滑動地質構造下注漿堵水技術的應用

王合龍

(蘭花集團 口前煤業(yè)公司，山西 朔州 036000)

1 礦井地質及水文地質特征分析

1.1 礦井地質

鄭煤集團老君堂煤礦開采二疊系山西組二1煤層，煤層平均傾角35°，由于區(qū)域構造運動發(fā)育的影響，煤系地層位于全區(qū)滑動構造、滑動構造之下的斷層與褶曲構造體中，屬華北板塊嵩箕構造區(qū)。井田內的蘆F1滑動構造位于穎陽－蘆店向斜東段，西起玉皇廟斷層，經東瓦店斷層東延至新密煤田，南北兩側滑動面翹出地表。由于受其影響，井田內二1煤層頂板山西組地層多被滑動構造鏟失，多為二疊系土門組、三疊系圈門組地層，砂巖所占比例較高，單層厚度較大，在50～100 m左右，在井田中北部反傾伏于煤層之上。

1.2 礦井水文地質特征

由于區(qū)三疊系地層廣泛出露，補給面積大，所以，井田內動態(tài)和靜態(tài)水儲量都非常大，煤系地層上部砂巖含水層富水性較強，是礦井頂板涌水的主要來源。

受蘆F1滑動構造的影響，礦井煤層底板隔水層產生了次級滑動構造，造成局部區(qū)域隔水層變薄，隔水強度降低，突水危險性增大。同時，由于斷裂構造較發(fā)育，破壞了煤系地層的整體性和連續(xù)性，使無水力聯系的含水層互相對接而發(fā)生水力聯系，兩種情況都極易引起底板高水頭巖溶水底鼓突水。

2 21081下巷突水原因分析

21081下巷為留窄小煤柱沿空掘巷，右側2 m外為采空區(qū)，巷道開挖后破碎圈較大，圍巖冒落嚴重。當巷道掘進至275 m處時，迎頭后方1～3 m巷道左幫發(fā)生突水，最大突水量為220 m3/h，經水質化驗并結合礦井水文地質條件，對突水原因進行分析，認為21081下巷存在1條隱伏斷裂構造，導致底板完整性遭到破壞。隨著礦井21101工作面的回采和21081下巷的掘進，底板斷面經歷采空區(qū)周邊剪切破壞，造成底板裂隙增多，并進一步活化原采動裂隙，使之與新生裂隙導通，導致底板L1－4灰?guī)r溶裂隙溝通下部灰?guī)r含水層突水，并伴有少量頂板砂巖水。

3 注漿堵水加固技術

3.1 注漿方案分析

利用斯列沙夫公式計算二1煤層底板安全隔水層厚度。計算公式:

式中:

t—安全隔水厚度，m;

l—采掘工作面底板最大寬度，m，取70;

r—隔水層巖石容重，t/m3，根據礦井地質報告，取 2.62;

kp—隔水層巖石抗張強度，t/m2，取107;H—隔水層底板承受的水頭壓力，t/m2。

21081工作面二1煤層開采標高深度范圍為－150～+50 m，O2灰?guī)r長觀孔靜止水位標高為+132 m，附近15001孔L1－4灰距二1煤底板的平均距離28.25 m。當開采深度到－150 m水平時，公式中的 H=132+28.25+150=310.25 m。根據式(1)，計算出21081工作面二1煤層底板的安全隔水厚度為59.47 m。

由于受蘆F1滑動構造的影響，發(fā)育有底板次級滑動構造，21081工作面二1煤層底板距L1－4灰隔水厚度平均僅為28.25 m，厚度遠小于計算出的安全隔水厚度，極易發(fā)生突水。

在注漿堵水過程中，由于隔水層厚度不夠，如果采取動態(tài)高壓注漿，容易導致在突水點附近誘發(fā)新的次級出水點，甚至把出水點逼至巷道右側采空區(qū)，分散水量，給堵水帶來更大的困難。所以，經分析采取動靜結合，變動為靜的方法進行堵水。用水泥進行澆灌，增加出水點附近隔水層厚度。然后采取從上部無縫鋼管內注漿，利用注漿泵的壓力使出水點以下到L1－4灰頂部以上的隔水層裂隙用水泥充分充填，使該段隔水層成為一個整體。

