水淹采空區(qū)鄰礦工作面頂板突水帷幕注漿堵水技術(shù)研究

張東營(yíng)

(義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 義馬 472300)

頂板水害是煤炭開(kāi)采過(guò)程中最常見(jiàn)的一種水害。國(guó)內(nèi)外研究資料表明[1-5]，頂板水害一般具有以靜儲(chǔ)量為主、突水強(qiáng)度小和易于疏干的特點(diǎn)，其突水水源多為頂板砂、礫巖含水層，突水通道為煤層頂板垮落后形成的導(dǎo)水裂隙帶。

由于頂板突水多以靜儲(chǔ)量為主，因此其治理方法多以疏排為主[6-9]。本次研究的頂板突水水源具有特殊性，頂板含水層受到側(cè)向臨礦老空水補(bǔ)給，由于臨礦老空水儲(chǔ)量巨大，采用疏排方法治理難度大，因此采用帷幕注漿的方法截?cái)嗬峡账畬?duì)頂板突水的補(bǔ)給，取得了較好的治水效果，確保了礦井的安全高效回采。

1 工作面水文地質(zhì)概況及水害防治措施

1.1 工作面概況

16020工作面位于礦井16采區(qū)西翼，為該采區(qū)深部首采面，工作面沿走向布置，工作面走向長(zhǎng)684m，傾斜長(zhǎng)200m，工作面標(biāo)高+60～+90m。煤厚0.1～14.8m，平均厚4.8m。工作面生產(chǎn)主要受頂板水、老空水影響。煤層頂板主要含水層為山西組大占砂巖、香炭砂巖等含水層組，據(jù)抽水試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)際揭露資料，鉆孔單位涌水量q=0.00025～0.181L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.00135～0.217m/d，在掘進(jìn)期間常以滴淋水形式進(jìn)入礦井，水化學(xué)類型一般為HCO3—Na型水，礦化度多在720～1150mg/L。工作面切眼西部距渠里煤業(yè)采空區(qū)最近約200m，渠里煤業(yè)已于2016年12月關(guān)閉，其采掘空間已被老空水淹沒(méi)，該淹沒(méi)區(qū)積水面積約83.3 萬(wàn)m2，預(yù)計(jì)積水量54.9萬(wàn)m3。

1.2 掘進(jìn)期間防治水技術(shù)措施

1.2.1 超前探查治理老空水

渠里煤業(yè)為地方小煤礦，為防止誤揭渠里煤業(yè)采空區(qū)，確保16020工作面距渠里煤業(yè)防隔水煤(巖)柱的有效性和可靠性，2016年12月至2017年8月，在16020工作面上、下巷掘進(jìn)期間進(jìn)行了超前探查治理老空水，施工39個(gè)鉆孔，累計(jì)鉆探進(jìn)尺4124.3m，鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)生穿透老巷情況。鉆孔單孔涌水量0～36m3/h，孔口水壓0～2.0MPa，水溫17～22℃，水質(zhì)類型為SO4·HCO3—Na型，礦化度為967～1805mg/L。各探查鉆孔初始總涌水量為163.4m3/h，針對(duì)各鉆孔進(jìn)行注漿，注漿終壓5～8.5MPa，注水泥478.5t，噸水注干料為2.92t。

1.2.2 防隔水煤柱留設(shè)

由于渠里煤業(yè)采空區(qū)積水量大，不便于探放，為確保安全生產(chǎn)，在16020工作面西部采取留設(shè)防隔水煤(巖)柱措施。防隔水煤(巖)柱尺寸根據(jù)相鄰礦井邊界防隔水煤柱公式進(jìn)行計(jì)算[10]：

Ly=(H-Hd)/10×1/λ

(1)

式中，Ly為導(dǎo)水裂隙帶上限巖柱寬度，m；H為煤層底板以上的靜水位高度，根據(jù)16020工作面掘進(jìn)過(guò)程探查鉆孔資料，取200m；Hd為最大導(dǎo)水裂隙帶高度，工作面煤層采厚為3.5m，裂采比最大為16.67，導(dǎo)水裂隙取最大值為58.3m；λ為水壓與巖柱寬度的比例，取1。

