起不到围岩裂隙固结作用，且容易造成含水层进浆量大的假象，通过采取多次试压的方法，及时发现问题，并加以解决，收到了较好的效果。

3．3  对注浆浆液进行一次旋流多次除砂

    粗浆的泥浆通过旋流器以后进行了第一次除砂，然后浆液通过滤砂器进入精浆池，进行了第二次除砂，地面泥浆泵将浆液通过管路送人井下滤砂器，然后流入盛浆池，进行了第三次除砂。经过三次除砂以后粘土浆液粘度得到了提高，从而增加了浆液扩散半径，提高了钻孔进浆量。

    通过此项措施的落实，在10115工作面取得的效果比较明显。同时经过一次旋流多次除砂后的浆液，减小了对泥浆泵的磨损。

    井上下接力注浆就是利用地面注浆系统，将浆液通过井上泥浆泵和管路送人井下泥浆池，利用井下泥浆泵将浆液注入钻孔内的含水层中，采取这条措施优点为：(1)大大减小了耐压管路的长度，降低管路事故。(2)减小了管路淤积堵塞的次数。(3)缩小了泵压和孔口压的压差。从而保证了注浆的连续性，提高了工作面的改造效果。

3．4  选择合理注浆压力参数

    以往工作面注浆改造的钻孔不管钻孔位置，终孔压力均一样，注浆终孔压力原则上是达到水压2．5～3．0倍。通过10115工作面的注浆摸索认为：钻孔方位同巷道之间的夹角在10°之内，终孔位置距巷道l0m之内，注浆终孔压力可以控制在水压的2．0～2．5倍之间。钻孔终孔位置在工作面中部，注浆终孔压力可以控制在水压的3．0～3．5倍之间，原因是位于工作面中部的钻孔，周围为煤体，抗压性较高，而和巷道夹角较小的钻孔，注浆时在巷道壁上容易形成剪切力，导致煤体片帮底鼓漏浆，对隔水层进一步造成破坏。

3．5  钻孔注浆结束前将粘土浆改为水泥浆

    注浆改造的最后一环，也是关键的一环，就是钻孔注浆结束时的水泥封堵，如果封堵质量达不到要求，使钻孔成为导水通道，就增加工作面推采时的突水几率，因此每个钻孔注浆临近结束前，向孔内压清水0．5h，然后将四寸截门控制阀更换为一寸截门四寸法兰盘孔口

浆液控制阀，然后向孔内压人比重1．55～1．70的纯水泥浆，注纯水泥浆时间不低于1．5h，持续0．5 h后，停止注浆，关闭孔口一寸阀门，注浆结束48h之后，方可将孔口短节撤下，这样从根本上杜绝了钻孔导水，消除钻孔成为导水通道的隐患。

4  结论

(1)在揭露五灰含水层前对钻孔进行多次试压，依次查清五灰强含水层上隔水层、套管底口、套管接口泄压部位等，并利用425#优质水泥浆进行泄压部位注浆加固，以减小对隔水层的破坏，达到注浆改造含水层的目的。

    (2)对于底板注浆改造的粘土浆及粘土水泥浆液实施一次旋流多次除砂，提高了浆液质量和浆液扩散半径，同时减小了设备的磨损和维修率。

    (3)实施井上、下接力注浆，减少了注浆接头泄压漏浆和管路的淤积堵塞，保证了注浆的连续性，提高了钻孔进浆量。

    (4)对于工作面不同方位的钻孔，选择不同的注浆压力参数。注浆结束标准，因孔而定，充分发挥每个孔的效能，提高每个孔的注浆效果。

    (5)在注浆结束前更换钻孔孔口控制阀，改变不同性质的浆液，利用纯水泥浆封堵钻孔，防止浆液回流和泄漏，保证了钻孔封堵质量。

    总之，通过创新改造注浆流程中关键环节，使注浆效果得到根本改善和提高，降低工作面突水几率，实现了安全回采，也为此项技术发展提供宝贵经验。

*收稿日期：2008一03一05

  作者简介：姜华(1970一)，男，汉族，毕业于山东科技大学，工程师，现为肥城查庄煤矿有限公司地测科副科长，从事矿井水文地质工作。