3.2 施工過程分析

1)為防止突水點向右側采空區(qū)轉移，在掘進工作面后方17 m處，向左側施工1條長度10 m的水平輔助巷道，然后向右側轉90°，與21081工作面下巷平行向前掘進，最終施工層位為L7－8灰?guī)r。掘進12 m后，找出突水通道，用1根外端安裝配套高壓閘閥的d203.2 mm無縫鋼管插入突水孔洞，深度約1.5 m，上部用水泥砌實，轉彎時導水管根據情況進行加配彎管。將所有突水全部從導水管導出，導水管外端所安設的配套高壓閘閥保持常開狀態(tài)，將水引至導水巷口8 m以外。把出水點的水從引水管全部引出后，把輔助巷道和下巷迎頭外23 m全部用料石充填實，并進行注漿充填，保證兩巷沒有空隙。具體位置見圖1。

圖1 導水管平面圖

2)在21081下巷停掘位置向下33 m上幫開口做一個在二1煤層及底板L8灰?guī)r中鉆場(見圖2)，在下巷鉆場內先打1號放水孔，孔深70 m，最大涌水量達到120 m3/h，經疏放后穩(wěn)定在100 m3/h左右;隨后打3號放水孔，孔深63.8 m，最大涌水量達到30 m3/h，隨后穩(wěn)定在10 m3/h左右，2個鉆孔終孔層位均在出水點下方L1－4灰內，使上部出水點的水壓全部釋放出來，并把上部出水點水量大部分從鉆孔引出，達到了注漿條件。

圖2 鉆孔平面布置圖

3)注漿堵水。

a)采取從上部d203 mm無縫鋼管內注漿的方法，利用注漿泵的壓力使出水點以下到L1－4灰段巖層裂隙用水泥充分充填，共計注進水泥46 t，壓力達到4.5 MPa，此時，基本上把出水點以上及頂板充實。

b)在21081下副巷鉆場設計4個底板注漿堵水鉆孔。鉆場內鉆孔呈扇形布置，施工順序為:先注1號放水孔和3號放水孔，再施工驗證鉆孔1～4號孔。由于本區(qū)二1煤層頂板受蘆F1滑動構造影響，二1煤層直接頂底板巖石破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，稍觸即碎，給鉆探施工帶來了一定的困難。21081下副巷水壓約2.3 MPa，水壓相對較大，因此，要求套管必須按要求下到位。采取下入多級套管的方法，先下入d146 mm套管護住孔口不塌孔，然后再下入d108 mm套管15 m，保證套管的承壓能力。在下入一級套管時采取跟管鉆進的方法。在下d108套管期間，采取人工和機械轉動相結合的方法，順利下入d108套管15 m，保證了正常鉆進。此次注漿堵水共施工底板孔7個，打鉆進尺309 m，透孔8次，注水泥914 t，黃土15 t。

3.3 工程評價

本次注漿堵水施工過程中，保證了下入套管的長度及封孔質量，并嚴格按照耐壓試驗標準對套管進行耐壓試驗，保證了工程的質量。注漿終止壓力不低于水壓的2.5倍，達到最大注漿量，最大范圍內擴散，最大限度的充填巖溶裂隙通道，保證鉆孔的注漿質量。

對L1－4灰注漿加固，切斷了局部承壓含水層的補給，阻斷L1－4灰含水層與O2含水層的水力聯系通道，降低深部承壓水的威脅;對L1－4灰注漿改造，減弱了斷層前局部L1－4灰含水層的富水性。結合物探資料分析，迎頭前方60 m范圍內無低阻異常區(qū)，注漿加固效果良好，使下副巷恢復掘進。

通過本次堵水注漿加固工程，使21081下副巷出水點底板水完全堵住，礦井總涌水量下降30%，緩解了礦井排水壓力，為該礦安全生產創(chuàng)造了條件。

4 結論

通過采取巷掘集水引出，打孔放壓，自上往下注漿，變動為靜的注漿方法，不僅解決了底板隔水層較薄，煤層頂底板強度低、破碎度較大、存在裂隙較多等不利條件下注漿堵水困難的問題，而且有效控制了動水條件下注漿大量跑漿的現象，節(jié)約了注漿成本。該方法在鄭煤集團尚屬先例，對豫西煤田的“三軟”煤層井下水害防治具有一定的指導意義。