經(jīng)計(jì)算，Ly=14.17m<20m，則Ly取值為20m。

L=Ly+2×Hd/tanδ

(2)

式中，L為煤層邊界防隔水煤柱寬度，m；δ為巖層移動(dòng)角，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中推薦經(jīng)驗(yàn)角度為77.5°。

經(jīng)計(jì)算，L=20+2×58.3/4.51≈45.85m，則L取值為45.85m。

根據(jù)掘進(jìn)過(guò)程中超前探，工作面切眼距渠里煤業(yè)采空區(qū)有效距離大于70m，實(shí)際留設(shè)防隔水煤(巖)柱大于安全防隔水煤柱厚度，工作面可以進(jìn)行生產(chǎn)。

2 突水特征及其原因分析

2.1 突水特征

2018年8月15日，16020工作面試采，工作面回采8.6m時(shí)，頂板初次來(lái)壓頂板淋水增大到約20m3/h，隨著工作面推進(jìn)，工作面淋水并逐漸增大，至9月25日，工作面回采至14.5m時(shí)，工作面涌水量急劇增大到260m3/h。

隨著工作面推進(jìn)突水點(diǎn)分散，突水形式表現(xiàn)為頂板突水，初始出水點(diǎn)位置共三處，分別在16020工作面下切眼口向上45m、60m、122m處頂板偏向采空區(qū)側(cè)，突水量由小漸大，達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定；突水初期，有臭雞蛋氣味，5d后臭雞蛋氣味消失。

2.2 突水原因分析

2.2.1 突水水源分析

1)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)。2018年8月15日至9月25日期間，該時(shí)段屬于汛期，按正常情況，渠里煤業(yè)水位應(yīng)逐漸上升。在此期間，工作面突水后，渠里煤業(yè)水位由+271.82m下降到+246.14m，下降25.68m，下降幅度較大，同時(shí)渠里煤業(yè)周邊礦井均未發(fā)現(xiàn)突水現(xiàn)象，說(shuō)明16020工作面突水水源有渠里煤業(yè)采空區(qū)積水的直接參與。

3)水溫分析。由于渠里煤業(yè)埋藏較淺，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水與地表溫度基本一致，9月29日取工作面突水水樣測(cè)試水溫，水溫為17～21℃，與渠里煤業(yè)采空區(qū)積水水溫基本一致。

表1 16020工作面水質(zhì)分析表 mg/L

2.2.2 透水通道分析

1)導(dǎo)水裂隙帶[11]。在工作面回采期間，隨著回采面積的增加，上覆巖層受采動(dòng)影響逐漸加大，導(dǎo)水裂縫帶將切過(guò)直接頂隔水層深入頂板砂巖含水層中。16020工作面僅采一個(gè)采高3.5m，根據(jù)《新安煤礦煤層開(kāi)采覆巖破壞高度動(dòng)態(tài)探測(cè)技術(shù)研究報(bào)告》中所得結(jié)論，裂采比最大為16.67，導(dǎo)水裂隙最大值為58.3m；同時(shí)在節(jié)理、周期來(lái)壓以及采高等諸多因素的影響下，這將溝通頂板4層砂巖充水含水層，導(dǎo)致頂板砂巖水進(jìn)入工作面。

2)砂巖含水層。在16020工作面未回采時(shí)，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水對(duì)工作面頂板砂巖水補(bǔ)給，達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)。砂巖含水層累厚達(dá)41.3m，砂巖透水性較好，滲透系數(shù)在1～10m/d，屬于良好的過(guò)水通道，由于16020工作面的回采，上伏頂板水砂巖水進(jìn)入工作面，形成水力坡度差，導(dǎo)致渠里煤業(yè)采空區(qū)積水通過(guò)砂巖過(guò)水通道、16020工作面導(dǎo)水裂隙帶、垮落帶進(jìn)入工作面。

根據(jù)以上分析，工作面回采初期工作面頂板水隨著導(dǎo)水裂隙帶、垮落帶進(jìn)入礦井，隨著工作面推進(jìn)，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水通過(guò)砂巖過(guò)水通道進(jìn)入工作面導(dǎo)水裂隙帶，隨后進(jìn)入礦井，如圖1所示。

