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煤层露头部位注浆堵水及注浆改造工程技术研究
于富岭，曹善西，王理明
(临沂矿业集团马坊煤矿，山东肥城271612)
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马坊煤矿原属煤炭资源枯竭的衰老矿井，矿井原计划于2005年上半年闭坑，2004年2月矿井由临沂矿务局接管后，为保持矿井的可持续发展，经广泛研究和综合论证，决定对井田范围内马坊村下压煤进行开发利用。 马坊村下压煤块段称为六采区，是马坊煤矿唯一的一个生产采区，该采区走向最大长度360m，倾斜最大宽度400m，可供开采面积144000rn2，开采上下界标高为+20～-70m。 +10水平运输大巷是矿井实施技术改造的重要工程，肩负着矿井六采区开拓、开采期间的通风、排水、供电、运输等重要任务，2004年2月12日，当该巷道掘至E20号导线点东侧5m时，巷道底板发生突水，起始水量为10m3／h，后逐渐增大至70m3/h，由于当时矿井抗灾排水能力为150 m3／h，因此本次突水事故未对矿井生产造成直接影响，但由于突水量较大，+10水平运输大巷被迫停止掘进。 突水事故发生后，矿领导及时组织力量对此次突水事故的原因进行了分析，通过研究煤层露头部位底板隔水层条件，提出了在煤层露头部位单纯的应用理论计算不能满足矿井防治水工作需要，并在最短的时间内提交了“马坊煤矿+10水平运输大巷注浆堵水工程设计”，该设计自2004年2月15日开始施工，2月25日注浆结束，工期为10d，注入浆液为2230m3，水泥35lt，水玻璃20t，粘土420 m3，五灰突水被完全封堵，堵水率为100％。 1 水文地质概况 1.1 井田地质概况 马坊煤矿井田走向长1.2km，倾向宽0.7km，井田面积0.8411km2，矿井东以氏断层与肥城矿业集团公司国家庄煤矿为界，西以F5-1断层为界，北以4个钻孔坐标连线(人为边界)与肥城矿业集团查庄煤矿为界，南至各可采煤层露头。井田构造基本形态为一走向南东～北西，倾向北东，倾角12°～15°的单斜构造。由于受小的波状起伏影响，局部采状有所变化。生产巷道揭露证实，井田内小断层较发育，落差较小。井田地质构造复杂程度属中等偏简单类型即“含煤地层产状平缓，沿走向和倾向均发育宽缓褶皱，或伴有一定数量的断层”。 1.2 矿井水文地质概况 1.2.1 第四系砂姜石含水层 厚度9.08～36.05m，平均18．19m，主要由黄褐色～棕黄色砂质粘土及粘土夹砂姜石层组成，井田内东厚西薄，北厚南薄。该含水层接受大气降水渗透补给。由于第四系底部以粘土、砂质粘土为主，具有良好的隔水性和可塑性，可有效地隔绝大气降水、上部砂姜石层水与煤系内各含水层的水力联系，第四系砂姜石含水层潜水位一直保持在+66.2m左右。 1.2.2 一、二、三、四灰含水层 一灰厚度1.00～1.83m，平均1.43m，含泥质较多，水循环交替作用较弱，以静水量为主，上与5煤层平均间距在70m左右，矿井生产中未曾揭露该含水层， 二灰厚度1.00～2.57m，平均1.64m，中部较纯，上、下部则富含泥质，富水性弱，水循环交替作用弱，以静水量为主，二灰为6层煤直接顶板，巷道掘进阶段时有少量淋水。 三灰厚0.2～0.93m，平均O.45m，含水性更弱。 四灰厚度3.00～7.00m，平均4.80m，灰～深灰色，质纯，局部含燧石，顶底部含泥质较多，岩溶裂隙发育，四灰为8层煤的直接顶板，开采过程中曾多次发生顶板淋水。 1983年11月开始，查庄煤矿疏放四灰水，四灰水位由-32.69m降至-350m，马坊煤矿范围内四灰水从此疏干。 1.2.3 五灰含水层 厚度4.15～12.10m，平均7.75m，上距10层煤底板17.8～21.1m，灰～深灰色，局部呈褐色，质较纯，岩溶裂隙发育，富水性强，循环快，与奥灰水动态变化、水质一致，原始静止水位+64m。 1.2.4 奥陶系石灰岩 井田内共有3个钻孔揭露奥灰，最大揭露厚度20.51m(63-74)。一般可根据岩性、化学成分、岩石结构、可溶性及富水性，并结合沉积特征，将奥灰划分为8个含水层段，其中最上1个含水层段含水量最为丰富，直接与矿井充水有关，与五灰水力联系密切，其地下水动态变化五灰完全一致，由于奥灰广泛出露地表，直接接受大气降水的渗透补给，其动水量十分丰富。 2 突水情况分析 2.1 理论计算分析+10水平运输大巷受水威胁情况 采用底板承压水I临界隔水层(岩柱)厚度判断掘进工作面是否受底板承压水威胁，底板承压水临界隔水层(岩柱)厚度是指刚刚能抵抗住水压，而不致发生底板突水的隔水层(岩柱)厚度，依据斯列沙辽夫公式：
式中：t—安全隔水厚度(m)； L—掘进巷道底板最大宽度(m)，取4m； r—隔水层底板岩石容重（kg/m3)，取3t/m3； Kp—隔水层底板岩石的抗张强度(Pa)，取5.8MPa； H—隔水层底板承受的水头压力(Pa)；取0.6MPa (五灰水位标高按+50m计)。 经计算t=0.2 m<17.8m(最小底板隔水层实际隔水厚度) 由此可见，在正常掘进+10水平运输大巷时，底板所需安全隔水厚度小于底板实际隔水厚度，理论分析可安全施工，巷道掘进不受煤层底板承压水威胁。 2.2实践分析巷道突水原因 2.2.1历史突水资料分析 马坊矿前身肥城矿务局南高余矿一号斜井1962年10月掘进102煤层±Om东大巷时，底板出水40m3／h(理论计算隔水层底板所需安全隔水层厚度仅为0.25m，而底板实际隔水厚度为21.Om)，由于当时电力不足，排水困难，矿井被迫停产下马。 2.2.2 由钻探资料分析巷道突水原因 根据对井田范围内多个钻孔单位涌水量资料分析，在六采区范围内多个钻孔单位涌水量≥10L／s·m，说明六采区一50m水平标高以上块段属五灰含水性强径流带，原因为： (1)该水平标高以上块段岩层靠近露头部位，基岩因轻度风化而强度降低，而且岩溶裂隙发育，102煤层底板隔水层中普遍存在导高水。 (2)突水点附近岩层隔水厚度仅为17.8m，隔水层厚度变薄加之隐伏裂隙的存在是造成本次突水事故的直接原因。 (3)10层煤底板直接底为粘土岩，该岩层吸水变软、遇水膨胀，岩石抗张强度低，微裂隙发育并起到渗水作用，当巷道开挖后，破坏了自然状态下的岩石平衡，增大了掘进突水机率。 (4)马坊煤矿井田范围内共赋存6条落差>5．Om的断层，其中由三条集中在六采区范围内，分别为F25-1、F东-1。、F40断层，三条断层附近不同程度的发育次一级的附生断层，断层的客观存在及其相互交叉使本区水文地质条件趋于复杂化，表现在富水特征上为富水性强，表现在隔水层厚度上为隔水层厚度变薄。 通过以上对煤层露头部位水文地质特征的分析，可以得出如下结论：在靠近煤层露头部位，仅仅依靠单纯的理论计算是不能满足矿井防治水需要的，还需具体情况具体分析，即在五灰含水性强径流带，越是靠近煤层露头部位，越要加强矿井防治水工作。 3 治水方案的确定 目前对矿井突水治理的途径基本上有三种：(1)强排；(2)疏水降压；(3)注浆封堵。本次水害事故若采用强排方案维持生产，则每年矿井排水费用将高达60余万元，因而该方案不可取；本突水区域五灰岩溶裂隙发育，属五灰水强径流带，依据肥城矿区的水文地质条件，在现有的条件下依靠疏水降压很难将五灰承压水头降至安全开采范围内，并且资金投入巨大，因此该方案亦不可行；注浆封堵被认为是治理矿井动态突水的最佳方案，该方案不仅技术上是可行，安全上是可靠，工艺上是简单，而且经济上合理，因此在方案选择上确定注浆封堵方案。 4 施工技术工艺 4.1 钻探工艺 4.1.1 钻孔布置 鉴于+10水平运输大巷内底板突水点的水量、位置易于观察、确定的特点，决定注浆钻孔采用单孔布置方式，钻孔倾角设计为30°，钻机离涌水点平距经计算为44.6m(102煤层底板至五灰含水层的间距按17.8m)，钻孔施工长度为51.6tm。 4.1.2钻孔结构(见图2) (1)一级套管：开孔层位为102煤层底板，开孔为Φ146mm，钻进lOm后，下人中127mm的无缝钢管作为孔口管，注浆凝固48h后，做打压试验，压力为2.OMPa，符合设计要求，持续时间为20min，孔壁及钻孔附近无漏水现象，上好阀门(阀门上安装压力表)。 (2)二级套管：二级套管采用Φl08mm的无缝钢管。下放至五灰含水层顶部(36m)。打压压力为3。OMPa，持续时间为20min，孔壁及钻孔附近未出现渗漏水现象，终孔为Φ89mm。 4.1.3钻孔质量要求 自102煤层至终孔全部取芯，采取率达到了600k，以上，施工中详细记录了出水深度、水量变化情况；岩芯进行了妥善的保管，并进行了认真的鉴定，钻孔方位、倾角要求及时校正，方位误差不得超过±30＇，倾角误差不得超过±30＇。