圖1 16020工作面過(guò)水通道

2.2.3 突水量變化特征分析

工作面初采時(shí)，放頂煤高度較小，采空區(qū)面積較小，頂板懸空距離有限，直接頂板雖已垮落，但垮落并不充分，而老頂僅局部垮落甚至不垮落，造成頂板承壓含水層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度較小，故涌入礦井的水量較小，工作面涌水量在20m3/h。隨著工作面推移至14.5m時(shí)，采空區(qū)面積增大，老頂初次來(lái)壓，頂板承壓含水層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度進(jìn)一步升高，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水通過(guò)砂巖過(guò)水通道進(jìn)入礦井，工作面涌水量也隨著增大到260m3/h。工作面被迫停產(chǎn)，由于頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度、影響范圍保持在一定的范圍內(nèi)，渠里煤業(yè)采空區(qū)積水參與涌入礦井的水量保持不變，工作面涌水量穩(wěn)定在260m3/h。

3 工作面突水治理

3.1 工作面頂板帷幕注漿堵水

帷幕注漿是為增強(qiáng)各種巖體抗?jié)B能力的一種方法，它是在具有合理孔距的鉆孔中，注入漿液，使各孔中注漿體相互搭接以形成一道類似帷幕的防滲墻，以此截?cái)嗨?，從而達(dá)到防滲堵水的目的[12-15]。根據(jù)16020工作面突水機(jī)理分析有關(guān)結(jié)論，突水水源主要為渠里煤業(yè)采空區(qū)積水，透水通道為煤層頂板以上導(dǎo)水裂隙帶和砂巖含水層，具備進(jìn)行帷幕注漿堵水的基本條件，所以采用帷幕注漿封堵過(guò)水通道，切斷渠里煤業(yè)老空水進(jìn)入礦井。

3.1.1 探查注漿封堵

鉆孔布置：在工作面上、下巷各布置2個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔呈扇形布置，每組3～6個(gè)鉆孔，共布置18個(gè)鉆孔，含檢驗(yàn)鉆孔4個(gè)。因防隔水煤(巖)柱寬度計(jì)算為45.85m，為提高封堵效果，施工兩組鉆孔在工作面切眼西30m、50m形成2道帷幕。導(dǎo)水裂隙帶最大為58.3m，為確保對(duì)煤層頂板各砂巖層段的有效注漿，終孔位于煤層頂板以上50～70m。根據(jù)新安煤礦注漿漿液經(jīng)驗(yàn)擴(kuò)散半徑10～30m，相鄰鉆孔終孔間距取15～20m(平距)，避免出現(xiàn)探查盲區(qū)。檢查鉆孔平面間距取60～70m，檢驗(yàn)各含水層層段的注漿效果，施工鉆孔布置如圖2所示。

鉆孔結(jié)構(gòu)：鉆孔開(kāi)孔采用Φ133mm鉆頭鉆進(jìn)11m，下一級(jí)Φ127mm管徑套管10m，固結(jié)套管后采用Φ113mm鉆頭透孔鉆進(jìn)21m，下二級(jí)Φ108mm管徑套管20m，固結(jié)套管后透孔鉆進(jìn)至終孔，終孔孔徑不得大于75mm，施工鉆孔布置剖面如圖3所示。

圖2 16020工作面頂板帷幕注漿鉆探工程平面圖

圖3 16020工作面頂板帷幕注漿鉆探工程剖面圖

套管固結(jié)：預(yù)先固結(jié)兩級(jí)止水套管，兩級(jí)套管的接箍要錯(cuò)開(kāi)0.5m。固結(jié)套管后透孔至超過(guò)套管1～1.5m后試壓，一級(jí)套管2～3MPa，二級(jí)4MPa，清水穩(wěn)壓30min，孔四周不漏水為合格，否則進(jìn)行補(bǔ)漿，直至試壓合格。