图2造浆及注浆工艺流程图 4.2 注浆工艺 4.2.1 注浆系统 (1)地面注浆站：站内设有散装水泥罐2个，9.5m螺旋输送机1部，搅拌池4个，NBB250／60注浆泵2台，清水泵2台，5.4m3蓄水池1个，60打黄土场1个，自制搅拌机3台。 4.2.2 注浆管路敷设 从注浆站到风井底，选用Φ100mm的无缝高压钢管，风井底至注浆孔选用Φ50mm的无缝钢管，注浆管路敷设详细路径如下：注浆站→回风立井→+15m水平总回风巷→+10m水平运输大巷→突水点注浆孔。 4.2.3 井下斜孔注浆 地面造浆后，水泥单浆液通过注浆泵、注浆管路送至注浆孔孔口，水玻璃盛在井下矿车内，通过注浆泵送至孔口，水泥浆液与水玻璃在孔口通过孔口混合器注入受注层。 5 注浆方式封堵通道、加固底板 (1)分段注浆。由于钻孔需穿越的岩层岩溶裂隙发育，为防止注浆过程中大面积的跑浆，注浆时进行了分段注浆，钻孔施工至30m时，孔内产生了涌水，水量20m3／h，此时停止钻进，投放示踪剂做压水试验，确定了钻孔与出水点连通及连通时间为27s。 (2)根据连通时间室内做CS双浆液配比试验，确定cs浆液配比参数。水泥选用425号普通硅酸盐水泥，水泥浆的比重采用1.5，水灰比采用0.9：1，水玻璃的波美度选用40Be"，模数为2.8±，水玻璃与水泥浆的体积比采用1：1，现场测定凝胶实践为27～31s，与做连通试验所获得的连通时间吻合。
图1马坊煤矿8～10层煤至奥灰水文地质柱状图
图2堵水钻孔结构示意图 本次注浆过程共注入CS双浆液30m3，浆液扩散半径达到2m，消耗水泥6t，水玻璃20t，材料造价12628元。双浆液注入后底板突水点水量由原70m3／h减小到2m3／h，底板注浆封堵动水工作取得阶段性胜利。 (3)逐步升压CS双浆液注浆结束凝固72h后进行了打压试验，试验压力达到了2.0MPa，孔口周围无渗漏水现象，然后继续扫孔钻进，直至五灰含水层中部。在基本注浆封堵死突水通道后，为巩固突水点周围注浆效果，让浆液尽量充填五灰岩溶裂隙，向注浆孔内注入100m3单液水泥浆，比重控制在1.23～1.28，消耗水泥40t，材料造价9520元，突水点水量被完全封堵。 (4)单液水泥浆注入后，凝固72h后进行了打压试验，试验压力达到了2.0MPa，孔口周围无渗漏水现象，然后继续扫孔钻进，直至穿透五灰含水层至其底部。为彻底改造突水点区域岩溶裂隙，为今后回采该区域时打下基础，向注浆孔内再次注入粘土水泥浆，注入粘土水泥浆时，采用了全段连续注浆方式，此孔单孔注浆量达到了2000 m3，后钻孔仍未达到封孔压力，说明该地点确实是五灰岩溶裂隙发育，为了凝固浆液使注浆压力上升以便达到封孔压力，此时间歇注浆24h，后继续注入100 m3粘土水泥浆，并在水泥浆液中施加了3％的水玻璃，此时钻孔注浆压力达到1.5MPa／m，实施了封孑L。粘土水泥浆参数为：粘土水泥浆中粘土浆的比重1.12～1.18，每立方米粘土水泥浆中水泥掺入量为0.08—0.1lt，粘土水泥浆的比重控制在1.21～1.25的范围内。单孔注浆结束标准：当泵量80L/rnin以下时，工作面注浆孔孔口压力达到水压的1.5～2.5倍(平均为2.0倍)，持续时间不低于20min时，即可结束。 此阶段共注入粘土水泥浆2100 m3，浆液扩散半径达到31m，共消耗水泥305t，粘土420 m3，工程材料造价80990元。 6 注浆堵水效果及经济效益分析 (1)论证了在靠近煤层露头部位，不仅基岩因轻度风化而强度降低，而且岩溶裂隙发育、隔水层厚度变薄、隐伏裂隙的存在，因此仅仅靠理论计算是不能满足矿井防治水需要的，还需具体情况具体分析、具体对待，即越是靠近煤层露头部位，五灰含水层富水性越强，越要加强矿井防治水工作。 (2)由于突水迅速被封堵，+10水平大巷及时恢复了生产，不仅解除了对矿井安全生产的威胁，而且对矿井的采掘接续工作未产生实质影响，保证了矿井生产的正常稳定。 (3)本次堵水工程不仅封堵了五灰突水点，而且加固了突水点区域60m范围内的煤层底板，为今后开采、开拓本区域煤层奠定了基础。 (4)本次注浆堵水及注浆改造工程项目总投人为108338元，如果按注浆前70 m3／h的突水量计算，每年可节约排水费用50多万元，在矿井剩余服务年限内可节约排水费用300多万元，因此本工程取得了较大的经济效益。
作者简介：于富岭(1975一)，男，汉族，大专，1996年毕业于山东科技大学，现任临沂矿业集团公司马坊煤矿生产技术科科长，工程师。 |