注漿工藝：注漿材料選擇P.C 32.5R普通硅酸鹽水泥、粘土、粉煤灰等，由于粘土、粉煤灰粒徑小于水泥的粒徑，添加粉煤灰、粘土可提高漿液擴(kuò)散的距離。為確保注漿效果，并不對(duì)頂板巖層進(jìn)行破壞，注漿終壓取靜水壓力的2倍，即4MPa。漿液使用原則為先稀后稠，注漿前期先注混合漿或純水泥漿，漿液比重為1.12～1.2，若吃漿量大時(shí)(注漿噸水干料大于6t)，持續(xù)不升壓，增加漿液比重到1.33～1.35，待注漿壓力不小于3MPa時(shí)改用純水泥漿進(jìn)行注漿。井下鉆孔孔口壓力不小于4MPa且升壓較快時(shí)，將注漿管內(nèi)余漿注完，可結(jié)束地面注漿。鉆孔終孔、透孔后均要求采用井下注漿泵井下稠漿封孔，終孔壓力為4MPa，并穩(wěn)壓30min以上，結(jié)束注漿。

3.1.2 探查注漿封堵成果

為檢驗(yàn)注漿效果[16]，對(duì)大水量或大注漿量鉆孔注漿后進(jìn)行重新透孔檢查水量，設(shè)計(jì)透孔水量不得大于5m3/h，否則進(jìn)行再次注漿。該工程施工鉆孔18個(gè)，鉆探進(jìn)尺3070m，經(jīng)過(guò)探查在煤層頂板以上34～85m見(jiàn)水，水量在1.2～120m3/h，總水量為526.8m3/h，總注漿干料量8671.25t，噸水注干料為16.46t，各透孔檢查水量均小于5m3/h，注漿質(zhì)量較好。注漿封堵結(jié)束后，施工4個(gè)檢驗(yàn)鉆孔，檢驗(yàn)鉆孔水量均不大，打鉆注漿成果、鉆孔施工見(jiàn)水及注漿情況見(jiàn)表2。

表2 16020工作面頂板帷幕注漿成果表

3.2 工作面頂板帷幕注漿堵水效果

工作面進(jìn)行帷幕注漿期間，對(duì)工作面突水水量以及渠里煤業(yè)水位變化進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，編制工作面注漿量與渠里煤業(yè)水位、工作面涌水量變化曲線如圖4所示。

圖4 16020工作面注漿量與渠里煤業(yè)水位、工作面涌水量變化曲線

由圖4可知，8月15日，工作面涌水量開(kāi)始逐漸增大，渠里煤業(yè)水位由+272m逐漸下降，在9月15日，工作面水量達(dá)到峰值260m3/h時(shí)開(kāi)始進(jìn)行帷幕注漿，在9月28日，渠里煤業(yè)水位降低至最低拐點(diǎn)+246m，然后開(kāi)始上升，同時(shí)工作面涌水量急劇下降，注漿約4000t時(shí)，渠里煤業(yè)水位恢復(fù)至+262m，涌水量下降至20m3/h。為徹底治理剩余殘余水量，繼續(xù)進(jìn)行注漿，然后隨著注漿量的增加至8671.25t，渠里煤業(yè)水位維持在+258m不在變化，工作面涌水量不再變化。

根據(jù)注漿的情況分析，已封堵住渠里煤業(yè)老空水的過(guò)水通道，殘余水為工作面東部未受老空水補(bǔ)給的頂板砂巖水，至此頂板帷幕注漿堵水工程結(jié)束。隨后工作面繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中工作面水量保持在20～40m3/h，治理效果得到驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)水位、水質(zhì)和水溫分析快速準(zhǔn)確判斷頂板突水水源存在老空水補(bǔ)給是采取針對(duì)性頂板防治措施的前提條件。

2)通過(guò)煤層頂板地層、導(dǎo)水裂隙帶高度發(fā)育的分析，為選擇帷幕注漿鉆孔的終孔層位提供關(guān)鍵依據(jù)。

3)通過(guò)頂板帷幕注漿封堵過(guò)水通道，治水效果顯著，堵水率達(dá)到92.5%，成功地治理了工作面突水事故，確保了16020工作面安全回采。